导读：本文为基于热电厂余热利用的复合型区域供冷系统设计与效益分析
1项目概况
1.1建筑规模及功能
北京市丰台区某金融商务区规划总用地面积8.09km2。其中拟实施区域供冷方案的地块为核心商务区，用地面积为2.81km2，总建筑面积为536.42万m2，区域容积率为2.03。规划区内以超高层建筑为主，集商业、办公、数据中心、酒店娱乐为一体。入驻企业以金融类为主。
1.2区域冷负荷及可用资源
依据DB11687—2015《北京市公共建筑节能设计标准》，参照规划区的控规指标、低碳生态建设指标及同类项目实际运行参数，确定核心商务区内主要建筑的冷负荷估算指标。其中部分建筑有全年供冷需求，而目前尚无建筑冬季冷负荷的计算标准或估算依据。项目设计时结合供冷区域建筑物的综合特征，以区域内部分已投入使用的建筑物的冬季空调供冷量为依据进行冬季冷负荷估算。
计算区域供冷系统冷负荷时，需要确定合理的同时使用系数。同时使用系数受建筑类型、使用特点，当地气候条件、生活习惯以及经济条件等因素的影响，一般按表1选取。结合该项目核心商务区的建筑群具体特征，将同时使用系数取为0.75。
表1各区域的同时使用系数
根据各类建筑的建筑面积、冷负荷估算指标及同时使用系数，计算核心商务区内各类建筑的冷负荷，结果如表2所示。区域内的住宅等未纳入集中供冷系统的建筑未列入表2中。
表2核心商务区集中供冷系统冷负荷
在项目规划区东南方向约3km处有一热电厂，供热能力1200MW。规划区东、南、西3个方向均布有源自该热电厂的市政热力管网，其中东、南2个方向管线的管径为DN1200，西向管线的管径分别为DN800和DN1200。北京市一般工商业夏季峰、谷电价见表3。
表3北京市一般工商业夏季峰、谷电价
1.3区域供冷方式的确定依据
该项目入选了国家住房和城乡建设部首批智慧城市建设试点，在规划之初便将生态、低碳等要求纳入了总体规划，并采用“统一规划、统一开发、统一建设、统一管理”的建设模式。与此相应，区域建筑能源供应系统需结合区域特点因地制宜，在合理有效利用区域能源资源的前提下提高能源利用效率，同时满足控制灵活、安全可靠等要求，从而为商务区功能的正常运转提供有效保障。
该项目所在商务区具有以下特征：
1)核心商务区建筑密度大、容积率高，整体区域用地面积相对较小，供冷系统应尽量减少用地。
2)数据中心、星级酒店、大型商场等对温湿度有特殊要求，需全年不间断供冷，对能源保障和服务水平要求较高。
3)规划区附近的热电厂发电余热量较大，并且规划区域周边有建成的市政热力管线，便于利用热电厂的发电余热为规划区供冷，实现能源的梯级利用。
4)北京市峰、谷电价差较大，若建设区域供冷系统，可采用冰蓄冷技术实现电力的削峰填谷。
综合以上各方面考虑，同时为提高能源的利用效率，实现整个规划区的绿色低碳，在区域能源系统的设计中充分依托附近的热电厂，以吸收式制冷技术为手段利用发电余热实现能源梯级利用，以冰蓄冷技术为手段实现电力的削峰填谷，将2种技术有机结合，形成基于热电厂余热利用的复合型区域供冷系统。
2复合型区域供冷系统设计与运行策略
2.1冷源方案
该复合型区域供冷系统冷源的制冷流程如图1所示。该制冷流程分为三级：溴化锂吸收式制冷机组位于系统上游，利用热电厂余热对来自用户端换热器的冷水回水进行第一级冷却;冰水双工况机组位于系统中游，白天对冷水回水进行第二级冷却，夜间则以制冰工况运行;蓄冰槽位于系统下游，对冷水回水进行第三级冷却，实现大温差供冷，以减少区域供冷管网的输配能耗并满足用户末端低温送风的需求。
根据园区用户的功能特点和要求，在各能源站设1台常规电制冷机组，承担夜间负荷。该机组在整个系统中属于第一级冷却，与溴化锂机组并联。在空调工况下，常规电制冷机组的制冷性能系数比双工况主机高，因此常规电制冷机组在白天也参与运行。空调冷水白天设计供回水温度为1.1℃/2.2℃，夜间设计供回水温度为5℃/12.2℃。各级冷却过程均通过控制旁通流量来控制冷水的出水温度(旁通管在图中未示出)。采用图1所示的制冷系统时，系统在全年不同时段的运行工况如表4所示，各工况下对应阀门的启闭情况如表5所示。
图1复合型区域供冷系统制冷流程
此外，供冷管网与末端用户采用间接换热的形式，在每个用户端设有换冷站，用户可按需求得到二次侧冷水温度。
2.2能源站选址与容量设计
在确定能源站的数量与位置时，除以区域规划方案、负荷分布特点及现有路网条件为出发点外，还考虑了以下两项设计导则：
1)将单个能源站的供冷半径控制在1.5km以内，以减少冷水输送距离，降低冷量输送能耗;
2)从区域供冷、供热系统统一规划的角度出发，为实现区域冷、热源的智能调度及区域冷、热管网的智能化控制，考虑将制冷站与热力首站整合为统一的能源站，并对管网的管数、管径及冷热媒输配策略进行优化设计。
综合以上各方因素，在该项目核心商务区内规划建设4个集中能源站，各站的位置及负荷承担区域如图2所示。
在4个能源站中，1，3号能源站仅承担区域冷负荷，2，4号能源站承担区域冷、热负荷。各站承担的冷负荷及冷源设备配置如表6所示。此外，与能源站的选址相匹配，将区域能源管网设计为四管制(即大、小管径的供回水管路各一组)环状管网，大管径供回水管用于夏季供冷和冬季供热，小管径供回水管用于部分建筑的过渡季和冬季供冷。通过区域冷、热负荷的统筹考虑以及能源站、管网的统一优化设计，辅以先进的控制系统与运行策略，在该核心商务区实现区域能源系统的智能化。
表6各能源站负荷分配与制冷设备配置
2.3系统全年运行策略
根据当地气象参数、各能源站冷负荷特点及表4所示的全年运行工况，复合型区域供冷系统的运行策略如下。
1)在满负荷工况下，溴化锂吸收式冷水机组和常规电制冷机组并联，作为第一级冷却;双工况主机夜间向冰槽蓄冷，白天通过板式换热器作为第二级冷却。
2)在部分负荷工况下，优先使用溴化锂吸收式机组制冷量和融冰冷量，充分利用峰谷电价差节省运行费用，调节电网用电平衡。
以1号能源站为例，其运行策略如图3，4所示。
在实际运行期间，各个能源站根据用户侧回水温度调整供冷量。在冷负荷较小的时期，仅运行1号能源站为规划区供冷。随着冷负荷的增大，其他3个能源站根据项目建设进度与冷负荷增长情况，按照靠近负荷区的原则逐次投入运行，并以融冰为优先供冷形式。4个能源站在仲夏期均满负荷运行。
3区域能源系统的效益分析
3.1能源与环境效益
复合型区域供冷系统着眼于项目整体，通过多种节能技术的优化整合并选择高效设备来实现节能减排效益，具体措施包括：
1)采用热电厂的发电余热制冷，减少制冷系统的电耗;
2)采用冰蓄冷技术，实现电力削峰填谷;
3)选择高效离心式冷水机组，设备制冷性能系数>6.1;
4)采用大温差冷水循环系统，降低区域供冷管网的冷量输配能耗;
5)电制冷机采用10kV高压启动，避免了电力的降压损耗;
6)选用效率高于80%的变频高效冷水、冷却水循环水泵，冷却塔采用变频风机。
与传统的电制冷系统相比，复合型区域供冷系统的节能减排效益如表7所示。表中减少用电量是指复合型区域供冷系统利用热电厂余热的制冷量折算为电制冷时所消耗的电量，转移用电量是指复合型区域供冷系统的融冰制冷量折算为电制冷时所消耗的电量。电力与标准煤量的折算系数取2015年全国6000kW及以上电厂火电机组供电标准煤耗0.315kg/(kW•h)，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放量分别取2.62，0.0085和0.0074t/t。
由表7可见，复合型区域供冷系统相对传统电制冷系统每年可节约9207t标准煤，相应的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物的年减排量分别为24124，78，68t，节能减排效果显著。
3.2经济效益
复合型区域供冷系统的建设期为4a，第5a达到生产所需的供冷量(第1～4a分别达30%，50%，70%，90%，第5～20a达100%)。项目计算期为20a，设备与房屋的折旧年限分别为25，30a。系统的建设费用如表8所示。
表8项目建设费用
复合型区域供冷系统申请银行贷款占总投资的65%，其余35%以自有资金解决。项目所在地的热价为52.68元/GJ，水价为7.15元/t。供冷系统运行需配置的人员数为80人，年人均工资及福利取10万元。当售冷价格为223.6元/GJ(含税)时，系统的主要财务指标如表9所示(所得税率为25%)。
注：全部投资内部收益率的行业参考指标为5.0%。
由表9可见，当售冷价格为223.6元/GJ(含税)时，年销售收入27561.37万元，复合型区域供冷系统可达到6.93%的税后财务内部收益率的要求，实现盈利。
4结语
基于北京市某金融商务区的建筑冷负荷及用地规划特征，充分利用附近热电厂的发电余热，将吸收式制冷技术与冰蓄冷技术有机结合，构建了基热电厂余热利用的复合型区域供冷系统，实现了能源的梯级利用和电力的削峰填谷。
复合型区域供冷系统相对传统电制冷形式每年可节约9207t标准煤，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物的年减排量分别为24124，78，68t，节能减排效果显著。当售冷价格为223.6元/GJ(含税)时，项目的税后财务内部收益率可达到6.93%，实现盈利。
该项目作为国家住房和城乡建设部首批“智慧城市”建设试点，在区域能源供应系统的设计中因地制宜地利用区域能源资源，通过技术的有机整合实现节能减排效益。其中的理念和经验可为区域能源规划领域的相关研究与实践提供参考。
原标题：基于热电厂余热利用的复合型区域供冷系统设计与效益分析
