浅谈暖通在综合能源中的应用

文/郭晓琴 武汉科技大学城市学院 湖北武汉 430083

随着经济的快速发展，环境污染、能源利用率低等问题逐渐突出，综合能源系统应运而生。综合能源系统是指一定区域内利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源，实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济。其中冷、热作为两种供能形式，在生活水平日益增长的背景下，其需求量越来越高，直接导致空调系统的能耗居高不下，为了更好发挥综合能源系统的优势、切实提高能源综合利用效率、缓解碳排放带来的污染，因地制宜地设计高效的暖通系统显得势在必行。

1、前言

暖通在我国起步虽晚，但发展迅速。近十年，随着多种形式的暖通系统引入国内，相关的研究和应用数不胜数。其中王路兵等人以实际项目为例，分析了浅层地热能、太阳能和污水废热联合应用的可行性[1]；杜玉吉等人提出了一种适用于大型公建的联合能源区域供冷供热系统，并与传统能源方式比较，证明该系统的优越性[2]；梁浩等人建立了一种区域能源系统优化模型，可以统筹考虑常规能源与可再生能源，兼顾区域集中能源技术和分散能源技术，使多种能源多种技术在社区层面优化组合，优势互补[3]；吕东彦等人论述了太阳能热泵复合技术的发展[4]；罗磊等人介绍了实现区域可持续低碳发展的能源规划思路和方法[5]；李峥嵘等人介绍了有助于太阳能区域供热发展的高效太阳能集热器、储热技术、低温区域供热技术和多能互补技术[6]；石利军等人结合实测调研与第三方检测数据，对重庆某冷热电三联供复合供冷系统的实际运行性能进行了综合分析[7]。

在综合能源大势所趋的背景下，暖通系统的合理使用显得尤为重要。本要将着重介绍几种主要的暖通系统形式，以及几种常见的暖通复合系统方式。旨在为综合能源中的供冷、供热系统设计提供参考。

2、主要暖通冷热源形式

2.1 水冷冷水机组

水冷冷水机组是最为常用的中央空调供冷方式。主要包括四个主要组成部分：压缩机，蒸发器，冷凝器，膨胀阀。压缩机依靠电驱动。冷却设备主要为冷却塔。辅助设备冷冻水泵、冷却水泵及其阀门、管道和控制系统等。按压缩机的工作方式分类主要有：活塞式、螺杆式和离心式。其主要外形如图1所示。

图1 水冷冷水机组外形图

2.2 吸收式冷水机组

吸收式冷水机组是一种主体由蒸发器、吸收器组成的下筒体，冷凝器、发生器组成的上筒体，溶液热交换器、容液泵、冷剂泵、抽气系统等组成的冷水机组。与常规电驱动的冷水机组相比，它没有压缩机，主要依靠余热驱动整个系统循环工作。因此，它适合用于具有能源梯级利用优势的三联供系统中。其冷却设备主要为冷却塔。目前常用的吸收式冷水机组为溴化锂制冷机。其主要外形如图2所示。

图2 吸收式冷水机组外形图

2.3 吸收式冷水机组

风冷热泵机组属于空气源热泵的一种形式，是以室外空气为其热源或热汇进行供暖和供冷的热泵型整体式空气-水空调装置。其应用受到地理环境和气象条件的限制。

风冷热泵系统优点主要有：不用水冷,省去了由冷却塔、水泵及管道组成的冷却水系统和锅炉加热系统；由于以空气作为热源和冷源可大大地节约用水,也避免了对水源水质的污染;将风冷热泵冷热水机组放在建筑物顶层或室外平台即可工作,省却了专用的冷冻机房和锅炉房。同时因风冷也带来了两个问题：供热运行时可能要加设辅助热源及由此引起的经济性问题；机组换热器翘片上的结霜以及融霜对运行的影响。其主要外形如图3所示。

图3 风冷热泵外形图

2.4 地源热泵机组

地源热泵机组原理与风冷热泵类似，主要区别在于源侧。按照冷（热）源类型分为地下水式、地埋管式和地表水式。因其源测的温度相较于传统的水冷和风冷形式，呈现“冬暖夏凉”的特征，因此地源热泵机组的能效较高，目前正得到广泛的应用。

2.5 多联式空调机组

多联式空调机组也属于空气源热泵的一种形式。多联式空调系统需采用变频压缩机、多级压缩机、卸载压缩机或多台压缩机组合来实现压缩机容量控制。在制冷系统中需设置电子膨胀阀或其它辅助回路,以调节进入室内机的制冷剂流量通过控制室内外换热器的风扇转速或传热面积,调节换热器的能力。与风冷热泵相比，其送到末端的介质为制冷剂。输送管道为铜管，系统运行调节方便，部分负荷下运行效率高。

2.6 蓄冷系统

空调蓄冷技术是指采用制冷剂和蓄冷装置，在电网低谷的廉价电费计时时段，进行蓄冷作业，而在空调负荷高峰时，将所蓄冷的冷量释放的成套技术。因而，蓄冷技术就是合理选择蓄冷介质、蓄冷装置与设计系统组成，利用优化的传热手段，通过自动控制，周期性地实现高密度的介质蓄冷和合理的冷量释放。

与常规空调系统不同，蓄冷系统可以通过制冷机组或蓄冷设备或两者同时为建筑物供冷，用以确定在某一给定时刻，多少负荷是由制冷机组提供，多少负荷是由蓄冷设备供给的方法，即为系统的运行策略。

3、集中典型的暖通复合系统

对于同一个工程，单一的暖通系统往往存在或多或少的缺点，以至于无法充分发挥各自的最大优势。因此实际项目中，多种暖通系统复合设计，能够取长补短，提高系统实际运行效率，减少系统的运行费用，真正意义上实现综合能源系统的目的。本节将介绍几种典型的暖通复合系统。

3.1 水冷冷水机组+蓄冷系统+热水锅炉

水冷冷水机组+蓄冷+热水锅炉的复合系统较为常见，其中蓄冷系统通常采用冰蓄冷。在拥有峰谷电价差政策的项目中，冰蓄冷系统具有削峰填谷，减小运行费用，降低主机容量的特点。水冷冷水机组+热水锅炉属最常规的集中供冷供热系统，运行稳定，调节方便。在这样一个复合系统中，冰蓄冷装置所对应的蓄冰机组通常为双工况水冷冷水机组，即制冷和制冰工况。夜间谷时电价时，系统开始制冰，白天蓄冷装置释放冷量。设计人员需根据项目实际情况和经济性分析，决定采用部分负荷蓄冰还是全部负荷蓄冰，以及系统的实际运行方式。

由于蓄冰系统的加入，该复合系统能够充分的利用谷时电价低的优势，最大程度降低运行费用。此外，水冷冷水机组的容量在一定程度上会减小，降低主机的初投资，至于总的成本投入，需另行分析。

3.2 冷热电三联供+冷水机组

综合能源由多能互补衍生而来，分布式能源系统是多能互补的一种典型形式。建立在能源梯级利用基础上的冷热电三联供系统属于分布式能源系统，以其节能环保、综合利用率高而暂露头角。三联供系统主要按照“以热定电”的原则进行设计。为了充分发挥三联供系统的优势，按需供给、适时匹配尤为重要。通常，建筑100%负荷的持续时间较短，如果以该负荷设计三联供系统，系统的低负荷运行时间过长，系统效率势必大打折扣，因此冷水机组往往扮演调峰的作用。两者进行配合，能够最大程度挖掘能源梯级利用的优势，真正意义上提高系统的效率。

在图6中，随着直接蒸发冷却机组的效率增加，系统的送风量减小。并且，当室内温度以等差规律上升时，送风量的降幅基本相同，故直接蒸发冷却机组效率与系统送风量呈线性关系。当直接蒸发冷却机组

3.3 地表水源热泵系统+水冷冷水机组

地表水源热泵系统属于地源热泵系统的一种形式。传统的地表水源包含江、河、湖、库。一般江河属于流动性地表水，热承载力通常优于湖库。在夏热冬冷地区设计采用湖库水的水源热泵系统需校核水体的热承载力，保证夏季周平均最大温升不超过1℃，冬季周平均最大温降不大于2℃。由于湖库水体有限，往往出现按夏季负荷进行设计时，最大温升不满足要求。因此，在这样的情况下，可按冬季热负荷设计水源热泵系统，夏季不足的冷负荷由水冷冷水机组承担，一方面满足了环评的要求，另一方面采用制冷效率相比一般系统较高的水冷冷水机组，能够保证复合系统的使用效率，减低运行费用。

3.4 土壤源热泵系统+冷却塔（或太阳能）

土壤源热泵系统属于地源热泵系统的一种形式。其发展较早，但由于早期的土壤源热泵系统未重视土壤热平衡问题，导致运行若干年后，系统效率越来越低，末端效果越来越差，甚至系统无法运行。随着研究的深入，复合系统应运而生。在冷负荷明显高于热负荷的项目中，地埋管的容量按冬季工况进行设计，夏季不足的部分设计冷却塔，土壤源热泵机组的容量按较大工况进行设计，相当于夏季土壤和冷却塔两种源联合运行。在热负荷明显高于冷负荷的项目中，地埋管的容量按夏季工况进行设计，夏季太阳能系统联合运行，将太阳能储存在土壤里，弥补冬季不足的取热量。土壤源热泵系统和冷却塔（或太阳能）联合运行一方面极大缓解了土壤热不平衡问题，另一方面提高系统的运行效率和稳定性。

结论：

在节能减排的大背景下，建立在多能互补基础上的综合能源概念应运而生。冷、热是综合能源中的一种能源形式。为了充分发挥综合能源系统的优势，合理使用高效的冷热源系统至关重要，通过介绍主要暖通系统并简述集中典型的暖通复合系统，得到如下结论：

（1）暖通系统的种类较多，每一种系统都有各自的特点，设计前需充分了解系统的优势以及项目的实际情况；

（2）单一的暖通系统往往存在或多或少的缺点，在实际项目中，通过分析和比较，可考虑采用复合系统，充分挖掘系统的节能潜力。