基于自身特點的區域能源系統設計

蘇奪

（華東建筑設計研究院有限公司，上海200002）

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基于自身特點的區域能源系統設計

蘇奪

（華東建筑設計研究院有限公司，上海200002）

摘要：分析區域能源系統的主要技術措施及其對不同區域能源系統的適用性，介紹基于區域能源系統特點的節能技術及其使用條件及解決方案，提及區域能源系統需要關注及促進的發展方向。

關鍵詞：區域能源系統； 分布式能源系統； 熱泵技術； 水泵分散方式輸送系統；智能化自動控制系統

0　引言

區域能源系統將能源生產系統集中設置于各個用能建筑之外，與將其設置于各個用能建筑之內的常規建筑能源系統相比，能源輸送距離增大，這是其最為明顯的特點之一。在能源生產方面，可以利用常規建筑能源系統難以普遍利用的高效設備及系統形式，使能源生產能耗降低，這是區域能源系統不容忽視的特點之一。

不同的區域能源系統工程的供冷供熱需求會有所不同，如僅需供冷、僅需供熱、需冷熱同供、需冷熱兼供等；能源資源會有所不同，如具有廢熱資源、水體資源等；能源政策也會有所不同，如分時電價政策、燃氣補貼政策、燃氣分布式能源系統補貼政策等。不同的區域能源系統工程應分析并依據自身的供能需求、能源資源、能源政策等方面的特點，在其能源的生產系統、輸送系統、利用系統、控制系統等各個環節選擇適合的技術，進而構建安全可靠、經濟節能的區域能源系統。

1　生產系統

區域能源，通常指區域內進行生產、生活所需要的冷、熱、電、氣等能源。由于電力、燃氣行業的特點，目前區域能源系統往往僅指區域的供冷供熱系統。近來，部分地方出臺了分布式能源系統的鼓勵政策、展開了電力體制改革的試點工作，電力的生產與利用將會在區域能源系統中出現嶄新的局面。

1.1制熱技術

區域供熱系統具有較長的應用歷史，但其制熱技術多為基于利用煤炭、燃氣等一次能源的鍋爐技術或發電余熱利用技術。為充分利用可再生能源及廢熱資源，熱泵技術逐漸引起重視，并已有所應用。

熱泵技術以空氣、土壤、水體、發電廢熱、工藝廢熱、甚至制冷過程中需要排放的冷凝廢熱等作為低溫熱源，從其中提取熱量，以實現對可再生能源及廢熱資源的利用。與電力驅動壓縮式熱泵技術利用電力作為驅動能源不同，熱源驅動吸收式熱泵制熱技術甚至可以利用高溫廢熱作為驅動能源。

不同熱泵技術的制熱效率各不相同，且會隨低溫熱源溫度的變化而變化，而可再生能源的溫度往往是不斷變化的，在選擇熱泵技術時應關注整個運行周期內的運行能耗。不同熱泵技術的制熱溫度也各不相同，往往受限于低溫熱源的溫度，而為滿足一定的制熱溫度的要求，可以將不同熱泵技術進行組合，如空氣源熱泵與水源熱泵結合。

熱泵技術并不排斥與其它制熱技術的結合，多種制熱技術的綜合利用不但可以發揮各種制熱技術的各自特點，也可以通過利用多種能源而降低制熱系統對單一能源的依賴。制冷系統亦然。

1.2制冷技術

制冷技術與制熱技術不是孤立的、對立的，而是相容的、共生的，制冷過程中需要排放的冷凝廢熱可以用于制熱技術，兩者的結合可以提高能源生產效率、設備利用效率。

整個運行周期內，制冷與制熱的最大、瞬時、累積需求并不匹配，這使得制冷與制熱系統的設備容量及運行狀態、運行時間不能匹配。據此，與制熱系統需分析設置僅具制熱功能的設備的合理性一樣，在存在制冷制熱兼顧設備的情況下，也應分析設置僅具制冷功能的設備的合理性。

電力可從風能、太陽能等可再生能源中獲得，利用電力制冷可實現制冷系統對可再生能源的利用，且電力驅動壓縮式冷水機組的制冷效率明顯高于熱源驅動吸收式冷水機組，所以對于熱源的應用不應僅限于將其直接用于制冷制熱，也應考慮其發電能力。當熱源為發電余熱蒸汽時，應結合余熱蒸汽的發電效率等因素，與電力驅動壓縮式冷水機組進行比較分析；當熱源為燃氣時，應與燃氣發電分布式能源系統進行比較分析。制熱系統亦然。

1.3發電技術

相比于風能、太陽能、地熱能、生物質能發電等分布式能源系統，燃氣發電分布式能源系統因為區域內往往具有燃氣資源、具有供電供冷供熱需求而更適合于區域能源系統。燃氣發電所生產的電力可以用于制冷制熱，此時對燃氣的利用效率明顯高于燃氣鍋爐或吸收式冷熱水機組；燃氣發電所產生的電力也可以通過電力并網上網技術用于電網的整體電力需求，隨著電力體制改革的推進，甚至可以用于電網的具體電力需求。

不同燃氣發電技術的發電效率各不相同，廢熱形式也各不相同，而不同廢熱形式的廢熱利用效率又各不相同，如煙氣型、蒸汽型、熱水型吸收式冷水機組的制冷效率明顯不同。值得注意的是，在能源價格、系統投資、能源利用效率等較為明確的情況下，系統利用效率尤為重要。燃氣發電分布式能源系統應以區域能源系統的供能需求的特點為基礎，進行技術及容量的確定，進而實現燃氣發電分布式能源系統的系統利用效率，盡管這一系統的確定會因燃氣發電用于制冷制熱與否而有所不同。

區域能源系統的運行過程中，制冷制熱系統的流量及溫度會隨供冷供熱需求不斷變化，為提高燃氣發電分布式能源系統的廢熱利用效率及保證供能品質，可以采取變流量運行方式、與其它能源設備串聯運行、直接利用回水的接管方式等技術措施。當供冷供熱需求變化至低于燃氣發電分布式能源系統容量時，通過與蓄能技術結合，可以避免系統停止運行或部分負荷工況運行，進而提高燃氣發電分布式能源系統的系統利用效率及能源利用效率。

1.4蓄能技術

蓄冷技術及蓄熱技術是已經廣泛應用的蓄能技術。就市政電力而言，通過降低峰谷時段電力需求差異，蓄能技術可以降低電力生產系統與輸送系統的設備容量，提高其設備利用效率及能源利用效率。就區域能源系統而言，通過制冷制熱系統的連續運行，蓄冷技術及蓄熱技術可以降低制冷制熱系統的設備容量，提高其設備利用效率、甚至其能源利用效率，也可以降低電力等驅動能源的設備容量，結合驅動能源的能源價格及補貼政策可以取得一定的經濟效益。

蓄冷技術及蓄熱技術形式眾多，其中蓄冰系統及蓄水系統的應用較為普遍且各具特點，如蓄冰系統需要相對較小的空間、蓄水系統可以實現蓄冷蓄熱等。不同的區域能源系統工程應結合自身的供冷供熱需求、機房空間條件等特點進行分析選擇。

蓄電技術發展迅速，隨著利用清潔能源及可再生能源發電技術的應用與推廣而更加引起關注。蓄電技術可用于區域供冷供熱系統，更適用于區域供電系統，隨著電力體制改革的推進，區域能源系統應考慮區域供電系統及蓄電技術的應用。

2　輸送系統

制取高溫冷、低溫熱，可以提高制冷制熱效率，但會減小用能建筑能源利用系統中空調末端設備的換熱盤管與室內之間的換熱溫差，甚至于會制約一些空調系統形式的應用；如果進而需要減小能源輸送系統的輸送溫差，則需增大能源輸送系統的輸送流量。

2.1散熱能耗

散熱損失所引起的散熱能耗取決于系統的傳熱溫差、傳熱系數、管道管徑、管道長度以及傳熱時間等因素，也取決于能源生產效率、能源輸送效率。

高溫供冷、低溫供熱，可以降低散熱損失、提高生產效率，進而降低散熱能耗。對于目前常規的供冷供熱溫度，供冷系統的傳熱溫差低于供熱系統，電力驅動壓縮式制冷技術的能源生產效率高于電力驅動壓縮式制熱技術，設計工況下的供熱系統的單位供能的散熱能耗高于供冷系統。

值得注意的是，設計工況下的單位供能的散熱能耗并不能反映散熱能耗的全貌，散熱能耗的分析應基于整個運行周期。這主要因為，整個運行周期內，系統的傳熱時間不同于生產系統、輸送系統的運行時間；散熱損失相對穩定而瞬時供能、生產效率、輸送效率均實時變化。

2.2輸送能耗

輸送能耗，通常反映為能源輸送系統水泵的能耗，提高水泵效率以及減小水泵的流量需求、揚程需求均可降低輸送能耗。同于散熱能耗的分析，區域能源系統的運行過程中，輸送溫差相對穩定，輸送阻力不斷變化且往往低于設計工況下的輸送阻力，設計工況下的單位供能的輸送能耗并不能反映輸送能耗的全貌。

變流量運行技術可以避免輸送系統流量旁通、動態平衡技術可以避免輸送系統發生流量過流，這些技術措施可以減小能源輸送系統的流量需求，使能源輸送系統的流量需求與能源利用系統的流量需求趨于一致，而增大能源輸送系統的輸送溫差可以減小能源利用系統的流量需求。輸送系統的輸送溫差受限于能源生產系統及能源利用系統的出水溫度，增大兩者之間的溫差有利于增大輸送溫差，而為滿足能源生產系統及能源利用系統進水溫度的要求，必要時可以采取混水措施或換熱措施。

區域能源系統通常通過換熱系統與用能建筑能源系統結合，取消換熱系統，可以降低區域能源輸送系統水泵的揚程需求，也可以降低用能建筑能源輸送系統水泵的揚程需求。能源輸送系統水泵的設置方式不同，揚程需求各不相同，相比于水泵集中設于能源生產系統處的集中方式，水泵分散設于能源利用系統處的分散方式的總體揚程需求明顯減小。值得注意的是，無論分散方式、集中方式、亦或兩者結合，都須保證系統壓力不低于具體要求，這會限制分散方式在一些系統形式中的應用。

3　利用系統

區域能源系統為各個用能建筑提供能源，是各個用能建筑的公共資源，其所提供的能源應該具有一定的普適性、兼容性。各個用能建筑從區域能源系統中利用能源，是區域能源系統的具體需求，其所需要的能源可能具有一定的特殊性、甚至排他性。

如前所述，取消換熱系統的直供方式，節能效果明顯，但換熱系統不僅用于滿足溫度需求，也通常用于滿足隔質需求、斷壓需求，在某種程度上，直供方式的采用與否也取決于用能建筑能源系統與區域能源系統之間的水質及水壓的相互影響。然而，無論直供方式的采用與否，其間的溫度的相互影響是必然存在的，某個用能建筑能源系統的大流量小溫差的運行狀態會導致整個區域能源系統處于大流量小溫差的運行狀態，這不但會增加區域能源系統的運行能耗，而且可能會使區域能源系統無法滿足其它用能建筑的需求。

用能建筑可以采用多種能源利用系統形式，風機盤管系統、全空氣定風量系統、全空氣變風量系統等，共性的存在使區域能源系統的普適性和兼容性成為可能，個性的存在可以使區域能源系統與用能建筑能源系統更好地結合。充分利用區域能源系統的輸送溫差的特性，如區域能源系統的輸送溫差往往大于常規建筑能源系統的輸送溫差，而用能建筑能源利用系統通過采用大溫差型空調末端設備，可以降低用能建筑能源輸送系統的能耗；充分利用區域能源系統的供水溫度的特性，如采用蓄冰系統的區域能源系統可以提供較低溫度的供水，而用能建筑能源利用系統的低溫送風系統形式需要較低溫度的供水，可以降低用能建筑能源利用系統的能耗；充分利用用能建筑能源利用系統的回水溫度的特性，如輻射供冷系統的回水溫度明顯高于其它空調系統形式，而區域能源輸送系統的回水溫度的提高、輸送溫差的增大，可以降低區域能源系統的能耗。

不僅如此，全面分析區域內用能建筑的供冷供熱需求的特點，如數據機房類建筑因設備散熱需求而需要常年供冷、酒店類建筑因生活熱水需求而需要常年供熱，可以實現區域內的不同用能建筑之間的供冷供熱需求的互補、充分發揮區域能源系統的優勢。當然，這種區域內的能源綜合利用不僅限于不同用能建筑之間，也不僅限于利用免費供冷無法滿足的供冷需求時，在具有一定的經濟效益及節能效果的前提下，應充分考慮利用用冷需求作為制熱系統的低溫熱源。

4　控制系統

區域能源系統的自動控制系統應用于區域能源系統能源的生產、輸送、利用等各個環節之中及之間，使各個環節結合成為一個整體，是區域能源系統的重要組成部分。

4.1安全可靠

區域能源系統往往可能采用常規建筑能源系統中較少應用的系統或設備，對于這些系統或設備，自動控制系統應予以足夠重視。如燃氣發電分布式能源系統，內燃發電機組的廢熱為煙氣及熱水，雖然利用其熱水進行制冷制熱是能源生產系統的一部分，但是這種利用應以保證發電機組的正常運行為前提。

區域內各個用能建筑的能源系統往往各自具有不同的特點，對于可能影響區域能源系統及其它用能建筑能源系統可靠運行的因素，自動控制系統需考慮采取必要的措施。如前所述的可能造成的大流量小溫差的影響，區域能源輸送系統可以以各個用能建筑處的回水溫度作為反饋信號限制輸送給各個用能建筑的流量。

4.2優化控制

不同的運行控制策略，系統或設備的運行能耗有所不同。以水泵的變頻運行控制為例，同一換熱系統內的多臺換熱設備同時開啟或以其調節閥門的開度為反饋信號均可以降低區域能源輸送系統水泵的揚程需求；如果以用能建筑能源系統的供水溫度為反饋信號，取消調節閥門，也可以降低分散方式輸送系統水泵的揚程需求。

不同的運行控制策略，系統或設備的設置形式需有不同。以分散設置方式的水泵的變頻運行控制為例，以換熱系統的前后壓差或以調節閥門的開度為反饋信號時，換熱系統與水泵可采用并串聯系統形式，即水泵及換熱系統各自并聯后形成的兩個并聯組合串聯；以換熱系統的用能建筑能源系統的供水溫度為反饋信號時，換熱系統與水泵應采用串并聯系統形式，即換熱系統與對應水泵串聯后形成的多個串聯組合并聯。

4.3智能運行

對于相同的系統及設備，自動控制系統應進行運行數量選擇控制。以集中方式輸送系統的變頻運行的水泵為例，不同的運行臺數，水泵的總體能耗各不相同，根據常規建筑能源系統通常采用的“大于需求的最小供給”原則所確定的水泵運行臺數往往不是最節能的選擇。同樣地，變頻運行的區域能源生產系統水泵、不同流量工況下制冷制熱效率不同的同類型制冷制熱設備，亦是如此。

對于不同的系統及設備，自動控制系統應進行運行類型選擇控制。如不同制冷制熱技術的運行能耗、運行成本各不相同，應重視不同技術之間的差異、關聯，進而實現不同技術之間的實時的比例分配，使系統運行于經濟節能的最佳狀態。值得注意的是，多個區域能源系統可以形成基于能源輸送網絡及自動控制網絡的整體區域能源系統，自動控制系統也應實現對具體區域能源系統的選擇。

5　結語

較之建筑能源系統，區域能源系統的運行節能更為重要、相關技術更為廣泛、能源政策影響更大，在自控技術、能源技術、能源價格等方面更應與時俱進。區域能源系統應分析自身的能源資源、供能需求、能源價格等方面的特點，并予以充分利用。區域能源系統是清潔能源、節能技術得以廣泛應用的有效途徑，區域能源事業的健康發展有利于推進節能減排工作的順利實施。

修回日期：2016-03-28

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.016

中圖分類號：TU831

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0072-04

作者簡介：蘇奪（1970-），男，遼寧人，碩士，高級工程師，主要從事建筑空調系統及區域能源系統的設計工作。

收稿日期：2015-07-22

Design of DES Based on its Features

SU Duo

（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Abstract：Analyzed the main methods of DES and their applicability to different DES，introduced some energy-saving technologies based on the features of DES and the conditions and solutions of its application，mentioned the development directions of DES that need to be focused on and promoted.

Key words：DES； CCHP； heat pump； distributed pumps system； intelligent control systems