廖興中

（華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510640）

0 引言

深圳市某旅游景區(qū)區(qū)域擬進(jìn)行拆遷重建，計(jì)劃融合現(xiàn)有景觀及旅游資源，構(gòu)建發(fā)展軸線，融合旅游、生活、文化的現(xiàn)代風(fēng)貌特質(zhì)，形成環(huán)境優(yōu)美、形象鮮明的高品質(zhì)濱海度假區(qū)。根據(jù)片區(qū)發(fā)展需求，需建設(shè)集中供冷及供熱項(xiàng)目，提供集中供冷、供熱和生活熱水等綜合能源。

區(qū)域供冷供熱供生活熱水系統(tǒng)，是由一個(gè)集中的供冷（供熱）站提供一定的冷（熱）量，供應(yīng)一個(gè)較大范圍內(nèi)用戶需求的系統(tǒng)。該系統(tǒng)規(guī)模大，覆蓋范圍廣，參差能力強(qiáng)，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、管理方便，用戶末端獨(dú)立計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)[1]。本項(xiàng)目在區(qū)域能源設(shè)計(jì)方面需要解決以下需求及問(wèn)題。

（1）安全性，可靠性。本項(xiàng)目有旅游高端酒店、動(dòng)物園/水族館等高可靠性需求用戶，隨意的中斷供冷將對(duì)用戶造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此本項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)必須以安全可靠作為首要原則。

（2）能源需求多樣化。區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在冷熱需求，其中熱源需求有生活熱水及空調(diào)熱水的需求。

（3）經(jīng)濟(jì)性及高效節(jié)能需求。集中供冷供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)須綜合考慮影響初期投資及運(yùn)行成本的各種因素，詳盡研究系統(tǒng)的電力費(fèi)用、峰谷電價(jià)結(jié)構(gòu)及設(shè)備初期投資等因素，考慮設(shè)置蓄冷、儲(chǔ)熱等設(shè)備，利用低谷電價(jià)儲(chǔ)能，峰值電價(jià)放能，以期達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益，在降低初期投資的同時(shí)節(jié)約更多的運(yùn)行成本，轉(zhuǎn)移更多的高峰用電量。

項(xiàng)目以全年綜合運(yùn)行能效為目標(biāo)制定設(shè)計(jì)方案及運(yùn)行策略，針對(duì)不同的運(yùn)行工況，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，須依據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷的需求確定系統(tǒng)選型，盡可能地減少各種設(shè)備的裝機(jī)容量，改善主機(jī)工作條件，提高主機(jī)效率，盡量減少系統(tǒng)的能耗。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目調(diào)研及方案比選，本文對(duì)項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)及技術(shù)措施進(jìn)行介紹，為類(lèi)似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 主要工藝方案概述

本項(xiàng)目分為兩期建設(shè)，區(qū)域能源站系統(tǒng)考慮分期安裝，根據(jù)末端用戶開(kāi)發(fā)情況分二期安裝制冷設(shè)備，在制冷機(jī)房?jī)?nèi)預(yù)留相應(yīng)的設(shè)備吊裝孔、設(shè)備通道及安裝空間。

制冷工藝?yán)蒙钲诘貐^(qū)峰谷電價(jià)差采用冰蓄冷系統(tǒng)，雙工況制冷機(jī)組與冰蓄冷系統(tǒng)串聯(lián)，制冷機(jī)組位于上游，利于降低制冷機(jī)組能耗?？紤]到供冷區(qū)域內(nèi)酒店、商務(wù)的夜間低負(fù)荷需求，設(shè)基載電制冷機(jī)組。由于項(xiàng)目供冷范圍不大，各支路用戶阻力較為平衡，冷凍水系統(tǒng)采用一級(jí)泵變頻系統(tǒng)。冰蓄冷系統(tǒng)選擇主機(jī)上游的內(nèi)融冰冰蓄冷方案，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是從用戶流出的回水會(huì)順序流經(jīng)兩個(gè)冷源進(jìn)行換熱，可以得到較大的溫差變化，并且可以提高冷機(jī)運(yùn)行效率[2]。

制熱工藝配置空氣源熱泵及水源熱泵，水源熱泵利用制冷系統(tǒng)冷凍水作為熱源制熱；為滿足生活熱水高溫要求，設(shè)置蓄熱鍋爐。熱水及生活熱水系統(tǒng)采用一級(jí)泵變頻系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目考慮到動(dòng)物園/水族館、酒店等高可靠性用戶，參考數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的可靠性要求，結(jié)合本項(xiàng)目的技術(shù)方案采取以下技術(shù)措施。

（1）多臺(tái)冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、鍋爐、熱泵等關(guān)鍵制冷制熱部件互為備用。

（2）考慮采用冰蓄冷裝置，利用雙工況機(jī)組蓄冷，作為冷水的備用。

（3）電鍋爐采用蓄熱裝置，作為供熱熱水的備用。

（4）冷卻水管路設(shè)置兩路冷卻水供回水主管供至屋頂冷卻塔，冷卻塔分組聯(lián)通。

（5）對(duì)于高可靠性用戶（如動(dòng)物園/水族館等）的冷凍水輸配主干管為多路出管、環(huán)狀布置，當(dāng)其中一對(duì)管道發(fā)生故障時(shí)，另外一對(duì)管道可以通過(guò)加大流速，保障基本用冷需求。

（6）本工程分別由不同的市政110kV 變電站各引一路獨(dú)立的10kV 電源至中壓開(kāi)閉所（一期先引一路，二期再引另外一路），兩路電源同時(shí)工作，互為備用，組成雙電源滿足一級(jí)負(fù)荷的供電可靠性要求。

（7）高可靠性需求用戶側(cè)設(shè)置應(yīng)急冷熱水池，在能源站及管網(wǎng)都故障的極端情況下，為用戶提供暫時(shí)的應(yīng)急冷熱源。

3 項(xiàng)目高效蓄能技術(shù)設(shè)計(jì)方案

為達(dá)到本項(xiàng)目高效蓄冷機(jī)房的設(shè)計(jì)目標(biāo)，供能系統(tǒng)的綜合能效值EER 需要盡可能提高。為實(shí)現(xiàn)本技術(shù)理念，需要結(jié)合冰蓄冷技術(shù)及高效機(jī)房技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)的深化研究設(shè)計(jì)，通過(guò)整合常規(guī)電制冷機(jī)房高效機(jī)房的理念進(jìn)入以冰蓄冷方案為主的集中供冷系統(tǒng)，為整個(gè)項(xiàng)目提供能效提高的理念。主要的技術(shù)措施如下。

（1）全運(yùn)營(yíng)周期的負(fù)荷需求預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)高效機(jī)房采用空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及分析軟件對(duì)建筑物全年冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算分析，得出全年空調(diào)冷負(fù)荷，依此作為全年冷負(fù)荷作為冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔選型的重要依據(jù)。本項(xiàng)目為區(qū)域能源項(xiàng)目，還需要對(duì)區(qū)域能源系統(tǒng)進(jìn)行整個(gè)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的能源需求概率分析，而不僅是在達(dá)產(chǎn)年進(jìn)行各負(fù)荷段的分析。

（2）主機(jī)能效比選。通過(guò)對(duì)各廠家提供的不同裝機(jī)容量及型號(hào)的主機(jī)性能曲線進(jìn)行擬合后，根據(jù)算得的負(fù)荷，進(jìn)行全年能效匹配，選取各廠家各自的最佳匹配性能設(shè)備。本項(xiàng)目雙工況冷水機(jī)組及基載主機(jī)都選擇變頻機(jī)組。

（3）冷卻塔選型優(yōu)化。結(jié)合冷水機(jī)組效率、冷卻泵效率，進(jìn)行不同冷卻水溫度、不同的冷卻水溫差進(jìn)行比較，確定冷卻水的進(jìn)出水溫度、溫差。本項(xiàng)目根據(jù)室外屋頂可利用面積及通風(fēng)條件，優(yōu)化冷卻塔選型后，確定冷卻水的供回水溫度為31/36℃（白天工況）及30/34℃（夜間蓄冷工況）。冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻，并配置永磁變頻電機(jī)，提高運(yùn)行能效。

（4）管路優(yōu)化。通過(guò)減少或選用低阻力管件、閥門(mén)設(shè)備，優(yōu)化三通、彎頭等阻力件，降低系統(tǒng)壓力損失，減少不必要的輸送能耗。經(jīng)過(guò)調(diào)研及計(jì)算整理不同過(guò)濾器技術(shù)參數(shù)如表1 所示，項(xiàng)目選用角過(guò)濾器阻力小于Y 型過(guò)濾器+彎頭，而且節(jié)約接管空間，又對(duì)轉(zhuǎn)彎后的流體進(jìn)行導(dǎo)流，使得流體均勻地進(jìn)入水泵，改善泵的工作狀況。

表1 不同品牌過(guò)濾器技術(shù)規(guī)格對(duì)比

冷水機(jī)房?jī)?nèi)的管道采用低流速，水泵揚(yáng)程可以減少8%左右[3]。結(jié)合類(lèi)似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目主機(jī)管道按流速≤1.5m/s 設(shè)計(jì)，低阻配置主機(jī)等設(shè)備進(jìn)出水管徑。冷卻塔總管管徑控制接冷卻塔總管流速≤1m/s，有利于解決多臺(tái)冷卻塔分水均衡。站外市政管網(wǎng)，管網(wǎng)流速最大不超過(guò)2.9m/s[4]，同時(shí)項(xiàng)目比摩阻控制在30～90Pa/m。

（5）水泵選型優(yōu)化。運(yùn)用相關(guān)水力模擬軟件，模擬管路特性和水泵，校驗(yàn)水泵的選型結(jié)果，并結(jié)合負(fù)荷變化，計(jì)算出水泵全年平均能效，通過(guò)比較全年平均能效，確定最佳型號(hào)。

（6）系統(tǒng)優(yōu)化控制。運(yùn)用上述選型和設(shè)備的性能數(shù)據(jù)，分析并尋找設(shè)備間的組合運(yùn)行最優(yōu)工況點(diǎn)，確定各設(shè)備和系統(tǒng)可以采用哪些穩(wěn)定的節(jié)能運(yùn)行策略。

經(jīng)過(guò)以上各技術(shù)措施的優(yōu)化組合，根據(jù)全年計(jì)算逐時(shí)負(fù)荷、當(dāng)?shù)氐湫湍隁庀?、用能設(shè)備運(yùn)行能效等前期研究數(shù)據(jù)，推導(dǎo)基本運(yùn)行策略表，然后將基本策略臺(tái)數(shù)寫(xiě)入逐時(shí)負(fù)荷表，求出此策略下對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率，通過(guò)對(duì)主機(jī)各個(gè)冷卻水溫度下的曲線進(jìn)行自動(dòng)調(diào)用，求出對(duì)應(yīng)負(fù)荷率下的各主機(jī)能耗。經(jīng)過(guò)前述的室外氣候條件、用能設(shè)備能效情況、運(yùn)行策略表等情況，得到制冷系統(tǒng)的全年能效前期計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)如表2 所示。根據(jù)前期設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的制冷系統(tǒng)能效計(jì)算為3.58 左右。在實(shí)際建設(shè)及運(yùn)行時(shí)，需要盡量采購(gòu)高效的制冷設(shè)備，優(yōu)化運(yùn)行控制策略，以便實(shí)現(xiàn)更高的全年綜合能效比。

表2 制冷系統(tǒng)全年計(jì)算平均能效統(tǒng)計(jì)

4 項(xiàng)目制熱設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目以供冷為主、供熱負(fù)荷小，且無(wú)法利用熱泵或其他方式提供不低于65℃的供熱熱源，可以利用低谷電進(jìn)行蓄熱的方案，其中電鍋爐不在用電高峰和平段時(shí)間啟用[5]。為充分利用夜間低谷電價(jià)及可再生能源，提出冷凍水熱回收結(jié)合空氣源熱泵、電蓄熱鍋爐的制熱方案。其中空氣源熱泵及水源熱泵主要提供空調(diào)熱水負(fù)荷（設(shè)計(jì)供回水溫度45/55℃）以及生活熱水的預(yù)熱（設(shè)計(jì)供回水溫度≤65℃），電蓄熱鍋爐主要利用夜間低谷電進(jìn)行蓄熱，利用蓄熱熱源把系統(tǒng)回水或生活預(yù)熱熱水進(jìn)一步加熱，達(dá)到設(shè)計(jì)的生活熱水供水溫度65℃，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用并降低冷卻水溫度，提高冷水機(jī)組運(yùn)行效率的設(shè)計(jì)目標(biāo)，制熱工藝系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 制熱工藝系統(tǒng)流程

結(jié)合以上方案，根據(jù)不同負(fù)荷率及其出現(xiàn)時(shí)間的特點(diǎn)，該供熱系統(tǒng)可以至少實(shí)現(xiàn)以下3 個(gè)運(yùn)行工況之一或互相組合工況。

（1）工況一。熱泵獨(dú)立供熱。當(dāng)氣候條件適宜，使用空氣源熱泵及水源熱泵獨(dú)立供熱，此時(shí)空氣源熱泵承擔(dān)全部空調(diào)熱負(fù)荷需求，水源熱泵承擔(dān)生活熱水負(fù)荷。

（2）工況二。鍋爐獨(dú)立供熱。當(dāng)氣候條件不適宜開(kāi)啟空氣源熱泵及水源熱泵，或開(kāi)啟后效率及供水溫度無(wú)法滿足要求時(shí)，可使用蓄熱水罐直接供應(yīng)熱水。

（3）工況三。熱泵與鍋爐串聯(lián)供熱。為降低熱泵出水溫度，提升熱泵效率，同時(shí)利用蓄能電價(jià)蓄熱，可將熱泵與鍋爐串聯(lián)供熱，熱泵上游出低溫?zé)崴ǎ?5℃），鍋爐及蓄熱水罐下游出高溫?zé)崴?5℃）。

5 結(jié)論

（1）深圳地區(qū)同時(shí)有供冷供熱需求的集中供冷項(xiàng)目，可以采用冰蓄冷、冷凍水熱回收、空氣源熱泵、電蓄熱鍋爐等多能互補(bǔ)技術(shù)的系統(tǒng)形式進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的可靠性、節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性。

（2）結(jié)合冰蓄冷技術(shù)及高效機(jī)房技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)的深化研究設(shè)計(jì)，通過(guò)整合常規(guī)電制冷機(jī)房高效機(jī)房的理念進(jìn)入冰蓄冷系統(tǒng)，配置冷凍水熱回收技術(shù)，可以提高冰蓄冷系統(tǒng)的全年綜合能效比。

（3）集中供冷項(xiàng)目同時(shí)有供熱需求，當(dāng)以供冷為主，供熱負(fù)荷小并且有不同溫度品質(zhì)的熱水需求時(shí)，可結(jié)合冷凍水熱回收的水源熱泵等熱回收技術(shù)，以及空氣源熱泵等可再生能源提供溫度配置較低的熱水，然后利用低谷電進(jìn)行蓄熱接力加熱溫度較高的熱水的技術(shù)，提高供冷能效的同時(shí)提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。