南京市建筑設計研究院有限責任公司 王文武 張建忠  楊劍峰

       【摘   要】本文簡述了低碳生態城區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、全年供冷的建筑內區熱量、大型數據機房顯熱等可再生能源耦合成能源微網系統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。并以南京某生態新城區域能源站為例，重點分析和計算了建筑污廢水利用措施、流量及回收熱量，為設計此類管網系統提供一定參考。

       【關鍵詞】能源微網 多能互補 建筑污廢水 能源站源水 熱泵

0 能源微網

       未來低碳生態城區能源系統的技術路線——產能、供能、用能、蓄能和節能相互協調統一，它很像信息互聯網，把分散的用能和分布式的產能互相連通、實現共享。因此，在低碳生態城區層面，我們要構建的是一種能源微網，即融合了電力微網、熱力微網和信息網的能源互聯網^[1-3]。

1 低碳生態城區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。太陽能光伏發電可以用于驅動熱泵或蓄熱電鍋爐，太陽能熱水可以直接供暖，也可用于預熱水源熱泵系統源水。由于源水冬季溫度較低，太陽能預熱水源熱泵系統源水可以有較高的換熱效率，同時顯著提高水源熱泵系統能效。

       1.3 建筑預熱資源

       大型的建筑群，建筑類型較多，某些建筑存在空調系統的內外區，要求空調系統全年供冷的建筑及具有高顯熱的大中型計算機、數據機房越來越多。因此回收冬季建筑內區的熱量及計算機數據機房的熱量具有明顯的經濟效益。

       1.4 多能互補利用形式

       南京某低碳城區能源區域供能項目，有4個能源中心站，也分別應用可再生能源、水蓄冷、冰蓄冷及能源管理等技術，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，蒸發側的溫度不能過低，否則機組停機保護，無法運行，查閱相關資料，當源水溫度低于5.5℃時，水源熱泵機組無法運行。根據南京某水源廠停提供的數據顯示，南京極端天氣時，秦淮河中的水溫低于5.5℃，導致能源站水源熱泵機組無法運行?？蓪⒔ㄖ何鬯蜏乩湓?、土壤源、太陽能、全年供冷的建筑內區熱量、大型數據機房顯熱等可再生能源耦合成能源微網系統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 低碳生態城區污廢水利用方式及流量分析

       以城市污水及管網為基礎，采用兩種方式回收污水管網中的能量：

       （1）合理規劃污水與源水管網，使污水管網與源水管網在一定區域內并排一同敷設，中間采用導熱系數較高的材料回填，回收污水管網中的能量，對源水進行預熱。如圖1所示。

       （2）在源水進入能源中心之前，沿途設置若干換熱機房，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熱，原理示意如圖2、圖3所示。

圖2

圖3

圖4

       此生態城區綜合考慮建筑業態、冷熱負荷密度等因素，將服務區域分成四個供能分區，每個分區負荷中心設置1座區域能源中心，四個能源中心服務面積統計分別如表1：

表1 各能源中心服務面積

       根據《建筑給水排水設計規范》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，商業用水定額取8 L/人.d，排水量去給水量的90%，則該低碳城區排水量如表2：

表2 各能源中心服務區域排水量

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

3 能源微管網回收能量分析

       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研，下面是秦淮河某水源監測站提供的2018年水溫情況：

表3 某水監測站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

       根據監測站提供的數據顯示，南京極端天氣時，秦淮河中的水溫低于5.5℃，導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℃，查閱相關資料與文獻，源水管網與污水管網沿途一同敷設可提升0.15℃，在沿途的熱交換機房設置太陽能輔助加熱系統，經初步計算，可把源水提高0.15℃，全年供冷的建筑內區熱量、大型數據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6.0℃。設定源水經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個能源中心共設計5.8m³/s的源水，經計算，把6m³/s的源水從6.0提升到6.4℃，共需要0.331m³/s的污水。由上節計算可用污廢水量知，污廢水流量可滿足要求。

       能源微網多能互補技術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，則可節省8400kW的電。假定能源中心一天運行10h，則每天可節省84000kW.h電量，折合標準煤27.72t（電廠發電效率為42%，煤耗量統計數據為：330g/kW.h）^[7] 。

參考文獻

       [1] 龍惟定.綠色生態城區的智能能源微網[J].暖通空調.2013(10)
       [2] 龍惟定編著.城區需求側能源規劃和能源微網技術.上海:中國建筑工業出版社,2016
       [3] 龍惟定.需求側能源規劃順應供給側結構改革——寫在《城區需求側能源規劃和能源微網技術》前面的話[J].暖通空調.2016(06)
       [4] 許文君.城市排水系統的整合與優化研究[D].揚州大學.2012
       [5] 李迅.低碳生態城市:我們共同追求的未來——對其現狀發展與未來趨勢的思考[J].城市管理與科技.2012(04)
       [6]王志明. 城市排水系統低品位熱能利用方式研究[D].北京建筑大學,2017.
       [7]張浩,徐長周,李娉婷.吸收式熱泵在供熱應用中的高效化研究[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《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。