淺談暖通在綜合能源中的應用

文/郭曉琴 武漢科技大學城市學院 湖北武漢 430083

隨著經濟的快速發展，環境污染、能源利用率低等問題逐漸突出，綜合能源系統應運而生。綜合能源系統是指一定區域內利用先進的物理信息技術和創新管理模式，整合區域內煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，實現多種異質能源子系統之間的協調規劃、優化運行、協同管理、交互響應和互補互濟。其中冷、熱作為兩種供能形式，在生活水平日益增長的背景下，其需求量越來越高，直接導致空調系統的能耗居高不下，為了更好發揮綜合能源系統的優勢、切實提高能源綜合利用效率、緩解碳排放帶來的污染，因地制宜地設計高效的暖通系統顯得勢在必行。

1、前言

暖通在我國起步雖晚，但發展迅速。近十年，隨著多種形式的暖通系統引入國內，相關的研究和應用數不勝數。其中王路兵等人以實際項目為例，分析了淺層地熱能、太陽能和污水廢熱聯合應用的可行性[1]；杜玉吉等人提出了一種適用于大型公建的聯合能源區域供冷供熱系統，并與傳統能源方式比較，證明該系統的優越性[2]；梁浩等人建立了一種區域能源系統優化模型，可以統籌考慮常規能源與可再生能源，兼顧區域集中能源技術和分散能源技術，使多種能源多種技術在社區層面優化組合，優勢互補[3]；呂東彥等人論述了太陽能熱泵復合技術的發展[4]；羅磊等人介紹了實現區域可持續低碳發展的能源規劃思路和方法[5]；李崢嶸等人介紹了有助于太陽能區域供熱發展的高效太陽能集熱器、儲熱技術、低溫區域供熱技術和多能互補技術[6]；石利軍等人結合實測調研與第三方檢測數據，對重慶某冷熱電三聯供復合供冷系統的實際運行性能進行了綜合分析[7]。

在綜合能源大勢所趨的背景下，暖通系統的合理使用顯得尤為重要。本要將著重介紹幾種主要的暖通系統形式，以及幾種常見的暖通復合系統方式。旨在為綜合能源中的供冷、供熱系統設計提供參考。

2、主要暖通冷熱源形式

2.1 水冷冷水機組

水冷冷水機組是最為常用的中央空調供冷方式。主要包括四個主要組成部分：壓縮機，蒸發器，冷凝器，膨脹閥。壓縮機依靠電驅動。冷卻設備主要為冷卻塔。輔助設備冷凍水泵、冷卻水泵及其閥門、管道和控制系統等。按壓縮機的工作方式分類主要有：活塞式、螺桿式和離心式。其主要外形如圖1所示。

圖1 水冷冷水機組外形圖

2.2 吸收式冷水機組

吸收式冷水機組是一種主體由蒸發器、吸收器組成的下筒體，冷凝器、發生器組成的上筒體，溶液熱交換器、容液泵、冷劑泵、抽氣系統等組成的冷水機組。與常規電驅動的冷水機組相比，它沒有壓縮機，主要依靠余熱驅動整個系統循環工作。因此，它適合用于具有能源梯級利用優勢的三聯供系統中。其冷卻設備主要為冷卻塔。目前常用的吸收式冷水機組為溴化鋰制冷機。其主要外形如圖2所示。

圖2 吸收式冷水機組外形圖

2.3 吸收式冷水機組

風冷熱泵機組屬于空氣源熱泵的一種形式，是以室外空氣為其熱源或熱匯進行供暖和供冷的熱泵型整體式空氣-水空調裝置。其應用受到地理環境和氣象條件的限制。

風冷熱泵系統優點主要有：不用水冷,省去了由冷卻塔、水泵及管道組成的冷卻水系統和鍋爐加熱系統；由于以空氣作為熱源和冷源可大大地節約用水,也避免了對水源水質的污染;將風冷熱泵冷熱水機組放在建筑物頂層或室外平臺即可工作,省卻了專用的冷凍機房和鍋爐房。同時因風冷也帶來了兩個問題：供熱運行時可能要加設輔助熱源及由此引起的經濟性問題；機組換熱器翹片上的結霜以及融霜對運行的影響。其主要外形如圖3所示。

圖3 風冷熱泵外形圖

2.4 地源熱泵機組

地源熱泵機組原理與風冷熱泵類似，主要區別在于源側。按照冷（熱）源類型分為地下水式、地埋管式和地表水式。因其源測的溫度相較于傳統的水冷和風冷形式，呈現“冬暖夏涼”的特征，因此地源熱泵機組的能效較高，目前正得到廣泛的應用。

2.5 多聯式空調機組

多聯式空調機組也屬于空氣源熱泵的一種形式。多聯式空調系統需采用變頻壓縮機、多級壓縮機、卸載壓縮機或多臺壓縮機組合來實現壓縮機容量控制。在制冷系統中需設置電子膨脹閥或其它輔助回路,以調節進入室內機的制冷劑流量通過控制室內外換熱器的風扇轉速或傳熱面積,調節換熱器的能力。與風冷熱泵相比，其送到末端的介質為制冷劑。輸送管道為銅管，系統運行調節方便，部分負荷下運行效率高。

2.6 蓄冷系統

空調蓄冷技術是指采用制冷劑和蓄冷裝置，在電網低谷的廉價電費計時時段，進行蓄冷作業，而在空調負荷高峰時，將所蓄冷的冷量釋放的成套技術。因而，蓄冷技術就是合理選擇蓄冷介質、蓄冷裝置與設計系統組成，利用優化的傳熱手段，通過自動控制，周期性地實現高密度的介質蓄冷和合理的冷量釋放。

與常規空調系統不同，蓄冷系統可以通過制冷機組或蓄冷設備或兩者同時為建筑物供冷，用以確定在某一給定時刻，多少負荷是由制冷機組提供，多少負荷是由蓄冷設備供給的方法，即為系統的運行策略。

3、集中典型的暖通復合系統

對于同一個工程，單一的暖通系統往往存在或多或少的缺點，以至于無法充分發揮各自的最大優勢。因此實際項目中，多種暖通系統復合設計，能夠取長補短，提高系統實際運行效率，減少系統的運行費用，真正意義上實現綜合能源系統的目的。本節將介紹幾種典型的暖通復合系統。

3.1 水冷冷水機組+蓄冷系統+熱水鍋爐

水冷冷水機組+蓄冷+熱水鍋爐的復合系統較為常見，其中蓄冷系統通常采用冰蓄冷。在擁有峰谷電價差政策的項目中，冰蓄冷系統具有削峰填谷，減小運行費用，降低主機容量的特點。水冷冷水機組+熱水鍋爐屬最常規的集中供冷供熱系統，運行穩定，調節方便。在這樣一個復合系統中，冰蓄冷裝置所對應的蓄冰機組通常為雙工況水冷冷水機組，即制冷和制冰工況。夜間谷時電價時，系統開始制冰，白天蓄冷裝置釋放冷量。設計人員需根據項目實際情況和經濟性分析，決定采用部分負荷蓄冰還是全部負荷蓄冰，以及系統的實際運行方式。

由于蓄冰系統的加入，該復合系統能夠充分的利用谷時電價低的優勢，最大程度降低運行費用。此外，水冷冷水機組的容量在一定程度上會減小，降低主機的初投資，至于總的成本投入，需另行分析。

3.2 冷熱電三聯供+冷水機組

綜合能源由多能互補衍生而來，分布式能源系統是多能互補的一種典型形式。建立在能源梯級利用基礎上的冷熱電三聯供系統屬于分布式能源系統，以其節能環保、綜合利用率高而暫露頭角。三聯供系統主要按照“以熱定電”的原則進行設計。為了充分發揮三聯供系統的優勢，按需供給、適時匹配尤為重要。通常，建筑100%負荷的持續時間較短，如果以該負荷設計三聯供系統，系統的低負荷運行時間過長，系統效率勢必大打折扣，因此冷水機組往往扮演調峰的作用。兩者進行配合，能夠最大程度挖掘能源梯級利用的優勢，真正意義上提高系統的效率。

在圖6中，隨著直接蒸發冷卻機組的效率增加，系統的送風量減小。并且，當室內溫度以等差規律上升時，送風量的降幅基本相同，故直接蒸發冷卻機組效率與系統送風量呈線性關系。當直接蒸發冷卻機組

3.3 地表水源熱泵系統+水冷冷水機組

地表水源熱泵系統屬于地源熱泵系統的一種形式。傳統的地表水源包含江、河、湖、庫。一般江河屬于流動性地表水，熱承載力通常優于湖庫。在夏熱冬冷地區設計采用湖庫水的水源熱泵系統需校核水體的熱承載力，保證夏季周平均最大溫升不超過1℃，冬季周平均最大溫降不大于2℃。由于湖庫水體有限，往往出現按夏季負荷進行設計時，最大溫升不滿足要求。因此，在這樣的情況下，可按冬季熱負荷設計水源熱泵系統，夏季不足的冷負荷由水冷冷水機組承擔，一方面滿足了環評的要求，另一方面采用制冷效率相比一般系統較高的水冷冷水機組，能夠保證復合系統的使用效率，減低運行費用。

3.4 土壤源熱泵系統+冷卻塔（或太陽能）

土壤源熱泵系統屬于地源熱泵系統的一種形式。其發展較早，但由于早期的土壤源熱泵系統未重視土壤熱平衡問題，導致運行若干年后，系統效率越來越低，末端效果越來越差，甚至系統無法運行。隨著研究的深入，復合系統應運而生。在冷負荷明顯高于熱負荷的項目中，地埋管的容量按冬季工況進行設計，夏季不足的部分設計冷卻塔，土壤源熱泵機組的容量按較大工況進行設計，相當于夏季土壤和冷卻塔兩種源聯合運行。在熱負荷明顯高于冷負荷的項目中，地埋管的容量按夏季工況進行設計，夏季太陽能系統聯合運行，將太陽能儲存在土壤里，彌補冬季不足的取熱量。土壤源熱泵系統和冷卻塔（或太陽能）聯合運行一方面極大緩解了土壤熱不平衡問題，另一方面提高系統的運行效率和穩定性。

結論：

在節能減排的大背景下，建立在多能互補基礎上的綜合能源概念應運而生。冷、熱是綜合能源中的一種能源形式。為了充分發揮綜合能源系統的優勢，合理使用高效的冷熱源系統至關重要，通過介紹主要暖通系統并簡述集中典型的暖通復合系統，得到如下結論：

（1）暖通系統的種類較多，每一種系統都有各自的特點，設計前需充分了解系統的優勢以及項目的實際情況；

（2）單一的暖通系統往往存在或多或少的缺點，在實際項目中，通過分析和比較，可考慮采用復合系統，充分挖掘系統的節能潛力。