区域供冷系统能耗分析

· 专业论坛 暖通空调 年第 卷第 期 区域供冷系统能耗分析 清华大学 朱颖心 ☆ 王 刚 江 亿 摘要 针对区域供冷系统存在的能耗 问题 , 通过对 日本两个典型 区域供冷项 目具体案例 的深入分析 , 指 出其能耗水平 , 结合 国内典型公共建筑分散供冷供暖 系统的能耗数据 , 指 出区 域供冷高能耗的根源所在 。 在分析 了国外一 些成功 区域供冷案例 的成功之处后 , 进一步指 出 区域供冷遇到的各种问题 , 认为区域供冷 系统节能的前提条件是具备高密度的冷负荷用户和 足够量的廉价天然冷源 。 关键词 区域供冷 能耗 冷源 输配 丫乃 。 丫,。少 。 , 卜从〕门 。门 了旧。 丫, , , , 一 , , , , ★ 一 卜 一 , 印 一 , 卜一 引言 近年来 区 域供冷 犯 或 区 域供冷 供 热 系统被作为节能 、 先进的空调解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 在 我国的中部和南部推广 , 部分项 目作为节能示范项 目得到了当地政府的财政补贴 。 由于这些项 目主 要建在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区 , 系统往往以 满足冷负荷要求为主或单纯用于供冷 。 目前国内外区域供冷 供热 系统采用的主要 冷热源形式有 燃气热电冷三联供 、燃气吸收式制 冷 、 电制冷加集中冰蓄冷 、 天然冷源等 。 一般认为区域供冷 供热 项 目具有的优点有 集中冷源效率比分散冷源如风冷机 、 分体机的 效率高 , 因此可以达到减少运行能耗的目的 集 中冷热站占地少 , 可以减小设备的冗余 , 从而降低 冷源设备的初投资 冷热源易于集中优化控制 和维护管理 便于利用天然冷源或蓄冷技术 易于降低污染排放量 。 但与在我国北方地区长期应用并效果良好的 区域供热系统不同的是 , 我国南方地区区域供冷系 统出现了不仅初投资高 , 而且运行费高 , 客户难以 接受的问题 。 系统中冷热负荷比越大 , 问题越大 , 单纯供冷的系统则问题更大 。 大部分的区域供冷 系统每 冷量的销售价格为 。 。元 , 绝大 部分超过 。 元 , 其价格达到被认为制冷效率最低 的分体机冷量价格的 倍以上 分体机 按 计 , 电价按 元八 计 。 即便加上投资回 收的因素 , 区域供冷系统的初投资与运行费依然均 高于分体机 。 出现上述问题的原因是我国现有的区域供冷 ☆ 朱颖心 , 女 , 年 月生 , 博士 , 教授 , 所长 北京海淀区清华大学建筑学院建筑技术科学系 一 飞 收稿日期 一 一 修回 日期 一 一 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 暖通空调 犯 年第 卷第 期 专业论坛 · 系统的设计或者运行技术不成熟导致的呢 , 还是因 为区域供冷系统从本质上与分散冷源相 比就是不 节能的呢 本文将从案例分析人手 , 对区域供冷是 否是一种节能的先进技术这一问题进行探讨 , 并讨 论区域供冷节能的前提条件 , 以及为什么区域供冷 实现节能要比区域供热难得多 。 由于资源 、 能源匾乏 , 日本是 国际上对 系统实践较早并进行 了较多技术探索的 国家 , 技 术 、经验相当成熟 。 以燃气为主要动力的东京新宿 新都心 系统是 目前国际上规模最大的 系统 , 而以电力为动力的东京晴海 广场的 系统则是 日本国内一次能源能效 第 高的 系统 , 获得 了 年空气调和 · 卫生 工学会奖 。 这两个系统应该是具有代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的高水 平 系统 , 通过对这两个系统的能耗分析 , 可 以了解在当前国际最高技术水平下 系统的 节能潜力 。 不同国家 的一次能源结构存在 着显著 的区 别 , 例如一次能源在 中国以 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤衡量 , 而 日本 则采用重油的当量热值来描述 , 两种一次能源在 同热量单位条件下 品位却有很大 的差别 。 由于 日本是通过 电网的平均综合发电效率来把耗 电 量折算为一次能源消耗量的 , 为了便于 同 日本的 统计数据进行 比较 , 在本文 中把 中 、 日的一次能 源消耗量均根据各 自的平均综合发 电效率折算 为当量耗电量 , 把一次能源能效 折算为电 力能效 。 , 再对不 同系统进行 比较 。 由于人 们所提及区域供冷供热系统的能耗 只是冷热源 及其附属设备 主要为冷却泵和冷却塔 的耗 电 量与冷 热 水输配系统耗电量的总和 , 并不包括 客户侧的冷水系统和风系统的风机水泵能耗 , 因 此在本文 中讨论分散供冷系统 的冷热源侧能耗 时同样只包括冷热源及其附属设备 冷却泵和冷 却塔 与冷热源侧冷却泵 的耗 电量总和 , 不包括 用户末端消耗的冷水泵扬程所导致的电耗 。 两个典型的 日本区域供冷供热系统 案例 日本东京晴海 广场区域供冷 供热系统 由图 可 以看出 , 日本东京晴海 广场 是一个高密度商用建筑区 , 总建筑面积近 万 , 供冷供热建筑面积 万 , , 占地面积 , , 容积率达 。 集中冷热站位于图中右侧超 图 东京晴海 广场区域 高层建筑的地下 , 为右侧 座超高层建筑 、 座高 层建筑 、 圆形会议中心以及低层综合商业建筑提供 冷热量 。 由于存在大面积的内区 , 因此整个建筑群 以冷负荷为主且全年有冷负荷 , 峰值冷负荷是峰值 热负荷的 倍左右 , 见图 。 表 给出了该项 目冷 热源系统的基本信息 。 圈 全年的冷热负荷分布 表 日本东京晴海 广场 区域供冷供热系统的墓本信息 基本信息 能源类型 系统开始运行 时间 服务面积 电力 年 月 系统最大供冷 能力 系统最大供热 能力 冷源 万 “ , 其中 为写字楼 , 为会议中 心 , 为其他商业设施 约为普通分散供冷系统装机总容量的 容积为 的水蓄能槽 两组离心式冷水机组 , 两组带热回收的电制 冷机组 , 两组具有冬季制热功能的热泵机 组 , 制热工况下冷却塔可转化为加热塔 系统供回水温 夜间加权平均供回水温差 ℃ , 白天加权平 差 均供回水温差 ℃ 该项 目采用电压缩制冷机作为区域供冷系统 冷源 。 由于冬季和过渡季同时存在冷热负荷 , 因此 有 的机组带有与冷却 加热塔相连接的第 个 换热器的热泵机组或热回收冷水机组 , 其冷凝器可 以提供热水 , 蒸发器提供冷水 , 当冷热负荷不匹配 时 , 多余的冷热量会通过第 个换热器经由冷却 加热塔排出 。 冬季冷却 加热塔的传热介质由水更 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net · · 专业论坛 暖通空调 犯 年第 卷第 期 换成盐溶液以保证不冻结 , 同时盐溶液还能有效地 吸收室外空气的潜热用于供热 。 为了减少冷热负 荷不同时性导致的不匹配并利用夜间廉价电 , 采用 了蓄冷 热水槽来蓄存能量 。 由于该项 目冷负荷密度非常高 , 在制冷站选址 时设计者就刻意追求冷水输配系统距离最小化 , 采 用蓄能措施后冷热负荷较稳定 , 输配系统的控制成 功地实现了大温差 、 小流量 , 减少了输配系统的能 耗 。 此外 , 采用了热回收等技术 , 使得该系统可以 通过热泵系统回收热量 , 提高了系统的整体能源利 用效率 。 根据该项 目策划单位东京电力会社提供 的资料 , 该区域供冷供热系统的年均一次能源能效 以〕尸 达到 , 高居 日本全 国 系统第 位 , 见图 。 目前 日本电网扣除电网损耗后的平均 综合发电效率是 , 故整个系统年均电力能效 〔 。 相当于 。 图 新宿新都心的 系统 表 日本新宿新都心燃气热电冷 三联供 系统的基本信息 基本信息 能源类型 天然气 系统完工时间 年 月竣工 , 年 月获得 阳 认证 冷热源 供 回水温度 冷水泵功率 能耗 汽轮机驱动离心式冷水机组 汉 , , 又 , 吸收制冷机 只 , 供应冷水 三联供燃气轮机 , 供应蒸汽 水管 锅炉总计 设计温度 ℃ ℃ , 变流量控制 , 实际运行时 供回水温差为 一 ℃ , 冷水管道温升 ℃ 总额定功率 , 供冷管网总长 燃气耗量 “ , 其中发电用气 , 制冷 、供热用气 全年用电量 冷水泵 、 冷却泵 、 冷却塔 、 机房 通风和照明 “ , 其中自发电 只 , 购人电 只 图 日本 年全国 系统一次 产能 能源能效统计值《平均值为 ’ 案例 日本新宿新都心燃气热电冷三联供 系统 该项 目的服务区域是 日本容积率最高的地区 之一 , 占地面积 , 建筑面积 万 , 容积率超过 , 见图 。 建筑类型 以写字楼为 主 , 另有部分会议中心和宾馆建筑 。 图 为该项 目的管网系统与服务区域 , 其中标志 ①处为冷热站 的位置 。 该项 目以燃气为一次能源 , 是世界上规模最大 的燃气三联供 系统 , 所采用的蒸气驱动的离 心式冷水机组是世界上最大的单台冷水机组 。 采 用离心式制冷机而不采用普通燃气三联供系统常 采用的吸收式制冷机的原因是前者具有较高的能 效 。 该项 目的系统基本信息见表 。 应该注意的 是该项 目中三联供机组的发电并没有为客户侧提 全年产冷量 “ , 可销售的冷 量为 , 输配系统冷量损失 , 为售冷量的 产热量 供任何电力 , 而是全部都消耗到输配系统中了 , 甚 至还需要外购超过 的电量来补足此部分能耗 。 按 日本平均综合发电效率 、 天然气热值 计 , 该项 目消耗天然气和电量分别折 合为一 次能源 与 , 总计为 又 因此该 系 统一次能源能效 以护 为 , 折合电力能效 。 为 。 由于本项 目供热是通过供蒸汽实 现的 , 并没有采用热水泵 , 所 以所有水泵的电耗只 是用于供冷 。 假设燃气锅炉的热效率为 , 则 生产 热量所消耗的燃气热值为 , 则所剩余的 能耗 就是单纯供冷的一次能源消耗量 。 由此可以得出 该项 目单纯供冷的一次能源能效 为 , © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 暖通空调 犯 年第 卷第 期 专业论坛 · · 折合电力能效 以妒 。 为 。 分散供冷系统的能源利用效率 根据文献 〕给出的大型公共建筑能耗调查数 据 , 北京某采用变风量系统的商用写字楼的总用电 量为 , · , 其中空调供暖耗电量 占 , 即 · 。 冷水机组电耗 占空 调供暖总电耗的 , 冷水泵电耗 占 , 冷却水 泵和冷却塔电耗 占 , 供暖泵 电耗 占 。 世纪 年代以来市场上所有基载大型离心制 冷机供应商提供的产品样本中冷水机组的 普 遍在 一 的范围内 , 同时 , 冷水泵的能耗至少 有 是消耗在末端设备上的 , 应扣除 。 据此可以 推得北京市此类商用写字楼采用的分散式供冷系 统的冷源侧电力能效 以 〕尸。 在 巧一 的范围 内 。 如果把供暖考虑在 内 , 根据文献 〕给出的统 计数据 , 北京市大型公共建筑的供暖季平均耗热量 指标为 一 。 如果取平均值为 , 北凉供暖期为 , 则供 暖耗热量为 耐 · 。 按发电效率 来折算电热 比 , 同样扣除 的供暖泵电耗 , 可得出北京市此类商 用写字楼的空调冷热源的电力能效 〔 。 为 一 。 可见 , 至少 目前采用分散供冷方式的北京商业 写字楼的能效水平与技术水平相当高的晴海 系统持平 , 明显高于以燃气为动力 的新宿新都心 系统 。 上面采用的是北京商业写字楼的数据 。 如果 与东京气候类似的上海地区来 比 , 冷负荷会增加 , 热负荷会降低 , 分散冷热源系统的 〔汇护 会更高 , 因 而会高于晴海 系统的 。 日本的统计数 据表明 , 绝大部分以电为动力的 系统的一次 能源能效 〕 均高于 以燃气为动力的 系 统 。 而在中国 , 新建燃气发电厂的单纯发电效率均 不低于 , 在这种条件下进行比较 , 以燃气为动 力的三联供 系统就更加处于劣势 。 导致区域供冷 供热 系统耗能高的原因 新宿新都心 的 系统的冷水管道温升达 ℃ , 冷量损失接近售冷量的 。 但该项 目的 冷水管的管径达 , 湿周小 , 保温施工质量非 常好 , 理论上讲管道冷损失不应该超过常规管道的 冷损失值 。 导致如此之大的冷损失原因何在 从该项 目的总电耗可以看出 , 该项 目的冷水泵的耗 电量应不低于 占 , 而这部分能量正好 等于管道冷量损失 的 , 也就 是说主要是冷水泵的高电耗导致了管网的冷损失 。 此外 , 上海建筑科学研究 院 年对上海 市 多家以写字楼为主的大型商用建筑的调查 统计数据表明 , 与东京气候相似的上海地区大型 商用建筑 的平均耗冷量是 。 耐 · 左 右 , 清华大学 年对上海部分新建大型商用 建筑的能耗调查数据也得到了类似的结果 , 而新 宿新都心的 系统对单位建筑面积的售冷量 为 。 , · , 明显高于建筑节能水平 不如东京 的上海地 区 。 文献 〕给出 年上 海地区大型商业办公综合楼的空调供暖全年总 能耗为 。 耐 · , 而新宿 系统仅 冷热源部分的总能耗就达到 。 耐 · 。 导致 耗冷量偏高的原因就是大多数商用建 筑用户并不需要连续供冷 , 但 系统却不得 不为少数用户维持整个区域的连续供冷 , 导致建 筑耗冷量显著增大 。 上述 日本的两个 系统均用于高容积率 、 高负荷密度 、高负荷率的区域 , 由于是寸土寸金的 地区 , 采用 的重要原 因是节省用地 , 以及减 少运行管理人员数量从而节省高额人工费 , 同时还 采用了多种先进的节能措施来减小集中系统的负 面影响 。 另外旧 本主要能源是燃气和燃油 , 且既 有发电系统效率并不比中国的煤电高多少 , 因此无 论是集中还是分散 , 用电还是燃气 , 系统能效的差 别都不如在我国的差别大 。 而我国 目前所建设的 区域供冷系统实际容积率多不超过 , 甚至不超过 , 而某些项 目的单个系统供冷管线已长达 , 是典型的低容积率 、低负荷密度 区域 , 整个系统的 以 〕尸 必然远远低于上述 日本的两个 系统 , 更 比不上分散的冷热源系统 , 从而导致高运行费是必 然的 。 加上多数项 目都希望靠向用户收取高昂的 冷费来收回成本 , 导致有些具备安装独立冷源条件 的用户转向安装独立的供冷系统 , 将使得此类项 目 无法回收投资 。 为什么发达国家有一批成功的 日 案例 分析国外诸多采用区域供冷系统的项 目不难 发现 , 成功的案例具备以下两个条件 冷负荷用户附近有大量的天然冷源可以利 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net · 专业论坛 暖通空调 年第 卷第 期 用 表 给出了部分利用天然水体冷源的区域供 冷负荷密度非常高且负荷稳定 。 冷系统的项 目的基本信息 。 表 利用了天然水体冷源的区域供冷案例 天然水体冷源尖峰 设计供 回 冷源类型 取水深度 水温 ℃ 特点 供冷能力 水温度 ℃ 瑞典斯德哥尔摩 叩 约 海水 一 高密度全年冷负荷用户 , 由大型海水 供热供冷站 源热泵供冷 , 电压缩制冷机调峰 加拿大安大略湖 约 深层湖水 一 约 湖水直接供冷 , 吸收式制冷机调峰 美国康奈尔大学 约 深层湖水 一 约 湖水直接供冷 , 无制冷机 上述成功的区域供冷系统具备冷负荷用户附 近有大量的廉价天然冷源和冷负荷密度非常高且 冷负荷稳定的条件 , 如表 给出的 个项 目和前述 日本的两个 项 目 , 否则区域供冷系统同分散 供冷方式相比就很难具有优势 。 换言之 , 一个区域 供冷系统要想比分散供冷方式更节能 , 就必须最大 限度地发挥其冷源集中的优势 , 同时减小其长距离 输配冷水所带来的问题 。 为什么区域供热系统很成功 , 而 区域供冷系统 却有各种问题 区域供热系统已经在我国北方城市有着很长 的成功的应用历史 , 按照习惯性思维 , 人们会认为 区域供冷系统也应该获得同样的成功 。 但实际上 传统的北方城市区域供热系统与时下的区域供冷 系统有着本质的区别 , 从而导致区域供冷系统无论 是输配系统能耗还是冷源效率都不具有节能优势 , 见表 。 表 区域供冷与区域供热的本质区别 区域供热 区域供冷 负荷特性 负荷相对稳定 , 往往需要 负荷间歇变化 , 一般不 连续供暖 需要连续供冷 冷热源 大型燃煤锅炉同小型燃 用于单座大型公共建筑 煤锅炉相 比能源利用 的离心制冷机组与用 效率高 , 污染控制效果 于区域供冷的大型制 好 冷机组 相 比在 以万 〕 和污染物排放方面都 没有明显的差别 可充分利用电厂排热 难以获得足够的廉价天 然冷源 输配系统 供回水温差 可 达 到 供回水温差不超过 ℃ , 大温差 、小流量 , 且 ℃ , 温差小 、 流量大 , 输配水泵电耗升高供 且输配水泵电耗加热 水温度 , 为正面效应 冷水 , 是负面效应 表 中所列出的区域供热与区域供冷的负荷 存在根本性的差别是二者区别的首位原因 。 热负 荷主要由室内外温差传热造成 , 因此各末端同步性 强 , 特别是在北方的冬季往往存在相当高比例的连 续供暖基础负荷 。 而冷负荷中围护结构传热的影 响不到 , 而且在夜间常常出现室内向室外传 热的情况 , 因此更多的是受室内随机变化的发热 量 、太阳辐射这些变化非常大的扰动的影响 。 不同 功能和类型建筑负荷变化差别很大 , 而且很多建筑 类型对于供冷要求是间歇性的 , 不使用的时候就基 本没有负荷 , 这导致不同建筑间的冷量需求严重不 同步 。 例如 , 区域中某座建筑冷量需求较大时 如 宾馆 , 其余建筑却处于极低的负荷状态 如办公 楼 的现象极为普遍 , 此时 , 冷量需求可能只有高峰 时的 一 , 但大型集中供冷设备却不得不维 持运行以满足其需要 。 服务对象的规模越大 , 这种 情况越严重 , 导致系统很难通过调节实现高效运 行 。 结论 区域供冷只是一种空调冷源的解决方案 。 与 区域供热相比 , 它的成功需要更多的特殊适用条件 和更多的技术保障 , 例如需要高密度的冷负荷用 户 , 足够量的廉价天然冷源 , 尽可能短的管线 , 尽可 能大的供回水温差和尽可能小的流量 , 紧随负荷变 化的控制策略 , 以及采用各种能量回收技术措施以 提高整体的系统能效 。 只有满足了这些特殊的条 件 , 区域供冷系统与分散供冷方案相比才可能做到 节能 。 在缺乏这些条件的时候 , 万万不可盲目上 马 , 以免导致无可挽救的长久损失 。 纵观我国目前 的开发项 目 , 适合上述条件的几乎很难找到 。 因此 一般来说 , 采用大规模集中供冷方式从能源节约和 降低初投资方面看 , 都是不合适的 。 除了空间的严 格限制等特殊原因 , 大规模区域供冷方式是不适宜 在我国城市民用建筑项目中大面积推广的 。 参考文献 日本熟供抬事巢傣会 熟供抬事巢便背【 〕, 「幻 薛志峰 大型公共建筑节能研究「 〕北京 清华大 学 , 「 龙惟定 , 潘毅群 , 范存养 , 等 上海公共建筑能耗现状 及节能潜力分析 〕暖通空调 , , © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net