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1、大型公建联合能源区域供冷供热系统工程实例 杜玉吉 郭林 周霖 中节能城市节能研究院有限公司 摘 要： 传统空调系统设计强调一次投资的节约而忽视后期运行费用, 提出一种适用于大型公建的联合能源区域供冷供热系统, 根据建筑冷热负荷波动变化采用不同的供能方式, 弥补常规供冷供热方式存在的功能单一、设备闲置率高、低效率运行等缺陷, 同时实现经济效益与节能效益。以一栋 300 000 m2的公共建筑为例, 与常规空调系统相比, 该联合能源区域供冷供热系统投资虽然增长了 25.7%,但全年运行费用减少了 34.68%, 投资回收期为 2.3 年, 全年一次能源消耗量减少了 25%。关键词： 大型公共建筑;
2、 联合能源; 空调; 供冷供热; 经济效益; 节能效益; 冷热负荷; 建筑能效; 作者简介：杜玉吉 (1983) , 男, 江苏常州人, 毕业于中国矿业大学, 硕士, 建筑与土木工程专业, 高级工程师, 院长, 从事城市节能方向的研究 () 。收稿日期：2017-04-02An Engineering Project of United Energy System for Large Public BuildingsDU Yu-ji GUO Lin ZHOU Lin CECEP City Energy Conservation Co., Ltd; Abstract： The tradition
3、al air conditioning system design emphasizes investment saving and ignores the operating cost. An united energy system for large public building was proposed, which can change operation strategy adapting to the load change, to compensate for conventional heating and cooling system in the single func
4、tion, low efficiency, high rate of idle equipment operation and other defects, while achieving economic benefit and energy saving benefit. Take a 300 000 m2 public building as an example, compared with the conventional air conditioning system, the united energy system construction investment increas
5、ed by 25.7%, but the annual operating cost reduced by 34.68%, the payback period is 2.3 years, and primary energy consumption reduced by 25%.Keyword： large public buildings; united energy; air conditioning; cooling and heating; economic benefits; energy saving benefits; cooling/heating load; buildin
6、g energy efficiency; Received： 2017-04-020 引言空调系统约占建筑物安装成本的 20%左右, 而系统运行费用占建筑物总运行费用的 50%以上, 暖通空调系统累积消耗超过建筑物的价值。传统空调系统设计过于强调一次投资的节约而忽视运行费用, 技术形式单一, 系统不能根据建筑负荷特性变化实现有效调节, 扁平的用能模式导致系统长期低效率运行。电制冷机组只能满足夏季的制冷需求, 冬季燃气锅炉运行费用偏高, 而热泵技术对于冷热源的要求严苛, 燃气冷热电三联供技术造价高, 受政策制约并难以实现冷热电的完美匹配, 单一使用各种供能技术都将暴露其天然缺陷。基于以上问题,
7、本文提出一种以燃气为主的联合能源区域供能系统, 并对该系统进行工作特性和效益分析。1 系统原理利用燃气冷、热、电三联供及土壤源热泵技术, 对天然气资源多级综合利用, 实现冬夏用气平衡, 昼夜用电平衡, 做到既符合用能规律又能降低运行费用, 获得经济效益与节能环保效益 (见图 1) 。1.1 夏季制冷运行策略 (见图 2) (1) 当负荷较低时, 以市政电源驱动土壤源热泵制冷;(2) 冷负荷升高, 燃气发电驱动土壤源热泵及配套水泵, 溴化锂机组利用发电余热制冷;图 1 系统原理图 Fig.1 System principle diagram 下载原图(3) 冷负荷进一步升高时, 直燃型溴化锂机组
8、运行制冷;(4) 当冷负荷达到峰值时, 制冷量缺口部分通过释放夜间低谷电价时蓄的冷量填补;(5) 夜间通过三种工况机组 (供冷、供热及蓄能三种工况) 进行蓄冰, 土壤源热泵机组开启负责夜间制冷, 由直燃型溴化锂机组填补制冷量缺口。图 2 夏季供冷运行策略 Fig.2 Cooling operation strategy 下载原图1.2 冬季供热运行策略 (见图 3) (1) 当负荷较低时, 以市政电源驱动土壤源热泵制热;(2) 热负荷升高, 燃气发电驱动土壤源热泵及配套水泵, 溴化锂机组利用发电余热制热;(3) 当热负荷达到峰值时, 热泵及溴化锂机组供热不足设计负荷部分由直燃型溴化锂机组承担。
9、同时白天利用蓄能水池回收并储存中温烟气热量, 池水不超过 40;(4) 夜间池水作为三种工况机组低温热源, 同时开启土壤源热泵为建筑供热, 所有燃气设备全部停机。2 工程实例以南京市某大型公建为例, 总建筑面积 30 万 m。考虑同时使用系数, 机房最大供冷能力为 25 MW, 夜间 15 MW, 最大供热能力为 15 MW, 夜间荷 10 MW。项目冷热负荷统计信息见表 1。图 3 冬季供暖运行策略 Fig.3 Heating operation strategy 下载原图表 1 项目冷热负荷统计 Table 1 Cooling and heating load statistics 下载原
10、表 系统设计计算:(1) 采用 5 m5 m 间距, 布置 1 000 个地埋孔, 单孔深 100 m。冬季每延米换热量 4.3 k W, 总供热量 4 300 k W;夏季每延米换热量 5.4 k W, 总供冷量 5 400 k W。(2) 根据地埋孔提供的能量, 选取单台制热量 2 500 k W (制冷量 2 300 k W) 的地源热泵 2 台。每台机组配置 50 k W 的一、二次水泵, 主管道循环水泵 4台 150 k W。(3) 根据地源热泵机组及配套水泵选型, 选取发电量为 1 600 k W 的燃气内燃机 1 台, 发电效率 39%, 燃气耗量 400 m/h, 高温烟气余热
11、 800 k W, 缸套水余热 1 000 k W, 发电机组自身散热 400 k W。(4) 根据发电机组余热, 选取烟气型溴化锂机组 1 台, 制热量 1 600 k W, 制冷量 2 000 k W。(5) 地源热泵与发电余热利用设备可提供 6 600 k W 供热量, 占设计热负荷的44%, 作为冬季供热的基础负荷;剩余 8 400 k W 负荷由 3 台制热量 2 800 k W (制冷量 3 500 k W) 直燃型溴化锂机组提供。(6) 单台直燃型溴化锂机组耗气量为 300 m/h, 燃气发电机组耗气量为 400 m/h, 系统最大耗气量为 1 300 m/h。机房最大排烟量 1
12、4 300 m/h, 烟道设计截面积不小于 0.8 m。(7) 以上设备最大可提供 17 100 k W 冷量, 与设计冷负荷相差 6 900 k W, 选择 2 台与地源热泵机组同型号的三种工况 (制冷、制热、制冰) 螺杆式机组, 额定制热量 2 500 k W, 额定制冷量 2 300 k W, 额定制冰蓄冷功率 1 500 k W, 夜间 8 h 可蓄冷 24 000 k Wh, 白天调峰满足峰值时刻 6 900 k W 制冷量缺口。(8) 冬季白天以地源热泵与发电余热作为基础热负荷, 直燃型溴化锂机组调峰, 利用烟气冷凝回收装置将烟气低温余热储存与蓄冰槽中。采用平均 25的水冷却 15
13、0烟气, 可回收烟气余热 1 950 k W/h。最大可蓄热 31 200 k Wh, 最大蓄热温差 28, 池水不超过 40。夜间可作为三种工况机组低温热源供热 5 000 k W, 代替燃气设备供热, 再加上地源热泵机组可保证夜间最大热需求, 夜间所有燃气设备全部停机。(9) 除去地源热泵外, 所有主机设备均需配置冷却塔, 总散热量为 30 000 k W。系统设备配置如表 2 所示。表 2 系统设备材料表 Table 2 Equipment material list 下载原表 3 效益分析3.1 经济效益3.1.1 初投资对比系统总投资主要包括设备投资、安装工程及其他工程费用, 不包含
14、机房土建, 与传统电制冷+燃气锅炉方案对比, 造价估算如表 3 所示。表 3 投资估算 Table 3 Investment estimation 下载原表 根据对比, 联合能源系统相比常规方式初投资增量为 1101 万元, 增加了25.7%。3.1.2 年运行费用对比首先根据负荷模拟软件对全年负荷进行预测。图 4 全年负荷动态模拟 Fig.4 Annual dynamic load simulation 下载原图根据图 4, 全年总供冷量为 1 956 万 k Wh, 总供热量为 815 万 k Wh, 结合运行策略全年的运行费用如表 4、5 所示。表 4 夏季运行费用估算 Table 4
15、Operating cost statistics in Summer 下载原表 表 5 冬季运行费用估算 下载原表 如表 4、5 所示, 以燃气为主的联合能源系统夏季运行费用为 314.24 万元, 冬季总运行费用为 155.33 万元, 总计 469.57 万元, 单位供能量运行费用为0.168 元/k Wh。若采用常规方式, 夏季运行费用为 401.84 万元, 冬季运行费用为 317.07 万元, 总计 718.91 万元。联合能源相对常规方式减少运行费用249.34 万元, 降低 34.68%。图 5 联合能源与常规方式运行费用对比 Fig.5 Comparison of opera
16、ting cost of different systems-united energy system and conventional energy system 下载原图综合分析, 联合能源系统相比常规方式初投资增量为 1 101 万元, 全年运行费用减少 249.34 万元, 静态投资回收为 2.3 年 (见图 5) 。3.2 节能效益联合能源全年消耗市政电 308.27 万 k Wh, 消耗天然气 73.87 万 Nm;常规方式全年消耗市政电 489.10 万 k Wh, 消耗天然气 90.59 万 Nm。根据 GB/T25892008, 能源统计电力折算系数采用当量值 0.122 9 kgce/k Wh, 天然气折算系数采用当量值 1.214 3 kgce/Nm, 常规方式全年能源消耗折合一次能源 1 275.89 tce, 联合能源全年能源消耗折合一次能源 1 701.15 tce, 对比常规方式减少 425.
