集中供冷系統在夏熱冬暖地區的應用分析

覃承禹

（深圳市前海能源投資發展有限公司，深圳518054）

?

集中供冷系統在夏熱冬暖地區的應用分析

覃承禹

（深圳市前海能源投資發展有限公司，深圳518054）

摘要：區域供冷系統在節能、運行管理及經濟性方面具有明顯的優勢，介紹了廣東省某區域集中供冷系統的應用研究，分析了區域設計日負荷及全年逐時負荷。從可用能源入手，根據具體條件，分析確定了適宜采用冰蓄冷系統，并針對負荷逐步增加的實際情況提出分期建設方案，并對集中供冷系統及用戶入口的設計進行了介紹。通過分析集中供冷系統的技術經濟指標，得出夏熱冬冷地區實行區域供冷系統具有一定可行性。

關鍵詞：區域供冷； 冰蓄冷； 分期建設； 大溫差

0　引言

在我國，區域供冷作為一種先進的供冷方式已逐漸受到關注和重視，其在技術上的優勢，體現了“環保、節能、舒適”的城市規劃和能源政策導向，是全球都在積極發展的新技術[1]。區域供冷系統是為了滿足某一特定區域內多個建筑物的空調冷源要求，由專門的供冷站集中制備冷凍水，并通過區域管網進行供給冷凍水的供冷系統，可由一個或多個供冷站聯合組成[2]。區域供冷至少具備七大優點，即減少建設初投資、提高能源利用率、提高空調系統對電力和空調負荷管理效率、減少日常運營費用、提高空調系統的安全性和有效性、美化城市環境、提高生活質量。區域集中供冷系統在北美、歐洲、中東、日本等國家和地區均有較多的成功案例，近幾年來，隨著對建筑節能的日益重視，區域供能項目在我國也逐漸發展起來，主要項目有上海浦東前灘能源中心項目、廣州大學城區域供能項目、廣州珠江新城區域供能項目、南京祿口機場二期能源中心、中關村西區集中供冷項目供冷站等。

1　工程概況

項目位于廣東省深圳市，地處我國的夏熱冬暖地區，深圳屬南亞熱帶季風氣候，長夏短冬，年平均氣溫23.0℃，1月平均氣溫最低，平均為15.4℃，7月平均氣溫最高，平均為28.9℃；年日照時數平均為1837.6h；夏季長達6~8個月，盛行偏南風，高溫多雨。區域內主要建筑功能類型為辦公、商業、酒店和公寓，考慮到公寓空置率較高，收費困難，不利于運行，集中供冷系統供能范圍主要包括辦公、商業和酒店三種業態，供能總面積約270萬m2。

2　負荷分析

項目設計日負荷計算方法是諧波反應法，采用華電源HDY-SMAD空調負荷計算軟件進行計算，同時采用DeST軟件對項目的全年負荷進行了預測，以便計算系統的運行費用，確定系統經濟性。由于供冷區域內的建筑很多，且類型和工作時間不同，在進行負荷估算過程中，對各類建筑照明開關時間表、電器設備逐時使用率及房間人員逐時在室率進行相應設定以進行區分，同時根據相關手冊和項目運營經驗數據，考慮出租率、同類建筑差異等，建筑間同時使用率取0.9。

根據設計日負荷估算，供冷站設計空調冷負荷約為21.3萬kW，單位面積冷負荷指標約為79W/m2。

3　制冷工藝分析

對冷站周邊可用資源形式進行了調研，冷站靠近海邊，周邊擁有火力發電廠及污水處理廠，同時深圳市為鼓勵蓄能技術的應用，制定了優惠的蓄能電價，因此冷站主要考慮四種制冷工藝對對其應用可行性加以分析，即電廠余熱蒸汽制冷技術、海水冷卻技術、污水冷卻技術和蓄能技術。

3.1電廠余熱蒸汽制冷技術

利用電廠余熱蒸汽制冷主要具有以下優點：以熱能為動力，勿需耗用大量電能，而且對熱能的要求不高，可利用余熱、廢熱及其他低品位熱能；運動部件少，振動小、噪聲低，運行比較安靜；以溴化鋰溶液為工質，機器在真空狀態下運轉，無臭、無毒、無爆炸危險、安全可靠、無公害，對臭氧層無破壞作用，有利于滿足環境保護的要求；溴化鋰吸收式冷水機組可同時或單獨提供空調制冷、采暖、衛生熱水等；有效平衡城市能源結構，緩解電力高峰。

但是，該技術的應用也存在一定的難點和問題，如機組節電但并不一定節能，需根據其利用熱能造成發電損失情況具體分析；直接利用熱能，機組的排熱負荷較大，對冷卻水的水量要求較大；受到蒸汽管網路由規劃落實情況影響，蒸汽管道敷設進度及品質應滿足冷站要求；機組在真空下運行，空氣容易漏入，即使漏入微量的空氣，也會嚴重地損害機組的性能，對制冷機密封要求嚴格；在有空氣的情況下，溴化鋰溶液對普通碳鋼具有強烈的腐蝕性，這不僅影響機組的壽命，而且影響機組的性能和正常運轉。

考慮到目前蒸汽管網尚未鋪設、蒸汽價格等因素還未確定，且冷卻塔布置面積緊張，項目暫不考慮應用該技術。

3.2海水冷卻技術

海水取水一般分為海灘井取水、深海取水和淺海取水三大類，通常，海灘井取水水質最好，深海取水次之，但淺海取水則適應性廣。

供冷站應用海水冷卻技術需考慮以下條件：

1）取水口需要避開游輪的停靠點；

2）解決管道、設備的防腐蝕問題（海水含鹽量高）；

3）考慮與海生生物的相互影響，一方面，海生生物（尤其海紅）可能堵塞格柵、管道、冷凝器，影響設備的運行；另一方面，海水冷卻排放的回水水溫較高，對海洋生物的生長會產生影響；

4）海岸周邊的地質條件滿足要求；

5）海水最低潮位時有效水深能否滿足取水深度要求；

6）取水頭部的位置、取水量等，應征得有關部門的同意（規劃、航道等）。

由于冷站冷卻水量較大，海灣最低潮位時有效水深不能滿足冷站3.5m取水深度要求，與海生生物的相互影響尚未確定，海水水質等級較低，取水頭部的位置、取水量等尚未得到有關部門的同意（規劃、航道等）。鑒于以上原因，供冷站近期暫不考慮采用海水冷卻技術，采用冷卻塔提供冷卻水。

3.3污水冷卻技術

周邊污水處理廠日處理能力50萬t/d，凌晨為低谷期，處理量為1.5萬t/h，傍晚7點~8點為高峰期，處理量為2.3萬t/h。深圳市典型年逐時室外濕球溫度統計的冷卻塔出水和污水的月平均溫度如下圖所示，污水的月平均溫度與冷卻塔的出水月平均溫度相差不大，制冷機能效比基本接近，考慮到采用污水冷卻技術初投資較高，系統回收期長，從節能性和經濟性的角度考慮，不考慮采用污水冷卻技術。

3.4蓄能技術

目前主要的蓄能形式為水蓄冷、冰蓄冷和共晶鹽蓄冷，共晶鹽蓄冷系統由于技術經濟上的原因，在實際工程中使用比較少，實際工程中使用最多的是水蓄冷系統和冰蓄冷系統。

常規的水蓄冷系統是利用3~7℃左右的低溫水進行蓄冷，有5~8℃的溫差可利用，其單位容積蓄冷量較小，使水蓄冷系統的蓄冷水池占地面積較大。冰蓄冷就是將水制成冰的方式，利用冰的相變潛熱進行冷量的儲存，由于冰蓄冷除可以利用一定溫差的水顯熱外，主要利用的是355kJ/kg相變潛熱，因此與水蓄冷相比，冰蓄冷系統的蓄冷能力提高10倍以上，并可使蓄冷槽體積減小80%左右。考慮到供冷站機房面積限制，且蓄冰裝置可以提供低溫冷凍水，增大供回水溫差，提高供冷品質，減少冷凍水輸送量，降低輸送能耗及管道管徑，項目中，考慮采用冰蓄冷系統。

3.5小結

綜合以上分析，電廠余熱蒸汽制冷技術有較多未確定因素，海水冷卻應用條件尚不成熟，污水冷卻的節能性和經濟性不理想，考慮到經濟系、站房面積限制、輸送能耗等因素，選擇冰蓄冷技術應用于區域供冷站。

4　制冷系統設計

利用深圳地區峰谷電價差采用蓄能系統，一期為降低初投資，考慮蓄冰槽暫作蓄水槽使用，雙工況乙二醇機組與水蓄冷系統并聯滿足負荷高峰期供冷，負荷低谷期通過蓄水槽滿足供冷需求，夜間通過基載乙二醇機組供冷滿足夜間低負荷需求；為滿足冷負荷增量需求，二期安裝蓄冰設備，采用冰蓄冷系統，負荷高峰期雙工況乙二醇機組及基載常規冷水機組與冰蓄冷系統串聯滿足供冷需求，融冰工況下，使雙工況乙二醇機組位于上游，利于降低機組能耗，并能保證低溫供水溫度，負荷低谷期通過蓄冰槽滿足供冷需求。考慮到供冷站內蓄冰槽位置較高，可實現不設置融冰板換，盡量拉低冷凍水供水溫度，進一步增大供、回水溫差，提高供冷品質，減少冷凍水輸送量，降低輸送能耗及管道管徑，通過蓄冰槽直接供冷，減少運行能耗。

外部管網對盤管的防污處理措施采用在冷凍水回水總管處設過濾器的方式，即在回水總管上并聯設置2個螺旋除污裝置，單個除污裝置保證系統總流量的50%；各設備前不再另設Y型過濾器。

考慮片區的夜間低負荷需求，設基載乙二醇電制冷機組一臺。在夜晚制冰期間，可通過將基載常規冷水機組與基載乙二醇機組系統串聯，或單獨利用基載乙二醇機組系統滿足夜間低負荷需求。

4.1一期系統形式

在裝機階段一期，蓄冰系統僅安裝蓄冷槽及相關取、回水管等設備，其蓄冷槽取水斷面如圖5所示，蓄冷槽回水斷面如圖6所示。

在一期將蓄冷槽上取水管關閉，將蓄冷槽暫用于蓄冷水，利用下取水管抽取蓄冷槽內低溫水，采用單槽空置法，即將一個蓄冷槽進行空置以用于實現將低溫供水和高溫回水的隔離，通過將空置的蓄冷槽向低溫供水蓄冷槽的逐步推進實現蓄冷槽的低溫水供冷。系統在一期可利用蓄冰系統部分設備，在基本不增加額外設備的前提下實現水蓄冷。

4.1二期系統形式

隨著地塊出讓及開發進度，一期設備投入無法滿足供冷需求時，投入二期設備，提高供冷站供冷能力。二期水蓄冷系統改造為冰蓄冷系統，僅需逐步在蓄冷槽內安裝蓄冰盤管等設備，同時開啟蓄冷槽內上取水管，其蓄冷槽取、回水斷面同一期。由于水蓄冷系統相對二期冰蓄冷系統并未額外投入其他設備，且改造冰蓄冷系統過程并不影響供冷站的供冷，因此蓄冷系統改造過程基本無改造成本和時間成本。

5　用戶入口設計

冷凍水通過環狀管網輸送至各用能單位為其提供冷水，各用能單位地下設置用戶換熱站，內部用于安裝設備、閥門以及各信號采集裝置，現場對供給能源系統設備進行信息采集、轉換和控制，采集信號通過公共網絡或專線傳輸至供冷站，供冷站根據各用戶換熱站所采集信息及事先制定的運行策略調節供冷站供冷設備及水泵運行狀態，并控制末端閥開度，實現節能運營目標。

供冷管網設計分界面在用戶換能站板式換熱器入口閥門處，投資分界面在用戶地塊紅線內。

考慮到運行管理方便及界面清楚，能源中心供冷管網和用戶管網之間的連接采用間接連接的方式，即所有用戶均設板式換熱器隔離。但高、低區用戶板式換熱器承壓不同，水泵需克服板式換熱器的阻力。因供冷站側和用戶側相對獨立，界面及運行管理方便。

6　技術經濟指標

（1）設計日峰值供冷負荷212929.7kW，總蓄冰量54.09萬kWh；

（2）全年峰電量為2413.17萬kWh，全年平電量為2909.50萬kWh，全年谷電量為3932.43萬kWh；

（3）制冷站總建筑面積（不含冷卻塔）約為13500m2，蓄冰槽面積約為4500m2，冷卻塔面積約為3750m2；

（4）制冷系統總裝機電量為38091KW

（5）制冷系統全年補水量為115.47萬t。

7　結語

（1）供冷站通過集中制造冷水，通過區域管道滿足區域內多個建筑物的空調冷源需求。相對傳統中央空調系統中每棟建筑物均設各自的制冷機房，集中供冷會因系統設計、運行、維護的綜合規劃以及空調用冷水生產及銷售量的集中控制而帶來規模效益。同時，由于供冷站規模較大，更利于實現高效機組的利用以及冰蓄冷等技術的實施。

（2）冰蓄冷技術具有“削峰填谷”，平衡電網峰谷差的功效，因此可以減少電廠為滿足用電容量新增發電設備的投資，提高發電設備和輸變電設備的使用率；可以減少火力發電廠新增設備的環境污染，充分利用有限的不可再生資源，有利于生態平衡，優化整個社會的資源配置。

（3）終端用戶售冷價格是決定項目成敗的關鍵因素，需根據政策導向盡早確定售冷收費模式。

（4）能源價格體系會對項目的經濟性產生較大的影響，應對價格因素做充分的敏感性分析，同時實行售冷價格與能源價格的聯動。

（5）電廠蒸汽利用技術可提高形成能源的梯級利用，但該技術的應用受到蒸汽價格、蒸汽管道建設時序、蒸汽管道走向、蒸汽品質、冷卻塔安裝面積等眾多因素影響，同時蒸汽制冷機組與電制冷機組間效率的較大差異對節能型有較大影響，在應用時應綜合分析考慮其可行性。

參考文獻：

[1]王剛.區域供冷在世界的發展狀況[A].全國暖通空調制冷學術年會資料摘要集[C].2004，（1）：2111.

[2]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2008.

修回日期：2016-03-22

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.015

中圖分類號：TU831.6

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0066-06

作者簡介：覃承禹（1983-），男，本科，中級工程師，項目主任，主要從事區域集中供冷技術的應用及實施工作。

收稿日期：2016-02-26

Application Analysis of Centralized Cooling System in Hot Summer Warm Winter Zone

QIN Cheng-yu
（Shenzhen Qianhai Energy Investment Development Co.，Ltd，Shenzhen 518054，China）

Abstract：District cooling system has obvious advantages in the energy，operational management and economic aspects，the application of the regional central cooling system in Guangdong Province is introduced，the regional design day load and annual hourly load are analyzed.Available energy is analyzed according to the local conditions，the ice storage system is determined，and the stage construction program is to adapting the gradual increase load of the actual situation，and the design of the central cooling system and?the heat exchange room for user is introduced.By analyzing the technical and economic indicators of the central cooling system applied in Guangdong Province，the conclusion that the district cooling system applying to the hot summer warm winter zone is drawn.

Key words：district cooling； ice storage system； stage construction； large temperature difference