河水源能源站系统设计

陈 铁

（南京市建筑设计研究院有限责任公司，南京 210014）

本工程所在新区位于连云港市城区东南部，是国务院批准设立的国家东中西区域合作示范区的先导区，规划面积约为467 km2，按照“生态、智能、融合、示范”的发展理念，新区主要打造石化、精品钢、先进装备制造、节能环保和现代港口物流等五大主导产业。供能区域内用能单位主要由两部分组成。一是工业邻里中心，包括工业邻里配套服务区、商业楼、公租房一至三期和幼儿园，工业邻里配套服务区又细分为邻里服务中心（裙房）和邻里服务中心（酒店）；二是预留商业金融区。工业邻里中心建筑功能以公寓为主，部分为办公、商业和教育。根据研究区中期市政热力管网规划（2015-2020年），项目周边226省道西侧有市政供热干管通过且热源充足，可以利用蒸汽对项目用能区域进行供热。

1 能源站服务范围

根据前期调研及用户对接情况，目前确定供能用户面积405 879 m2。本项目采用水源热泵作为区域供能的技术形式，服务区域包括工业邻里中心（305 879 m2）和预留商业金融区（10万m2），工业邻里中心包含办公、公寓、商业等建筑类型。工业邻里中心的各幢建筑详细指标如表1所示。

表1 工业邻里中心各幢建筑详细指标

2 能源站供能负荷

一是空调冷热负荷。参考相关资料[1-2]，经计算，工业邻里中心空调夏季设计总冷负荷为32 950 kW，冬季设计总热负荷为17 492 kW；预留商业金融区空调夏季设计总冷负荷为12 000 kW，冬季设计总热负荷为6 000 kW。二是生活热水负荷。参考《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019），经计算，日最高用水量为469 151 L，生活热水负荷为3 635 kW。

3 水源评估及利用方式

3.1 水源概况

本项目地处中心河旁，中心河北与张圩港河连接、南至南复堆河，沿226省道西侧开挖，是新区重要的南北向调节河道。中心河河道全长为15.5 km，底宽为50～70 m（纳潮河以北底宽70 m，纳潮河以南底宽50 m），河底高程为-1.0 m，河体最深处约为4.6 m，分别与张圩湖、徐圩湖、方洋河接通，水量充沛，能够满足系统的用水需求。中心河水质较好，含沙量较低，丰水期水深为3.37 m，枯水期水深为2.37 m，水质条件如表2所示。

表2 中心河水质条件

夏季，能源站以河水作为冷却水，冷却系统不再需要冷却塔，据测算，冷却水温度每降1 ℃，可以提高机组制冷系数2%～3%，这样会大大提高机组的能效比（COP）；冬季，能源站以河水作为热源水，通过热泵蒸发器提取河水中的热量供给建筑物使用。

泥沙杂质和河水中的生物（藻类、鱼类）会造成热泵机组换热效率下降及换热管道堵塞，因此从中心河抽水后，其需要经过两次自动循环反冲洗过滤机组处理，再用于水源热泵机组供暖或制冷。其中，主机蒸发器及冷凝器均设自动胶球清洗除污装置。整个利用过程不会对河水造成浪费和污染，而且河水经过除污器后，水质有一定提升。

3.2 冬季河水温度分析

2014-2015年冬季（12月16日至2月15日），中心河水温均低于5 ℃，这期间水源热泵运行效率极低，甚至会出现停机。

3.3 河水换热能力分析

根据《地源热泵系统工程技术规程》（DGJ32/TJ 89—2009）[3]，计算中心河的河水换热能力。静止水体的最大瞬时换热量按式（1）估算。

式中：Q为静止水体最大瞬时换热量，kW；ρ为水体密度，取1 000 kg/m3；V为设计利用范围内的水体总体积，m3；Cp为水的定压比热，取4.18 kJ/（kg·℃）；ΔT为总体允许温升（降），取1 ℃（2 ℃）；t为每周运行时间，s。

夏季总体允许温升ΔT为1 ℃，水深为3.3 m，考虑取水从中心河沿港前三道进能源站，沿226省道退水至纳潮河，设计范围内的河流长度为2 242 m，宽度为70 m，本项目全天运行。经计算，设计利用范围内的水体总体积V=2 242×70×3.3=517 902 m3，每周运行时间t=7×24×3 600=604 800 s。将相关参数值带入式（1）可得，静止水体最大瞬时换热量Q的估算值约为3 579 kW。

下面考虑水面蒸发散热，估算水体夏季换热能力。水面蒸发量的计算公式为：

式中：Lw为水面蒸发量，kg/s；Vf为水面上的风速，取2.9 m/s；Pqb为与水面相等的饱和水蒸气压力，取4 240 Pa；Pq为水面周围空气的水蒸气压力，取3 426 MPa；F为水面面积，F=2 242×70=156 940 m2；B为当地大气压力，取100 400 Pa。

将相关参数值带入式（2）可得，水面蒸发量Lw约为19.7 kg/s。水面蒸发散热量的计算公式为：

式中：Lw为水面蒸发散热量，kW；γ为水蒸气的汽化潜热，取2 432.24.18 kJ/kg。

将相关参数值带入式（3）可得，水面蒸发散热量Q0约为47 914 kW。

工业邻里中心空调夏季设计总冷负荷为32 950 kW，考虑同时使用率（取0.85）和水体蓄热能力，实际瞬时换热值为28 007 kW，小于水面蒸发散热量。根据以上分析，夏季水体满足换热能力的需求。

冬季总体允许温降ΔT取2 ℃，水深为2.3 m，设计范围内的河流长度为2 242 m，宽度为70 m，本项目全天运行。设计利用范围内的水体总体积V=2 242×70×2.3=360 962 m3，每周运行时间t=604 800 s。将相关参数值带入式（1）可得，冬季静止水体最大瞬时换热量Q的估算值约为4 989 kW。

工业邻里中心空调冬季设计总热负荷为17 492 kW，生活热水负荷为3 635 kW，共21 127 kW，考虑同时使用率（取0.9）和水体蓄热能力，实际瞬时换热值为19 014 kW，远超过水体最大换热能力。考虑取退水段河流上下游水体的换热作用，本工程冬季水体最大换热能力为7 900 kW。

4 能源方案

供能区域内空调及生活热水的服务单位主要有工业邻里配套服务区、商业楼、公租房一至三期、幼儿园，地上建筑面积为305 879 m2，并为商业金融区（10万m2）预留空调条件，另为工业邻里中心提供生活热水。

根据河水温度资料，水源热泵系统夏季河水供回水温度分别取29 ℃和37 ℃，冬季分别取8 ℃和4 ℃。夏季用户侧空调冷热水供回水温度分别取12.5 ℃和5.5 ℃，冬季用户侧空调冷热水供回水温度分别取39 ℃和46 ℃。生活热水的用户侧供回水温度分别为60 ℃和53 ℃。考虑到冬季水体吸热能力小于使用需求，为不影响水体及周边环境，并保证系统运行的可靠性，选用4台400 RT水源螺杆式热泵机组及5台6 000 kW板式汽水换热机组（4用1备，1台为商业金融区预留）作为空调热源[4-5]，用户侧供回水温度分别为46 ℃和39 ℃。本工程选择3台350 RT水源螺杆式热泵机组及3台1 300 kW板式汽水换热机组作为生活热水热源。水源螺杆式热泵机组夏季可为空调系统提供免费冷源。

冬季河水温度高于8 ℃时，充分利用水源热泵作为热源供热，不足部分采用蒸汽补热；冬季河水温度为6～8 ℃时，利用少量蒸汽对水源热泵的河水进行预热，最大限度利用河水作为系统低位热源供热（利用河水温度与系统退水温度2 ℃的温差），不足部分采用蒸汽补热；冬季河水温度低于6 ℃时，全部采用蒸汽供热。

考虑到同时使用率及系统安全性，选用4台400 RT水源螺杆式热泵机组及6台1 700 RT水源离心式冷水机组（2台为商业金融区预留）作为空调冷源，用户侧供回水温度分别为5.5 ℃和12.5 ℃。过渡季节设置一台4 500 kW板式汽水换热机组，采用河水直接供冷。主机均配置自动胶球清洗除污装置。

管网采用二次泵布置于各使用地块的分散式系统。一次泵定流量运行，位于能源站内，扬程用于克服站房内管路、设备及主管网的阻力；二次泵为变频泵，设于各用户热力入口用房内，二次泵参数取决于用户侧负荷与连接方式等设计条件。管网水系统变流量运行。管网采用大温差及变频控制技术，进一步显著降低输送系统能耗，提高运行经济性。

5 结论

本方案根据当地河水资源特点，在保证能源站系统运行可靠性的前提下，充分利用河水作为研究区空调的取放热源，最大限度地节能减排，提高运行经济性、能源利用率和市民生活质量，改善城市环境，推进城市可持续发展。