后世博江水源空調系統節能運行分析

張志恒 劉子亮 鄔亮 余岳峰

1.上海電力股份有限公司吳涇熱電廠2.上海交通大學

后世博江水源空調系統節能運行分析

張志恒1劉子亮1鄔亮1余岳峰2

1.上海電力股份有限公司吳涇熱電廠2.上海交通大學

在后世博期間，許多江水源空調系統得以保留并一直運行至今。本文對世博城市最佳實踐區的江水源空調系統，進行系統的優化與節能運行方式分析。分布式能源作為近年新興的區域性能源供應方式，無疑最適合上海這樣對環境有較高要求的超大型城市。

江水源空調；分布式能源；節能運行；后世博

2010年上海世博會期間，在黃浦江沿岸建造了多處江水源空調系統，為世博園區內相當數量場館的空調供能提供服務，從高品質能源供應方面體現了“城市讓生活更美好”這一主題。而后世博期間，為了進一步高效利用世博會遺產，同時大幅降低國有資產浪費，絕大多數江水源空調系統得以保留并運行至今。本文基于其中較大的一處——世博城市最佳實踐區江水源空調系統，進行系統的優化與節能運行方式分析。

1 世博園區江水源空調系統運行特點

江水源空調系統，顧名思義就是利用水源作為系統的能量來源，將低品位能源轉化為高品位能源的一套空調系統，是分布式能源系統在擁有大徑流量水源流經的城市自然條件下因地制宜的大膽嘗試。該套系統可以實現在設計工況下為區域內的建筑夏季提供冷能，而冬季提供熱能。系統的能量來源全部由江水提供，理論上無需消耗天然氣或煤炭等一次能源，從而減少CO2等溫室氣體排放，對減少城市熱島效應有積極作用，對城市環境更友好，依然緊貼“城市讓生活更美好”這一主題。

江水源空調系統從設計到運行相比采用冷卻塔的空調系統，其優劣非常明顯，具體分析如下。

該系統優點：

（1）夏季工況和冬季工況可采用同一套系統供能，設備數量較少，維護成本也隨之降低；

（2）無需冷卻塔進行冷卻，區域內可明顯減少熱島效應，同時不占用地面或建筑體外立面空間；

（3）采用江水過濾方式替代冷卻塔散熱，大幅降低冷卻設備的電耗；

（4）冷卻水采用江中——地下的方式，設計上采用了低揚程水泵，進一步降低冷卻系統的電耗；

（5）系統末端用戶場館采用空調水直供而非板換的的方式，減少了二次換熱的損失，進一步提高了系統的效率。

系統也存在不足，主要有：

（1）因向黃浦江的江水水質妥協，機組設計效率相較冷卻塔機組略低；

（2）自黃浦江部分區段取水，須定期對該區段進行清淤工作，工作難度較清理冷卻塔高，但因設備數量少，成本基本持平甚至略低；

（3）作為唯一的能量來源，由于江水水質和水溫全年變化較大，而且通常采用直流取水設計，無水質緩沖區域，日常運行難度明顯高于普通冷卻塔系統。

綜合看，總體上江水源空調系統是一套單機效率略低但系統整體效率較高的、對環境友好、后期運行有一定難度的分布式能源系統。

2 世博園區江水源空調系統節能運行分析

世博城市最佳實踐區江水源空調系統最初是由同濟大學建筑設計研究院負責設計，其優勢是最大化利用上海電力股份有限公司原上海南市發電廠的江水取退水系統進行再利用，在降低選址難度的同時也降低了整套系統的建設投資成本，該系統自2009年底進入調試階段，至今已運行了將近8年的時間。

系統能效比指數COP=系統輸出的總能量/系統消耗的總電量。對于一套空調系統而言，要提高系統整體的效率，在確保系統安全的前提下，必須在保持系統的能量輸出規模的同時，降低設備的使用數量或優化設備的運行參數。

江水源空調系統在設計上按循環分，共有3個系統：①江水循環系；②一次循環系統；③二次循環系統。而從功能分，共有5個子系統：①江水取水系統；②江水過濾系統；③一次換熱系統（主機）；④能量輸送系統；⑤二次換熱系統（末端空調）。以下主要按照功能區分的5個系統，分別進行節能運行方式的闡述。

（1）江水取水系統：取水系統作為整個江水源空調的起始點，是整套系統的能量來源。但實際運行中，能量的需求是不斷變化的，取水量也需要不斷變化，在設備選型中，江水泵變頻器的應用是必不可少的。通常水泵在設計中的選型是為了滿足最極端或最高負荷的需求而定的，在一般工況下無論流量還是揚程有一定的富余，采用較經濟甚至較極限的頻率運行對于取水系統的用電消耗有明顯的改善作用。

（2）江水過濾系統：江水過濾系統在江水源空調系統中是最為至關重要的環節，該子系統的過濾強度直接影響整套空調系統的運行安全性。尤其在沒有緩沖的江水取水系統中，江水過濾系統的失效將直接導致系統的停運，嚴重的可能導致主機的大修甚至報廢。但江水的水質是常年變化的，主動了解江水水質情況，進行過濾系統的過濾強度調整，即在水質情況較好的前提下，主動停用強度過高的設備，降低江水取水系統的運行阻力，可明顯提高取水系統的運行效率，進而降低能耗。

（3）一次換熱系統：即供能主機，一般而言，每一臺機組都選取了一套最適用的控制邏輯及控制參數。但最適用是運行覆蓋范圍大而不代表最經濟，而每一臺機組又因制造工藝或過程的不同，擁有各自不同的性能特性曲線。同時在統一供能期中，能量初端和供給端的負荷不同也對機組本體的運行有重大影響。所以，及時參數的主動調整對機組的高效率運行有極大幫助。尤其是向水質妥協的江水源空調系統的機組，在選型方面單機的額定效率和最高效率均不及冷卻塔機組，但合理地調整機組的實時參數可以最大化彌補單機效率方面的不足。

（4）能量輸送系統：能量輸送主要由輸送水泵及延伸至末端場館的管道組成，其中水泵的運行也與江水泵的運行邏輯一致，即按照負荷的變化進行調整，盡量用提高溫差的方式來進行節能。之前夏季供冷期的設計標準溫差是5℃，近年來已逐漸向7℃靠攏就是在確保舒適性的前提下的節能措施。管道作為一個看似無法調節的部分其實也具備節能潛力，即合理調整管道壁氧化層的厚度和組份。管道作為一個空調系統的連通部分，熱損失的最大的部分，尤其是淺埋管熱損失較大，僅依靠保溫效果很難保證，可有選擇性地進行管道內部表面氧化層厚度調整，降低管道整體（管道金屬本體和氧化層）的熱傳遞系數，可以明顯提高管道的保溫性，提高系統的輸送經濟性。

（5）二次換熱系統：用戶端的二次換熱系統一般是最不被重視的部分，原因主要為復雜、不可視等。但事實上二次換熱系統節能空間非常巨大，不僅直接關系到用戶端的舒適性體驗，更能很好地為前4個子系統提供調整依據，而且據有時效性。在有條件的情況下將末端用戶的用能參數實時傳送至江水源空調系統的中央控制系統，由末端負荷的需求決定初端供能的輸出，是一種實時的能源“供給側改革”。

3 世博園區江水源空調系統節能效果

世博城市最佳實踐區的江水源空調系統的運行正是運用以上的方式進行分子系統節能，挖掘每一個子系統的潛力，用低成本的改造來優化硬件配置，配合優化的運行方式及實時的監控系統進行取能——產能——輸送——用能控制，配合對當天天氣的預判，真正實現對能源的最大化利用。如果用比例來描述以上5個子系統的節能潛力，即：江水取水系統為15%，過濾系統為5%，一次換熱系統為30%，能量輸送系統為20%，二次換熱系統為30%。

按近幾年世博城市最佳實踐區江水源空調系統改造和優化運行后的數據累積，夏季機房動態COP的平均值＞4.1，而整體系統動態COP的平均值＞3.7。這樣的數據還是建立在實踐區的實際供能面積僅有設計面積的1/3至1/2這樣的部分工況基礎上的，規?；€未完全顯現。未來，在實踐區區域內產能完成釋放后，規模化效應將會進一步為系統效率的提高提供較大幫助。

但總體看，世博期間建造在黃浦江沿岸的江水源空調系統已有多處停用或即使在用也效率較低，主要是后期運行維護存在一定的問題，而由能源企業來運行維護這樣的分布式能源系統是最為可靠的保證。江水源空調系統的設計理念是創新的、超前的，是高效利用自然資源的杰出代表，輔以合理的運行方式和及時適當的升級改造，即可釋放處系統的最大潛力。

4 總結

綜上所述，分布式能源作為近年新興的區域性能源供應方式，無疑最適合上海這樣對環境有較高要求的超大型城市，提高能源利用率也是大勢所趨。作為負責任的大國，中國在國際舞臺上已承諾，以2005年為基準年，實現至2030年碳排放強度降低65%的目標。鑒于社會的向前發展，節能是減排的最有效方式。事實證明，江水源空調系統是適合在上海發展的分布式能源系統，而且是可實現高效利用能源、可再生資源、環境友好的代表。

Energy Saving Operation Analysis on River Water Source Air Conditioning System after Expo

Zhang Zhiheng1, Liu Ziliang1, Wu Liang1, Yu Yuefeng2
1.Shanghai Electrical Power Co.，Ltd Wujing Thermal Power Plant 2.Shanghai Jiaotong University

Many river water source air conditioning systems are kept and operate all the time after expo. The article carries out system optimization and energy saving operation method analysis for river water source air conditioning system in expo city best practice area. Distributed energy works as regional energy supply method, which is the best suitable way for mega metropolis that has high environment requirement like Shanghai.

River Water Source Air Conditioning, Distributed Energy, Energy Saving Operation,After Expo

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.004