基于自身特点的区域能源系统设计

苏夺

（华东建筑设计研究院有限公司，上海200002）



基于自身特点的区域能源系统设计

苏夺

（华东建筑设计研究院有限公司，上海200002）

摘要：分析区域能源系统的主要技术措施及其对不同区域能源系统的适用性，介绍基于区域能源系统特点的节能技术及其使用条件及解决方案，提及区域能源系统需要关注及促进的发展方向。

关键词：区域能源系统； 分布式能源系统； 热泵技术； 水泵分散方式输送系统；智能化自动控制系统

0　引言

区域能源系统将能源生产系统集中设置于各个用能建筑之外，与将其设置于各个用能建筑之内的常规建筑能源系统相比，能源输送距离增大，这是其最为明显的特点之一。在能源生产方面，可以利用常规建筑能源系统难以普遍利用的高效设备及系统形式，使能源生产能耗降低，这是区域能源系统不容忽视的特点之一。

不同的区域能源系统工程的供冷供热需求会有所不同，如仅需供冷、仅需供热、需冷热同供、需冷热兼供等；能源资源会有所不同，如具有废热资源、水体资源等；能源政策也会有所不同，如分时电价政策、燃气补贴政策、燃气分布式能源系统补贴政策等。不同的区域能源系统工程应分析并依据自身的供能需求、能源资源、能源政策等方面的特点，在其能源的生产系统、输送系统、利用系统、控制系统等各个环节选择适合的技术，进而构建安全可靠、经济节能的区域能源系统。

1　生产系统

区域能源，通常指区域内进行生产、生活所需要的冷、热、电、气等能源。由于电力、燃气行业的特点，目前区域能源系统往往仅指区域的供冷供热系统。近来，部分地方出台了分布式能源系统的鼓励政策、展开了电力体制改革的试点工作，电力的生产与利用将会在区域能源系统中出现崭新的局面。

1.1制热技术

区域供热系统具有较长的应用历史，但其制热技术多为基于利用煤炭、燃气等一次能源的锅炉技术或发电余热利用技术。为充分利用可再生能源及废热资源，热泵技术逐渐引起重视，并已有所应用。

热泵技术以空气、土壤、水体、发电废热、工艺废热、甚至制冷过程中需要排放的冷凝废热等作为低温热源，从其中提取热量，以实现对可再生能源及废热资源的利用。与电力驱动压缩式热泵技术利用电力作为驱动能源不同，热源驱动吸收式热泵制热技术甚至可以利用高温废热作为驱动能源。

不同热泵技术的制热效率各不相同，且会随低温热源温度的变化而变化，而可再生能源的温度往往是不断变化的，在选择热泵技术时应关注整个运行周期内的运行能耗。不同热泵技术的制热温度也各不相同，往往受限于低温热源的温度，而为满足一定的制热温度的要求，可以将不同热泵技术进行组合，如空气源热泵与水源热泵结合。

热泵技术并不排斥与其它制热技术的结合，多种制热技术的综合利用不但可以发挥各种制热技术的各自特点，也可以通过利用多种能源而降低制热系统对单一能源的依赖。制冷系统亦然。

1.2制冷技术

制冷技术与制热技术不是孤立的、对立的，而是相容的、共生的，制冷过程中需要排放的冷凝废热可以用于制热技术，两者的结合可以提高能源生产效率、设备利用效率。

整个运行周期内，制冷与制热的最大、瞬时、累积需求并不匹配，这使得制冷与制热系统的设备容量及运行状态、运行时间不能匹配。据此，与制热系统需分析设置仅具制热功能的设备的合理性一样，在存在制冷制热兼顾设备的情况下，也应分析设置仅具制冷功能的设备的合理性。

电力可从风能、太阳能等可再生能源中获得，利用电力制冷可实现制冷系统对可再生能源的利用，且电力驱动压缩式冷水机组的制冷效率明显高于热源驱动吸收式冷水机组，所以对于热源的应用不应仅限于将其直接用于制冷制热，也应考虑其发电能力。当热源为发电余热蒸汽时，应结合余热蒸汽的发电效率等因素，与电力驱动压缩式冷水机组进行比较分析；当热源为燃气时，应与燃气发电分布式能源系统进行比较分析。制热系统亦然。

1.3发电技术

相比于风能、太阳能、地热能、生物质能发电等分布式能源系统，燃气发电分布式能源系统因为区域内往往具有燃气资源、具有供电供冷供热需求而更适合于区域能源系统。燃气发电所生产的电力可以用于制冷制热，此时对燃气的利用效率明显高于燃气锅炉或吸收式冷热水机组；燃气发电所产生的电力也可以通过电力并网上网技术用于电网的整体电力需求，随着电力体制改革的推进，甚至可以用于电网的具体电力需求。

不同燃气发电技术的发电效率各不相同，废热形式也各不相同，而不同废热形式的废热利用效率又各不相同，如烟气型、蒸汽型、热水型吸收式冷水机组的制冷效率明显不同。值得注意的是，在能源价格、系统投资、能源利用效率等较为明确的情况下，系统利用效率尤为重要。燃气发电分布式能源系统应以区域能源系统的供能需求的特点为基础，进行技术及容量的确定，进而实现燃气发电分布式能源系统的系统利用效率，尽管这一系统的确定会因燃气发电用于制冷制热与否而有所不同。

区域能源系统的运行过程中，制冷制热系统的流量及温度会随供冷供热需求不断变化，为提高燃气发电分布式能源系统的废热利用效率及保证供能品质，可以采取变流量运行方式、与其它能源设备串联运行、直接利用回水的接管方式等技术措施。当供冷供热需求变化至低于燃气发电分布式能源系统容量时，通过与蓄能技术结合，可以避免系统停止运行或部分负荷工况运行，进而提高燃气发电分布式能源系统的系统利用效率及能源利用效率。

1.4蓄能技术

蓄冷技术及蓄热技术是已经广泛应用的蓄能技术。就市政电力而言，通过降低峰谷时段电力需求差异，蓄能技术可以降低电力生产系统与输送系统的设备容量，提高其设备利用效率及能源利用效率。就区域能源系统而言，通过制冷制热系统的连续运行，蓄冷技术及蓄热技术可以降低制冷制热系统的设备容量，提高其设备利用效率、甚至其能源利用效率，也可以降低电力等驱动能源的设备容量，结合驱动能源的能源价格及补贴政策可以取得一定的经济效益。

蓄冷技术及蓄热技术形式众多，其中蓄冰系统及蓄水系统的应用较为普遍且各具特点，如蓄冰系统需要相对较小的空间、蓄水系统可以实现蓄冷蓄热等。不同的区域能源系统工程应结合自身的供冷供热需求、机房空间条件等特点进行分析选择。

蓄电技术发展迅速，随着利用清洁能源及可再生能源发电技术的应用与推广而更加引起关注。蓄电技术可用于区域供冷供热系统，更适用于区域供电系统，随着电力体制改革的推进，区域能源系统应考虑区域供电系统及蓄电技术的应用。

2　输送系统

制取高温冷、低温热，可以提高制冷制热效率，但会减小用能建筑能源利用系统中空调末端设备的换热盘管与室内之间的换热温差，甚至于会制约一些空调系统形式的应用；如果进而需要减小能源输送系统的输送温差，则需增大能源输送系统的输送流量。

2.1散热能耗

散热损失所引起的散热能耗取决于系统的传热温差、传热系数、管道管径、管道长度以及传热时间等因素，也取决于能源生产效率、能源输送效率。

高温供冷、低温供热，可以降低散热损失、提高生产效率，进而降低散热能耗。对于目前常规的供冷供热温度，供冷系统的传热温差低于供热系统，电力驱动压缩式制冷技术的能源生产效率高于电力驱动压缩式制热技术，设计工况下的供热系统的单位供能的散热能耗高于供冷系统。

值得注意的是，设计工况下的单位供能的散热能耗并不能反映散热能耗的全貌，散热能耗的分析应基于整个运行周期。这主要因为，整个运行周期内，系统的传热时间不同于生产系统、输送系统的运行时间；散热损失相对稳定而瞬时供能、生产效率、输送效率均实时变化。

2.2输送能耗

输送能耗，通常反映为能源输送系统水泵的能耗，提高水泵效率以及减小水泵的流量需求、扬程需求均可降低输送能耗。同于散热能耗的分析，区域能源系统的运行过程中，输送温差相对稳定，输送阻力不断变化且往往低于设计工况下的输送阻力，设计工况下的单位供能的输送能耗并不能反映输送能耗的全貌。

变流量运行技术可以避免输送系统流量旁通、动态平衡技术可以避免输送系统发生流量过流，这些技术措施可以减小能源输送系统的流量需求，使能源输送系统的流量需求与能源利用系统的流量需求趋于一致，而增大能源输送系统的输送温差可以减小能源利用系统的流量需求。输送系统的输送温差受限于能源生产系统及能源利用系统的出水温度，增大两者之间的温差有利于增大输送温差，而为满足能源生产系统及能源利用系统进水温度的要求，必要时可以采取混水措施或换热措施。

区域能源系统通常通过换热系统与用能建筑能源系统结合，取消换热系统，可以降低区域能源输送系统水泵的扬程需求，也可以降低用能建筑能源输送系统水泵的扬程需求。能源输送系统水泵的设置方式不同，扬程需求各不相同，相比于水泵集中设于能源生产系统处的集中方式，水泵分散设于能源利用系统处的分散方式的总体扬程需求明显减小。值得注意的是，无论分散方式、集中方式、亦或两者结合，都须保证系统压力不低于具体要求，这会限制分散方式在一些系统形式中的应用。

3　利用系统

区域能源系统为各个用能建筑提供能源，是各个用能建筑的公共资源，其所提供的能源应该具有一定的普适性、兼容性。各个用能建筑从区域能源系统中利用能源，是区域能源系统的具体需求，其所需要的能源可能具有一定的特殊性、甚至排他性。

如前所述，取消换热系统的直供方式，节能效果明显，但换热系统不仅用于满足温度需求，也通常用于满足隔质需求、断压需求，在某种程度上，直供方式的采用与否也取决于用能建筑能源系统与区域能源系统之间的水质及水压的相互影响。然而，无论直供方式的采用与否，其间的温度的相互影响是必然存在的，某个用能建筑能源系统的大流量小温差的运行状态会导致整个区域能源系统处于大流量小温差的运行状态，这不但会增加区域能源系统的运行能耗，而且可能会使区域能源系统无法满足其它用能建筑的需求。

用能建筑可以采用多种能源利用系统形式，风机盘管系统、全空气定风量系统、全空气变风量系统等，共性的存在使区域能源系统的普适性和兼容性成为可能，个性的存在可以使区域能源系统与用能建筑能源系统更好地结合。充分利用区域能源系统的输送温差的特性，如区域能源系统的输送温差往往大于常规建筑能源系统的输送温差，而用能建筑能源利用系统通过采用大温差型空调末端设备，可以降低用能建筑能源输送系统的能耗；充分利用区域能源系统的供水温度的特性，如采用蓄冰系统的区域能源系统可以提供较低温度的供水，而用能建筑能源利用系统的低温送风系统形式需要较低温度的供水，可以降低用能建筑能源利用系统的能耗；充分利用用能建筑能源利用系统的回水温度的特性，如辐射供冷系统的回水温度明显高于其它空调系统形式，而区域能源输送系统的回水温度的提高、输送温差的增大，可以降低区域能源系统的能耗。

不仅如此，全面分析区域内用能建筑的供冷供热需求的特点，如数据机房类建筑因设备散热需求而需要常年供冷、酒店类建筑因生活热水需求而需要常年供热，可以实现区域内的不同用能建筑之间的供冷供热需求的互补、充分发挥区域能源系统的优势。当然，这种区域内的能源综合利用不仅限于不同用能建筑之间，也不仅限于利用免费供冷无法满足的供冷需求时，在具有一定的经济效益及节能效果的前提下，应充分考虑利用用冷需求作为制热系统的低温热源。

4　控制系统

区域能源系统的自动控制系统应用于区域能源系统能源的生产、输送、利用等各个环节之中及之间，使各个环节结合成为一个整体，是区域能源系统的重要组成部分。

4.1安全可靠

区域能源系统往往可能采用常规建筑能源系统中较少应用的系统或设备，对于这些系统或设备，自动控制系统应予以足够重视。如燃气发电分布式能源系统，内燃发电机组的废热为烟气及热水，虽然利用其热水进行制冷制热是能源生产系统的一部分，但是这种利用应以保证发电机组的正常运行为前提。

区域内各个用能建筑的能源系统往往各自具有不同的特点，对于可能影响区域能源系统及其它用能建筑能源系统可靠运行的因素，自动控制系统需考虑采取必要的措施。如前所述的可能造成的大流量小温差的影响，区域能源输送系统可以以各个用能建筑处的回水温度作为反馈信号限制输送给各个用能建筑的流量。

4.2优化控制

不同的运行控制策略，系统或设备的运行能耗有所不同。以水泵的变频运行控制为例，同一换热系统内的多台换热设备同时开启或以其调节阀门的开度为反馈信号均可以降低区域能源输送系统水泵的扬程需求；如果以用能建筑能源系统的供水温度为反馈信号，取消调节阀门，也可以降低分散方式输送系统水泵的扬程需求。

不同的运行控制策略，系统或设备的设置形式需有不同。以分散设置方式的水泵的变频运行控制为例，以换热系统的前后压差或以调节阀门的开度为反馈信号时，换热系统与水泵可采用并串联系统形式，即水泵及换热系统各自并联后形成的两个并联组合串联；以换热系统的用能建筑能源系统的供水温度为反馈信号时，换热系统与水泵应采用串并联系统形式，即换热系统与对应水泵串联后形成的多个串联组合并联。

4.3智能运行

对于相同的系统及设备，自动控制系统应进行运行数量选择控制。以集中方式输送系统的变频运行的水泵为例，不同的运行台数，水泵的总体能耗各不相同，根据常规建筑能源系统通常采用的“大于需求的最小供给”原则所确定的水泵运行台数往往不是最节能的选择。同样地，变频运行的区域能源生产系统水泵、不同流量工况下制冷制热效率不同的同类型制冷制热设备，亦是如此。

对于不同的系统及设备，自动控制系统应进行运行类型选择控制。如不同制冷制热技术的运行能耗、运行成本各不相同，应重视不同技术之间的差异、关联，进而实现不同技术之间的实时的比例分配，使系统运行于经济节能的最佳状态。值得注意的是，多个区域能源系统可以形成基于能源输送网络及自动控制网络的整体区域能源系统，自动控制系统也应实现对具体区域能源系统的选择。

5　结语

较之建筑能源系统，区域能源系统的运行节能更为重要、相关技术更为广泛、能源政策影响更大，在自控技术、能源技术、能源价格等方面更应与时俱进。区域能源系统应分析自身的能源资源、供能需求、能源价格等方面的特点，并予以充分利用。区域能源系统是清洁能源、节能技术得以广泛应用的有效途径，区域能源事业的健康发展有利于推进节能减排工作的顺利实施。

修回日期：2016-03-28

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.016

中图分类号：TU831

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）02-0072-04

作者简介：苏夺（1970-），男，辽宁人，硕士，高级工程师，主要从事建筑空调系统及区域能源系统的设计工作。

收稿日期：2015-07-22

Design of DES Based on its Features

SU Duo

（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Abstract：Analyzed the main methods of DES and their applicability to different DES，introduced some energy-saving technologies based on the features of DES and the conditions and solutions of its application，mentioned the development directions of DES that need to be focused on and promoted.

Key words：DES； CCHP； heat pump； distributed pumps system； intelligent control systems