集中供冷系统在夏热冬暖地区的应用分析

覃承禹

（深圳市前海能源投资发展有限公司，深圳518054）



集中供冷系统在夏热冬暖地区的应用分析

覃承禹

（深圳市前海能源投资发展有限公司，深圳518054）

摘要：区域供冷系统在节能、运行管理及经济性方面具有明显的优势，介绍了广东省某区域集中供冷系统的应用研究，分析了区域设计日负荷及全年逐时负荷。从可用能源入手，根据具体条件，分析确定了适宜采用冰蓄冷系统，并针对负荷逐步增加的实际情况提出分期建设方案，并对集中供冷系统及用户入口的设计进行了介绍。通过分析集中供冷系统的技术经济指标，得出夏热冬冷地区实行区域供冷系统具有一定可行性。

关键词：区域供冷； 冰蓄冷； 分期建设； 大温差

0　引言

在我国，区域供冷作为一种先进的供冷方式已逐渐受到关注和重视，其在技术上的优势，体现了“环保、节能、舒适”的城市规划和能源政策导向，是全球都在积极发展的新技术[1]。区域供冷系统是为了满足某一特定区域内多个建筑物的空调冷源要求，由专门的供冷站集中制备冷冻水，并通过区域管网进行供给冷冻水的供冷系统，可由一个或多个供冷站联合组成[2]。区域供冷至少具备七大优点，即减少建设初投资、提高能源利用率、提高空调系统对电力和空调负荷管理效率、减少日常运营费用、提高空调系统的安全性和有效性、美化城市环境、提高生活质量。区域集中供冷系统在北美、欧洲、中东、日本等国家和地区均有较多的成功案例，近几年来，随着对建筑节能的日益重视，区域供能项目在我国也逐渐发展起来，主要项目有上海浦东前滩能源中心项目、广州大学城区域供能项目、广州珠江新城区域供能项目、南京禄口机场二期能源中心、中关村西区集中供冷项目供冷站等。

1　工程概况

项目位于广东省深圳市，地处我国的夏热冬暖地区，深圳属南亚热带季风气候，长夏短冬，年平均气温23.0℃，1月平均气温最低，平均为15.4℃，7月平均气温最高，平均为28.9℃；年日照时数平均为1837.6h；夏季长达6~8个月，盛行偏南风，高温多雨。区域内主要建筑功能类型为办公、商业、酒店和公寓，考虑到公寓空置率较高，收费困难，不利于运行，集中供冷系统供能范围主要包括办公、商业和酒店三种业态，供能总面积约270万m2。

2　负荷分析

项目设计日负荷计算方法是谐波反应法，采用华电源HDY-SMAD空调负荷计算软件进行计算，同时采用DeST软件对项目的全年负荷进行了预测，以便计算系统的运行费用，确定系统经济性。由于供冷区域内的建筑很多，且类型和工作时间不同，在进行负荷估算过程中，对各类建筑照明开关时间表、电器设备逐时使用率及房间人员逐时在室率进行相应设定以进行区分，同时根据相关手册和项目运营经验数据，考虑出租率、同类建筑差异等，建筑间同时使用率取0.9。

根据设计日负荷估算，供冷站设计空调冷负荷约为21.3万kW，单位面积冷负荷指标约为79W/m2。

3　制冷工艺分析

对冷站周边可用资源形式进行了调研，冷站靠近海边，周边拥有火力发电厂及污水处理厂，同时深圳市为鼓励蓄能技术的应用，制定了优惠的蓄能电价，因此冷站主要考虑四种制冷工艺对对其应用可行性加以分析，即电厂余热蒸汽制冷技术、海水冷却技术、污水冷却技术和蓄能技术。

3.1电厂余热蒸汽制冷技术

利用电厂余热蒸汽制冷主要具有以下优点：以热能为动力，勿需耗用大量电能，而且对热能的要求不高，可利用余热、废热及其他低品位热能；运动部件少，振动小、噪声低，运行比较安静；以溴化锂溶液为工质，机器在真空状态下运转，无臭、无毒、无爆炸危险、安全可靠、无公害，对臭氧层无破坏作用，有利于满足环境保护的要求；溴化锂吸收式冷水机组可同时或单独提供空调制冷、采暖、卫生热水等；有效平衡城市能源结构，缓解电力高峰。

但是，该技术的应用也存在一定的难点和问题，如机组节电但并不一定节能，需根据其利用热能造成发电损失情况具体分析；直接利用热能，机组的排热负荷较大，对冷却水的水量要求较大；受到蒸汽管网路由规划落实情况影响，蒸汽管道敷设进度及品质应满足冷站要求；机组在真空下运行，空气容易漏入，即使漏入微量的空气，也会严重地损害机组的性能，对制冷机密封要求严格；在有空气的情况下，溴化锂溶液对普通碳钢具有强烈的腐蚀性，这不仅影响机组的寿命，而且影响机组的性能和正常运转。

考虑到目前蒸汽管网尚未铺设、蒸汽价格等因素还未确定，且冷却塔布置面积紧张，项目暂不考虑应用该技术。

3.2海水冷却技术

海水取水一般分为海滩井取水、深海取水和浅海取水三大类，通常，海滩井取水水质最好，深海取水次之，但浅海取水则适应性广。

供冷站应用海水冷却技术需考虑以下条件：

1）取水口需要避开游轮的停靠点；

2）解决管道、设备的防腐蚀问题（海水含盐量高）；

3）考虑与海生生物的相互影响，一方面，海生生物（尤其海红）可能堵塞格栅、管道、冷凝器，影响设备的运行；另一方面，海水冷却排放的回水水温较高，对海洋生物的生长会产生影响；

4）海岸周边的地质条件满足要求；

5）海水最低潮位时有效水深能否满足取水深度要求；

6）取水头部的位置、取水量等，应征得有关部门的同意（规划、航道等）。

由于冷站冷却水量较大，海湾最低潮位时有效水深不能满足冷站3.5m取水深度要求，与海生生物的相互影响尚未确定，海水水质等级较低，取水头部的位置、取水量等尚未得到有关部门的同意（规划、航道等）。鉴于以上原因，供冷站近期暂不考虑采用海水冷却技术，采用冷却塔提供冷却水。

3.3污水冷却技术

周边污水处理厂日处理能力50万t/d，凌晨为低谷期，处理量为1.5万t/h，傍晚7点~8点为高峰期，处理量为2.3万t/h。深圳市典型年逐时室外湿球温度统计的冷却塔出水和污水的月平均温度如下图所示，污水的月平均温度与冷却塔的出水月平均温度相差不大，制冷机能效比基本接近，考虑到采用污水冷却技术初投资较高，系统回收期长，从节能性和经济性的角度考虑，不考虑采用污水冷却技术。

3.4蓄能技术

目前主要的蓄能形式为水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷，共晶盐蓄冷系统由于技术经济上的原因，在实际工程中使用比较少，实际工程中使用最多的是水蓄冷系统和冰蓄冷系统。

常规的水蓄冷系统是利用3~7℃左右的低温水进行蓄冷，有5~8℃的温差可利用，其单位容积蓄冷量较小，使水蓄冷系统的蓄冷水池占地面积较大。冰蓄冷就是将水制成冰的方式，利用冰的相变潜热进行冷量的储存，由于冰蓄冷除可以利用一定温差的水显热外，主要利用的是355kJ/kg相变潜热，因此与水蓄冷相比，冰蓄冷系统的蓄冷能力提高10倍以上，并可使蓄冷槽体积减小80%左右。考虑到供冷站机房面积限制，且蓄冰装置可以提供低温冷冻水，增大供回水温差，提高供冷品质，减少冷冻水输送量，降低输送能耗及管道管径，项目中，考虑采用冰蓄冷系统。

3.5小结

综合以上分析，电厂余热蒸汽制冷技术有较多未确定因素，海水冷却应用条件尚不成熟，污水冷却的节能性和经济性不理想，考虑到经济系、站房面积限制、输送能耗等因素，选择冰蓄冷技术应用于区域供冷站。

4　制冷系统设计

利用深圳地区峰谷电价差采用蓄能系统，一期为降低初投资，考虑蓄冰槽暂作蓄水槽使用，双工况乙二醇机组与水蓄冷系统并联满足负荷高峰期供冷，负荷低谷期通过蓄水槽满足供冷需求，夜间通过基载乙二醇机组供冷满足夜间低负荷需求；为满足冷负荷增量需求，二期安装蓄冰设备，采用冰蓄冷系统，负荷高峰期双工况乙二醇机组及基载常规冷水机组与冰蓄冷系统串联满足供冷需求，融冰工况下，使双工况乙二醇机组位于上游，利于降低机组能耗，并能保证低温供水温度，负荷低谷期通过蓄冰槽满足供冷需求。考虑到供冷站内蓄冰槽位置较高，可实现不设置融冰板换，尽量拉低冷冻水供水温度，进一步增大供、回水温差，提高供冷品质，减少冷冻水输送量，降低输送能耗及管道管径，通过蓄冰槽直接供冷，减少运行能耗。

外部管网对盘管的防污处理措施采用在冷冻水回水总管处设过滤器的方式，即在回水总管上并联设置2个螺旋除污装置，单个除污装置保证系统总流量的50%；各设备前不再另设Y型过滤器。

考虑片区的夜间低负荷需求，设基载乙二醇电制冷机组一台。在夜晚制冰期间，可通过将基载常规冷水机组与基载乙二醇机组系统串联，或单独利用基载乙二醇机组系统满足夜间低负荷需求。

4.1一期系统形式

在装机阶段一期，蓄冰系统仅安装蓄冷槽及相关取、回水管等设备，其蓄冷槽取水断面如图5所示，蓄冷槽回水断面如图6所示。

在一期将蓄冷槽上取水管关闭，将蓄冷槽暂用于蓄冷水，利用下取水管抽取蓄冷槽内低温水，采用单槽空置法，即将一个蓄冷槽进行空置以用于实现将低温供水和高温回水的隔离，通过将空置的蓄冷槽向低温供水蓄冷槽的逐步推进实现蓄冷槽的低温水供冷。系统在一期可利用蓄冰系统部分设备，在基本不增加额外设备的前提下实现水蓄冷。

4.1二期系统形式

随着地块出让及开发进度，一期设备投入无法满足供冷需求时，投入二期设备，提高供冷站供冷能力。二期水蓄冷系统改造为冰蓄冷系统，仅需逐步在蓄冷槽内安装蓄冰盘管等设备，同时开启蓄冷槽内上取水管，其蓄冷槽取、回水断面同一期。由于水蓄冷系统相对二期冰蓄冷系统并未额外投入其他设备，且改造冰蓄冷系统过程并不影响供冷站的供冷，因此蓄冷系统改造过程基本无改造成本和时间成本。

5　用户入口设计

冷冻水通过环状管网输送至各用能单位为其提供冷水，各用能单位地下设置用户换热站，内部用于安装设备、阀门以及各信号采集装置，现场对供给能源系统设备进行信息采集、转换和控制，采集信号通过公共网络或专线传输至供冷站，供冷站根据各用户换热站所采集信息及事先制定的运行策略调节供冷站供冷设备及水泵运行状态，并控制末端阀开度，实现节能运营目标。

供冷管网设计分界面在用户换能站板式换热器入口阀门处，投资分界面在用户地块红线内。

考虑到运行管理方便及界面清楚，能源中心供冷管网和用户管网之间的连接采用间接连接的方式，即所有用户均设板式换热器隔离。但高、低区用户板式换热器承压不同，水泵需克服板式换热器的阻力。因供冷站侧和用户侧相对独立，界面及运行管理方便。

6　技术经济指标

（1）设计日峰值供冷负荷212929.7kW，总蓄冰量54.09万kWh；

（2）全年峰电量为2413.17万kWh，全年平电量为2909.50万kWh，全年谷电量为3932.43万kWh；

（3）制冷站总建筑面积（不含冷却塔）约为13500m2，蓄冰槽面积约为4500m2，冷却塔面积约为3750m2；

（4）制冷系统总装机电量为38091KW

（5）制冷系统全年补水量为115.47万t。

7　结语

（1）供冷站通过集中制造冷水，通过区域管道满足区域内多个建筑物的空调冷源需求。相对传统中央空调系统中每栋建筑物均设各自的制冷机房，集中供冷会因系统设计、运行、维护的综合规划以及空调用冷水生产及销售量的集中控制而带来规模效益。同时，由于供冷站规模较大，更利于实现高效机组的利用以及冰蓄冷等技术的实施。

（2）冰蓄冷技术具有“削峰填谷”，平衡电网峰谷差的功效，因此可以减少电厂为满足用电容量新增发电设备的投资，提高发电设备和输变电设备的使用率；可以减少火力发电厂新增设备的环境污染，充分利用有限的不可再生资源，有利于生态平衡，优化整个社会的资源配置。

（3）终端用户售冷价格是决定项目成败的关键因素，需根据政策导向尽早确定售冷收费模式。

（4）能源价格体系会对项目的经济性产生较大的影响，应对价格因素做充分的敏感性分析，同时实行售冷价格与能源价格的联动。

（5）电厂蒸汽利用技术可提高形成能源的梯级利用，但该技术的应用受到蒸汽价格、蒸汽管道建设时序、蒸汽管道走向、蒸汽品质、冷却塔安装面积等众多因素影响，同时蒸汽制冷机组与电制冷机组间效率的较大差异对节能型有较大影响，在应用时应综合分析考虑其可行性。

参考文献：

[1]王刚.区域供冷在世界的发展状况[A].全国暖通空调制冷学术年会资料摘要集[C].2004，（1）：2111.

[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

修回日期：2016-03-22

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.015

中图分类号：TU831.6

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）02-0066-06

作者简介：覃承禹（1983-），男，本科，中级工程师，项目主任，主要从事区域集中供冷技术的应用及实施工作。

收稿日期：2016-02-26

Application Analysis of Centralized Cooling System in Hot Summer Warm Winter Zone

QIN Cheng-yu
（Shenzhen Qianhai Energy Investment Development Co.，Ltd，Shenzhen 518054，China）

Abstract：District cooling system has obvious advantages in the energy，operational management and economic aspects，the application of the regional central cooling system in Guangdong Province is introduced，the regional design day load and annual hourly load are analyzed.Available energy is analyzed according to the local conditions，the ice storage system is determined，and the stage construction program is to adapting the gradual increase load of the actual situation，and the design of the central cooling system and?the heat exchange room for user is introduced.By analyzing the technical and economic indicators of the central cooling system applied in Guangdong Province，the conclusion that the district cooling system applying to the hot summer warm winter zone is drawn.

Key words：district cooling； ice storage system； stage construction； large temperature difference