區(qū)域供冷系統(tǒng)中換熱系統(tǒng)的探索

李鵬圣

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團第十市政設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

引言

區(qū)域供冷是滿足一定區(qū)域范圍內(nèi)多個建筑的用冷需求所設(shè)置的系統(tǒng)。目前系統(tǒng)多采用板式換熱器間接換熱，集中供冷管網(wǎng)供回水溫差小，管徑大。對于冬夏供熱供冷需求的地區(qū)，受制于供冷或供熱工況，使得在另一工況下偏離經(jīng)濟運行參數(shù)較大。為此本文提出熱泵換熱系統(tǒng)，匹配冬夏季負荷，降低管網(wǎng)初期投資，降低管網(wǎng)運行費用。

1 工程背景

某集中供冷工程位于海南，工程概況如下：工程采用間接換熱，市政供冷管網(wǎng)采用2.5℃/11.5℃，系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)間接換熱，二次側(cè)按照實際用戶需求確定，考慮到末端用戶為風(fēng)機盤管、空調(diào)箱等,一般按照7/12℃進行設(shè)計。

該系統(tǒng)存在的問題如下：

1）換熱溫差小，換熱器面積需求量大，一級網(wǎng)入口端溫差為7℃-2.5℃=4.5℃，出口端溫差為12℃-11.5℃=0.5℃。另外，一級網(wǎng)較低的供水溫度降低了冷源站內(nèi)機組的COP值。

2）長距離供冷管線，管道的沿程溫度升高變得不可忽略，更需要注重管道的保冷設(shè)計，尤其是在剛?cè)胂臅r，管網(wǎng)流量較小，管道流速較小，從而引起供冷介質(zhì)的溫度升高。

3）換熱存在著較大的用損失，不利于有效能源的利用。

既然如此，可否提高一級供冷管網(wǎng)的供回水溫度，負荷末端采用制冷機組，取代換熱機組，提升系統(tǒng)的整體運行特性，也可以取消傳統(tǒng)采用電驅(qū)制冷機組末端的冷卻塔[1]。

2 新系統(tǒng)的設(shè)想

2.1 用冷建筑側(cè)系統(tǒng)流程

一級冷水管網(wǎng)采用供水5℃，回水35℃，拉大供回水溫差，增加管網(wǎng)的制冷能力。用冷建筑采用制冷機組并聯(lián)板式換熱的形式實現(xiàn)冷源的綜合利用。總體系統(tǒng)圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)特點

根據(jù)系統(tǒng)的用冷能量平衡及熱量平衡得出系統(tǒng)的幾個基本關(guān)系方程。

系統(tǒng)所帶冷負荷的計算：

根據(jù)能量守恒定律得出下式：

根據(jù)冷水機組的性能系數(shù)得出下式：

根據(jù)板式換熱器與冷水機組所經(jīng)過的冷水流量相同，以及所換熱的能量與二次側(cè)對應(yīng)能量相同得出下式：

2.3 計算一次側(cè)和二次側(cè)之間的負荷比

用冷建筑的冷水制冷量與一級供冷管網(wǎng)的比值見下式：

式中：Q1為為一級供冷管網(wǎng)的制冷量；Q2為用冷建筑的管網(wǎng)的制冷量；T1，G為一級供冷管網(wǎng)供水溫度；T1，Z為一級供冷管網(wǎng)在用冷建筑側(cè)，換熱的中間溫度（混水前溫度）；T1，H為一級供冷管網(wǎng)的回水溫度；Q2，板換+為用冷建筑側(cè)，冷凍水的換熱量；Q2，冷機為用冷建筑側(cè)，冷水機組的冷凍水換熱量；M1為一次側(cè)的質(zhì)量流量；M2為二次側(cè)的質(zhì)量流量；E冷機為制冷機組的消耗的額外的電能；COP為制冷機組的運行性能，既消耗1單位能量獲得的COP單位的冷量的能力。

結(jié)論1：由上式可以得出，系統(tǒng)的總制冷量小于末端系統(tǒng)的總制冷量，需要考慮制冷機組的輸入功。但末端系統(tǒng)COP的增加，Q2與Q1的比值將逐漸趨近于1。

2.4 計算二次側(cè)總體性能系數(shù)

系統(tǒng)以獲得的總制冷量與消耗的電量之間的比值作為二次側(cè)總體性能系數(shù)SCOP。

使用前圖中的參數(shù)，分別計算出SCOP，詳見表1：

表1 綜合制冷性能系數(shù)對比表

結(jié)論2：從用冷側(cè)建筑來看，系統(tǒng)的總體性能系數(shù)得到了較大的提升。采用此種系統(tǒng)方式，可以大幅提高系統(tǒng)的性能系數(shù)，單位制冷量所消耗的電能大大降低。

3 集中制冷站側(cè)系統(tǒng)流程

3.1 系統(tǒng)效能定性分析

集中制冷站制取5℃的低溫水向集中供冷管網(wǎng)供應(yīng)，并向外釋放熱量。過程中可以看出，較傳統(tǒng)的制冷形式，在相同的冷熱源的工況條件下，本系統(tǒng)提高了制冷站內(nèi)冷凝器的平均溫度，根據(jù)卡諾逆循環(huán)，可以看出，增加了系統(tǒng)的COP值。集中制冷站流程圖如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)的其他節(jié)能方式

集中制冷站的驅(qū)動能源可采用多種形式：一是采用溴化鋰機組，可吸收工業(yè)余熱，電廠余熱等實現(xiàn)制冷，節(jié)約能源。二是采用天然氣作為驅(qū)動能源，可以降低電網(wǎng)的供電負荷，實現(xiàn)電力資源與天然氣資源的互相補充，降低了電網(wǎng)的調(diào)峰需求，同時也充分利用了天然氣資源[2]。

集中制冷站配套建設(shè)冰蓄冷設(shè)備，可以實現(xiàn)電力資源的削峰填谷作用。同時也可使用“棄電”，實現(xiàn)電力資源的集約運行。

集中制冷站配套光伏發(fā)電系統(tǒng)，若系統(tǒng)匹配合理，光伏發(fā)電的峰值與區(qū)域內(nèi)冷負荷的需求時間段相同，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自己自足。

4 系統(tǒng)冬季適用性分析

4.1 冬季系統(tǒng)運行流程

冬季，一級供冷管網(wǎng)內(nèi)運行85℃/55℃的熱水，引入用熱建筑內(nèi)，通過板式換熱機組換為60℃/50℃的循環(huán)熱水引入空調(diào)的末端裝置，從而實現(xiàn)建筑物內(nèi)部制熱。制熱工況用熱側(cè)流程圖如圖4所示。

4.2 系統(tǒng)特點

根據(jù)狀態(tài)能量守恒可以得出下列結(jié)論：

該式與供冷工況下流量的比值如下：

式中：Qr，1為制熱工況，一級熱網(wǎng)的總熱量；Qr，2為制熱工況，用戶側(cè)管網(wǎng)的熱量；Mr，1為制熱工況，一級熱網(wǎng)的水流量；Mr，2為制熱工況，用戶側(cè)熱網(wǎng)的流量；Tr，1，g為制熱工況，一級供熱管網(wǎng)的供水溫度；Tr，1，h為制熱工況，一級供熱管網(wǎng)的回水溫度；Tr，2，g為制熱工況，用戶側(cè)管網(wǎng)的用水溫度；Tr，2，h為制熱工況，用戶側(cè)管網(wǎng)的回水溫度。

4.3 冬夏負荷的調(diào)節(jié)

由于建筑末端冬夏負荷不同，管網(wǎng)的運行溫差也不相同，但由上式可以知道：調(diào)整冬季管網(wǎng)的供回水溫差，可以做到系統(tǒng)冬夏之間的管網(wǎng)運行流量相同。

板式換熱器的平均對流換熱溫差增大，會較大程度提高換熱器的換熱效率，當(dāng)建筑物冬季供熱負荷小于夏季制冷負荷時，換熱器可無需增加數(shù)量便可滿足系統(tǒng)的換熱需求。反之，則需要核算流量計溫差。

4.4 冬季集中能源站的運行

由于管網(wǎng)供回水溫度為85℃/55℃，較常規(guī)北方地區(qū)的一級供熱管網(wǎng)溫度130℃/70℃，降低了管網(wǎng)的供回水溫度，有利于廢熱的再次利用。若采用其他清潔能源，如：電加熱+蓄熱，可大大提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。若采用電廠余熱，可以極大程度上回收電廠的冷卻塔的溫度。若結(jié)合吸收式換熱機組，則可以大幅提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性[3]。

5 系統(tǒng)的優(yōu)缺點

5.1 優(yōu)點

夏季：拉大了管網(wǎng)的供回水溫差，在管徑一定的情況下，提高了管網(wǎng)的供冷能力。用戶側(cè)采用兩級換熱，提高了用戶側(cè)的整體制冷性能系數(shù)，從而用戶側(cè)在選型冷水機組時，可選擇較小的冷水機組。用戶側(cè)冷水機組，無室外散熱塔，解決了散熱塔噪聲、飄淋以及美觀的問題。系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性較好，用冷建筑側(cè)冷負荷較低時無需開啟冷水機組，降低了用戶端的運行成本。

冬季：在冬夏負荷比相近的地區(qū)，通過調(diào)整一級網(wǎng)供回水溫差，可以實現(xiàn)一級網(wǎng)供回水冬夏流量近似相等的情況，有利于系統(tǒng)中泵及換熱機組的復(fù)用，提高了系統(tǒng)設(shè)備的利用率，降低了投資成本。

系統(tǒng)在冬季采用較常規(guī)一級供熱管網(wǎng)供回水溫度，本次采用85/55℃供回水溫度，可以實現(xiàn)更多廢熱的利用，尤其是結(jié)合電廠內(nèi)的冷卻塔，可以將此部分余熱充分利用，實現(xiàn)節(jié)能增效。

5.2 缺點

夏季：由于采用了冷水機組，用戶側(cè)向一級供冷管網(wǎng)輸入了多余的電耗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)一級管網(wǎng)輸出的冷量小于用戶側(cè)的總需冷量，降低了冷量的傳遞效率。

系統(tǒng)總體增加了冷水機組，帶來了冷量計費的問題，以及管理的問題，給系統(tǒng)的運行帶來不便。

6 結(jié)語

使用區(qū)域供冷系統(tǒng)，提高了一次供冷管網(wǎng)的溫差，使得一次供冷管網(wǎng)覆蓋面增大。且新系統(tǒng)與該工程現(xiàn)有系統(tǒng)可以兼容，可作為用戶側(cè)需要擴建時的一種選擇的方式。目前，集中供冷是市政行業(yè)發(fā)展的新需求，還有許多需要廣大技術(shù)人員不斷探索的地方。由于本文只是簡要地分析了新系統(tǒng)的一些特點，實際工程中仍有許多問題需要進一步深入探討。