深圳市某區域供冷供熱項目方案設計

廖興中

（華南理工大學建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510640）

0 引言

深圳市某旅游景區區域擬進行拆遷重建，計劃融合現有景觀及旅游資源，構建發展軸線，融合旅游、生活、文化的現代風貌特質，形成環境優美、形象鮮明的高品質濱海度假區。根據片區發展需求，需建設集中供冷及供熱項目，提供集中供冷、供熱和生活熱水等綜合能源。

區域供冷供熱供生活熱水系統，是由一個集中的供冷（供熱）站提供一定的冷（熱）量，供應一個較大范圍內用戶需求的系統。該系統規模大，覆蓋范圍廣，參差能力強，具有高效、節能、環保、管理方便，用戶末端獨立計費等特點[1]。本項目在區域能源設計方面需要解決以下需求及問題。

（1）安全性，可靠性。本項目有旅游高端酒店、動物園/水族館等高可靠性需求用戶，隨意的中斷供冷將對用戶造成較大的經濟損失，因此本項目方案設計必須以安全可靠作為首要原則。

（2）能源需求多樣化。區域內同時存在冷熱需求，其中熱源需求有生活熱水及空調熱水的需求。

（3）經濟性及高效節能需求。集中供冷供熱系統設計須綜合考慮影響初期投資及運行成本的各種因素，詳盡研究系統的電力費用、峰谷電價結構及設備初期投資等因素，考慮設置蓄冷、儲熱等設備，利用低谷電價儲能，峰值電價放能，以期達到最佳的經濟效益，在降低初期投資的同時節約更多的運行成本，轉移更多的高峰用電量。

項目以全年綜合運行能效為目標制定設計方案及運行策略，針對不同的運行工況，進行系統設計時，須依據設計負荷的需求確定系統選型，盡可能地減少各種設備的裝機容量，改善主機工作條件，提高主機效率，盡量減少系統的能耗。經過項目調研及方案比選，本文對項目的方案設計及技術措施進行介紹，為類似工程積累經驗。

1 主要工藝方案概述

本項目分為兩期建設，區域能源站系統考慮分期安裝，根據末端用戶開發情況分二期安裝制冷設備，在制冷機房內預留相應的設備吊裝孔、設備通道及安裝空間。

制冷工藝利用深圳地區峰谷電價差采用冰蓄冷系統，雙工況制冷機組與冰蓄冷系統串聯，制冷機組位于上游，利于降低制冷機組能耗?？紤]到供冷區域內酒店、商務的夜間低負荷需求，設基載電制冷機組。由于項目供冷范圍不大，各支路用戶阻力較為平衡，冷凍水系統采用一級泵變頻系統。冰蓄冷系統選擇主機上游的內融冰冰蓄冷方案，該系統的最大特點是從用戶流出的回水會順序流經兩個冷源進行換熱，可以得到較大的溫差變化，并且可以提高冷機運行效率[2]。

制熱工藝配置空氣源熱泵及水源熱泵，水源熱泵利用制冷系統冷凍水作為熱源制熱；為滿足生活熱水高溫要求，設置蓄熱鍋爐。熱水及生活熱水系統采用一級泵變頻系統。

2 系統可靠性設計

本項目考慮到動物園/水族館、酒店等高可靠性用戶，參考數據中心設計的可靠性要求，結合本項目的技術方案采取以下技術措施。

（1）多臺冷水機組、水泵、冷卻塔、鍋爐、熱泵等關鍵制冷制熱部件互為備用。

（2）考慮采用冰蓄冷裝置，利用雙工況機組蓄冷，作為冷水的備用。

（3）電鍋爐采用蓄熱裝置，作為供熱熱水的備用。

（4）冷卻水管路設置兩路冷卻水供回水主管供至屋頂冷卻塔，冷卻塔分組聯通。

（5）對于高可靠性用戶（如動物園/水族館等）的冷凍水輸配主干管為多路出管、環狀布置，當其中一對管道發生故障時，另外一對管道可以通過加大流速，保障基本用冷需求。

（6）本工程分別由不同的市政110kV 變電站各引一路獨立的10kV 電源至中壓開閉所（一期先引一路，二期再引另外一路），兩路電源同時工作，互為備用，組成雙電源滿足一級負荷的供電可靠性要求。

（7）高可靠性需求用戶側設置應急冷熱水池，在能源站及管網都故障的極端情況下，為用戶提供暫時的應急冷熱源。

3 項目高效蓄能技術設計方案

為達到本項目高效蓄冷機房的設計目標，供能系統的綜合能效值EER 需要盡可能提高。為實現本技術理念，需要結合冰蓄冷技術及高效機房技術的特點，進行專項的深化研究設計，通過整合常規電制冷機房高效機房的理念進入以冰蓄冷方案為主的集中供冷系統，為整個項目提供能效提高的理念。主要的技術措施如下。

（1）全運營周期的負荷需求預測。傳統高效機房采用空調負荷計算及分析軟件對建筑物全年冷負荷進行計算分析，得出全年空調冷負荷，依此作為全年冷負荷作為冷水機組、水泵、冷卻塔選型的重要依據。本項目為區域能源項目，還需要對區域能源系統進行整個運營期內的能源需求概率分析，而不僅是在達產年進行各負荷段的分析。

（2）主機能效比選。通過對各廠家提供的不同裝機容量及型號的主機性能曲線進行擬合后，根據算得的負荷，進行全年能效匹配，選取各廠家各自的最佳匹配性能設備。本項目雙工況冷水機組及基載主機都選擇變頻機組。

（3）冷卻塔選型優化。結合冷水機組效率、冷卻泵效率，進行不同冷卻水溫度、不同的冷卻水溫差進行比較，確定冷卻水的進出水溫度、溫差。本項目根據室外屋頂可利用面積及通風條件，優化冷卻塔選型后，確定冷卻水的供回水溫度為31/36℃（白天工況）及30/34℃（夜間蓄冷工況）。冷卻塔風機變頻，并配置永磁變頻電機，提高運行能效。

（4）管路優化。通過減少或選用低阻力管件、閥門設備，優化三通、彎頭等阻力件，降低系統壓力損失，減少不必要的輸送能耗。經過調研及計算整理不同過濾器技術參數如表1 所示，項目選用角過濾器阻力小于Y 型過濾器+彎頭，而且節約接管空間，又對轉彎后的流體進行導流，使得流體均勻地進入水泵，改善泵的工作狀況。

表1 不同品牌過濾器技術規格對比

冷水機房內的管道采用低流速，水泵揚程可以減少8%左右[3]。結合類似項目經驗，本項目主機管道按流速≤1.5m/s 設計，低阻配置主機等設備進出水管徑。冷卻塔總管管徑控制接冷卻塔總管流速≤1m/s，有利于解決多臺冷卻塔分水均衡。站外市政管網，管網流速最大不超過2.9m/s[4]，同時項目比摩阻控制在30～90Pa/m。

（5）水泵選型優化。運用相關水力模擬軟件，模擬管路特性和水泵，校驗水泵的選型結果，并結合負荷變化，計算出水泵全年平均能效，通過比較全年平均能效，確定最佳型號。

（6）系統優化控制。運用上述選型和設備的性能數據，分析并尋找設備間的組合運行最優工況點，確定各設備和系統可以采用哪些穩定的節能運行策略。

經過以上各技術措施的優化組合，根據全年計算逐時負荷、當地典型年氣象、用能設備運行能效等前期研究數據，推導基本運行策略表，然后將基本策略臺數寫入逐時負荷表，求出此策略下對應的負荷率，通過對主機各個冷卻水溫度下的曲線進行自動調用，求出對應負荷率下的各主機能耗。經過前述的室外氣候條件、用能設備能效情況、運行策略表等情況，得到制冷系統的全年能效前期計算結果，統計如表2 所示。根據前期設計計算結果，本系統設計階段的制冷系統能效計算為3.58 左右。在實際建設及運行時，需要盡量采購高效的制冷設備，優化運行控制策略，以便實現更高的全年綜合能效比。

表2 制冷系統全年計算平均能效統計

4 項目制熱設計方案

本項目以供冷為主、供熱負荷小，且無法利用熱泵或其他方式提供不低于65℃的供熱熱源，可以利用低谷電進行蓄熱的方案，其中電鍋爐不在用電高峰和平段時間啟用[5]。為充分利用夜間低谷電價及可再生能源，提出冷凍水熱回收結合空氣源熱泵、電蓄熱鍋爐的制熱方案。其中空氣源熱泵及水源熱泵主要提供空調熱水負荷（設計供回水溫度45/55℃）以及生活熱水的預熱（設計供回水溫度≤65℃），電蓄熱鍋爐主要利用夜間低谷電進行蓄熱，利用蓄熱熱源把系統回水或生活預熱熱水進一步加熱，達到設計的生活熱水供水溫度65℃，實現能源梯級利用并降低冷卻水溫度，提高冷水機組運行效率的設計目標，制熱工藝系統流程如圖1所示。

圖1 制熱工藝系統流程

結合以上方案，根據不同負荷率及其出現時間的特點，該供熱系統可以至少實現以下3 個運行工況之一或互相組合工況。

（1）工況一。熱泵獨立供熱。當氣候條件適宜，使用空氣源熱泵及水源熱泵獨立供熱，此時空氣源熱泵承擔全部空調熱負荷需求，水源熱泵承擔生活熱水負荷。

（2）工況二。鍋爐獨立供熱。當氣候條件不適宜開啟空氣源熱泵及水源熱泵，或開啟后效率及供水溫度無法滿足要求時，可使用蓄熱水罐直接供應熱水。

（3）工況三。熱泵與鍋爐串聯供熱。為降低熱泵出水溫度，提升熱泵效率，同時利用蓄能電價蓄熱，可將熱泵與鍋爐串聯供熱，熱泵上游出低溫熱水（＜65℃），鍋爐及蓄熱水罐下游出高溫熱水（65℃）。

5 結論

（1）深圳地區同時有供冷供熱需求的集中供冷項目，可以采用冰蓄冷、冷凍水熱回收、空氣源熱泵、電蓄熱鍋爐等多能互補技術的系統形式進一步實現區域供冷供熱系統的可靠性、節能性及經濟性。

（2）結合冰蓄冷技術及高效機房技術的特點，進行專項的深化研究設計，通過整合常規電制冷機房高效機房的理念進入冰蓄冷系統，配置冷凍水熱回收技術，可以提高冰蓄冷系統的全年綜合能效比。

（3）集中供冷項目同時有供熱需求，當以供冷為主，供熱負荷小并且有不同溫度品質的熱水需求時，可結合冷凍水熱回收的水源熱泵等熱回收技術，以及空氣源熱泵等可再生能源提供溫度配置較低的熱水，然后利用低谷電進行蓄熱接力加熱溫度較高的熱水的技術，提高供冷能效的同時提高項目經濟性。