区域供冷系统能耗分析.pdf

专业论坛暖通空调年第卷第期区域供冷系统能耗分析清华大学朱颖心王刚江亿摘要针对区域供冷系统存在的能耗问题,通过 对日本两个典型区域供冷项目具体案例的深入分析,指 出其能耗水平,结合国内典型公共建筑分散供冷供暖系统的能耗数据,指 出区域供冷高能耗的根源所在。在分析了国外一些成功区域供冷案例的成功之处后,进一步指 出区域供冷遇到的各种问题,认为区域供冷 系统节能的前提条件是具备 高密度的冷负荷用户和足够量的廉价天然冷源。关键词区域供冷能耗冷源输配丫乃。丫,。少。,卜从门。门了旧。丫,一,一卜一,印一,卜一引言近年 来区域供冷犯或区域供冷 供热系统被作为节能、先进的空调解决方案在我国的中部和南部推广,部分项目作为节能示范项目得到了当地政府的财政补贴。由于这些项目主要建在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区,系统往往以满足冷负荷要求为主或单纯用于供冷。目前国内外区域供冷供热系统采用的主要冷热源形式有 燃气热电冷三联供、燃气吸收式制冷、电制冷加集中冰蓄冷、天然冷源等。一般认为区域供冷供热项目具有的优点有集中冷源效率比分散冷源如风冷机、分体机的效率高,因此可以达到减少运行能耗的目的集中冷热站占地少,可以减小设备的冗余,从而降低冷源设备的初投资冷热源易于集中优化控制和维护管理便于利用天然冷源或蓄冷技术易于降低污染排放量。但与在我国北方地区长期应用并效果良好的区域供热系统不同的是,我国南方地区区域供冷系统出现了不仅初投资高,而且运行费高,客户难以接受的问题。系统中冷热负荷比越大,问题越大,单纯供冷的系统则问题更大。大部分的区域供冷系统每冷量的销售价格为。元,绝大部分超过。元,其价格达到被认为制冷效率最低的分体机冷量价格的倍以上分体机按计,电价按元八计。即便加上投资回收的因素,区域供冷系统的初投资与运行费依然均高于分体机。出现上述问题的原因是我国现有的区域供冷朱颖心,女,年月生,博士,教授,所长北京海淀区清华大学建筑学院建筑技术科学系一飞收稿日期一一修回 日期一一暖通空调犯年第卷第期专业论坛系统的设计或者运行技术不成熟导致的呢,还是因为区域供冷系统从本质上与分散冷源相比就是不节能的呢本文将从案例分析人手,对区域供冷是否是一种节能的先进技术这一问题进行探讨,并讨论区域供冷节能的前提条件,以及为什么区域供冷实现节能要比区域供热难得多。由于资源、能源匾乏,日本是国 际上对系统实践较早并进行了较 多技术探索的国家,技术、经验相当成熟。以燃气为主要动力的东京新宿新都心系统是目前国际上规模最大的系统,而以电力为动力的东京晴海广场 的系统则是日本国内一次能源能效第高的系统,获得了年空气调 和卫生工学会奖。这两个系统应该是具有代表性的高水平系统,通过对这两个系统的能耗分析,可以了解在当前国际最高技术水平下系统的节能潜力。不 同国家的一次 能源结 构存在着显 著 的区别,例如一次能源在 中国以标准煤衡量,而日本则采用重油 的当量热值来描述,两种一次能源在同热量单位条件下 品位却有 很 大的差别。由于日本是通过 电网的平均综合发电效率来把耗电量折算为一次能源消耗量的,为了便于同日本的统计数据进行比较,在本 文 中把 中、日的一次能源消耗量均根据各 自的平均综合发电效率折算为当量耗电量,把一次能源能效折算为电力能效。,再对不同系统进行比较。由于人们所提及区域供冷供热系统的能耗只是冷热源及其附属设备主要 为冷却泵和冷却塔的耗电量与冷 热 水输配系统耗电量的总和,并不包括客户侧的冷水系统和风系统的风机水泵能耗,因此在本文中讨论分散供冷系统 的冷热源侧能耗时同样只包括冷热源及其附属设备冷却泵和冷却塔 与冷热源侧冷却泵的耗电量 总和,不包 括用户末端消耗的冷水泵扬程所导致的电耗。两个典型的日本区域供冷供热系统案例日本东京晴海广场区域供冷供热系统由图可以看出,日本东京晴海广场是一个高密度商用建筑区,总建筑面积近万,供冷供热建筑面积万,占地面积,容积率达。集中冷热站位于 图中右侧超图东京晴海广场区域高层建筑的地下,为右侧座超高层建筑、座高层建筑、圆形会议中心以及低层综合商业建筑提供冷热量。由于存在大面积的内区,因此整个建筑群以冷负荷为主且全年有冷负荷,峰值冷负荷是峰值热负荷的倍左右,见 图。表给出了该项 目冷热源系统的基本信息。圈全年的冷热负荷分布表日本东京晴海广场区域供冷供热系统的墓本信息基本信息能源类型系统开始运行时间服务面积电力年月系统最大供冷能力系统最大供热能力冷源万“,其中为写字楼,为会议中心,为其他商业设施约为普通分散供冷系统装机总容量的容积为的水蓄能槽两组离心式冷水机组,两组带热回收的电制冷机组,两组具有冬季制热功能的热泵机组,制热工况下冷却塔可转化为加热塔系统供回水温夜间加权平均供回水温差,白天加权平差均供回水温差该项目采用 电压缩制冷机作为区域供冷系统冷源。由于冬季和过渡季同时存在冷热负荷,因此有的机组带有与冷却加热塔相连接的第个换热器的热泵机组或热回收冷水机组,其冷凝器可以提供热水,蒸发器提供冷水,当冷热负荷不匹配时,多余的冷热量会通过第个换热器经 由冷却加热塔排出。冬季冷却加热塔的传热介质 由水更专业论坛暖通空调犯年第卷第期换成盐溶液以保证不冻结,同时盐溶液还能有效地吸收室外空气的潜热用于供热。为了减少冷热负荷不同时性导致的不匹配并利用夜间廉价电,采用了蓄冷热水槽来蓄存能量。由于该项目冷负荷密度非常高,在制冷站选址时设计者就刻意追求冷水输配系统距离最小化,采用蓄能措施后冷热负荷较稳定,输配系统的控制成功地实现了大温差、小流量,减少 了输配系统的能耗。此外,采用了热回收等技术,使得该系统可以通过热泵系统回收热量,提高了系统的整体能源利用效率。根据该项目策划单位东京电力会社提供的资料,该区域供冷供热系统的年均一次能源能效以尸达到,高居日本全 国系统第位,见图。目前日本电网扣除电网损耗后的平均综合发电效率是,故整个系统年均电力能效。相当于。图新宿新都心的系统表日本新宿新都心燃气热电冷三联供系统的基本信息基本信息能源类型天然气系统完工时间年月竣工,年月获得阳认证冷热源供回水温度冷水泵功率能耗汽轮机驱动离心式冷水机组汉,又,吸收制冷机只,供应冷水三联供燃气轮机,供应蒸汽水管锅炉总计设计温度,变流量控制,实际运行时供回水温差为一,冷水管道温升总额定功率,供冷管网总长燃气耗量“,其中发电用气,制冷、供热用气全年用电量冷水泵、冷却泵、冷却塔、机房通风和照 明“,其中自发电只,购人电只图日本年全国系统一次产能能源能效统计值平均值为案例日本新宿新都心燃气热电冷三联供系统该项目的服务区域是日本容积率最高的地区之一,占地面积,建筑面积万,容积率超过,见图。建筑类型 以写字楼为主,另有部分会议中心和宾馆建筑。图为该项目的管网系统与服务区域,其中标志处为冷热站的位置。该项目以燃气为一次能源,是世界上规模最大的燃气三联供系统,所采用的蒸气驱动的离心式冷水机组是世界上最大的单台冷水机组。采用离心式制冷机而不采用普通燃气三联供系统常采用的吸收式制冷机的原因是前者具有较高的能效。该项目的系统基本信息见表。应该注意的是该项目中三联供机组的发电并没有为客户侧提全年产冷量“,可销售的冷量为,输配系统冷量损失,为售冷量的产热量供任何电力,而是全部都消耗到输配系统中了,甚至还需要外购超过的电量来补足此部分能耗。按日本平均综合发电效率、天然气热值计,该项目消耗天然气和电量分别折合为一次 能源与,总计为又因此该系统一次能源能效以护为,折合电力能效。为。由于本项目供热是通过供蒸汽实现的,并没有采用热水泵,所以所有水泵的电耗只是用于供冷。假设燃气锅炉 的热效率为,则生产热量所消耗的燃气热值为,则所剩余的能耗就是单纯供冷的一次能源消耗量。由此可以得出该项目单纯供冷的一次能源能效为,暖通空调犯年第卷第期专业论坛折合电力能效以妒。为。分散供冷系统的能源利用效率根据文献给出的大型公共建筑能耗调查数据,北京某采用变风量系统的商用写字楼的总用 电量为,其中空 调供暖耗电量 占,即。冷水机组电耗 占空调供暖总电耗的,冷水泵电耗 占,冷却水泵和冷却塔电耗 占,供暖泵电耗 占。世纪年代以来市场上所有基载大型离心制冷机供应商提供的产品样本中冷水机组的普遍在一的范围内,同时,冷水泵的能耗至少有是消耗在末端设备上 的,应扣除。据此可以推得北京市此类商用写字楼采用 的分散式供冷系统的冷源侧电力能效以尸。在巧一的范围内。如果把供暖考虑在 内,根据文献给出的统计数据,北京市大型公共建筑的供暖季平均耗热量指标为一。如果取 平 均值为,北凉供暖期为,则供暖耗热 量 为耐。按发电效率来折算电热比,同样扣除的供暖泵电耗,可得出北京市此类商用写字楼的空调冷热源的电力能效。为一。可见,至少目前采用分散供冷方式的北京商业写字楼的能效水平与技术水平相当高的晴海系统持平,明显高于以燃气为动力的新宿新都心系统。上面采用 的是北京商业写字楼的数据。如果与东京气候类似的上海地区来比,冷负荷会增加,热负荷会降低,分散冷热源系统的汇护 会更高,因而会高于晴海系统的。日本的统计数据表明,绝大部分以电为动力的系统的一次能源能效均高于以燃气为动力 的系统。而在中国,新建燃气发电厂的单纯发电效率均不低于,在这种条件下进行比较,以燃气为动力的三联供系统就更加处于劣势。导致区域供冷供热系统耗能高的原 因新宿新都心的系统的冷水管道温升达,冷量损失接近售冷量的。但该项目的冷水管的管径达,湿周小,保温施工质量非常好,理论上讲管道冷损失不应该超过常规管道的冷损失值。导致如此之大的冷损失原因何在从该项目的总电耗可以看出,该项目的冷水泵的耗电量应不低于占,而这部分能量正好等于管道冷量损失的,也就是说主要是冷水泵的高电耗导致了管网的冷损失。此外,上海建筑科学研究院年对上海市多家以写字楼为主的大型商用建筑的调查统计数据表明,与东京气候相似的上海地区大型商用建筑的平均耗冷量是。耐左右,清华大学年对上海部分新建大型商用建筑的能耗调查数据也得到了类似的结果,而新宿新都心的系统对单位建筑面积的售冷量为。,明显高于建筑节能水平不如东京的上海 地区。文献给出年上海地区大型商业办公综合楼的空 调供暖全年总能耗为。耐,而新宿系统仅冷热源部分的总能耗就达到。耐。导致耗冷量偏高的原因就是大多数商用建筑用户并 不需要 连续供冷,但系统却不得不为少数用户维持整个区域 的连续供冷,导致建筑耗冷量显著增大。上述日本的两个系统均用 于高容积率、高负荷密度、高负荷率的区域,由于是寸土寸金的地区,采用的重要 原因是节省用地,以及减少运行管理人员数量从而节省高额人工费,同时还采用了多种先进的节能措施来减小集中系统的负面影响。另外旧本主要能源是燃气和燃油,且既有发电系统效率并不比中国的煤电高多少,因此无论是集中还是分散,用电还是燃气,系统能效的差别都不如在我国的差别大。而我国目前所建设的区域供冷系统实际容积率多不超过,甚至不超过,而某些项目的单个系统供冷管线已长达,是典型的低容积率、低负荷密度区域,整个系统的以 尸必然远远低于上述日本的两个系统,更比不上分散的冷热源系统,从而导致高运行费是必然的。加上多数项目都希望靠向用户收取高昂的冷费来收回成本,导致有些具备安装独立冷源条件的用户转向安装独立的供冷系统,将使得此类项目无法回收投资。为什么发达国家有一批成功的日案例分析国外诸多采用区域供冷系统的项目不难发现,成功的案例具备以下两个条件冷负荷用户附近有大量的天然冷源可以利专业论坛暖通空调年第卷第期用表给出了部分利用天然水体冷源的区域供冷负荷密度非常高且负荷稳定。冷系统的项目的基本信息。表利用了天然水体冷源的区域供冷案例天然水体冷源尖峰设计供回冷源类型取水深度水温特点供冷能力水温度瑞典斯德哥尔摩叩约海水一高密度全年冷负荷用户,由大型海水供热供冷站源热泵供冷,电压缩制冷机调峰加拿大安大略湖约深层湖水一约湖水直接供冷,吸收式制冷机调峰美国康奈尔大学约深层湖水一约湖水直接供冷,无制冷机上述成功的区域供冷系统具备冷负荷用户附近有大量的廉价天然冷源和冷负荷密度非常高且冷负荷稳定的条件,如表给出的个项目和前述日本的两个项目,否则区域供冷系统同分散供冷方式相比就很难具有优势。换言之,一个区域供冷系统要想比分散供冷方式更节能,就必须最大限度地发挥其冷源集中的优势,同时减小其长距离输配冷水所带来的问题。为什么区域供热系统很成功,而区域供冷系统却有各种问题区域供热系统已经在我国北方城市有着很长的成功的应用历史,按照习惯性思维,人们会认为区域供冷系统也应该获得同样的成功。但实际上传统的北方城市区域供热系统与时下 的区域供冷系统有着本质的区别,从而导致区域供冷系统无论是输配系统能耗还是冷源效率都不具有节能优势,见表。表区域供冷与区域供热的本质区别区域供热区域供冷负荷特性负荷相对稳定,往往需要负荷间歇变化,一般不连续供暖需要连续供冷冷热源大型燃煤锅炉同小型燃用于单座大型公共建筑煤锅炉相比能源利用的离心制冷机组与用效率高,污染控制效果于区域供冷的大型制好冷机 组相比在以万和污染物排放方面都没有明显的差别可充分利用电厂排热难以获得足够的廉价天然冷源输配系统供回水温 差可达到供回水温差不超过,大温差、小流量,且,温差小、流量大,输配水泵电耗升高供且输配水泵电耗加热水温度,为正面效应冷水,是负面效应表中所列出的区域供热与区域供冷的负荷存在根本性的差别是二者区别的首位原因。热负荷主要由室内外温差传热造成,因此各末端同步性强,特别是在北方的冬季往往存在相当高比例的连续供暖基础负荷。而冷负荷 中围护结构传热的影响不到,而且在夜间常常出现室内向室外传热的情况,因此更多的是受室内随机变化的发热量、太阳辐射这些变化非常大的扰动的影响。不同功能和类型建筑负荷变化差别很大,而且很多建筑类型对于供冷要求是间歇性的,不使用的时候就基本没有负荷,这导致不同建筑间的冷量需求严重不同步。例如,区域中某座建筑冷量需求较大时 如宾馆,其余建筑却处于极低的负荷状态如办公楼的现象极为普遍,此时,冷量需求可能只有高峰时的一,但大型集中供冷设备却不得不维持运行以满足其需要。服务对象的规模越大,这种情况越严重,导致系统很难通过调节实现高效运行。结论区域供冷只是一种空调冷源的解决方案。与区域供热相比,它的成功需要更多的特殊适用条件和更多的技术保障,例如需要高密度的冷负荷用户,足够量的廉价天然冷源,尽可能短的管线,尽可能大的供回水温差和尽可能小的流量,紧随负荷变化的控制策略,以及采用各种能量回收技术措施以提高整体的系统能效。只有满足了这些特殊的条件,区域供冷系统与分散供冷方案相比才可能做到节能。在缺乏这些条件的时候,万万不可盲目上马,以免导致无可挽救的长久损失。纵观我国 目前的开发项目,适合上述条件的几乎很难找到。因此一般来说,采用大规模集中供冷方式从能源节约和降低初投资方面看,都是不合适的。除了空间的严格限制等特殊原因,大规模区域供冷方式是不适宜在我国城市民用建筑项目中大面积推广的。参考文献日本熟供抬事巢傣会熟供抬事巢便背【,幻薛志峰 大型公共建筑节能研究北京清华大学,龙惟定,潘毅群,范存养,等上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析暖通空调,