一种新型区域热/冷/水联供系统

孙强 刘明生

哈尔滨工业大学市政环境工程学院

一种新型区域热/冷/水联供系统

孙强 刘明生

哈尔滨工业大学市政环境工程学院

本文阐述了一种新型的区域联合供热、供冷及供水的能源供应系统——城市大热容水环系统，阐述了该系统高效直接地将建筑冷热量移位互补利用的思想，阐述了该系统分级水处理的思想，阐述了该系统将区域供热、供冷与供水三个管网的功能用一个大管网代替的管网形式，阐述了该系统用户侧分质供水的理念，即提供用户直接饮用水、生活一般用水、生活热水和杂用水，同时也阐述了该系统各子系统的组成、设计实施方案以及系统控制策略。

城市大热容水环系统 分质供水 可再生能源

为了充分利用区域内的可再生及可回收利用能源，实现区域内建筑冷热量之间的移位互补利用，从而减少化石能源的消耗[1]；降低水厂水处理费用，实现分质供水，合理利用区域水资源，满足人们对饮用水不断增长的需求[2]。本文提出了一种新型的区域热、冷和水联供系统——城市大热容水环系统。本文首先详细阐述了该系统区域分级水处理、区域内建筑冷热量移位互补利用以及充分利用区域内可再生和可回收利用能源的主要思想；其次，阐述了该系统各子系统以及各子系统中主要部件的组成并阐述了区域分级水处理和区域内建筑冷热量移位互补利用的具体实施方案；最后，阐述了系统运行控制策略。

1　城市大热容水环系统的概述

城市大热容水环系统是指将水厂的原水进行区域分级水处理，从而向区域用户供应不同水质的水（包括直接饮用水、生活一般用水、生活热水和杂用水），同时利用水源热泵将管网中的水作为蓄热和取热的载体，辅以区域中常规能源以及可再生和可回收利用能源进行区域供热供冷。该系统的思想主要包括区域分级水处理、区域内建筑冷热量移位互补利用和充分利用区域中可再生和可回收利用能源。

区域分级水处理分为初级、中级和高级水处理（图1），初级水处理在水厂处完成，中级和高级水处理在区域用户处完成。初级水处理是原水在水厂处进行常规混凝、过滤和沉淀处理使其达到冷却水水质标准，通过管道输送给区域用户，用于建筑冲厕用水，清洗路面、浇灌绿地用水以及作为区域用户供冷供热的冷热源。中级水处理是将管道中经初级水处理的水在区域用户处通过水处理设备进一步处理使其达到一般饮用水水质标准，一部分经加热作为生活用热水（用于洗澡等），一部分作为生活一般用水（用于洗涤等）。高级水处理是将经中级水处理的水在区域用户处再深度处理，使其达到优质饮用水水质标准，作为直接饮用水。

图1　区域分级水处理流程图

区域中建筑冷热量移位互补利用是指当区域中的建筑有不同的冷热量需求时，需要用冷的建筑可以通过水源热泵将热量转移到水中，再通过管道系统将热量转移给需要用热的建筑；需要用热的建筑提取水中的热量，再将取热后温度降低的水通过管道系统供给需要用冷的建筑，从而实现区域建筑之间的冷热量移位互补利用。

区域中可再生和可回收利用能源的利用是指该系统充分利用区域中的地表水作为区域供冷供热的冷热源，同时可以利用区域中可再生、可回收以及未利用能源（包括污水热能，太阳能等）作为辅助供热的热源。

该系统的特点是：三源合一、三网合一、三用合一。“三源合一”是指该系统充分利用区域中的高密度及低品位的水作为冷热源，同时将区域中可再生及可回收利用能源和常规石化能源作为辅助能源；“三网合一”是指该系统利用一个大管网实现区域供热、供冷和供水三种管网的功能，从而代替了区域供热、供冷和供水三个市政管网；“三用合一”是指该系统可以满足建筑内用户用热、用冷以及用水的需求。

2　系统组成及实施方案

城市大热容水环系统中各子系统的组成，见图2。在水厂处包括取水泄水系统和初级水处理系统；在系统管网处包括大热容水环管网系统和蓄能系统；在用户处包括中高级水处理系统、水源热泵系统和辅助供冷供热系统。

图2　城市大热容水环系统的子系统组成

城市大热容水环系统各子系统的主要部件组成，见图3。取水泄水系统主要包括取水水泵、蓄水池和泄水发电机等；初级水处理系统主要包括在水厂处进行混凝、过滤、沉淀的设备等；大热容水环管网系统主要包括两个管道（供水管和稳压水管）、供水水泵和补水水泵、定压装置（如压力罐）和泄压控制阀门；蓄能系统包括蓄能水箱、压差传感器、蓄能水泵；中高级水处理系统包括中级和高级水处理设备；水源热泵系统包括水源热泵机组、供热供冷控制阀门和水泵；辅助供冷供热系统包括冷水机组、锅炉、太阳能热水系统和污水源热泵系统等。

图3　城市大热容水环系统的示意图

区域分级水处理的具体实施方案是利用取水水泵将河流湖泊等的地表水提升到城市水厂地面高度，在水厂处将地表水进行初级水处理（包括混凝、过滤和沉淀等），把水处理到换热器进水的水质要求，达到冷却水处理标准，利用供水水泵将经初级水处理的水输送到区域用户，作为用户供冷和供热的冷热源以及用于对水质要求不高的场所如城市绿化、清洗路面以及建筑中卫生器具用水等；用户侧，利用中级水处理设备将管网中的水进一步处理到生活一般用水的水质要求，达到一般饮用水的水质标准，经中级水处理的水一部分经过水源热泵机组提升水温，升温后的水利用管道直接输送到用户，作为生活热水；再将经中级水处理的水通过高级水处理设备进行深度水处理，处理到直接饮用水的水质要求，达到优质饮用水水质标准，利用管道直接输送到用户，作为直接饮用水。

区域建筑冷热量移位利用的具体实施方案是在水厂处通过管道输送经初级水处理的水到区域用户，大热容系统管道由两根管道组成，一根为供水管，另一根为稳压水管。夏季供水管为空调用冷源，稳压水管为空调用热源；冬季供水管为空调用热源，稳压水管为空调用冷源。在用户侧，当用户需要供冷时，需提取作为空调用冷源水管的水，经换热后温度升高的水排入到作为空调用热源的水管中；当用户需要供热时，需提取作为空调用热源水管的水，经换热后温度降低的水排入到作为空调用冷源的水管中。当某一管道在某一时间段内存在大量过剩的冷热量时，可以将其储存到蓄能水箱中，当管道中需要大量的冷热量时，可以将蓄能水箱的水注入到相应的管道中。

3　系统控制

城市大热容水环系统的控制包括管网水温控制、用户侧辅助供热供冷系统控制、管网压差控制、蓄能控制和管网泄水控制。

城市大热容水环系统的管网水温要求控制在5～40℃之间。管网中水的水温不应低于5℃，以免管网中水温太低影响水源热泵机组正常运行；同时要保持管网水温不高于40℃，防止管道中细菌迅速滋生堵塞管道。

用户侧辅助供热供冷系统控制与管网水温以及用户侧负荷有关。当系统无法完全满足用户供热需求时（如管道中水温低于5℃或用户侧出现热负荷高峰时段等），用户侧需开启辅助供热系统（如锅炉，太阳能热水系统，污水源热泵系统等）；当系统无法完全满足用户供冷需求时（如管道中水温高于40℃或用户侧出现冷负荷高峰时段等），用户侧需开启辅助供冷系统（如冷水机组等）。

管网压差控制主要包括供水水泵变频控制和定压装置的水位控制。由于系统的供水管和稳压水管都可以进行取水和注水，为了保证两根管道之间的压差最小，供水水泵宜采用变频控制，从而根据各管段之间的压差值确定供水水泵的运行参数。当稳压水管的定压装置的水位达到最高水位的限定值时，需开启泄压控制阀门，将稳压水管中的水泄到蓄水池中，从而降低定压装置的水位；当定压装置的水位低于最低水位的限定值时，需开启补水水泵，将蓄水池的水注入到稳压水管中，从而提高定压装置的水位。

蓄能控制包括蓄热控制和蓄冷控制。当作为热源的管道在某一时间段内存在大量过剩的热量时，可以开启蓄热水箱的水泵，将管道中大量的剩余热量储存到蓄热水箱中，作为某一时间段用热高峰的补充热源；当作为冷源的管道在某一时间段内存在大量的剩余冷量时，可以开启蓄冷水箱的水泵，将管道中大量的剩余冷量储存到蓄冷水箱中，作为某一时间段用冷高峰的补充冷源。

管网泄水需根据蓄水池水位进行控制，当蓄水池水位较高时，意味着稳压水管道中的水量较大，存在大量的过剩能量，需要对蓄水池进行泄水。泄出的水可以排入到城市景观池或用于园艺灌溉，道路洒水等[3]；如果城市地面与河流表面之间存在较大的高差，可以利用水轮机进行发电；也可以将水轮机与水泵同轴连接，利用水轮机带到取水水泵取水[4]。

4　结论

城市大热容水环系统是一种充分利用区域中可再生能源的新型城市市政管网系统，该管网系统将区域中的供热、供冷、供水三个管网的功能用一个大管网来实现；用户侧实现分质供水，直接提供用户饮用水、生活一般用水、生活热水和杂用水；实现了高效直接的区域内建筑冷热量移位互补利用。该系统可以充分利用区域内的可再生及可回收利用能源，简化城市市政管网系统，同时也大幅度提高城市居民生活品质与安全。

[1]龙惟定,白玮,梁浩,等.低碳城市的能源系统[J].暖通空调, 2009,39(8):79-84

[2]徐鹤,刘家宏,于莉君.我国分质供水的发展[J].水利水电技术, 2012,43(9):74～76.

[3]顾铭,马宏权,王勇.江水源热泵的技术关键与工程案例分析[J].建筑热能通风空调,2010,29(4):38-42

[4]Jun Lu,Yunqing Fan,Jingna Song,et al.Application of hydro turbine pump in water source heat pump drainage gravitational potential energy recovery system[J].Indoor and Building Environment,2010,19(5):546-554

A New Typical Combined District Heating, Cooling and Water Supply System

SUN Qiang,LIU Ming-sheng
School of Municipal&Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology

A new typical energy supply system of combining district heating,cooling and water supply was introduced, which is named as urban heat capacity water looped system.The idea that energy is transferred between cooling and heating in buildings efficiently and directly,and the idea that water is treated by three levels,and the pipe network form of this system which replaces pipe networks of district heating,cooling and water supply,and the idea of dual water supply which supplies drinking water,tap water,hot water and non-drinking water,were presented.Finally,the subsystems of this system,design and implement plans and systematic control strategies,were introduced.

urban heat capacity water looped system,dual water supply,renewable energy resource

1003-0344（2015）06-043-3

2014-6-26

孙强（1985～），男，博士研究生；黑龙江省哈尔滨工业大学市政环境工程学院（150090）；E-mail:sunqiang1222@163.com

国家自然科学基金青年基金（51208160）；黑龙江省青年基金（QC2012C056）