南京市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 王文武 張建忠  楊劍峰

       【摘   要】本文簡述了低碳生態(tài)城區(qū)可再生能源利用形式及特點，研究將建筑群污水低溫冷源、土壤源、太陽能、全年供冷的建筑內(nèi)區(qū)熱量、大型數(shù)據(jù)機房顯熱等可再生能源耦合成能源微網(wǎng)系統(tǒng)來加熱能源中心源水，從而保證熱泵機組在極端天氣條件下安全高效的運行。并以南京某生態(tài)新城區(qū)域能源站為例，重點分析和計算了建筑污廢水利用措施、流量及回收熱量，為設(shè)計此類管網(wǎng)系統(tǒng)提供一定參考。

       【關(guān)鍵詞】能源微網(wǎng) 多能互補 建筑污廢水 能源站源水 熱泵

0 能源微網(wǎng)

       未來低碳生態(tài)城區(qū)能源系統(tǒng)的技術(shù)路線——產(chǎn)能、供能、用能、蓄能和節(jié)能相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一，它很像信息互聯(lián)網(wǎng)，把分散的用能和分布式的產(chǎn)能互相連通、實現(xiàn)共享。因此，在低碳生態(tài)城區(qū)層面，我們要構(gòu)建的是一種能源微網(wǎng)，即融合了電力微網(wǎng)、熱力微網(wǎng)和信息網(wǎng)的能源互聯(lián)網(wǎng)^[1-3]。

1 低碳生態(tài)城區(qū)多能互補措施及利用形式

       1.1 污廢水資源建筑群污水通常流量

       穩(wěn)定且十分充足，冬季污水溫度保持在15~18℃，高出室外空氣溫度與秦淮河水溫度，也高出江水最冷月平均溫度，在夏季污水溫度保持在18~24℃，低于室外空氣溫度與秦淮河水溫度，城市污費水是一種優(yōu)良的低溫冷源^[4-6]。

       1.2 太陽能資源

       是一種高效清潔的能源，每棟建筑都有一定的可利用太陽能資源。太陽能光伏發(fā)電可以用于驅(qū)動熱泵或蓄熱電鍋爐，太陽能熱水可以直接供暖，也可用于預(yù)熱水源熱泵系統(tǒng)源水。由于源水冬季溫度較低，太陽能預(yù)熱水源熱泵系統(tǒng)源水可以有較高的換熱效率，同時顯著提高水源熱泵系統(tǒng)能效。

       1.3 建筑預(yù)熱資源

       大型的建筑群，建筑類型較多，某些建筑存在空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)外區(qū)，要求空調(diào)系統(tǒng)全年供冷的建筑及具有高顯熱的大中型計算機、數(shù)據(jù)機房越來越多。因此回收冬季建筑內(nèi)區(qū)的熱量及計算機數(shù)據(jù)機房的熱量具有明顯的經(jīng)濟效益。

       1.4 多能互補利用形式

       南京某低碳城區(qū)能源區(qū)域供能項目，有4個能源中心站，也分別應(yīng)用可再生能源、水蓄冷、冰蓄冷及能源管理等技術(shù)，能源中心冷源采用了多種冷熱源形式耦合的特點，其中大量采用水源熱泵機組，熱泵機組冬季運行時，蒸發(fā)側(cè)的溫度不能過低，否則機組停機保護，無法運行，查閱相關(guān)資料，當(dāng)源水溫度低于5.5℃時，水源熱泵機組無法運行。根據(jù)南京某水源廠停提供的數(shù)據(jù)顯示，南京極端天氣時，秦淮河中的水溫低于5.5℃，導(dǎo)致能源站水源熱泵機組無法運行。可將建筑群污水低溫冷源、土壤源、太陽能、全年供冷的建筑內(nèi)區(qū)熱量、大型數(shù)據(jù)機房顯熱等可再生能源耦合成能源微網(wǎng)系統(tǒng)來加熱能源中心源水，從而保證熱泵機組在極端天氣條件下安全高效的運行。

圖1 多能互補利用形式

2 低碳生態(tài)城區(qū)污廢水利用方式及流量分析

       以城市污水及管網(wǎng)為基礎(chǔ)，采用兩種方式回收污水管網(wǎng)中的能量：

       （1）合理規(guī)劃污水與源水管網(wǎng)，使污水管網(wǎng)與源水管網(wǎng)在一定區(qū)域內(nèi)并排一同敷設(shè)，中間采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料回填，回收污水管網(wǎng)中的能量，對源水進行預(yù)熱。如圖1所示。

       （2）在源水進入能源中心之前，沿途設(shè)置若干換熱機房，就近抽取部分源水及污水，通過板式換熱器將江水的源水進行預(yù)熱，原理示意如圖2、圖3所示。

圖2

圖3

圖4

       此生態(tài)城區(qū)綜合考慮建筑業(yè)態(tài)、冷熱負(fù)荷密度等因素，將服務(wù)區(qū)域分成四個供能分區(qū)，每個分區(qū)負(fù)荷中心設(shè)置1座區(qū)域能源中心，四個能源中心服務(wù)面積統(tǒng)計分別如表1：

表1 各能源中心服務(wù)面積

       根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015-2003，取住宅用水定額為300L/人.d，每家3.5人，辦公取人員密度為0.1428人/m2，用水定額取50 L/人.d，商業(yè)用水定額取8 L/人.d，排水量去給水量的90%，則該低碳城區(qū)排水量如表2：

表2 各能源中心服務(wù)區(qū)域排水量

       經(jīng)計算，生態(tài)城區(qū)整個區(qū)域合計排污水量為0.85m³/s。相關(guān)資料研究表明^{[4] [6]}，建筑污水中大約40%的排水可回收供能源中心使用，故此區(qū)域可使用污水量為0.34 m³/s。

3 能源微管網(wǎng)回收能量分析

       能源中心源水取自南京秦淮河，特針對秦淮河的水溫變化情況作了調(diào)研，下面是秦淮河某水源監(jiān)測站提供的2018年水溫情況：

表3 某水監(jiān)測站2018年秦淮河水溫變換情況


圖5 源水月平均水溫變化情況

圖6 源水月最低水溫變化情況

       根據(jù)監(jiān)測站提供的數(shù)據(jù)顯示，南京極端天氣時，秦淮河中的水溫低于5.5℃，導(dǎo)致能源站水源熱泵機組無法運行。

       極端天氣條件下，假定源水溫度取5.5℃，查閱相關(guān)資料與文獻，源水管網(wǎng)與污水管網(wǎng)沿途一同敷設(shè)可提升0.15℃，在沿途的熱交換機房設(shè)置太陽能輔助加熱系統(tǒng)，經(jīng)初步計算，可把源水提高0.15℃，全年供冷的建筑內(nèi)區(qū)熱量、大型數(shù)據(jù)機房顯熱可把源水提升0.2℃；進入沿途換熱站的源水溫度可達(dá)6.0℃。設(shè)定源水經(jīng)過能源中心熱回收后溫度為6.4℃，污水進入能源中心板換機組為16℃，出機組為9℃。4個能源中心共設(shè)計5.8m³/s的源水，經(jīng)計算，把6m³/s的源水從6.0提升到6.4℃，共需要0.331m³/s的污水。由上節(jié)計算可用污廢水量知，污廢水流量可滿足要求。

       能源微網(wǎng)多能互補技術(shù)措施可把極端天氣條件下的源水從5.5℃提升至6.4℃，共計回收22680kW熱量。假定回收熱量以空氣源熱泵來提供，空氣源泵COP取2.7，則可節(jié)省8400kW的電。假定能源中心一天運行10h，則每天可節(jié)省84000kW.h電量，折合標(biāo)準(zhǔn)煤27.72t（電廠發(fā)電效率為42%，煤耗量統(tǒng)計數(shù)據(jù)為：330g/kW.h）^[7] 。

參考文獻

       [1] 龍惟定.綠色生態(tài)城區(qū)的智能能源微網(wǎng)[J].暖通空調(diào).2013(10)
       [2] 龍惟定編著.城區(qū)需求側(cè)能源規(guī)劃和能源微網(wǎng)技術(shù).上海:中國建筑工業(yè)出版社,2016
       [3] 龍惟定.需求側(cè)能源規(guī)劃順應(yīng)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革——寫在《城區(qū)需求側(cè)能源規(guī)劃和能源微網(wǎng)技術(shù)》前面的話[J].暖通空調(diào).2016(06)
       [4] 許文君.城市排水系統(tǒng)的整合與優(yōu)化研究[D].揚州大學(xué).2012
       [5] 李迅.低碳生態(tài)城市:我們共同追求的未來——對其現(xiàn)狀發(fā)展與未來趨勢的思考[J].城市管理與科技.2012(04)
       [6]王志明. 城市排水系統(tǒng)低品位熱能利用方式研究[D].北京建筑大學(xué),2017.
       [7]張浩,徐長周,李娉婷.吸收式熱泵在供熱應(yīng)用中的高效化研究[J].機電信息,2013(10):95-97.
       [8] European Heat Pump Association.Smart cities andaspects of heat pump integration. EuropeanHeat Pump News.201

       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。