重慶悅來某小區住宅集中供能系統設計分析

譚超，彭波

（中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出，國家能源系統組成形式將得到進一步優化。集中供能（冷暖）系統作為新型能源形式之一，在提高能源利用效率、改善能源結構、保護環境方面發揮著十分重要的作用。近年來，集中供能系統在我國多地作為新型、節能的空調方案被廣泛應用于大型住宅社區、金融CBD、大學城等[1-2]。

重慶的集中供能系統發展已有多年的歷史，因其特有的江水資源，重慶的區域集中供能系統有著典型的地域特點，目前建成投入使用的有江北嘴及悅來生態城江水源區域供冷供熱能源站。相比傳統分體空調、戶式中央空調的住宅，采用集中供能的住宅在戶型設計上無需考慮設置空調位，有效提高了戶內空間的合理利用率，美化了住宅外立面形象，避免了空調外機造成的熱環境污染及噪聲。集中供能的住宅由于取消了分戶式主機，集成了小區空調系統，可以減少業主空調設備采購費用，減少空調設備保養維護人員[1]。然而，雖然住宅集中供能擁有比較突出的優點，但在實際設計及運行過程中仍存在不少有待改進的問題。本文以重慶悅來某住宅小區為例，對住宅集中供能系統設計要點進行簡要探討。

1 小區概況及設計條件分析

案例住宅項目位于重慶市兩江新區悅來生態城，小區集中供能的冷熱源來自悅來生態城2號能源站，能源站絕對標高343.0m。2號能源站系統采用“水源熱泵（污水+江水）+燃氣三聯供”的供能形式，配置燃氣內燃機和溴化鋰機組作為基礎負荷，其余部分負荷配置水源熱泵和污水源熱泵。夏季冷負荷大部分由熱泵機組和溴化鋰機組承擔，小部分由輔助冷水機組補充；冬季負荷由熱泵機組和溴化鋰機組承擔。

本次設計子項為5號地塊，該地塊最高樓棟屋頂絕對標高為360.6m，毗鄰5號地塊的為4號地塊，最高樓棟屋頂絕對標高為367.5m。雖然4號地塊不在此次設計范圍內，但由于4、5號地塊相隔較近且戶型業態相似，建設方要求兩個地塊換熱設備合并設置在5號地塊，因此5號地塊在集中供能系統設計時需要充分考慮4號地塊的冷熱負荷、環路壓力損失、地形高差等因素。

小區換熱機房設置在5號地塊負一層地下車庫東南側，位置接近4、5號地塊中心區域，集中供能一次側管網接入換熱機房內換熱后由用戶側輸配系統將冷熱水供至各樓棟。夏季一次側供回水溫度5/12℃，用戶側供回水溫度6/13℃；冬季一次側供回水溫度45/38℃，用戶側供回水溫度44/37℃。

2 集中供能系統設計要點及分析

2.1 用戶側與一次側外網的連接形式

小區用戶側冷熱水的熱交換模式主要有兩種：一種是一次側直接供能，通過將一次側與用戶側的管道相連并設置帶電動閥及止回閥的變頻混水泵系統得到末端用戶需要的供冷供熱溫度；另一種是通過設置板式換熱器將一次側與用戶側進行水系統隔離換熱，通常經過板換換熱后冷熱水會有1℃的溫差升降。表1為兩種熱交換模式的優劣對比。

表1 熱交換連接模式優劣對比

通過比較得知，雖然一次側冷熱水直供擁有較好的節能效果，且初投資及機房成本相比板換換熱的方案要節省不少，但由于其直接將用戶末端管網與能源站一次管網相連，因此對用戶側冷熱水的水質提出了很高的要求，需避免用戶側的水質影響冷熱源側水質進而影響制冷制熱效率[3]；其次，一次側直接供能的方式要求冷熱源端提供足夠的資用壓力來克服用戶側的環路壓力損失，但由于能源站負擔的范圍較大、業態較多、負荷形式差別大，能源站無法確保提供足夠的資用壓力，同時一次側管網壓差波動較大易造成用戶側供能系統不穩定。相比之下，通過設置板換來將一次側與用戶側隔離，雖然存在一定的換熱損失，但保證了水系統的穩定與安全。案例項目則是采用了設置換熱機房通過板換換熱的方式進行間接供能。

2.2 用戶側換熱設備及水泵選配分析

項目采用鴻業8.0暖通空調負荷分析軟件對4、5號地塊住宅樓棟的夏季空調逐時冷負荷及冬季空調供暖負荷進行了詳細計算。

以往在計算得到小區冷熱負荷后，部分設計人員就匆忙開始進行換熱設備及水泵選型，經常忽略一個對空調系統定量至關重要的因素——同時使用系數，從而導致選出來的換熱設備容量、水泵流量偏大，常常都是“大馬拉小車”低效率運行[4]，不僅造成初投資增大，同時設備運行能耗也增高。住宅空調負荷與辦公、商業空調負荷相比有很大的不同，住宅的人員負荷特性、戶型負荷特性、工作日與非工作日特性均會對同時使用系數的取值造成影響[4]，據相關社會調查報告顯示，采用區域供能的住宅小區實際空調同時使用系數非常低，最高也只達到了45%，大部分時間處于20%~30%之間[4]。隨著集中供能住宅空調的普及以及人們空調使用習慣的改變、消費觀念的改變等，相信住宅的空調同時使用系數會逐步增大，因此在確定其數值時應充分做好前期調研工作，并結合項目之前的地塊使用情況與能源站運營公司溝通商定。

案例小區換熱機房內設置了兩臺相同型號的板式換熱器，板換在設計換熱量的基礎上考慮了規范1.1的附加系數[5]，為了更好地進行系統匹配，在一次側及用戶側分別設置了兩套水泵與換熱器一一對應。通過對空調負荷計算結果的分析，得到冬季設計熱負荷近似等于夏季冷負荷的60%，冬夏季的供回水溫差均為7℃，進而得到冬季水系統設計流量近似等于夏季水流量的60%，因此在設計階段針對冬夏季水泵是否分設做了一定的考量，如表2所示。

表2 冷熱水泵分設與合并設置的優劣對比

通過表2分析比對，雖然冬夏季水泵合并能減少投資，但由于冷水泵是根據夏季設計工況選型確定，而冬季水流量減少后系統揚程隨之降低，這樣勢必導致冷水泵在冬季運行時揚程偏高，無法滿足居住建筑綠建節能規范對水泵設計工況效率及水泵耗電輸熱比的限值要求[6]。同時由于住宅空調系統長期處于低負荷率工況下，即使冷水泵有變頻措施，但受水泵變頻下限限制也無法很好地適應低負荷工況，系統的節能性較差。因此案例小區冬夏季供冷供熱水泵采取分別設置的方式，板換及水泵設置示意圖見圖1。

圖1 集中供能水系統示意圖

2.3 設備承壓分析

如前文所述，案例采用的是板換間接換熱來使得一次側與用戶側的水系統隔離，因此板換兩側的設備在承壓方面是相對獨立的。一次側的水泵、閥門等附件的承壓主要取決于本地塊與能源站及能源站所承擔的其他供能區域之間的高差關系；用戶側的水泵、閥門等附件的承壓主要取決于本小區水系統最高點與換熱機房的高差關系；板換由于同時連接了一次側及用戶側，因此板換的承壓取兩邊較大值。

由于重慶是典型的山地城市，片區之間的地勢高差有時能達到幾十米，因此一次側設備的承壓需要能源站提供相對準確的地塊之間標高關系來判斷取值。用戶側需要注意的是，本次集中供能系統是4、5號地塊合并設置的，雖然換熱機房設置在5號地塊，但因為4號地塊地勢較高，且整個水系統末端最高點處于4號地塊，因此用戶側設備的承壓能力是根據4號地塊最高用水點確定的。

2.4 低入住率狀態下的應對措施分析

據能源站運營公司反饋，由于重慶悅來生態城片區屬于城市建設新區，目前各小區的入住率普遍不到30%，再結合前述住戶空調同時使用系數可知，小區集中供能系統長期處于低負荷狀態運行。基于此背景，能源公司建議在原設計水泵系統上再并聯一套小流量、低揚程的水泵專供小區在前期低入住率狀態下使用，以此來保證系統正常運行并節約一定運行費用，但新增的水泵同時也增加了初投資以及機房占地面積。

如前文所述，小區空調水泵系統冬夏季是分設的兩組高低流量、揚程的水泵，考慮到能源公司提出的前期小功率水泵運行需求，本次設計提出了另一種運行策略：即在小區前期低入住率情形下，夏季采用冷水泵不運行，僅通過管路切換運行一臺冬季熱水泵的方式，相比夏季冷水泵，冬季熱水泵的設計流量、揚程均較低，且通過變頻運行可與低負荷管網相適應；冬季則由于本身水系統流量較小，可直接采用開啟一臺熱水泵變頻的方式。雖然此種運行模式下水泵系統流量、揚程的匹配度沒有專門增設的小功率水泵那么高，但相比額外增設一臺僅在初期使用的水泵而言，設備資源得到了更有效的利用。

2.5 水暖井本層供本層導致的用戶側排氣問題

在以往的設計中，樓層的供回水母管均是從本層豎井內的主立管處接出，入戶支管從水平母管處向上伸至設計標高處再水平入戶，這種連接方式較大的問題在于供回水母管相比末端系統處于低位，而戶內盤管為了保證凈高通常貼在板下50~100mm間距安裝，這勢必導致母管上的排氣閥或入戶支管上的排氣閥始終低于末端盤管，用戶側管道內的氣體無法及時排出從而影響系統運行。圖2即為水系統本層供本層的示意圖。

圖2 本層供本層供水系統示意

為解決用戶側排氣不暢的問題，結合能源公司的意見，本次設計采用錯層供水的形式，即用戶的入戶支管從上層水暖井穿樓板引下來后再水平入戶，這樣保證下層的供回水母管在末端系統的高位，母管處設置的排氣閥可以及時有效地排出用戶側的氣體。圖3即為錯層供水的示意圖。

圖3 上層供下層供水系統示意

雖然排氣問題得以解決，但上層供下層的做法導致下層的計量表、閥門等附件均設置在上層，在使用和操作上會有所不便，因此建設方需要提前告知物業在后期的運維管理上采取相應的措施。

3 總結與展望

本文以實際項目為例分析了部分住宅集中供能系統設計中需要注意的問題，并提出了相應建議，但由于案例規模、業態形式以及運營數據的缺乏，諸如區域供能住宅空調相比傳統空調實際的節能性、綜合性小區各樓棟水系統水力平衡的保障措施、最不利末端壓差控制的實際節能效果等問題還有待進一步研究。

雖然目前住宅區域供能系統設計還存在不少問題，但相信隨著區域供能系統的深入推廣以及可再生能源熱泵技術、水泵變頻技術、閥門控制等核心技術的發展，區域供能系統的設計將日益完善，其實際運行效果、節能效果也會更加貼近設計工況。