北京中外建建筑设计有限公司上海分公司 上海市 200235
摘要：本文以南京某滨江区域的滨水城市综合功能区为例，统筹考虑规划区能源需求，分析规划区内能源资源条件，从能源高效利用、节能减排角度出发，构建经济高效、安全可靠的冷热源系统。通过各方案比较得出江水源热泵系统方案结论，并对江水源热泵系统的关键技术实施要点进行了分析。
关键词：冷热源；节能减排；江水源热泵系统；可再生能源；水质
1、引言
水源热泵是可再生能源利用方式的一种，具有高效、节能、环保等特点。长江水供冷供热已经在很多项目中得到成功的应用，其全年水体水温满足江水源热泵机组制冷和制热的要求，充分利用其作为空调冷热源，不仅能够大幅降低空调能耗，降低对电网及燃气供应尖峰压力的冲击，同时还能缓解城市热岛效应，改善室内环境及城市热环境。
2、冷热负荷需求
本规划区内建筑类型包括商业、旅游文化、酒店、办公等，总建筑面积约120万平方。从项目的建设时序和总体经济性出发，将规划区内建筑分为2个供能区块。本项目建筑负荷大，密度高，采用集中供能模式具有明显的节能和经济效益。据此，每个供能区块各设置一个能源站，集中输送冷热媒水，满足各楼宇空调和采暖的需求。文旅、酒店等建筑有生活热水和蒸汽的需求，这些在冷热源方案设计中都讲予以考虑。
冷热负荷需求预测是进行能源系统规划的基础，系统方案选择的依据。本次利用负荷动态模拟软件EnergyPlus对各分区进行全年逐时负荷分析。空调负荷模拟结果见表2.1，图2.1～2.4。
图2.4 #2能源站全年逐时空调热负荷变化图
表2.1 能源站全年累计空调负荷表
3、项目能源资源条件
3.1 常规能源
规划区内有天然气管道接入。此外，项目所在区域两侧分别有 0.8Mpa 蒸汽管道接入，蒸汽量充足。
3.2 可再生能源
3.2.1 太阳能
南京市年辐照量为 1219 kWh/m2，属于表 3.2-1《GB/T 31155-2014 太 阳能资源等级总辐射》中规定的太阳能资源丰富的C级地区。
3.2.1水源热能
规划区临近长江下游河段，毗邻夹江，规划区红线距江边平均直线距离约100m。本项目规划区域江水资源条件很好，利用夹江江水供能是首选的考虑。
1）水温
江水源热泵，冬季最寒冷的时刻地表水温必须高于4℃。长江南京段实测数据显示，江水夏季最高不超过32℃，冬季不低于4℃，夏季月均水温28～31℃，冬季月均水温7～12℃，具备应用江水源热泵的水温条件。
2）水质
长江水南京段水质除含沙量超标外，其余都达到了地表水环境质量标准。水质较好，不需要进行复杂的水处理，但需要进行除砂处理。
3.2.2 浅层地热能
本项目周围存在一定可埋管的绿地面积，可利用浅层土壤源热泵进行供冷供热。
4、冷热源方案设计
规划区内有燃气和蒸汽供应，常规供热方案有燃气锅炉方案和蒸换热方案。前者无论设备投资、占地面积和年运行费用都明显高于后者，因此在此不考虑燃气锅炉方案。
规划区虽可利用浅层地热能供冷供热，但埋管面积有限，且邻近夹江，当打井深度超过地下水埋深时，具有管涌的风险，故地源热泵方案不做考虑。
空气源热泵具有较大噪声，且因向空气散热造成园区内的局部高温，加重了园内非空调区的酷热和城市的热岛效应。根据园区形象定位、对环境品质的要求，此方案亦不做考虑。
本着可再生能源优先、梯级利用、清洁能源为主的基本原则，以优先满足规划区冷、热负荷需求为目标，制定了以下具有明显经济或环保效应的设计方案。
4.1 方案一：江水源热泵+水蓄冷+蒸汽补热方案
1）夏季：江水源热泵+水蓄冷方案
采用江水源热泵技术供冷、供热的同时，设置水蓄冷。合理利用峰谷电价差，提高系统经济性，并有效削峰填谷，降低城市电网压力。机组利用夜间低谷电蓄冷，白天释冷，不足部分由江水源热泵补足。蓄冷量占总冷负荷的30%。
2）冬季：江水源热泵+蒸汽补热方案
考虑到极端气候条件下，江水温度有可能低于4℃，设置蒸汽换热装置作为补热，以保证系统供能的可靠稳定，补热量按总热负荷的15%计算。
从运行稳定性和维护管理的角度出发，选择江水与机组循环水通过板换换热的间接式系统。生活热水可以同时由江水源热泵提供。
4.2 方案二：电制冷冷水机组+水蓄冷+冷却塔+蒸汽多级换热方案
1）夏季：电制冷冷水机组+水蓄冷+冷却塔方案
利用江苏省峰谷电价政策，夜间谷电时段部分电制冷离心机蓄冷运行，冷水存于水箱中。白天时段优先供应蓄水箱中的冷水，不足部分由电制冷机组补足。蓄冷水箱共承担全年36%的冷量。
2）冬季：蒸汽多级换热方案
能源站中蒸汽经汽-水换热器，提供95/55℃热水送往各楼宇末端。末端楼宇设二级水-水换热，在用户处提供60/50℃热水供末端空调机组。
生活热水由能源站内蒸汽经汽-水换热器提供。
4.3 蒸汽双效溴化锂吸收式冷热水机组+蒸汽多级换热方案
1）夏季：蒸汽双效溴化锂吸收式冷热水机组方案
将蒸汽供给溴化锂吸收式冷热水机组，提供 5.5℃冷水供末端楼宇空调机组。蒸汽转换为95℃凝结水排出，之后由能源站输送至末端建筑，换热制取生活热水和空调热水，凝结水 25℃在建筑内就地排水。生活热水不足部分，采用蒸汽多级换热补充。
2）冬季：蒸汽多级换热方案
能源站中蒸汽经汽-水换热器，提供95/55℃热水送往各楼宇末端。末端楼宇设二级水-水换热，在用户处提供60/50℃供末端空调机组和60℃生活热水。
此外，上述三个方案中均综合采用大温差流体输配技术、水泵变频技术、二级泵变流量技术等多项节能措施，使本项目达到高效、节能运行。
方案比较
5.1经济性比较
三个冷热源系统设计方案经济性计算详见表5.1。
表5.1 冷热源系统经济性计算
注：方案比选结果是在能源购买价格和销售价格做如下设定的条件下得到的，即天然气：8500kcal/Nm3，3.65元/m3；电力：一般工商业，10kV，电度电价平段 0.83元/kWh，谷段0.38元/kWh；蒸汽：0.8Mpa，200元/t。空调冷/热价格：0.6元/kWh，热水售价：35元/t。
从经济性计算比选结果可见，三个方案都具备合理的投资回收期。总初投资方面方案一要比其他两个方案高出约10%左右，但增加的投资费用部分，可通过年运行费用的减少来收回成本，其回收期仅约4年。
影响本次方案比选结果的因素主要是能源价格的设定，能源购买价格直接影响系统的运行成本。方案三采用溴化锂吸收式冷热水机组，主要依赖蒸汽资源，对能源短缺和价格上涨的敏感性较高。
5.2 节能和环保效益比较
方案一对比常规能源方案，即电制冷+燃气锅炉方案，每年节约能源费用280万元，每年减少能耗6528 t ce，节能量达到76.9%。每年减少二氧化碳排放量4920 t，减碳率达到 27.1%。方案二对比园区常规能源方案，每年节约能 源费用159万元，每年减少能耗4729 t ce，节能量达到58.8%。每年减少二氧化碳排放量3600 t，减碳率达到20.5%。节能和环保效益十分明显。
5.3 结论
综上所述，江水源热泵是可再生能源利用方式的一种，具有高效、节能、环保等特点。利用江水的温度优势实现了热泵机组的高效运行，充分利用当地的自然能源，实现了能源的梯级利用，提高能源利用效率的同时，又降低能源系统运行费用，同时减少了冷却塔漂水、城市热岛效应等一系列城市微气候问题。提高了园区客户用能品质，改善了园区形象，提升了园区品位。采用江水源热泵可以极大的减少蒸汽采暖的使用量，在蒸汽价格不稳定的情况下，有效降低冬季供暖成本。同时，江水源热泵的能效远高于蒸汽直接换热采暖，是对能源更加合理的利用。
本项目中利用江水源热泵，结合水蓄冷和蒸汽补热，本方案具备可实施性，经济上合理，能源利用品位上对等，环保优势明显，可以带来多方面的综合效益，具备较好的可行性。
6、其他
1）需积极落实江水水温、水位等参数的设计资料收集，确保设计方案判断和决策得正确性。
2）需注意的一个环境问题是向江水的排热会造成江水温度上升，从而导致的生态影响。本项目需要对排热造成的温升进行进一步的计算机模拟确定，并通过对取排放口的位置和距离进行模拟分析和优化设置，来解决排放造成的温升问题。
3）需要与政府相关部门确认江水源使用政策及条件，与水务市政等部门沟通取排水口的设置、管道直埋或者管沟敷设路线问题，收费问题等。
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论文作者:王全宝
论文发表刊物:《建筑科技》2018年第1期
论文发表时间:2018/4/8
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