区域供冷系统中换热系统的探索

李鹏圣

（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）

引言

区域供冷是满足一定区域范围内多个建筑的用冷需求所设置的系统。目前系统多采用板式换热器间接换热，集中供冷管网供回水温差小，管径大。对于冬夏供热供冷需求的地区，受制于供冷或供热工况，使得在另一工况下偏离经济运行参数较大。为此本文提出热泵换热系统，匹配冬夏季负荷，降低管网初期投资，降低管网运行费用。

1 工程背景

某集中供冷工程位于海南，工程概况如下：工程采用间接换热，市政供冷管网采用2.5℃/11.5℃，系统如图1所示。

系统间接换热，二次侧按照实际用户需求确定，考虑到末端用户为风机盘管、空调箱等,一般按照7/12℃进行设计。

该系统存在的问题如下：

1）换热温差小，换热器面积需求量大，一级网入口端温差为7℃-2.5℃=4.5℃，出口端温差为12℃-11.5℃=0.5℃。另外，一级网较低的供水温度降低了冷源站内机组的COP值。

2）长距离供冷管线，管道的沿程温度升高变得不可忽略，更需要注重管道的保冷设计，尤其是在刚入夏时，管网流量较小，管道流速较小，从而引起供冷介质的温度升高。

3）换热存在着较大的用损失，不利于有效能源的利用。

既然如此，可否提高一级供冷管网的供回水温度，负荷末端采用制冷机组，取代换热机组，提升系统的整体运行特性，也可以取消传统采用电驱制冷机组末端的冷却塔[1]。

2 新系统的设想

2.1 用冷建筑侧系统流程

一级冷水管网采用供水5℃，回水35℃，拉大供回水温差，增加管网的制冷能力。用冷建筑采用制冷机组并联板式换热的形式实现冷源的综合利用。总体系统图如图2所示。

2.2 系统特点

根据系统的用冷能量平衡及热量平衡得出系统的几个基本关系方程。

系统所带冷负荷的计算：

根据能量守恒定律得出下式：

根据冷水机组的性能系数得出下式：

根据板式换热器与冷水机组所经过的冷水流量相同，以及所换热的能量与二次侧对应能量相同得出下式：

2.3 计算一次侧和二次侧之间的负荷比

用冷建筑的冷水制冷量与一级供冷管网的比值见下式：

式中：Q1为为一级供冷管网的制冷量；Q2为用冷建筑的管网的制冷量；T1，G为一级供冷管网供水温度；T1，Z为一级供冷管网在用冷建筑侧，换热的中间温度（混水前温度）；T1，H为一级供冷管网的回水温度；Q2，板换+为用冷建筑侧，冷冻水的换热量；Q2，冷机为用冷建筑侧，冷水机组的冷冻水换热量；M1为一次侧的质量流量；M2为二次侧的质量流量；E冷机为制冷机组的消耗的额外的电能；COP为制冷机组的运行性能，既消耗1单位能量获得的COP单位的冷量的能力。

结论1：由上式可以得出，系统的总制冷量小于末端系统的总制冷量，需要考虑制冷机组的输入功。但末端系统COP的增加，Q2与Q1的比值将逐渐趋近于1。

2.4 计算二次侧总体性能系数

系统以获得的总制冷量与消耗的电量之间的比值作为二次侧总体性能系数SCOP。

使用前图中的参数，分别计算出SCOP，详见表1：

表1 综合制冷性能系数对比表

结论2：从用冷侧建筑来看，系统的总体性能系数得到了较大的提升。采用此种系统方式，可以大幅提高系统的性能系数，单位制冷量所消耗的电能大大降低。

3 集中制冷站侧系统流程

3.1 系统效能定性分析

集中制冷站制取5℃的低温水向集中供冷管网供应，并向外释放热量。过程中可以看出，较传统的制冷形式，在相同的冷热源的工况条件下，本系统提高了制冷站内冷凝器的平均温度，根据卡诺逆循环，可以看出，增加了系统的COP值。集中制冷站流程图如图3所示。

3.2 系统的其他节能方式

集中制冷站的驱动能源可采用多种形式：一是采用溴化锂机组，可吸收工业余热，电厂余热等实现制冷，节约能源。二是采用天然气作为驱动能源，可以降低电网的供电负荷，实现电力资源与天然气资源的互相补充，降低了电网的调峰需求，同时也充分利用了天然气资源[2]。

集中制冷站配套建设冰蓄冷设备，可以实现电力资源的削峰填谷作用。同时也可使用“弃电”，实现电力资源的集约运行。

集中制冷站配套光伏发电系统，若系统匹配合理，光伏发电的峰值与区域内冷负荷的需求时间段相同，还可以实现系统的自己自足。

4 系统冬季适用性分析

4.1 冬季系统运行流程

冬季，一级供冷管网内运行85℃/55℃的热水，引入用热建筑内，通过板式换热机组换为60℃/50℃的循环热水引入空调的末端装置，从而实现建筑物内部制热。制热工况用热侧流程图如图4所示。

4.2 系统特点

根据状态能量守恒可以得出下列结论：

该式与供冷工况下流量的比值如下：

式中：Qr，1为制热工况，一级热网的总热量；Qr，2为制热工况，用户侧管网的热量；Mr，1为制热工况，一级热网的水流量；Mr，2为制热工况，用户侧热网的流量；Tr，1，g为制热工况，一级供热管网的供水温度；Tr，1，h为制热工况，一级供热管网的回水温度；Tr，2，g为制热工况，用户侧管网的用水温度；Tr，2，h为制热工况，用户侧管网的回水温度。

4.3 冬夏负荷的调节

由于建筑末端冬夏负荷不同，管网的运行温差也不相同，但由上式可以知道：调整冬季管网的供回水温差，可以做到系统冬夏之间的管网运行流量相同。

板式换热器的平均对流换热温差增大，会较大程度提高换热器的换热效率，当建筑物冬季供热负荷小于夏季制冷负荷时，换热器可无需增加数量便可满足系统的换热需求。反之，则需要核算流量计温差。

4.4 冬季集中能源站的运行

由于管网供回水温度为85℃/55℃，较常规北方地区的一级供热管网温度130℃/70℃，降低了管网的供回水温度，有利于废热的再次利用。若采用其他清洁能源，如：电加热+蓄热，可大大提高系统的可靠性和经济性。若采用电厂余热，可以极大程度上回收电厂的冷却塔的温度。若结合吸收式换热机组，则可以大幅提高系统的经济性[3]。

5 系统的优缺点

5.1 优点

夏季：拉大了管网的供回水温差，在管径一定的情况下，提高了管网的供冷能力。用户侧采用两级换热，提高了用户侧的整体制冷性能系数，从而用户侧在选型冷水机组时，可选择较小的冷水机组。用户侧冷水机组，无室外散热塔，解决了散热塔噪声、飘淋以及美观的问题。系统可调节性较好，用冷建筑侧冷负荷较低时无需开启冷水机组，降低了用户端的运行成本。

冬季：在冬夏负荷比相近的地区，通过调整一级网供回水温差，可以实现一级网供回水冬夏流量近似相等的情况，有利于系统中泵及换热机组的复用，提高了系统设备的利用率，降低了投资成本。

系统在冬季采用较常规一级供热管网供回水温度，本次采用85/55℃供回水温度，可以实现更多废热的利用，尤其是结合电厂内的冷却塔，可以将此部分余热充分利用，实现节能增效。

5.2 缺点

夏季：由于采用了冷水机组，用户侧向一级供冷管网输入了多余的电耗，从而导致系统一级管网输出的冷量小于用户侧的总需冷量，降低了冷量的传递效率。

系统总体增加了冷水机组，带来了冷量计费的问题，以及管理的问题，给系统的运行带来不便。

6 结语

使用区域供冷系统，提高了一次供冷管网的温差，使得一次供冷管网覆盖面增大。且新系统与该工程现有系统可以兼容，可作为用户侧需要扩建时的一种选择的方式。目前，集中供冷是市政行业发展的新需求，还有许多需要广大技术人员不断探索的地方。由于本文只是简要地分析了新系统的一些特点，实际工程中仍有许多问题需要进一步深入探讨。