后世博江水源空调系统节能运行分析

张志恒 刘子亮 邬亮 余岳峰

1.上海电力股份有限公司吴泾热电厂2.上海交通大学

后世博江水源空调系统节能运行分析

张志恒1刘子亮1邬亮1余岳峰2

1.上海电力股份有限公司吴泾热电厂2.上海交通大学

在后世博期间，许多江水源空调系统得以保留并一直运行至今。本文对世博城市最佳实践区的江水源空调系统，进行系统的优化与节能运行方式分析。分布式能源作为近年新兴的区域性能源供应方式，无疑最适合上海这样对环境有较高要求的超大型城市。

江水源空调；分布式能源；节能运行；后世博

2010年上海世博会期间，在黄浦江沿岸建造了多处江水源空调系统，为世博园区内相当数量场馆的空调供能提供服务，从高品质能源供应方面体现了“城市让生活更美好”这一主题。而后世博期间，为了进一步高效利用世博会遗产，同时大幅降低国有资产浪费，绝大多数江水源空调系统得以保留并运行至今。本文基于其中较大的一处——世博城市最佳实践区江水源空调系统，进行系统的优化与节能运行方式分析。

1 世博园区江水源空调系统运行特点

江水源空调系统，顾名思义就是利用水源作为系统的能量来源，将低品位能源转化为高品位能源的一套空调系统，是分布式能源系统在拥有大径流量水源流经的城市自然条件下因地制宜的大胆尝试。该套系统可以实现在设计工况下为区域内的建筑夏季提供冷能，而冬季提供热能。系统的能量来源全部由江水提供，理论上无需消耗天然气或煤炭等一次能源，从而减少CO2等温室气体排放，对减少城市热岛效应有积极作用，对城市环境更友好，依然紧贴“城市让生活更美好”这一主题。

江水源空调系统从设计到运行相比采用冷却塔的空调系统，其优劣非常明显，具体分析如下。

该系统优点：

（1）夏季工况和冬季工况可采用同一套系统供能，设备数量较少，维护成本也随之降低；

（2）无需冷却塔进行冷却，区域内可明显减少热岛效应，同时不占用地面或建筑体外立面空间；

（3）采用江水过滤方式替代冷却塔散热，大幅降低冷却设备的电耗；

（4）冷却水采用江中——地下的方式，设计上采用了低扬程水泵，进一步降低冷却系统的电耗；

（5）系统末端用户场馆采用空调水直供而非板换的的方式，减少了二次换热的损失，进一步提高了系统的效率。

系统也存在不足，主要有：

（1）因向黄浦江的江水水质妥协，机组设计效率相较冷却塔机组略低；

（2）自黄浦江部分区段取水，须定期对该区段进行清淤工作，工作难度较清理冷却塔高，但因设备数量少，成本基本持平甚至略低；

（3）作为唯一的能量来源，由于江水水质和水温全年变化较大，而且通常采用直流取水设计，无水质缓冲区域，日常运行难度明显高于普通冷却塔系统。

综合看，总体上江水源空调系统是一套单机效率略低但系统整体效率较高的、对环境友好、后期运行有一定难度的分布式能源系统。

2 世博园区江水源空调系统节能运行分析

世博城市最佳实践区江水源空调系统最初是由同济大学建筑设计研究院负责设计，其优势是最大化利用上海电力股份有限公司原上海南市发电厂的江水取退水系统进行再利用，在降低选址难度的同时也降低了整套系统的建设投资成本，该系统自2009年底进入调试阶段，至今已运行了将近8年的时间。

系统能效比指数COP=系统输出的总能量/系统消耗的总电量。对于一套空调系统而言，要提高系统整体的效率，在确保系统安全的前提下，必须在保持系统的能量输出规模的同时，降低设备的使用数量或优化设备的运行参数。

江水源空调系统在设计上按循环分，共有3个系统：①江水循环系；②一次循环系统；③二次循环系统。而从功能分，共有5个子系统：①江水取水系统；②江水过滤系统；③一次换热系统（主机）；④能量输送系统；⑤二次换热系统（末端空调）。以下主要按照功能区分的5个系统，分别进行节能运行方式的阐述。

（1）江水取水系统：取水系统作为整个江水源空调的起始点，是整套系统的能量来源。但实际运行中，能量的需求是不断变化的，取水量也需要不断变化，在设备选型中，江水泵变频器的应用是必不可少的。通常水泵在设计中的选型是为了满足最极端或最高负荷的需求而定的，在一般工况下无论流量还是扬程有一定的富余，采用较经济甚至较极限的频率运行对于取水系统的用电消耗有明显的改善作用。

（2）江水过滤系统：江水过滤系统在江水源空调系统中是最为至关重要的环节，该子系统的过滤强度直接影响整套空调系统的运行安全性。尤其在没有缓冲的江水取水系统中，江水过滤系统的失效将直接导致系统的停运，严重的可能导致主机的大修甚至报废。但江水的水质是常年变化的，主动了解江水水质情况，进行过滤系统的过滤强度调整，即在水质情况较好的前提下，主动停用强度过高的设备，降低江水取水系统的运行阻力，可明显提高取水系统的运行效率，进而降低能耗。

（3）一次换热系统：即供能主机，一般而言，每一台机组都选取了一套最适用的控制逻辑及控制参数。但最适用是运行覆盖范围大而不代表最经济，而每一台机组又因制造工艺或过程的不同，拥有各自不同的性能特性曲线。同时在统一供能期中，能量初端和供给端的负荷不同也对机组本体的运行有重大影响。所以，及时参数的主动调整对机组的高效率运行有极大帮助。尤其是向水质妥协的江水源空调系统的机组，在选型方面单机的额定效率和最高效率均不及冷却塔机组，但合理地调整机组的实时参数可以最大化弥补单机效率方面的不足。

（4）能量输送系统：能量输送主要由输送水泵及延伸至末端场馆的管道组成，其中水泵的运行也与江水泵的运行逻辑一致，即按照负荷的变化进行调整，尽量用提高温差的方式来进行节能。之前夏季供冷期的设计标准温差是5℃，近年来已逐渐向7℃靠拢就是在确保舒适性的前提下的节能措施。管道作为一个看似无法调节的部分其实也具备节能潜力，即合理调整管道壁氧化层的厚度和组份。管道作为一个空调系统的连通部分，热损失的最大的部分，尤其是浅埋管热损失较大，仅依靠保温效果很难保证，可有选择性地进行管道内部表面氧化层厚度调整，降低管道整体（管道金属本体和氧化层）的热传递系数，可以明显提高管道的保温性，提高系统的输送经济性。

（5）二次换热系统：用户端的二次换热系统一般是最不被重视的部分，原因主要为复杂、不可视等。但事实上二次换热系统节能空间非常巨大，不仅直接关系到用户端的舒适性体验，更能很好地为前4个子系统提供调整依据，而且据有时效性。在有条件的情况下将末端用户的用能参数实时传送至江水源空调系统的中央控制系统，由末端负荷的需求决定初端供能的输出，是一种实时的能源“供给侧改革”。

3 世博园区江水源空调系统节能效果

世博城市最佳实践区的江水源空调系统的运行正是运用以上的方式进行分子系统节能，挖掘每一个子系统的潜力，用低成本的改造来优化硬件配置，配合优化的运行方式及实时的监控系统进行取能——产能——输送——用能控制，配合对当天天气的预判，真正实现对能源的最大化利用。如果用比例来描述以上5个子系统的节能潜力，即：江水取水系统为15%，过滤系统为5%，一次换热系统为30%，能量输送系统为20%，二次换热系统为30%。

按近几年世博城市最佳实践区江水源空调系统改造和优化运行后的数据累积，夏季机房动态COP的平均值＞4.1，而整体系统动态COP的平均值＞3.7。这样的数据还是建立在实践区的实际供能面积仅有设计面积的1/3至1/2这样的部分工况基础上的，规模化效应还未完全显现。未来，在实践区区域内产能完成释放后，规模化效应将会进一步为系统效率的提高提供较大帮助。

但总体看，世博期间建造在黄浦江沿岸的江水源空调系统已有多处停用或即使在用也效率较低，主要是后期运行维护存在一定的问题，而由能源企业来运行维护这样的分布式能源系统是最为可靠的保证。江水源空调系统的设计理念是创新的、超前的，是高效利用自然资源的杰出代表，辅以合理的运行方式和及时适当的升级改造，即可释放处系统的最大潜力。

4 总结

综上所述，分布式能源作为近年新兴的区域性能源供应方式，无疑最适合上海这样对环境有较高要求的超大型城市，提高能源利用率也是大势所趋。作为负责任的大国，中国在国际舞台上已承诺，以2005年为基准年，实现至2030年碳排放强度降低65%的目标。鉴于社会的向前发展，节能是减排的最有效方式。事实证明，江水源空调系统是适合在上海发展的分布式能源系统，而且是可实现高效利用能源、可再生资源、环境友好的代表。

Energy Saving Operation Analysis on River Water Source Air Conditioning System after Expo

Zhang Zhiheng1, Liu Ziliang1, Wu Liang1, Yu Yuefeng2
1.Shanghai Electrical Power Co.，Ltd Wujing Thermal Power Plant 2.Shanghai Jiaotong University

Many river water source air conditioning systems are kept and operate all the time after expo. The article carries out system optimization and energy saving operation method analysis for river water source air conditioning system in expo city best practice area. Distributed energy works as regional energy supply method, which is the best suitable way for mega metropolis that has high environment requirement like Shanghai.

River Water Source Air Conditioning, Distributed Energy, Energy Saving Operation,After Expo

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.004