區域能源站規劃設計研究

韋笑

(1.東南大學土木工程學院，南京 210096；2.江蘇省住房和城鄉建設廳科技發展中心，南京 210036)

隨著中國經濟的快速發展和工業化、城鎮化進程的加快，能源需求不斷增長，能源資源供給長期偏緊的矛盾日益突出，我國將面臨由能源大國向能源強國轉變帶來的諸多問題和挑戰，我國在成為世界第二大經濟體的同時也己經成為世界上碳排放總量最大的國家之一[1]。尤其對于大型城市，人口規模和建筑面積也不斷擴大，統計數據顯示，地級以上的城市能耗占到了全國總能耗的五成以上[2]。

區域能源技術是一種新型的建筑節能手段[3],采用集中能源站的形式向區域內的各類建筑輸送冷量、熱量、生活熱水及電力。區域綜合能源系統集合了電、冷、熱各能源系統，有機協調與優化各種能源。能源站與能源網絡將電力系統、熱力系統等結合在一起[4],實現多能互補與轉換，能夠降低污染排放及提高能源利用效率[5],減少設備占地，提高項目的經濟性[6]。能源站與能源網絡能實現各能源設備的合理配置，提升系統綜合效益，是當今熱門的重點研究問題[7-8]。

項目位于淮安市中心城區某組團單元片區，規劃形成“雙心、三軸、七組團”的空間結構，未來擬打造成里運河文化長廊融合發展的主題片區，多元活力品質的宜居家園。項目總用地面積651.12 hm2，現狀建設用地338.26 hm2，非建設用地312.86 hm2。計劃打造集運河雙子心地標、運河文化體驗館、高端星級酒店、會議會展中心、運動中心、商業綜合體、精品街區、高端居住等業態為一體的文旅項目。

1 模型和方法

1.1 負荷預測方法

能源系統綜合設計需要對冷、熱、電需求進行預測，是能源系統配置優化的依據[9]。建筑的冷熱負荷會受到天氣、圍護結構等因素的影響而變化，不確定性較大。在實際項目中，往往需要采用建筑模型進行冷熱負荷預測[10]。隨著建筑模型仿真的發展，冷熱負荷預測方法越來越多，應用越來越廣泛[11]。

目前熱力負荷和熱水負荷預測方法較多，其中建筑熱負荷和熱水負荷預測方法主要有：

1)單位面積指標法；

2)統計回歸預測方法：回歸分析方法、指數平滑法、時間序列預測方法、灰色預測、神經網絡模型；

3)計算軟件預測方法：DOE-2，eQUEST，Energy-Plus，Dest；

4)情景分析方法。

1.2 區域能源規劃方法

區域建筑能源的規劃按照以下四個步驟進行：

1)分析區域內資源狀況，包括電力、熱力、燃氣、可再生資源和廢熱資源；

2)對建筑區域現狀進行分析，包括區域占地面積、建筑空間、建筑面積和建筑功能等；

3)考慮居民生活狀況，將居民收入、生活環境以及對空調供熱的需求作為能源規劃的影響因素。

4)在做好以上工作的基礎上對區域建筑負荷做出預測，根據實際條件選擇供冷供熱及生活熱水負荷承擔方式，并對其進行經濟性分析，得出區域建筑能源規劃方案。

在規劃建筑區域能源供給系統時，必須考慮城市能源的相互替代性、供應多元性和低碳性。

1.3 能源站規劃

1.3.1 能源站設計流程

進行能源站的設計，首先對規劃區域進行負荷預測，再選擇合適的蓄冷/蓄熱技術，進行相應的儲能匹配。根據規劃區的實際情況，進行能源站選址以及管網的鋪設設計，最終進行完整能源站的經濟性分析。

1.3.2 能源站設計原則

1)合理分區。確定每個能源站的供能區域，可減少單路供能管路的輸送能耗和管道冷/熱損失，可有效降低運行成本。

2)充分利用可再生能源。應規模化并最大限度使用項目周邊可再生能源，減小傳統能源的比重，優化能源結構，充分發揮可再生能源在節能減排和促進系統高效運行方面的明顯優勢。

3)提高供能安全可靠性。輔以冷卻塔、燃氣真空鍋爐作為補充，保障安全可靠供能。

4)與城市景觀水系統規劃相結合。再生水經過換熱后部分退水可作為景觀水系統補水水源。

5)管網布設合理。按照區域的總體規劃來進行能源中心站和管網的配置工作，與區域內各種資源有序銜接，優化管網設計，減少區域能源中心站的輸送能耗損失。

6)智慧能源管控平臺。供能系統采用智能管控，根據負荷變化自動調節機組運行方式、水泵功率、室內溫度等。控制方案設計與項目工藝需求相配合，并兼顧后期運行調試，以實現節能運行。

2 案例分析

2.1 負荷預測

2.1.1 空調負荷

淮安河西單元空調面積按建筑面積的70%計算。夏季室內設計參數：溫度24 ℃～28 ℃，相對濕度40%～65%；冬季室內設計參數：溫度18 ℃～22 ℃，相對濕度40%～70%。在按照規范經驗值選取的基礎上，根據淮安河西單元冷熱負荷的調研現狀，確定合理的空調冷熱指標值。

根據面積估算法預算出空調負荷。依據《實用供熱空調設計手冊》，計算出的淮安河西單元冷熱負荷預測結果見表1，總計建筑面積71.36 hm2，冷負荷36.32 MW，熱負荷26.25 MW。

表1 規劃區空調負荷

2.1.2 生活熱水負荷

住宅生活熱水量按人均需求預測，生活熱水(60 ℃)定額每人每天取40 L，折算成單位面積熱指標為10 W/ m2，集中供應熱水率為15%。

公共建筑居住區內無生活熱水設備，按公共建筑千人指標及人均建筑面積折算為單位面積熱指標為2 W/ m2，集中供應熱水率為15%。

根據建筑面積及生活熱水指標計算生活熱水負荷，同時使用系數取0.5。河西單元生活熱水負荷預測結果見表2，建筑面積總計71.36 hm2,熱水負荷總計0.41 MW。規劃區熱力負荷見表3，夏季負荷總計36.72 MW，冬季負荷總計26.66 MW。

表2 規劃區生活熱水負荷

表3 規劃區熱力負荷

2.2 區域能源站

區域能源站是對一定區域內的建筑物群，由一個或多個能源站集中制取冷水、熱水或蒸汽等冷媒和熱媒，通過區域管網提供給最終用戶，實現用戶制冷或制熱要求的系統。通常包括四個基本組成部分：能源站，輸配管網、用戶端接口和末端設備。其中能源站為產生冷、熱能量的場所。區域供熱供冷系統(District Heating and Cooling，DHC)的能源來自熱電廠、工業余熱、土壤源以及各種水體熱源，這些能源需要通過能源站中的設備轉換為滿足要求的冷熱水。輸配管網是由熱源向用戶輸送和分配冷熱介質的管道系統。用戶端接口是指管網在進入用戶建筑物時的轉換設備，包括熱交換器、蒸汽疏水裝置和水泵等。末端設備是指安裝在用戶建筑物內的冷熱交換裝置，包括風機盤管、散熱器、空調機組(AHU)等。

區域能源系統形式主要包括：

1)淺層地熱源，包括海水源、污水源、江水源、土壤源等，如各種形式的水源熱泵、地源熱泵等；

2)分布式能源；

3)工業余熱資源；

4)傳統能源，如北方的集中供能系統；

5)其它能源，如太陽能、風能、潮汐能等。

2.2.1 能源站建設條件

適宜建設區域能源系統的基本條件有：

1)區域內建筑密度較高，并且總建筑面積達到一定的規模，單個區域能源系統適宜的供能建筑面積范圍在20萬m2～300萬m2之間，小型分布式能源系統適宜的供能建筑面積不超過50萬m2。

2)供能區域內建筑業態宜多樣化，可減少區域能源系統的單位建筑面積投資成本。各種業態的建筑，其空調使用時間不一樣，如區域內有辦公樓、酒店結合，建筑業態越豐富越好。

3)區域規劃定位高，建筑品質要求高。一般區域能源應用區域選擇在用能密度大、負荷集中的場所，如公共建筑，工業廠房和高檔住宅等。

4)區域供能能源站房的可建設性。需在公共綠地下/廣場下/樓宇地下室/地面上等區域規劃建設一個能源站房。

5)供能管網的可建設性。區域供能系統需建設一供一回兩根管道接入各個建筑，管道通常埋地敷設，道路或綠地下有一定的管位空間即可。但管道最遠的輸送距離宜控制在1.5 km范圍以內，否則輸送能耗損失過大會影響項目運行經濟性。

2.2.2 能源站布置方式

以3號能源站為例，供能面積約為6.42萬m2，總冷負荷約為6.96 MW，總熱負荷約為5.04 MW，占地約2 000 m2。選址位于河西路西側、污水泵站北側，規劃為街頭綠地，現狀為空地。取退水管線較短，對建設用地影響小。3號能源站服務范圍如圖1所示。

圖1 3號能源站服務范圍

能源站均采用地下式，其中配建辦公用房為地上式，此外出入口、物料口、通風口等輔助構筑物為地上式。3號能源站配備300 m2管理輔助用房，均為地下式。

2.2.3 蓄冷、蓄熱技術

蓄冷技術主要有水蓄冷和冰蓄冷技術。表4為兩種蓄冷技術的技術特點。從表4可以看出，冰蓄冷技術的作用機理為潛熱和顯熱的復合蓄冷方式，因此使用溫度范圍較水蓄冷有明顯擴大，蓄冷能力與體積蓄冷量也有顯著增加，且可提供溫度更低的冷量，進而提高系統整體的響應速度，但是冰蓄冷需要雙工況制冷機，制冷效率相對較低，也會增加項目的初投資。水蓄冷技術不僅可以使用制冷能效高的常規冷水機組，還可以實現蓄熱和蓄冷兩種用途，可進一步降低項目的初投資。

表4 水蓄冷和冰蓄冷技術特點

目前設計思路主要有利用余熱蓄冷和低谷電蓄冷。余熱蓄冷技術是在滿足用戶用冷需求時，將余熱進行冷量轉換并儲存；低谷電蓄冷技術是在低谷電時利用額外電制冷機制冷儲存；在制冷不足時，利用蓄冷冷量進行供冷。

蓄熱技術主要有水、熔鹽等顯熱蓄熱技術，相變蓄熱技術，熱化學蓄熱技術等。其中，水蓄熱、熔鹽蓄熱等顯熱蓄熱技術耦合應用較為成熟，相變蓄熱耦合應用處于示范應用階段。熱化學蓄熱耦合應用也在實驗室研究中得到一定關注，需要進一步研究。蓄熱技術與風、光、地熱、生物質等可再生能源分布式系統耦合應用主要處于試驗和示范應用階段，對于緩解棄風棄電、提高環境友好性和經濟性具有較大的發展潛力和應用價值。

2.3 經濟性分析

針對區域能源資源稟賦與實際需求，通過多種技術耦合，實現區域內不同清潔能源的綜合開發與高效利用，可再生能源利用率約14%。

區域能源可以實現多方共贏。對于政府，在促進經濟發展、保障社會民生效益、改善區域生態環境等方面有顯著效益。節能環保效益每年節約電力1 570萬kW·h、節約標煤1 930 t，減排二氧化碳4 780 t，可實現GDP增量3 280萬元。對于開發商企業，區域能源站由第三方專業能源公司投資，能源站集約建設，減少設備機房用地，同時降低電力容量要求，整體開發成本降低，用戶體驗提升，可實現更高溢價。經項目盈利能力測算，項目所得稅后投資回收期約10年(含建設期)。對于終端用戶，區域能源可有效改善用戶用能體驗，提供專業化服務。

區域能源站面向終端用戶冷、熱、電等多種需求，因地制宜、統籌開發、互補利用傳統能源和新能源，完成能源生產、輸配、使用和排放，實現多能協同供應、能源綜合梯級利用和能源系統智能化管理。

3 結語

區域能源技術使單一能源供給向多能互補轉變，更好地利用清潔能源，滿足人們多種多樣的能源需求。科學的區域能源規劃方法可以因地制宜利用各種可再生能源，結合建筑用能特點，采取適宜的系統技術形式。區域能源技術具有環保效應顯著、經濟技術性良好、能源綜合利用率高等諸多優點，是我國未來發展階段內，保障建筑使用功能和舒適度的前提下實現建筑節能的一項重要技術手段和措施。建設區域能源站，并采用能源站供能，對城市發展具有重要價值。