深圳市某区域供冷供热项目方案设计

廖兴中

（华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广东广州 510640）

0 引言

深圳市某旅游景区区域拟进行拆迁重建，计划融合现有景观及旅游资源，构建发展轴线，融合旅游、生活、文化的现代风貌特质，形成环境优美、形象鲜明的高品质滨海度假区。根据片区发展需求，需建设集中供冷及供热项目，提供集中供冷、供热和生活热水等综合能源。

区域供冷供热供生活热水系统，是由一个集中的供冷（供热）站提供一定的冷（热）量，供应一个较大范围内用户需求的系统。该系统规模大，覆盖范围广，参差能力强，具有高效、节能、环保、管理方便，用户末端独立计费等特点[1]。本项目在区域能源设计方面需要解决以下需求及问题。

（1）安全性，可靠性。本项目有旅游高端酒店、动物园/水族馆等高可靠性需求用户，随意的中断供冷将对用户造成较大的经济损失，因此本项目方案设计必须以安全可靠作为首要原则。

（2）能源需求多样化。区域内同时存在冷热需求，其中热源需求有生活热水及空调热水的需求。

（3）经济性及高效节能需求。集中供冷供热系统设计须综合考虑影响初期投资及运行成本的各种因素，详尽研究系统的电力费用、峰谷电价结构及设备初期投资等因素，考虑设置蓄冷、储热等设备，利用低谷电价储能，峰值电价放能，以期达到最佳的经济效益，在降低初期投资的同时节约更多的运行成本，转移更多的高峰用电量。

项目以全年综合运行能效为目标制定设计方案及运行策略，针对不同的运行工况，进行系统设计时，须依据设计负荷的需求确定系统选型，尽可能地减少各种设备的装机容量，改善主机工作条件，提高主机效率，尽量减少系统的能耗。经过项目调研及方案比选，本文对项目的方案设计及技术措施进行介绍，为类似工程积累经验。

1 主要工艺方案概述

本项目分为两期建设，区域能源站系统考虑分期安装，根据末端用户开发情况分二期安装制冷设备，在制冷机房内预留相应的设备吊装孔、设备通道及安装空间。

制冷工艺利用深圳地区峰谷电价差采用冰蓄冷系统，双工况制冷机组与冰蓄冷系统串联，制冷机组位于上游，利于降低制冷机组能耗。考虑到供冷区域内酒店、商务的夜间低负荷需求，设基载电制冷机组。由于项目供冷范围不大，各支路用户阻力较为平衡，冷冻水系统采用一级泵变频系统。冰蓄冷系统选择主机上游的内融冰冰蓄冷方案，该系统的最大特点是从用户流出的回水会顺序流经两个冷源进行换热，可以得到较大的温差变化，并且可以提高冷机运行效率[2]。

制热工艺配置空气源热泵及水源热泵，水源热泵利用制冷系统冷冻水作为热源制热；为满足生活热水高温要求，设置蓄热锅炉。热水及生活热水系统采用一级泵变频系统。

2 系统可靠性设计

本项目考虑到动物园/水族馆、酒店等高可靠性用户，参考数据中心设计的可靠性要求，结合本项目的技术方案采取以下技术措施。

（1）多台冷水机组、水泵、冷却塔、锅炉、热泵等关键制冷制热部件互为备用。

（2）考虑采用冰蓄冷装置，利用双工况机组蓄冷，作为冷水的备用。

（3）电锅炉采用蓄热装置，作为供热热水的备用。

（4）冷却水管路设置两路冷却水供回水主管供至屋顶冷却塔，冷却塔分组联通。

（5）对于高可靠性用户（如动物园/水族馆等）的冷冻水输配主干管为多路出管、环状布置，当其中一对管道发生故障时，另外一对管道可以通过加大流速，保障基本用冷需求。

（6）本工程分别由不同的市政110kV 变电站各引一路独立的10kV 电源至中压开闭所（一期先引一路，二期再引另外一路），两路电源同时工作，互为备用，组成双电源满足一级负荷的供电可靠性要求。

（7）高可靠性需求用户侧设置应急冷热水池，在能源站及管网都故障的极端情况下，为用户提供暂时的应急冷热源。

3 项目高效蓄能技术设计方案

为达到本项目高效蓄冷机房的设计目标，供能系统的综合能效值EER 需要尽可能提高。为实现本技术理念，需要结合冰蓄冷技术及高效机房技术的特点，进行专项的深化研究设计，通过整合常规电制冷机房高效机房的理念进入以冰蓄冷方案为主的集中供冷系统，为整个项目提供能效提高的理念。主要的技术措施如下。

（1）全运营周期的负荷需求预测。传统高效机房采用空调负荷计算及分析软件对建筑物全年冷负荷进行计算分析，得出全年空调冷负荷，依此作为全年冷负荷作为冷水机组、水泵、冷却塔选型的重要依据。本项目为区域能源项目，还需要对区域能源系统进行整个运营期内的能源需求概率分析，而不仅是在达产年进行各负荷段的分析。

（2）主机能效比选。通过对各厂家提供的不同装机容量及型号的主机性能曲线进行拟合后，根据算得的负荷，进行全年能效匹配，选取各厂家各自的最佳匹配性能设备。本项目双工况冷水机组及基载主机都选择变频机组。

（3）冷却塔选型优化。结合冷水机组效率、冷却泵效率，进行不同冷却水温度、不同的冷却水温差进行比较，确定冷却水的进出水温度、温差。本项目根据室外屋顶可利用面积及通风条件，优化冷却塔选型后，确定冷却水的供回水温度为31/36℃（白天工况）及30/34℃（夜间蓄冷工况）。冷却塔风机变频，并配置永磁变频电机，提高运行能效。

（4）管路优化。通过减少或选用低阻力管件、阀门设备，优化三通、弯头等阻力件，降低系统压力损失，减少不必要的输送能耗。经过调研及计算整理不同过滤器技术参数如表1 所示，项目选用角过滤器阻力小于Y 型过滤器+弯头，而且节约接管空间，又对转弯后的流体进行导流，使得流体均匀地进入水泵，改善泵的工作状况。

表1 不同品牌过滤器技术规格对比

冷水机房内的管道采用低流速，水泵扬程可以减少8%左右[3]。结合类似项目经验，本项目主机管道按流速≤1.5m/s 设计，低阻配置主机等设备进出水管径。冷却塔总管管径控制接冷却塔总管流速≤1m/s，有利于解决多台冷却塔分水均衡。站外市政管网，管网流速最大不超过2.9m/s[4]，同时项目比摩阻控制在30～90Pa/m。

（5）水泵选型优化。运用相关水力模拟软件，模拟管路特性和水泵，校验水泵的选型结果，并结合负荷变化，计算出水泵全年平均能效，通过比较全年平均能效，确定最佳型号。

（6）系统优化控制。运用上述选型和设备的性能数据，分析并寻找设备间的组合运行最优工况点，确定各设备和系统可以采用哪些稳定的节能运行策略。

经过以上各技术措施的优化组合，根据全年计算逐时负荷、当地典型年气象、用能设备运行能效等前期研究数据，推导基本运行策略表，然后将基本策略台数写入逐时负荷表，求出此策略下对应的负荷率，通过对主机各个冷却水温度下的曲线进行自动调用，求出对应负荷率下的各主机能耗。经过前述的室外气候条件、用能设备能效情况、运行策略表等情况，得到制冷系统的全年能效前期计算结果，统计如表2 所示。根据前期设计计算结果，本系统设计阶段的制冷系统能效计算为3.58 左右。在实际建设及运行时，需要尽量采购高效的制冷设备，优化运行控制策略，以便实现更高的全年综合能效比。

表2 制冷系统全年计算平均能效统计

4 项目制热设计方案

本项目以供冷为主、供热负荷小，且无法利用热泵或其他方式提供不低于65℃的供热热源，可以利用低谷电进行蓄热的方案，其中电锅炉不在用电高峰和平段时间启用[5]。为充分利用夜间低谷电价及可再生能源，提出冷冻水热回收结合空气源热泵、电蓄热锅炉的制热方案。其中空气源热泵及水源热泵主要提供空调热水负荷（设计供回水温度45/55℃）以及生活热水的预热（设计供回水温度≤65℃），电蓄热锅炉主要利用夜间低谷电进行蓄热，利用蓄热热源把系统回水或生活预热热水进一步加热，达到设计的生活热水供水温度65℃，实现能源梯级利用并降低冷却水温度，提高冷水机组运行效率的设计目标，制热工艺系统流程如图1所示。

图1 制热工艺系统流程

结合以上方案，根据不同负荷率及其出现时间的特点，该供热系统可以至少实现以下3 个运行工况之一或互相组合工况。

（1）工况一。热泵独立供热。当气候条件适宜，使用空气源热泵及水源热泵独立供热，此时空气源热泵承担全部空调热负荷需求，水源热泵承担生活热水负荷。

（2）工况二。锅炉独立供热。当气候条件不适宜开启空气源热泵及水源热泵，或开启后效率及供水温度无法满足要求时，可使用蓄热水罐直接供应热水。

（3）工况三。热泵与锅炉串联供热。为降低热泵出水温度，提升热泵效率，同时利用蓄能电价蓄热，可将热泵与锅炉串联供热，热泵上游出低温热水（＜65℃），锅炉及蓄热水罐下游出高温热水（65℃）。

5 结论

（1）深圳地区同时有供冷供热需求的集中供冷项目，可以采用冰蓄冷、冷冻水热回收、空气源热泵、电蓄热锅炉等多能互补技术的系统形式进一步实现区域供冷供热系统的可靠性、节能性及经济性。

（2）结合冰蓄冷技术及高效机房技术的特点，进行专项的深化研究设计，通过整合常规电制冷机房高效机房的理念进入冰蓄冷系统，配置冷冻水热回收技术，可以提高冰蓄冷系统的全年综合能效比。

（3）集中供冷项目同时有供热需求，当以供冷为主，供热负荷小并且有不同温度品质的热水需求时，可结合冷冻水热回收的水源热泵等热回收技术，以及空气源热泵等可再生能源提供温度配置较低的热水，然后利用低谷电进行蓄热接力加热温度较高的热水的技术，提高供冷能效的同时提高项目经济性。