河水源能源站系統設計

陳 鐵

（南京市建筑設計研究院有限責任公司，南京 210014）

本工程所在新區位于連云港市城區東南部，是國務院批準設立的國家東中西區域合作示范區的先導區，規劃面積約為467 km2，按照“生態、智能、融合、示范”的發展理念，新區主要打造石化、精品鋼、先進裝備制造、節能環保和現代港口物流等五大主導產業。供能區域內用能單位主要由兩部分組成。一是工業鄰里中心，包括工業鄰里配套服務區、商業樓、公租房一至三期和幼兒園，工業鄰里配套服務區又細分為鄰里服務中心（裙房）和鄰里服務中心（酒店）；二是預留商業金融區。工業鄰里中心建筑功能以公寓為主，部分為辦公、商業和教育。根據研究區中期市政熱力管網規劃（2015-2020年），項目周邊226省道西側有市政供熱干管通過且熱源充足，可以利用蒸汽對項目用能區域進行供熱。

1 能源站服務范圍

根據前期調研及用戶對接情況，目前確定供能用戶面積405 879 m2。本項目采用水源熱泵作為區域供能的技術形式，服務區域包括工業鄰里中心（305 879 m2）和預留商業金融區（10萬m2），工業鄰里中心包含辦公、公寓、商業等建筑類型。工業鄰里中心的各幢建筑詳細指標如表1所示。

表1 工業鄰里中心各幢建筑詳細指標

2 能源站供能負荷

一是空調冷熱負荷。參考相關資料[1-2]，經計算，工業鄰里中心空調夏季設計總冷負荷為32 950 kW，冬季設計總熱負荷為17 492 kW；預留商業金融區空調夏季設計總冷負荷為12 000 kW，冬季設計總熱負荷為6 000 kW。二是生活熱水負荷。參考《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019），經計算，日最高用水量為469 151 L，生活熱水負荷為3 635 kW。

3 水源評估及利用方式

3.1 水源概況

本項目地處中心河旁，中心河北與張圩港河連接、南至南復堆河，沿226省道西側開挖，是新區重要的南北向調節河道。中心河河道全長為15.5 km，底寬為50～70 m（納潮河以北底寬70 m，納潮河以南底寬50 m），河底高程為-1.0 m，河體最深處約為4.6 m，分別與張圩湖、徐圩湖、方洋河接通，水量充沛，能夠滿足系統的用水需求。中心河水質較好，含沙量較低，豐水期水深為3.37 m，枯水期水深為2.37 m，水質條件如表2所示。

表2 中心河水質條件

夏季，能源站以河水作為冷卻水，冷卻系統不再需要冷卻塔，據測算，冷卻水溫度每降1 ℃，可以提高機組制冷系數2%～3%，這樣會大大提高機組的能效比（COP）；冬季，能源站以河水作為熱源水，通過熱泵蒸發器提取河水中的熱量供給建筑物使用。

泥沙雜質和河水中的生物（藻類、魚類）會造成熱泵機組換熱效率下降及換熱管道堵塞，因此從中心河抽水后，其需要經過兩次自動循環反沖洗過濾機組處理，再用于水源熱泵機組供暖或制冷。其中，主機蒸發器及冷凝器均設自動膠球清洗除污裝置。整個利用過程不會對河水造成浪費和污染，而且河水經過除污器后，水質有一定提升。

3.2 冬季河水溫度分析

2014-2015年冬季（12月16日至2月15日），中心河水溫均低于5 ℃，這期間水源熱泵運行效率極低，甚至會出現停機。

3.3 河水換熱能力分析

根據《地源熱泵系統工程技術規程》（DGJ32/TJ 89—2009）[3]，計算中心河的河水換熱能力。靜止水體的最大瞬時換熱量按式（1）估算。

式中：Q為靜止水體最大瞬時換熱量，kW；ρ為水體密度，取1 000 kg/m3；V為設計利用范圍內的水體總體積，m3；Cp為水的定壓比熱，取4.18 kJ/（kg·℃）；ΔT為總體允許溫升（降），取1 ℃（2 ℃）；t為每周運行時間，s。

夏季總體允許溫升ΔT為1 ℃，水深為3.3 m，考慮取水從中心河沿港前三道進能源站，沿226省道退水至納潮河，設計范圍內的河流長度為2 242 m，寬度為70 m，本項目全天運行。經計算，設計利用范圍內的水體總體積V=2 242×70×3.3=517 902 m3，每周運行時間t=7×24×3 600=604 800 s。將相關參數值帶入式（1）可得，靜止水體最大瞬時換熱量Q的估算值約為3 579 kW。

下面考慮水面蒸發散熱，估算水體夏季換熱能力。水面蒸發量的計算公式為：

式中：Lw為水面蒸發量，kg/s；Vf為水面上的風速，取2.9 m/s；Pqb為與水面相等的飽和水蒸氣壓力，取4 240 Pa；Pq為水面周圍空氣的水蒸氣壓力，取3 426 MPa；F為水面面積，F=2 242×70=156 940 m2；B為當地大氣壓力，取100 400 Pa。

將相關參數值帶入式（2）可得，水面蒸發量Lw約為19.7 kg/s。水面蒸發散熱量的計算公式為：

式中：Lw為水面蒸發散熱量，kW；γ為水蒸氣的汽化潛熱，取2 432.24.18 kJ/kg。

將相關參數值帶入式（3）可得，水面蒸發散熱量Q0約為47 914 kW。

工業鄰里中心空調夏季設計總冷負荷為32 950 kW，考慮同時使用率（取0.85）和水體蓄熱能力，實際瞬時換熱值為28 007 kW，小于水面蒸發散熱量。根據以上分析，夏季水體滿足換熱能力的需求。

冬季總體允許溫降ΔT取2 ℃，水深為2.3 m，設計范圍內的河流長度為2 242 m，寬度為70 m，本項目全天運行。設計利用范圍內的水體總體積V=2 242×70×2.3=360 962 m3，每周運行時間t=604 800 s。將相關參數值帶入式（1）可得，冬季靜止水體最大瞬時換熱量Q的估算值約為4 989 kW。

工業鄰里中心空調冬季設計總熱負荷為17 492 kW，生活熱水負荷為3 635 kW，共21 127 kW，考慮同時使用率（取0.9）和水體蓄熱能力，實際瞬時換熱值為19 014 kW，遠超過水體最大換熱能力。考慮取退水段河流上下游水體的換熱作用，本工程冬季水體最大換熱能力為7 900 kW。

4 能源方案

供能區域內空調及生活熱水的服務單位主要有工業鄰里配套服務區、商業樓、公租房一至三期、幼兒園，地上建筑面積為305 879 m2，并為商業金融區（10萬m2）預留空調條件，另為工業鄰里中心提供生活熱水。

根據河水溫度資料，水源熱泵系統夏季河水供回水溫度分別取29 ℃和37 ℃，冬季分別取8 ℃和4 ℃。夏季用戶側空調冷熱水供回水溫度分別取12.5 ℃和5.5 ℃，冬季用戶側空調冷熱水供回水溫度分別取39 ℃和46 ℃。生活熱水的用戶側供回水溫度分別為60 ℃和53 ℃。考慮到冬季水體吸熱能力小于使用需求，為不影響水體及周邊環境，并保證系統運行的可靠性，選用4臺400 RT水源螺桿式熱泵機組及5臺6 000 kW板式汽水換熱機組（4用1備，1臺為商業金融區預留）作為空調熱源[4-5]，用戶側供回水溫度分別為46 ℃和39 ℃。本工程選擇3臺350 RT水源螺桿式熱泵機組及3臺1 300 kW板式汽水換熱機組作為生活熱水熱源。水源螺桿式熱泵機組夏季可為空調系統提供免費冷源。

冬季河水溫度高于8 ℃時，充分利用水源熱泵作為熱源供熱，不足部分采用蒸汽補熱；冬季河水溫度為6～8 ℃時，利用少量蒸汽對水源熱泵的河水進行預熱，最大限度利用河水作為系統低位熱源供熱（利用河水溫度與系統退水溫度2 ℃的溫差），不足部分采用蒸汽補熱；冬季河水溫度低于6 ℃時，全部采用蒸汽供熱。

考慮到同時使用率及系統安全性，選用4臺400 RT水源螺桿式熱泵機組及6臺1 700 RT水源離心式冷水機組（2臺為商業金融區預留）作為空調冷源，用戶側供回水溫度分別為5.5 ℃和12.5 ℃。過渡季節設置一臺4 500 kW板式汽水換熱機組，采用河水直接供冷。主機均配置自動膠球清洗除污裝置。

管網采用二次泵布置于各使用地塊的分散式系統。一次泵定流量運行，位于能源站內，揚程用于克服站房內管路、設備及主管網的阻力；二次泵為變頻泵，設于各用戶熱力入口用房內，二次泵參數取決于用戶側負荷與連接方式等設計條件。管網水系統變流量運行。管網采用大溫差及變頻控制技術，進一步顯著降低輸送系統能耗，提高運行經濟性。

5 結論

本方案根據當地河水資源特點，在保證能源站系統運行可靠性的前提下，充分利用河水作為研究區空調的取放熱源，最大限度地節能減排，提高運行經濟性、能源利用率和市民生活質量，改善城市環境，推進城市可持續發展。