區域供冷系統中換熱系統的探索

李鵬圣

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

引言

區域供冷是滿足一定區域范圍內多個建筑的用冷需求所設置的系統。目前系統多采用板式換熱器間接換熱，集中供冷管網供回水溫差小，管徑大。對于冬夏供熱供冷需求的地區，受制于供冷或供熱工況，使得在另一工況下偏離經濟運行參數較大。為此本文提出熱泵換熱系統，匹配冬夏季負荷，降低管網初期投資，降低管網運行費用。

1 工程背景

某集中供冷工程位于海南，工程概況如下：工程采用間接換熱，市政供冷管網采用2.5℃/11.5℃，系統如圖1所示。

系統間接換熱，二次側按照實際用戶需求確定，考慮到末端用戶為風機盤管、空調箱等,一般按照7/12℃進行設計。

該系統存在的問題如下：

1）換熱溫差小，換熱器面積需求量大，一級網入口端溫差為7℃-2.5℃=4.5℃，出口端溫差為12℃-11.5℃=0.5℃。另外，一級網較低的供水溫度降低了冷源站內機組的COP值。

2）長距離供冷管線，管道的沿程溫度升高變得不可忽略，更需要注重管道的保冷設計，尤其是在剛入夏時，管網流量較小，管道流速較小，從而引起供冷介質的溫度升高。

3）換熱存在著較大的用損失，不利于有效能源的利用。

既然如此，可否提高一級供冷管網的供回水溫度，負荷末端采用制冷機組，取代換熱機組，提升系統的整體運行特性，也可以取消傳統采用電驅制冷機組末端的冷卻塔[1]。

2 新系統的設想

2.1 用冷建筑側系統流程

一級冷水管網采用供水5℃，回水35℃，拉大供回水溫差，增加管網的制冷能力。用冷建筑采用制冷機組并聯板式換熱的形式實現冷源的綜合利用。總體系統圖如圖2所示。

2.2 系統特點

根據系統的用冷能量平衡及熱量平衡得出系統的幾個基本關系方程。

系統所帶冷負荷的計算：

根據能量守恒定律得出下式：

根據冷水機組的性能系數得出下式：

根據板式換熱器與冷水機組所經過的冷水流量相同，以及所換熱的能量與二次側對應能量相同得出下式：

2.3 計算一次側和二次側之間的負荷比

用冷建筑的冷水制冷量與一級供冷管網的比值見下式：

式中：Q1為為一級供冷管網的制冷量；Q2為用冷建筑的管網的制冷量；T1，G為一級供冷管網供水溫度；T1，Z為一級供冷管網在用冷建筑側，換熱的中間溫度（混水前溫度）；T1，H為一級供冷管網的回水溫度；Q2，板換+為用冷建筑側，冷凍水的換熱量；Q2，冷機為用冷建筑側，冷水機組的冷凍水換熱量；M1為一次側的質量流量；M2為二次側的質量流量；E冷機為制冷機組的消耗的額外的電能；COP為制冷機組的運行性能，既消耗1單位能量獲得的COP單位的冷量的能力。

結論1：由上式可以得出，系統的總制冷量小于末端系統的總制冷量，需要考慮制冷機組的輸入功。但末端系統COP的增加，Q2與Q1的比值將逐漸趨近于1。

2.4 計算二次側總體性能系數

系統以獲得的總制冷量與消耗的電量之間的比值作為二次側總體性能系數SCOP。

使用前圖中的參數，分別計算出SCOP，詳見表1：

表1 綜合制冷性能系數對比表

結論2：從用冷側建筑來看，系統的總體性能系數得到了較大的提升。采用此種系統方式，可以大幅提高系統的性能系數，單位制冷量所消耗的電能大大降低。

3 集中制冷站側系統流程

3.1 系統效能定性分析

集中制冷站制取5℃的低溫水向集中供冷管網供應，并向外釋放熱量。過程中可以看出，較傳統的制冷形式，在相同的冷熱源的工況條件下，本系統提高了制冷站內冷凝器的平均溫度，根據卡諾逆循環，可以看出，增加了系統的COP值。集中制冷站流程圖如圖3所示。

3.2 系統的其他節能方式

集中制冷站的驅動能源可采用多種形式：一是采用溴化鋰機組，可吸收工業余熱，電廠余熱等實現制冷，節約能源。二是采用天然氣作為驅動能源，可以降低電網的供電負荷，實現電力資源與天然氣資源的互相補充，降低了電網的調峰需求，同時也充分利用了天然氣資源[2]。

集中制冷站配套建設冰蓄冷設備，可以實現電力資源的削峰填谷作用。同時也可使用“棄電”，實現電力資源的集約運行。

集中制冷站配套光伏發電系統，若系統匹配合理，光伏發電的峰值與區域內冷負荷的需求時間段相同，還可以實現系統的自己自足。

4 系統冬季適用性分析

4.1 冬季系統運行流程

冬季，一級供冷管網內運行85℃/55℃的熱水，引入用熱建筑內，通過板式換熱機組換為60℃/50℃的循環熱水引入空調的末端裝置，從而實現建筑物內部制熱。制熱工況用熱側流程圖如圖4所示。

4.2 系統特點

根據狀態能量守恒可以得出下列結論：

該式與供冷工況下流量的比值如下：

式中：Qr，1為制熱工況，一級熱網的總熱量；Qr，2為制熱工況，用戶側管網的熱量；Mr，1為制熱工況，一級熱網的水流量；Mr，2為制熱工況，用戶側熱網的流量；Tr，1，g為制熱工況，一級供熱管網的供水溫度；Tr，1，h為制熱工況，一級供熱管網的回水溫度；Tr，2，g為制熱工況，用戶側管網的用水溫度；Tr，2，h為制熱工況，用戶側管網的回水溫度。

4.3 冬夏負荷的調節

由于建筑末端冬夏負荷不同，管網的運行溫差也不相同，但由上式可以知道：調整冬季管網的供回水溫差，可以做到系統冬夏之間的管網運行流量相同。

板式換熱器的平均對流換熱溫差增大，會較大程度提高換熱器的換熱效率，當建筑物冬季供熱負荷小于夏季制冷負荷時，換熱器可無需增加數量便可滿足系統的換熱需求。反之，則需要核算流量計溫差。

4.4 冬季集中能源站的運行

由于管網供回水溫度為85℃/55℃，較常規北方地區的一級供熱管網溫度130℃/70℃，降低了管網的供回水溫度，有利于廢熱的再次利用。若采用其他清潔能源，如：電加熱+蓄熱，可大大提高系統的可靠性和經濟性。若采用電廠余熱，可以極大程度上回收電廠的冷卻塔的溫度。若結合吸收式換熱機組，則可以大幅提高系統的經濟性[3]。

5 系統的優缺點

5.1 優點

夏季：拉大了管網的供回水溫差，在管徑一定的情況下，提高了管網的供冷能力。用戶側采用兩級換熱，提高了用戶側的整體制冷性能系數，從而用戶側在選型冷水機組時，可選擇較小的冷水機組。用戶側冷水機組，無室外散熱塔，解決了散熱塔噪聲、飄淋以及美觀的問題。系統可調節性較好，用冷建筑側冷負荷較低時無需開啟冷水機組，降低了用戶端的運行成本。

冬季：在冬夏負荷比相近的地區，通過調整一級網供回水溫差，可以實現一級網供回水冬夏流量近似相等的情況，有利于系統中泵及換熱機組的復用，提高了系統設備的利用率，降低了投資成本。

系統在冬季采用較常規一級供熱管網供回水溫度，本次采用85/55℃供回水溫度，可以實現更多廢熱的利用，尤其是結合電廠內的冷卻塔，可以將此部分余熱充分利用，實現節能增效。

5.2 缺點

夏季：由于采用了冷水機組，用戶側向一級供冷管網輸入了多余的電耗，從而導致系統一級管網輸出的冷量小于用戶側的總需冷量，降低了冷量的傳遞效率。

系統總體增加了冷水機組，帶來了冷量計費的問題，以及管理的問題，給系統的運行帶來不便。

6 結語

使用區域供冷系統，提高了一次供冷管網的溫差，使得一次供冷管網覆蓋面增大。且新系統與該工程現有系統可以兼容，可作為用戶側需要擴建時的一種選擇的方式。目前，集中供冷是市政行業發展的新需求，還有許多需要廣大技術人員不斷探索的地方。由于本文只是簡要地分析了新系統的一些特點，實際工程中仍有許多問題需要進一步深入探討。