重庆悦来某小区住宅集中供能系统设计分析

谭超，彭波

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

0 引言

随着“双碳”目标的提出，国家能源系统组成形式将得到进一步优化。集中供能（冷暖）系统作为新型能源形式之一，在提高能源利用效率、改善能源结构、保护环境方面发挥着十分重要的作用。近年来，集中供能系统在我国多地作为新型、节能的空调方案被广泛应用于大型住宅社区、金融CBD、大学城等[1-2]。

重庆的集中供能系统发展已有多年的历史，因其特有的江水资源，重庆的区域集中供能系统有着典型的地域特点，目前建成投入使用的有江北嘴及悦来生态城江水源区域供冷供热能源站。相比传统分体空调、户式中央空调的住宅，采用集中供能的住宅在户型设计上无需考虑设置空调位，有效提高了户内空间的合理利用率，美化了住宅外立面形象，避免了空调外机造成的热环境污染及噪声。集中供能的住宅由于取消了分户式主机，集成了小区空调系统，可以减少业主空调设备采购费用，减少空调设备保养维护人员[1]。然而，虽然住宅集中供能拥有比较突出的优点，但在实际设计及运行过程中仍存在不少有待改进的问题。本文以重庆悦来某住宅小区为例，对住宅集中供能系统设计要点进行简要探讨。

1 小区概况及设计条件分析

案例住宅项目位于重庆市两江新区悦来生态城，小区集中供能的冷热源来自悦来生态城2号能源站，能源站绝对标高343.0m。2号能源站系统采用“水源热泵（污水+江水）+燃气三联供”的供能形式，配置燃气内燃机和溴化锂机组作为基础负荷，其余部分负荷配置水源热泵和污水源热泵。夏季冷负荷大部分由热泵机组和溴化锂机组承担，小部分由辅助冷水机组补充；冬季负荷由热泵机组和溴化锂机组承担。

本次设计子项为5号地块，该地块最高楼栋屋顶绝对标高为360.6m，毗邻5号地块的为4号地块，最高楼栋屋顶绝对标高为367.5m。虽然4号地块不在此次设计范围内，但由于4、5号地块相隔较近且户型业态相似，建设方要求两个地块换热设备合并设置在5号地块，因此5号地块在集中供能系统设计时需要充分考虑4号地块的冷热负荷、环路压力损失、地形高差等因素。

小区换热机房设置在5号地块负一层地下车库东南侧，位置接近4、5号地块中心区域，集中供能一次侧管网接入换热机房内换热后由用户侧输配系统将冷热水供至各楼栋。夏季一次侧供回水温度5/12℃，用户侧供回水温度6/13℃；冬季一次侧供回水温度45/38℃，用户侧供回水温度44/37℃。

2 集中供能系统设计要点及分析

2.1 用户侧与一次侧外网的连接形式

小区用户侧冷热水的热交换模式主要有两种：一种是一次侧直接供能，通过将一次侧与用户侧的管道相连并设置带电动阀及止回阀的变频混水泵系统得到末端用户需要的供冷供热温度；另一种是通过设置板式换热器将一次侧与用户侧进行水系统隔离换热，通常经过板换换热后冷热水会有1℃的温差升降。表1为两种热交换模式的优劣对比。

表1 热交换连接模式优劣对比

通过比较得知，虽然一次侧冷热水直供拥有较好的节能效果，且初投资及机房成本相比板换换热的方案要节省不少，但由于其直接将用户末端管网与能源站一次管网相连，因此对用户侧冷热水的水质提出了很高的要求，需避免用户侧的水质影响冷热源侧水质进而影响制冷制热效率[3]；其次，一次侧直接供能的方式要求冷热源端提供足够的资用压力来克服用户侧的环路压力损失，但由于能源站负担的范围较大、业态较多、负荷形式差别大，能源站无法确保提供足够的资用压力，同时一次侧管网压差波动较大易造成用户侧供能系统不稳定。相比之下，通过设置板换来将一次侧与用户侧隔离，虽然存在一定的换热损失，但保证了水系统的稳定与安全。案例项目则是采用了设置换热机房通过板换换热的方式进行间接供能。

2.2 用户侧换热设备及水泵选配分析

项目采用鸿业8.0暖通空调负荷分析软件对4、5号地块住宅楼栋的夏季空调逐时冷负荷及冬季空调供暖负荷进行了详细计算。

以往在计算得到小区冷热负荷后，部分设计人员就匆忙开始进行换热设备及水泵选型，经常忽略一个对空调系统定量至关重要的因素——同时使用系数，从而导致选出来的换热设备容量、水泵流量偏大，常常都是“大马拉小车”低效率运行[4]，不仅造成初投资增大，同时设备运行能耗也增高。住宅空调负荷与办公、商业空调负荷相比有很大的不同，住宅的人员负荷特性、户型负荷特性、工作日与非工作日特性均会对同时使用系数的取值造成影响[4]，据相关社会调查报告显示，采用区域供能的住宅小区实际空调同时使用系数非常低，最高也只达到了45%，大部分时间处于20%~30%之间[4]。随着集中供能住宅空调的普及以及人们空调使用习惯的改变、消费观念的改变等，相信住宅的空调同时使用系数会逐步增大，因此在确定其数值时应充分做好前期调研工作，并结合项目之前的地块使用情况与能源站运营公司沟通商定。

案例小区换热机房内设置了两台相同型号的板式换热器，板换在设计换热量的基础上考虑了规范1.1的附加系数[5]，为了更好地进行系统匹配，在一次侧及用户侧分别设置了两套水泵与换热器一一对应。通过对空调负荷计算结果的分析，得到冬季设计热负荷近似等于夏季冷负荷的60%，冬夏季的供回水温差均为7℃，进而得到冬季水系统设计流量近似等于夏季水流量的60%，因此在设计阶段针对冬夏季水泵是否分设做了一定的考量，如表2所示。

表2 冷热水泵分设与合并设置的优劣对比

通过表2分析比对，虽然冬夏季水泵合并能减少投资，但由于冷水泵是根据夏季设计工况选型确定，而冬季水流量减少后系统扬程随之降低，这样势必导致冷水泵在冬季运行时扬程偏高，无法满足居住建筑绿建节能规范对水泵设计工况效率及水泵耗电输热比的限值要求[6]。同时由于住宅空调系统长期处于低负荷率工况下，即使冷水泵有变频措施，但受水泵变频下限限制也无法很好地适应低负荷工况，系统的节能性较差。因此案例小区冬夏季供冷供热水泵采取分别设置的方式，板换及水泵设置示意图见图1。

图1 集中供能水系统示意图

2.3 设备承压分析

如前文所述，案例采用的是板换间接换热来使得一次侧与用户侧的水系统隔离，因此板换两侧的设备在承压方面是相对独立的。一次侧的水泵、阀门等附件的承压主要取决于本地块与能源站及能源站所承担的其他供能区域之间的高差关系；用户侧的水泵、阀门等附件的承压主要取决于本小区水系统最高点与换热机房的高差关系；板换由于同时连接了一次侧及用户侧，因此板换的承压取两边较大值。

由于重庆是典型的山地城市，片区之间的地势高差有时能达到几十米，因此一次侧设备的承压需要能源站提供相对准确的地块之间标高关系来判断取值。用户侧需要注意的是，本次集中供能系统是4、5号地块合并设置的，虽然换热机房设置在5号地块，但因为4号地块地势较高，且整个水系统末端最高点处于4号地块，因此用户侧设备的承压能力是根据4号地块最高用水点确定的。

2.4 低入住率状态下的应对措施分析

据能源站运营公司反馈，由于重庆悦来生态城片区属于城市建设新区，目前各小区的入住率普遍不到30%，再结合前述住户空调同时使用系数可知，小区集中供能系统长期处于低负荷状态运行。基于此背景，能源公司建议在原设计水泵系统上再并联一套小流量、低扬程的水泵专供小区在前期低入住率状态下使用，以此来保证系统正常运行并节约一定运行费用，但新增的水泵同时也增加了初投资以及机房占地面积。

如前文所述，小区空调水泵系统冬夏季是分设的两组高低流量、扬程的水泵，考虑到能源公司提出的前期小功率水泵运行需求，本次设计提出了另一种运行策略：即在小区前期低入住率情形下，夏季采用冷水泵不运行，仅通过管路切换运行一台冬季热水泵的方式，相比夏季冷水泵，冬季热水泵的设计流量、扬程均较低，且通过变频运行可与低负荷管网相适应；冬季则由于本身水系统流量较小，可直接采用开启一台热水泵变频的方式。虽然此种运行模式下水泵系统流量、扬程的匹配度没有专门增设的小功率水泵那么高，但相比额外增设一台仅在初期使用的水泵而言，设备资源得到了更有效的利用。

2.5 水暖井本层供本层导致的用户侧排气问题

在以往的设计中，楼层的供回水母管均是从本层竖井内的主立管处接出，入户支管从水平母管处向上伸至设计标高处再水平入户，这种连接方式较大的问题在于供回水母管相比末端系统处于低位，而户内盘管为了保证净高通常贴在板下50~100mm间距安装，这势必导致母管上的排气阀或入户支管上的排气阀始终低于末端盘管，用户侧管道内的气体无法及时排出从而影响系统运行。图2即为水系统本层供本层的示意图。

图2 本层供本层供水系统示意

为解决用户侧排气不畅的问题，结合能源公司的意见，本次设计采用错层供水的形式，即用户的入户支管从上层水暖井穿楼板引下来后再水平入户，这样保证下层的供回水母管在末端系统的高位，母管处设置的排气阀可以及时有效地排出用户侧的气体。图3即为错层供水的示意图。

图3 上层供下层供水系统示意

虽然排气问题得以解决，但上层供下层的做法导致下层的计量表、阀门等附件均设置在上层，在使用和操作上会有所不便，因此建设方需要提前告知物业在后期的运维管理上采取相应的措施。

3 总结与展望

本文以实际项目为例分析了部分住宅集中供能系统设计中需要注意的问题，并提出了相应建议，但由于案例规模、业态形式以及运营数据的缺乏，诸如区域供能住宅空调相比传统空调实际的节能性、综合性小区各楼栋水系统水力平衡的保障措施、最不利末端压差控制的实际节能效果等问题还有待进一步研究。

虽然目前住宅区域供能系统设计还存在不少问题，但相信随着区域供能系统的深入推广以及可再生能源热泵技术、水泵变频技术、阀门控制等核心技术的发展，区域供能系统的设计将日益完善，其实际运行效果、节能效果也会更加贴近设计工况。