区域能源站规划设计研究

韦笑

(1.东南大学土木工程学院，南京 210096；2.江苏省住房和城乡建设厅科技发展中心，南京 210036)

随着中国经济的快速发展和工业化、城镇化进程的加快，能源需求不断增长，能源资源供给长期偏紧的矛盾日益突出，我国将面临由能源大国向能源强国转变带来的诸多问题和挑战，我国在成为世界第二大经济体的同时也己经成为世界上碳排放总量最大的国家之一[1]。尤其对于大型城市，人口规模和建筑面积也不断扩大，统计数据显示，地级以上的城市能耗占到了全国总能耗的五成以上[2]。

区域能源技术是一种新型的建筑节能手段[3],采用集中能源站的形式向区域内的各类建筑输送冷量、热量、生活热水及电力。区域综合能源系统集合了电、冷、热各能源系统，有机协调与优化各种能源。能源站与能源网络将电力系统、热力系统等结合在一起[4],实现多能互补与转换，能够降低污染排放及提高能源利用效率[5],减少设备占地，提高项目的经济性[6]。能源站与能源网络能实现各能源设备的合理配置，提升系统综合效益，是当今热门的重点研究问题[7-8]。

项目位于淮安市中心城区某组团单元片区，规划形成“双心、三轴、七组团”的空间结构，未来拟打造成里运河文化长廊融合发展的主题片区，多元活力品质的宜居家园。项目总用地面积651.12 hm2，现状建设用地338.26 hm2，非建设用地312.86 hm2。计划打造集运河双子心地标、运河文化体验馆、高端星级酒店、会议会展中心、运动中心、商业综合体、精品街区、高端居住等业态为一体的文旅项目。

1 模型和方法

1.1 负荷预测方法

能源系统综合设计需要对冷、热、电需求进行预测，是能源系统配置优化的依据[9]。建筑的冷热负荷会受到天气、围护结构等因素的影响而变化，不确定性较大。在实际项目中，往往需要采用建筑模型进行冷热负荷预测[10]。随着建筑模型仿真的发展，冷热负荷预测方法越来越多，应用越来越广泛[11]。

目前热力负荷和热水负荷预测方法较多，其中建筑热负荷和热水负荷预测方法主要有：

1)单位面积指标法；

2)统计回归预测方法：回归分析方法、指数平滑法、时间序列预测方法、灰色预测、神经网络模型；

3)计算软件预测方法：DOE-2，eQUEST，Energy-Plus，Dest；

4)情景分析方法。

1.2 区域能源规划方法

区域建筑能源的规划按照以下四个步骤进行：

1)分析区域内资源状况，包括电力、热力、燃气、可再生资源和废热资源；

2)对建筑区域现状进行分析，包括区域占地面积、建筑空间、建筑面积和建筑功能等；

3)考虑居民生活状况，将居民收入、生活环境以及对空调供热的需求作为能源规划的影响因素。

4)在做好以上工作的基础上对区域建筑负荷做出预测，根据实际条件选择供冷供热及生活热水负荷承担方式，并对其进行经济性分析，得出区域建筑能源规划方案。

在规划建筑区域能源供给系统时，必须考虑城市能源的相互替代性、供应多元性和低碳性。

1.3 能源站规划

1.3.1 能源站设计流程

进行能源站的设计，首先对规划区域进行负荷预测，再选择合适的蓄冷/蓄热技术，进行相应的储能匹配。根据规划区的实际情况，进行能源站选址以及管网的铺设设计，最终进行完整能源站的经济性分析。

1.3.2 能源站设计原则

1)合理分区。确定每个能源站的供能区域，可减少单路供能管路的输送能耗和管道冷/热损失，可有效降低运行成本。

2)充分利用可再生能源。应规模化并最大限度使用项目周边可再生能源，减小传统能源的比重，优化能源结构，充分发挥可再生能源在节能减排和促进系统高效运行方面的明显优势。

3)提高供能安全可靠性。辅以冷却塔、燃气真空锅炉作为补充，保障安全可靠供能。

4)与城市景观水系统规划相结合。再生水经过换热后部分退水可作为景观水系统补水水源。

5)管网布设合理。按照区域的总体规划来进行能源中心站和管网的配置工作，与区域内各种资源有序衔接，优化管网设计，减少区域能源中心站的输送能耗损失。

6)智慧能源管控平台。供能系统采用智能管控，根据负荷变化自动调节机组运行方式、水泵功率、室内温度等。控制方案设计与项目工艺需求相配合，并兼顾后期运行调试，以实现节能运行。

2 案例分析

2.1 负荷预测

2.1.1 空调负荷

淮安河西单元空调面积按建筑面积的70%计算。夏季室内设计参数：温度24 ℃～28 ℃，相对湿度40%～65%；冬季室内设计参数：温度18 ℃～22 ℃，相对湿度40%～70%。在按照规范经验值选取的基础上，根据淮安河西单元冷热负荷的调研现状，确定合理的空调冷热指标值。

根据面积估算法预算出空调负荷。依据《实用供热空调设计手册》，计算出的淮安河西单元冷热负荷预测结果见表1，总计建筑面积71.36 hm2，冷负荷36.32 MW，热负荷26.25 MW。

表1 规划区空调负荷

2.1.2 生活热水负荷

住宅生活热水量按人均需求预测，生活热水(60 ℃)定额每人每天取40 L，折算成单位面积热指标为10 W/ m2，集中供应热水率为15%。

公共建筑居住区内无生活热水设备，按公共建筑千人指标及人均建筑面积折算为单位面积热指标为2 W/ m2，集中供应热水率为15%。

根据建筑面积及生活热水指标计算生活热水负荷，同时使用系数取0.5。河西单元生活热水负荷预测结果见表2，建筑面积总计71.36 hm2,热水负荷总计0.41 MW。规划区热力负荷见表3，夏季负荷总计36.72 MW，冬季负荷总计26.66 MW。

表2 规划区生活热水负荷

表3 规划区热力负荷

2.2 区域能源站

区域能源站是对一定区域内的建筑物群，由一个或多个能源站集中制取冷水、热水或蒸汽等冷媒和热媒，通过区域管网提供给最终用户，实现用户制冷或制热要求的系统。通常包括四个基本组成部分：能源站，输配管网、用户端接口和末端设备。其中能源站为产生冷、热能量的场所。区域供热供冷系统(District Heating and Cooling，DHC)的能源来自热电厂、工业余热、土壤源以及各种水体热源，这些能源需要通过能源站中的设备转换为满足要求的冷热水。输配管网是由热源向用户输送和分配冷热介质的管道系统。用户端接口是指管网在进入用户建筑物时的转换设备，包括热交换器、蒸汽疏水装置和水泵等。末端设备是指安装在用户建筑物内的冷热交换装置，包括风机盘管、散热器、空调机组(AHU)等。

区域能源系统形式主要包括：

1)浅层地热源，包括海水源、污水源、江水源、土壤源等，如各种形式的水源热泵、地源热泵等；

2)分布式能源；

3)工业余热资源；

4)传统能源，如北方的集中供能系统；

5)其它能源，如太阳能、风能、潮汐能等。

2.2.1 能源站建设条件

适宜建设区域能源系统的基本条件有：

1)区域内建筑密度较高，并且总建筑面积达到一定的规模，单个区域能源系统适宜的供能建筑面积范围在20万m2～300万m2之间，小型分布式能源系统适宜的供能建筑面积不超过50万m2。

2)供能区域内建筑业态宜多样化，可减少区域能源系统的单位建筑面积投资成本。各种业态的建筑，其空调使用时间不一样，如区域内有办公楼、酒店结合，建筑业态越丰富越好。

3)区域规划定位高，建筑品质要求高。一般区域能源应用区域选择在用能密度大、负荷集中的场所，如公共建筑，工业厂房和高档住宅等。

4)区域供能能源站房的可建设性。需在公共绿地下/广场下/楼宇地下室/地面上等区域规划建设一个能源站房。

5)供能管网的可建设性。区域供能系统需建设一供一回两根管道接入各个建筑，管道通常埋地敷设，道路或绿地下有一定的管位空间即可。但管道最远的输送距离宜控制在1.5 km范围以内，否则输送能耗损失过大会影响项目运行经济性。

2.2.2 能源站布置方式

以3号能源站为例，供能面积约为6.42万m2，总冷负荷约为6.96 MW，总热负荷约为5.04 MW，占地约2 000 m2。选址位于河西路西侧、污水泵站北侧，规划为街头绿地，现状为空地。取退水管线较短，对建设用地影响小。3号能源站服务范围如图1所示。

图1 3号能源站服务范围

能源站均采用地下式，其中配建办公用房为地上式，此外出入口、物料口、通风口等辅助构筑物为地上式。3号能源站配备300 m2管理辅助用房，均为地下式。

2.2.3 蓄冷、蓄热技术

蓄冷技术主要有水蓄冷和冰蓄冷技术。表4为两种蓄冷技术的技术特点。从表4可以看出，冰蓄冷技术的作用机理为潜热和显热的复合蓄冷方式，因此使用温度范围较水蓄冷有明显扩大，蓄冷能力与体积蓄冷量也有显著增加，且可提供温度更低的冷量，进而提高系统整体的响应速度，但是冰蓄冷需要双工况制冷机，制冷效率相对较低，也会增加项目的初投资。水蓄冷技术不仅可以使用制冷能效高的常规冷水机组，还可以实现蓄热和蓄冷两种用途，可进一步降低项目的初投资。

表4 水蓄冷和冰蓄冷技术特点

目前设计思路主要有利用余热蓄冷和低谷电蓄冷。余热蓄冷技术是在满足用户用冷需求时，将余热进行冷量转换并储存；低谷电蓄冷技术是在低谷电时利用额外电制冷机制冷储存；在制冷不足时，利用蓄冷冷量进行供冷。

蓄热技术主要有水、熔盐等显热蓄热技术，相变蓄热技术，热化学蓄热技术等。其中，水蓄热、熔盐蓄热等显热蓄热技术耦合应用较为成熟，相变蓄热耦合应用处于示范应用阶段。热化学蓄热耦合应用也在实验室研究中得到一定关注，需要进一步研究。蓄热技术与风、光、地热、生物质等可再生能源分布式系统耦合应用主要处于试验和示范应用阶段，对于缓解弃风弃电、提高环境友好性和经济性具有较大的发展潜力和应用价值。

2.3 经济性分析

针对区域能源资源禀赋与实际需求，通过多种技术耦合，实现区域内不同清洁能源的综合开发与高效利用，可再生能源利用率约14%。

区域能源可以实现多方共赢。对于政府，在促进经济发展、保障社会民生效益、改善区域生态环境等方面有显著效益。节能环保效益每年节约电力1 570万kW·h、节约标煤1 930 t，减排二氧化碳4 780 t，可实现GDP增量3 280万元。对于开发商企业，区域能源站由第三方专业能源公司投资，能源站集约建设，减少设备机房用地，同时降低电力容量要求，整体开发成本降低，用户体验提升，可实现更高溢价。经项目盈利能力测算，项目所得税后投资回收期约10年(含建设期)。对于终端用户，区域能源可有效改善用户用能体验，提供专业化服务。

区域能源站面向终端用户冷、热、电等多种需求，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源，完成能源生产、输配、使用和排放，实现多能协同供应、能源综合梯级利用和能源系统智能化管理。

3 结语

区域能源技术使单一能源供给向多能互补转变，更好地利用清洁能源，满足人们多种多样的能源需求。科学的区域能源规划方法可以因地制宜利用各种可再生能源，结合建筑用能特点，采取适宜的系统技术形式。区域能源技术具有环保效应显著、经济技术性良好、能源综合利用率高等诸多优点，是我国未来发展阶段内，保障建筑使用功能和舒适度的前提下实现建筑节能的一项重要技术手段和措施。建设区域能源站，并采用能源站供能，对城市发展具有重要价值。