一種新型區域熱/冷/水聯供系統

孫強 劉明生

哈爾濱工業大學市政環境工程學院

一種新型區域熱/冷/水聯供系統

孫強 劉明生

哈爾濱工業大學市政環境工程學院

本文闡述了一種新型的區域聯合供熱、供冷及供水的能源供應系統——城市大熱容水環系統，闡述了該系統高效直接地將建筑冷熱量移位互補利用的思想，闡述了該系統分級水處理的思想，闡述了該系統將區域供熱、供冷與供水三個管網的功能用一個大管網代替的管網形式，闡述了該系統用戶側分質供水的理念，即提供用戶直接飲用水、生活一般用水、生活熱水和雜用水，同時也闡述了該系統各子系統的組成、設計實施方案以及系統控制策略。

城市大熱容水環系統 分質供水 可再生能源

為了充分利用區域內的可再生及可回收利用能源，實現區域內建筑冷熱量之間的移位互補利用，從而減少化石能源的消耗[1]；降低水廠水處理費用，實現分質供水，合理利用區域水資源，滿足人們對飲用水不斷增長的需求[2]。本文提出了一種新型的區域熱、冷和水聯供系統——城市大熱容水環系統。本文首先詳細闡述了該系統區域分級水處理、區域內建筑冷熱量移位互補利用以及充分利用區域內可再生和可回收利用能源的主要思想；其次，闡述了該系統各子系統以及各子系統中主要部件的組成并闡述了區域分級水處理和區域內建筑冷熱量移位互補利用的具體實施方案；最后，闡述了系統運行控制策略。

1　城市大熱容水環系統的概述

城市大熱容水環系統是指將水廠的原水進行區域分級水處理，從而向區域用戶供應不同水質的水（包括直接飲用水、生活一般用水、生活熱水和雜用水），同時利用水源熱泵將管網中的水作為蓄熱和取熱的載體，輔以區域中常規能源以及可再生和可回收利用能源進行區域供熱供冷。該系統的思想主要包括區域分級水處理、區域內建筑冷熱量移位互補利用和充分利用區域中可再生和可回收利用能源。

區域分級水處理分為初級、中級和高級水處理（圖1），初級水處理在水廠處完成，中級和高級水處理在區域用戶處完成。初級水處理是原水在水廠處進行常規混凝、過濾和沉淀處理使其達到冷卻水水質標準，通過管道輸送給區域用戶，用于建筑沖廁用水，清洗路面、澆灌綠地用水以及作為區域用戶供冷供熱的冷熱源。中級水處理是將管道中經初級水處理的水在區域用戶處通過水處理設備進一步處理使其達到一般飲用水水質標準，一部分經加熱作為生活用熱水（用于洗澡等），一部分作為生活一般用水（用于洗滌等）。高級水處理是將經中級水處理的水在區域用戶處再深度處理，使其達到優質飲用水水質標準，作為直接飲用水。

圖1　區域分級水處理流程圖

區域中建筑冷熱量移位互補利用是指當區域中的建筑有不同的冷熱量需求時，需要用冷的建筑可以通過水源熱泵將熱量轉移到水中，再通過管道系統將熱量轉移給需要用熱的建筑；需要用熱的建筑提取水中的熱量，再將取熱后溫度降低的水通過管道系統供給需要用冷的建筑，從而實現區域建筑之間的冷熱量移位互補利用。

區域中可再生和可回收利用能源的利用是指該系統充分利用區域中的地表水作為區域供冷供熱的冷熱源，同時可以利用區域中可再生、可回收以及未利用能源（包括污水熱能，太陽能等）作為輔助供熱的熱源。

該系統的特點是：三源合一、三網合一、三用合一?！叭春弦弧笔侵冈撓到y充分利用區域中的高密度及低品位的水作為冷熱源，同時將區域中可再生及可回收利用能源和常規石化能源作為輔助能源；“三網合一”是指該系統利用一個大管網實現區域供熱、供冷和供水三種管網的功能，從而代替了區域供熱、供冷和供水三個市政管網；“三用合一”是指該系統可以滿足建筑內用戶用熱、用冷以及用水的需求。

2　系統組成及實施方案

城市大熱容水環系統中各子系統的組成，見圖2。在水廠處包括取水泄水系統和初級水處理系統；在系統管網處包括大熱容水環管網系統和蓄能系統；在用戶處包括中高級水處理系統、水源熱泵系統和輔助供冷供熱系統。

圖2　城市大熱容水環系統的子系統組成

城市大熱容水環系統各子系統的主要部件組成，見圖3。取水泄水系統主要包括取水水泵、蓄水池和泄水發電機等；初級水處理系統主要包括在水廠處進行混凝、過濾、沉淀的設備等；大熱容水環管網系統主要包括兩個管道（供水管和穩壓水管）、供水水泵和補水水泵、定壓裝置（如壓力罐）和泄壓控制閥門；蓄能系統包括蓄能水箱、壓差傳感器、蓄能水泵；中高級水處理系統包括中級和高級水處理設備；水源熱泵系統包括水源熱泵機組、供熱供冷控制閥門和水泵；輔助供冷供熱系統包括冷水機組、鍋爐、太陽能熱水系統和污水源熱泵系統等。

圖3　城市大熱容水環系統的示意圖

區域分級水處理的具體實施方案是利用取水水泵將河流湖泊等的地表水提升到城市水廠地面高度，在水廠處將地表水進行初級水處理（包括混凝、過濾和沉淀等），把水處理到換熱器進水的水質要求，達到冷卻水處理標準，利用供水水泵將經初級水處理的水輸送到區域用戶，作為用戶供冷和供熱的冷熱源以及用于對水質要求不高的場所如城市綠化、清洗路面以及建筑中衛生器具用水等；用戶側，利用中級水處理設備將管網中的水進一步處理到生活一般用水的水質要求，達到一般飲用水的水質標準，經中級水處理的水一部分經過水源熱泵機組提升水溫，升溫后的水利用管道直接輸送到用戶，作為生活熱水；再將經中級水處理的水通過高級水處理設備進行深度水處理，處理到直接飲用水的水質要求，達到優質飲用水水質標準，利用管道直接輸送到用戶，作為直接飲用水。

區域建筑冷熱量移位利用的具體實施方案是在水廠處通過管道輸送經初級水處理的水到區域用戶，大熱容系統管道由兩根管道組成，一根為供水管，另一根為穩壓水管。夏季供水管為空調用冷源，穩壓水管為空調用熱源；冬季供水管為空調用熱源，穩壓水管為空調用冷源。在用戶側，當用戶需要供冷時，需提取作為空調用冷源水管的水，經換熱后溫度升高的水排入到作為空調用熱源的水管中；當用戶需要供熱時，需提取作為空調用熱源水管的水，經換熱后溫度降低的水排入到作為空調用冷源的水管中。當某一管道在某一時間段內存在大量過剩的冷熱量時，可以將其儲存到蓄能水箱中，當管道中需要大量的冷熱量時，可以將蓄能水箱的水注入到相應的管道中。

3　系統控制

城市大熱容水環系統的控制包括管網水溫控制、用戶側輔助供熱供冷系統控制、管網壓差控制、蓄能控制和管網泄水控制。

城市大熱容水環系統的管網水溫要求控制在5～40℃之間。管網中水的水溫不應低于5℃，以免管網中水溫太低影響水源熱泵機組正常運行；同時要保持管網水溫不高于40℃，防止管道中細菌迅速滋生堵塞管道。

用戶側輔助供熱供冷系統控制與管網水溫以及用戶側負荷有關。當系統無法完全滿足用戶供熱需求時（如管道中水溫低于5℃或用戶側出現熱負荷高峰時段等），用戶側需開啟輔助供熱系統（如鍋爐，太陽能熱水系統，污水源熱泵系統等）；當系統無法完全滿足用戶供冷需求時（如管道中水溫高于40℃或用戶側出現冷負荷高峰時段等），用戶側需開啟輔助供冷系統（如冷水機組等）。

管網壓差控制主要包括供水水泵變頻控制和定壓裝置的水位控制。由于系統的供水管和穩壓水管都可以進行取水和注水，為了保證兩根管道之間的壓差最小，供水水泵宜采用變頻控制，從而根據各管段之間的壓差值確定供水水泵的運行參數。當穩壓水管的定壓裝置的水位達到最高水位的限定值時，需開啟泄壓控制閥門，將穩壓水管中的水泄到蓄水池中，從而降低定壓裝置的水位；當定壓裝置的水位低于最低水位的限定值時，需開啟補水水泵，將蓄水池的水注入到穩壓水管中，從而提高定壓裝置的水位。

蓄能控制包括蓄熱控制和蓄冷控制。當作為熱源的管道在某一時間段內存在大量過剩的熱量時，可以開啟蓄熱水箱的水泵，將管道中大量的剩余熱量儲存到蓄熱水箱中，作為某一時間段用熱高峰的補充熱源；當作為冷源的管道在某一時間段內存在大量的剩余冷量時，可以開啟蓄冷水箱的水泵，將管道中大量的剩余冷量儲存到蓄冷水箱中，作為某一時間段用冷高峰的補充冷源。

管網泄水需根據蓄水池水位進行控制，當蓄水池水位較高時，意味著穩壓水管道中的水量較大，存在大量的過剩能量，需要對蓄水池進行泄水。泄出的水可以排入到城市景觀池或用于園藝灌溉，道路灑水等[3]；如果城市地面與河流表面之間存在較大的高差，可以利用水輪機進行發電；也可以將水輪機與水泵同軸連接，利用水輪機帶到取水水泵取水[4]。

4　結論

城市大熱容水環系統是一種充分利用區域中可再生能源的新型城市市政管網系統，該管網系統將區域中的供熱、供冷、供水三個管網的功能用一個大管網來實現；用戶側實現分質供水，直接提供用戶飲用水、生活一般用水、生活熱水和雜用水；實現了高效直接的區域內建筑冷熱量移位互補利用。該系統可以充分利用區域內的可再生及可回收利用能源，簡化城市市政管網系統，同時也大幅度提高城市居民生活品質與安全。

[1]龍惟定,白瑋,梁浩,等.低碳城市的能源系統[J].暖通空調, 2009,39(8):79-84

[2]徐鶴,劉家宏,于莉君.我國分質供水的發展[J].水利水電技術, 2012,43(9):74～76.

[3]顧銘,馬宏權,王勇.江水源熱泵的技術關鍵與工程案例分析[J].建筑熱能通風空調,2010,29(4):38-42

[4]Jun Lu,Yunqing Fan,Jingna Song,et al.Application of hydro turbine pump in water source heat pump drainage gravitational potential energy recovery system[J].Indoor and Building Environment,2010,19(5):546-554

A New Typical Combined District Heating, Cooling and Water Supply System

SUN Qiang,LIU Ming-sheng
School of Municipal&Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology

A new typical energy supply system of combining district heating,cooling and water supply was introduced, which is named as urban heat capacity water looped system.The idea that energy is transferred between cooling and heating in buildings efficiently and directly,and the idea that water is treated by three levels,and the pipe network form of this system which replaces pipe networks of district heating,cooling and water supply,and the idea of dual water supply which supplies drinking water,tap water,hot water and non-drinking water,were presented.Finally,the subsystems of this system,design and implement plans and systematic control strategies,were introduced.

urban heat capacity water looped system,dual water supply,renewable energy resource

1003-0344（2015）06-043-3

2014-6-26

孫強（1985～），男，博士研究生；黑龍江省哈爾濱工業大學市政環境工程學院（150090）；E-mail:sunqiang1222@163.com

國家自然科學基金青年基金（51208160）；黑龍江省青年基金（QC2012C056）