河水源能源站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 鐵

（南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南京 210014）

本工程所在新區(qū)位于連云港市城區(qū)東南部，是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立的國(guó)家東中西區(qū)域合作示范區(qū)的先導(dǎo)區(qū)，規(guī)劃面積約為467 km2，按照“生態(tài)、智能、融合、示范”的發(fā)展理念，新區(qū)主要打造石化、精品鋼、先進(jìn)裝備制造、節(jié)能環(huán)保和現(xiàn)代港口物流等五大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。供能區(qū)域內(nèi)用能單位主要由兩部分組成。一是工業(yè)鄰里中心，包括工業(yè)鄰里配套服務(wù)區(qū)、商業(yè)樓、公租房一至三期和幼兒園，工業(yè)鄰里配套服務(wù)區(qū)又細(xì)分為鄰里服務(wù)中心（裙房）和鄰里服務(wù)中心（酒店）；二是預(yù)留商業(yè)金融區(qū)。工業(yè)鄰里中心建筑功能以公寓為主，部分為辦公、商業(yè)和教育。根據(jù)研究區(qū)中期市政熱力管網(wǎng)規(guī)劃（2015-2020年），項(xiàng)目周邊226省道西側(cè)有市政供熱干管通過(guò)且熱源充足，可以利用蒸汽對(duì)項(xiàng)目用能區(qū)域進(jìn)行供熱。

1 能源站服務(wù)范圍

根據(jù)前期調(diào)研及用戶(hù)對(duì)接情況，目前確定供能用戶(hù)面積405 879 m2。本項(xiàng)目采用水源熱泵作為區(qū)域供能的技術(shù)形式，服務(wù)區(qū)域包括工業(yè)鄰里中心（305 879 m2）和預(yù)留商業(yè)金融區(qū)（10萬(wàn)m2），工業(yè)鄰里中心包含辦公、公寓、商業(yè)等建筑類(lèi)型。工業(yè)鄰里中心的各幢建筑詳細(xì)指標(biāo)如表1所示。

表1 工業(yè)鄰里中心各幢建筑詳細(xì)指標(biāo)

2 能源站供能負(fù)荷

一是空調(diào)冷熱負(fù)荷。參考相關(guān)資料[1-2]，經(jīng)計(jì)算，工業(yè)鄰里中心空調(diào)夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為32 950 kW，冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為17 492 kW；預(yù)留商業(yè)金融區(qū)空調(diào)夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為12 000 kW，冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為6 000 kW。二是生活熱水負(fù)荷。參考《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019），經(jīng)計(jì)算，日最高用水量為469 151 L，生活熱水負(fù)荷為3 635 kW。

3 水源評(píng)估及利用方式

3.1 水源概況

本項(xiàng)目地處中心河旁，中心河北與張圩港河連接、南至南復(fù)堆河，沿226省道西側(cè)開(kāi)挖，是新區(qū)重要的南北向調(diào)節(jié)河道。中心河河道全長(zhǎng)為15.5 km，底寬為50～70 m（納潮河以北底寬70 m，納潮河以南底寬50 m），河底高程為-1.0 m，河體最深處約為4.6 m，分別與張圩湖、徐圩湖、方洋河接通，水量充沛，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的用水需求。中心河水質(zhì)較好，含沙量較低，豐水期水深為3.37 m，枯水期水深為2.37 m，水質(zhì)條件如表2所示。

表2 中心河水質(zhì)條件

夏季，能源站以河水作為冷卻水，冷卻系統(tǒng)不再需要冷卻塔，據(jù)測(cè)算，冷卻水溫度每降1 ℃，可以提高機(jī)組制冷系數(shù)2%～3%，這樣會(huì)大大提高機(jī)組的能效比（COP）；冬季，能源站以河水作為熱源水，通過(guò)熱泵蒸發(fā)器提取河水中的熱量供給建筑物使用。

泥沙雜質(zhì)和河水中的生物（藻類(lèi)、魚(yú)類(lèi)）會(huì)造成熱泵機(jī)組換熱效率下降及換熱管道堵塞，因此從中心河抽水后，其需要經(jīng)過(guò)兩次自動(dòng)循環(huán)反沖洗過(guò)濾機(jī)組處理，再用于水源熱泵機(jī)組供暖或制冷。其中，主機(jī)蒸發(fā)器及冷凝器均設(shè)自動(dòng)膠球清洗除污裝置。整個(gè)利用過(guò)程不會(huì)對(duì)河水造成浪費(fèi)和污染，而且河水經(jīng)過(guò)除污器后，水質(zhì)有一定提升。

3.2 冬季河水溫度分析

2014-2015年冬季（12月16日至2月15日），中心河水溫均低于5 ℃，這期間水源熱泵運(yùn)行效率極低，甚至?xí)霈F(xiàn)停機(jī)。

3.3 河水換熱能力分析

根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》（DGJ32/TJ 89—2009）[3]，計(jì)算中心河的河水換熱能力。靜止水體的最大瞬時(shí)換熱量按式（1）估算。

式中：Q為靜止水體最大瞬時(shí)換熱量，kW；ρ為水體密度，取1 000 kg/m3；V為設(shè)計(jì)利用范圍內(nèi)的水體總體積，m3；Cp為水的定壓比熱，取4.18 kJ/（kg·℃）；ΔT為總體允許溫升（降），取1 ℃（2 ℃）；t為每周運(yùn)行時(shí)間，s。

夏季總體允許溫升ΔT為1 ℃，水深為3.3 m，考慮取水從中心河沿港前三道進(jìn)能源站，沿226省道退水至納潮河，設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的河流長(zhǎng)度為2 242 m，寬度為70 m，本項(xiàng)目全天運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)利用范圍內(nèi)的水體總體積V=2 242×70×3.3=517 902 m3，每周運(yùn)行時(shí)間t=7×24×3 600=604 800 s。將相關(guān)參數(shù)值帶入式（1）可得，靜止水體最大瞬時(shí)換熱量Q的估算值約為3 579 kW。

下面考慮水面蒸發(fā)散熱，估算水體夏季換熱能力。水面蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：

式中：Lw為水面蒸發(fā)量，kg/s；Vf為水面上的風(fēng)速，取2.9 m/s；Pqb為與水面相等的飽和水蒸氣壓力，取4 240 Pa；Pq為水面周?chē)諝獾乃魵鈮毫?，? 426 MPa；F為水面面積，F(xiàn)=2 242×70=156 940 m2；B為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，?00 400 Pa。

將相關(guān)參數(shù)值帶入式（2）可得，水面蒸發(fā)量Lw約為19.7 kg/s。水面蒸發(fā)散熱量的計(jì)算公式為：

式中：Lw為水面蒸發(fā)散熱量，kW；γ為水蒸氣的汽化潛熱，取2 432.24.18 kJ/kg。

將相關(guān)參數(shù)值帶入式（3）可得，水面蒸發(fā)散熱量Q0約為47 914 kW。

工業(yè)鄰里中心空調(diào)夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為32 950 kW，考慮同時(shí)使用率（取0.85）和水體蓄熱能力，實(shí)際瞬時(shí)換熱值為28 007 kW，小于水面蒸發(fā)散熱量。根據(jù)以上分析，夏季水體滿(mǎn)足換熱能力的需求。

冬季總體允許溫降ΔT取2 ℃，水深為2.3 m，設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的河流長(zhǎng)度為2 242 m，寬度為70 m，本項(xiàng)目全天運(yùn)行。設(shè)計(jì)利用范圍內(nèi)的水體總體積V=2 242×70×2.3=360 962 m3，每周運(yùn)行時(shí)間t=604 800 s。將相關(guān)參數(shù)值帶入式（1）可得，冬季靜止水體最大瞬時(shí)換熱量Q的估算值約為4 989 kW。

工業(yè)鄰里中心空調(diào)冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為17 492 kW，生活熱水負(fù)荷為3 635 kW，共21 127 kW，考慮同時(shí)使用率（取0.9）和水體蓄熱能力，實(shí)際瞬時(shí)換熱值為19 014 kW，遠(yuǎn)超過(guò)水體最大換熱能力。考慮取退水段河流上下游水體的換熱作用，本工程冬季水體最大換熱能力為7 900 kW。

4 能源方案

供能區(qū)域內(nèi)空調(diào)及生活熱水的服務(wù)單位主要有工業(yè)鄰里配套服務(wù)區(qū)、商業(yè)樓、公租房一至三期、幼兒園，地上建筑面積為305 879 m2，并為商業(yè)金融區(qū)（10萬(wàn)m2）預(yù)留空調(diào)條件，另為工業(yè)鄰里中心提供生活熱水。

根據(jù)河水溫度資料，水源熱泵系統(tǒng)夏季河水供回水溫度分別取29 ℃和37 ℃，冬季分別取8 ℃和4 ℃。夏季用戶(hù)側(cè)空調(diào)冷熱水供回水溫度分別取12.5 ℃和5.5 ℃，冬季用戶(hù)側(cè)空調(diào)冷熱水供回水溫度分別取39 ℃和46 ℃。生活熱水的用戶(hù)側(cè)供回水溫度分別為60 ℃和53 ℃。考慮到冬季水體吸熱能力小于使用需求，為不影響水體及周邊環(huán)境，并保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，選用4臺(tái)400 RT水源螺桿式熱泵機(jī)組及5臺(tái)6 000 kW板式汽水換熱機(jī)組（4用1備，1臺(tái)為商業(yè)金融區(qū)預(yù)留）作為空調(diào)熱源[4-5]，用戶(hù)側(cè)供回水溫度分別為46 ℃和39 ℃。本工程選擇3臺(tái)350 RT水源螺桿式熱泵機(jī)組及3臺(tái)1 300 kW板式汽水換熱機(jī)組作為生活熱水熱源。水源螺桿式熱泵機(jī)組夏季可為空調(diào)系統(tǒng)提供免費(fèi)冷源。

冬季河水溫度高于8 ℃時(shí)，充分利用水源熱泵作為熱源供熱，不足部分采用蒸汽補(bǔ)熱；冬季河水溫度為6～8 ℃時(shí)，利用少量蒸汽對(duì)水源熱泵的河水進(jìn)行預(yù)熱，最大限度利用河水作為系統(tǒng)低位熱源供熱（利用河水溫度與系統(tǒng)退水溫度2 ℃的溫差），不足部分采用蒸汽補(bǔ)熱；冬季河水溫度低于6 ℃時(shí)，全部采用蒸汽供熱。

考慮到同時(shí)使用率及系統(tǒng)安全性，選用4臺(tái)400 RT水源螺桿式熱泵機(jī)組及6臺(tái)1 700 RT水源離心式冷水機(jī)組（2臺(tái)為商業(yè)金融區(qū)預(yù)留）作為空調(diào)冷源，用戶(hù)側(cè)供回水溫度分別為5.5 ℃和12.5 ℃。過(guò)渡季節(jié)設(shè)置一臺(tái)4 500 kW板式汽水換熱機(jī)組，采用河水直接供冷。主機(jī)均配置自動(dòng)膠球清洗除污裝置。

管網(wǎng)采用二次泵布置于各使用地塊的分散式系統(tǒng)。一次泵定流量運(yùn)行，位于能源站內(nèi)，揚(yáng)程用于克服站房?jī)?nèi)管路、設(shè)備及主管網(wǎng)的阻力；二次泵為變頻泵，設(shè)于各用戶(hù)熱力入口用房?jī)?nèi)，二次泵參數(shù)取決于用戶(hù)側(cè)負(fù)荷與連接方式等設(shè)計(jì)條件。管網(wǎng)水系統(tǒng)變流量運(yùn)行。管網(wǎng)采用大溫差及變頻控制技術(shù)，進(jìn)一步顯著降低輸送系統(tǒng)能耗，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

本方案根據(jù)當(dāng)?shù)睾铀Y源特點(diǎn)，在保證能源站系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的前提下，充分利用河水作為研究區(qū)空調(diào)的取放熱源，最大限度地節(jié)能減排，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、能源利用率和市民生活質(zhì)量，改善城市環(huán)境，推進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。