上海中心冷熱電三聯供系統深化設計探討

周啟金 馬 飛 黃振軍

上海中心冷熱電三聯供系統深化設計探討

周啟金 馬 飛 黃振軍

1 背景

上海中心總高度632 m，地上127層，地下5層，總建筑面積57.6萬m2，已于2016年3月竣工，是我國首座同時獲得“綠色三星”與LEED金級認證的超高層建筑，綜合采用了43項綠色建筑適用技術。其中利用天然氣分布式能源系統實現冷、熱、電三聯供，使得清潔能源和綠色建筑得到良好融合，不但有利于上海中心能源的綜合利用，也對合理利用資源、發展生態經濟有著積極意義。

本三聯供系統主要滿足上海中心低區的基礎冷負荷及熱負荷，包括餐飲、娛樂等房間的冷熱負荷，滿足供冷工況運行3 920 h以上，供熱工況運行1 440 h以上，總運行時間約5 360 h。預計每年可供冷3.1萬GJ、熱1.67萬GJ、供電1 236萬kWh，每年可節約標煤1 890 t，減少二氧化碳排放4 855 t，減少二氧化硫排放38 t，節能率達到33%[1]。

2 系統配置

上海中心冷熱電三聯供項目主機房位于地下2層能源中心內，主廠房占地面積約365 m2。主機房東側為整棟大樓的空調水泵房；南側為分布式能源項目配套的燃氣計量站、配電間、控制室；西側為逃生通道，與樓梯間直接相連；四周通過混凝土墻與地下2層其它公共建筑分割，作為統一防火分區。

采用兩臺德國MTU 4000系列燃氣內燃機作為三聯供系統的原動機，每臺燃氣內燃機的發電量為1 165 kW，所發電量以“并網不上網”的原則并入大廈內部電網。燃氣內燃機發電時產生的高溫煙氣（441℃）和高溫缸套水（90℃）分別經過煙氣換熱器和板式換熱器與二次側的熱水進行熱交換。二次側的熱水（75℃/95℃）先經過機組換熱器加熱至85.7℃，然后通過煙氣換熱器加熱至95℃。

夏季二次側的熱水作為熱水型溴化鋰吸收式制冷機的熱源，用于空調供冷，每臺熱水型溴化鋰吸收式制冷機的制冷量為1 047 kW，其冷凍水供/回水溫度為6℃/13.5℃，冷卻水進/出水溫度為32℃/37.5℃。冬季通過供熱換熱器進行熱交換后用于空調供暖，每套供熱板換的換熱量為1 396 kW，供熱熱水供/回水溫度為60℃/45℃，系統原理圖詳見圖1。

3 分系統深化設計

冷熱電三聯供系統是一個包含多種能源結構的綜合性系統，設計工作涵蓋面廣，包括了暖通、動力、給排水、電氣和自控等各專業的分項設計，具有系統集成度高、安全要求高的特點。按照系統結構及專業不同，可劃分為燃氣供應系統、電力并網系統、供冷/供熱系統、通風系統、排氣系統和減震降噪系統，各分系統在深化設計時均應符合相關標準規范的要求，同時滿足上海中心的總體設計思路，與常規空調系統、鍋爐系統和電力系統緊密結合。

3.1 燃氣供應系統

本系統的天然氣管道接自上海中心天然氣總管，引入0.4 MPa的中壓天然氣引接專線作為主要來源，從上海中心天然氣母管上引接DN 100支線為三聯供系統提供氣源，通過調壓站將天然氣壓力降為0.1 MPa，然后進入三聯供主機房，依次經過緊急切斷閥、燃氣過濾器、減壓零壓閥后接入內燃機進氣管。同時，在主機房內設置可燃氣體報警探測器，與事故通風系統和燃氣緊急切斷閥聯動。

圖1 上海中心冷熱電三聯供系統原理圖

考慮到消防安全問題，發電機組外圍采用隔聲罩與主機房隔離，并使用單獨的通風系統，同時在隔聲罩內采用七氟丙烷滅火系統，以確保系統的安全性。

3.2 電力并網系統

燃氣內燃發電機組單機容量為1 165 kW，發電機端電壓為10.5 kV，采用發電機線路組接線方式接入上海中心110 kV變電站1號主變10 kV母線側，在發電機出口及上海中心110 kV變電站進線處分別設置隔離柜及PT柜。整個三聯供系統采用并網不上網的方式支行，兩臺發電機組通過自動同步裝置并網，再通過功率變送器監測上海中心大廈實際電負荷來控制三聯供系統的發電功率，保證發出的電能不倒送。

高壓系統并網開關柜帶繼電保護裝置為發電系統提供低壓低頻保護、高壓高頻保護、接地故障保護、過流保護等。

3.3 供冷/供熱系統

本三聯供系統的余熱由高溫煙氣和高溫缸套水產生，根據發電機組技術參數，高溫缸套水余熱量約747 kW，高溫煙氣側余熱量約649 kW。二次側熱水的供回水溫度（95℃/75℃）由溴化鋰吸收式制冷機的技術參數確定，二次側熱水先經過機組換熱器被加熱至85.7℃，然后經過煙氣換熱器進一步加熱，通過控制進入煙氣換熱器的煙氣量使二次側熱水供水溫度保持在95℃。

同時，在余熱回收一次側設置換熱量為747kW的高溫冷卻換熱器，作為發電機組的應急散熱器，其目的是當供冷/供熱負荷發生波動時，維持發電機組的冷卻水溫度不變，保證發電機組正常運行，避免冷熱負荷波動影響三聯供系統的穩定性。

3.4 通風系統

三聯供主機房的通風量包括內燃機所需的助燃空氣量、設備散熱所需的空氣量、環境衛生所需的新鮮空氣量。其中兩臺內燃機散熱所需的空氣量約占總通風量的88%，為加強機組散熱、降低通風機電機功率，內燃機隔聲罩內單獨通風，采用機械進風、機械排風的通風方式。

三聯供系統的進、排風均由上海中心進、排風總風道提供，隔聲罩進、排風風機均采用防爆風機，主機房進、排風機均采用雙速風機，以滿足事故通風的需求。

3.5 排煙系統

每臺燃氣內燃發電機組采用單獨的排煙管道，并在排氣管道的最低點、煙氣換熱器煙氣側、消聲器設置U形管等排水設施，煙氣換熱器的煙氣管道設計為“上進下出”，防止煙氣換熱器中的冷凝水進入發動機造成設置損壞。在煙氣換熱器旁設置旁通管，當冷熱負荷需求降低時，根據二次側熱水出水溫度控制旁通電動閥的開度，減小通過煙氣換熱器的煙氣流量，防止二次側水溫過高。

同時，旁通電動閥與煙氣換熱器電動閥聯運控制，并滿足開度之和≥100%的控制策略，以避免增加排氣阻力和誤動作引起發電機組停機事故。

3.6 減震降噪系統

三聯供系統中燃氣內燃機是最主要的噪聲源，考慮減輕機房噪聲對上海中心聲環境的影響，在主機房內設置隔聲裝置、排氣消聲器、風機消聲器以及機房吸聲墻面等降噪措施。

發電機組表面輻射噪聲采用隔聲罩進行隔聲，隔聲門/板結構采用“雙層復合約束阻尼結構”；排氣消聲器采用針對性阻抗復合型結構設計，能有效降低本項目中氣體發動機特定的低頻排氣噪聲，消聲量可達30 dB（A）。通風機前后端均設有風機消聲器，以降低隔聲裝置內部噪聲向廠界的傳遞，風機消聲器采用片式阻性結構，通過多孔纖維吸聲材料吸聲。

4 BIM建模及空間管理

以上各分系統包含的設備和管道多達10余種，如天然氣管道、潤滑油管道、通風管道、排煙管道、冷凍水管道、發電機組冷卻水管道、溴機冷卻水管道、一次側熱水管道、二次側熱水管道、供熱熱水管道、高壓電纜、低壓電纜、控制電纜等，加之主機房空間有限，深化設計時利用先進的BIM軟件對三聯供系統進行建模，有效地規劃、管理空間，同時優化設備、管線、人員動線、維護空間等布局，具有可視化、協調性、模擬性、優化性和出圖性5大特點。

4.1 局部空間管理

三聯供系統中一次側熱水系統、潤滑油系統、低溫冷卻系統與內燃發電機組結合緊密，在本項目的深化設計中，將以上分系統集成至隔聲罩內，與發電機組組成一套完整的余熱回收系統，實現了內燃發電機組的模塊化設計，為三聯供系統的推廣提供了鮮明的案例。

通過BIM建模，合理利用隔聲罩內的剩余空間，充分考慮各設備的操作空間和維修空間，具體設計原則為：小管讓大管、油管讓水管、冷管讓熱管、提前想維護，完成的模塊BIM模型見圖2。

圖2 內燃發電機組隔聲罩內BIM建模

4.2 整體空間管理

本項目深化設計利用BIM建模技術，通過搭建各分系統的BIM模型，在虛擬的三維環境下檢測設計中的管道、電纜橋架及土建之間的碰撞沖突，提高了管線綜合設計能力和工作效率，如圖3、圖4所示。整體空間管理的原則如下：小管讓大管、有壓讓無壓、冷管讓熱管、低壓讓高壓、電氣讓熱力、價低讓價高。

BIM空間管理不僅能及時排除項目施工環節中可能遇到的碰撞沖突，更大的提高了施工現場的生產效率，降低了由于施工協調造成的成本增加和工期延誤。幫助管理團隊記錄空間的使用情況，處理最終用戶要求空間變更的請求，分析現有空間的使用情況，合理分配建筑物空間，確保空間資源的最大利用率[2]。

圖3 三聯供系統BIM模型局部—主機管道

圖4 三聯供系統BIM模型局部—泵與主機

5 結語

冷熱電三聯供系統是跨專業、綜合性的節能系統，它利用天然氣作為清潔能源，產生的冷、熱、電可滿足建筑的基礎負荷需求，其優越的節能減排作用倍受青睞。建于上海中心大廈能源中心的三聯供系統吸收了國內外優質項目的經驗，并借助先進的BIM建模技術，完成了各分系統的深化設計，以及整體系統的空間管理，不但為項目施工提供立體三維指導，降低施工成本、縮短施工工期，也可作為其他民用建筑內的三聯供系統的設計及施工的參考。

[1] 上海中心大廈分布式能源項目可行性研究報告[R]，上海電力設計院有限公司，2012(12).

[2] 過俊，BIM在國內建筑全生命周期的典型應用[J]，建筑技藝，2011(Z1).

[3] CJJ 145-2010 燃氣冷熱電三聯供工程技術規程[S].

Discussion on Combined Cooling Heating and Power Generation System Deepening Design at Shanghai Tower

Zhou Qijin, Ma Fei, Huang Zhenjun

周啟金：（1982-），男，學士，工程師，主要從事新能源設計與技術開發工作。