摘要: 介绍了青岛某产业园区集中供冷供热项目能源站的系统设计。详细介绍了三种能源方案，第一种是传统供能系统：燃气锅炉+电制冷机；第二种是冷热电三联供（CCHP）+电制冷机+水蓄冷+燃气锅炉；第三种是冷热电三联供（CCHP）+海水源热泵+水蓄能+燃气锅炉系统。从工程方案的比选、技术路线的选择、投资运行费用测评，对以上三个方案进行了对比。
关键词：产业园区；供冷供热；经济技术分析；
1 工程设想
青岛某产业园项目位于青岛经济技术开发区东北部，项目总供热面积257.3万㎡。其中：公建部分供热面积15.22万㎡，住宅部分供热面积242.1万㎡；公建中有供冷面积是6.62万㎡。按照产业园区能源规划，在某产业园区域附近建设联合供能能源站，为园区提供冷、热、电的供应。根据产业园区的规划和建设进度，能源站按照总体规划分期进行建设。能源站通过输送管道（冷热同管）把空调冷水或采暖热水送到公建用户空调机末端，供公建用户夏季制冷或冬季采暖。在冬季，能源站通过热水管道将一次热媒水输送到居民小区换热站，居民建筑采暖用的二次热媒水在换热站中被一次热媒水加热后，供应居民建筑的采暖需求。在某产业园能源站工程中，能源站分别给公建和住宅供能，公建部分业态较多，和住宅一起构建能源网，供能期间互相调配，能源共享，同时也增加了公建和住宅供能的经济性和安全性。住宅建筑面积占94%，集中在地块A～地块J，考虑到居民用电价格较低，且用户数量多，单户用电量少，能源站仅解决居民供热需求，居民的电力及供冷的需求另行解决。因此，对于住宅部分的清洁供热方式，目前可行的主要为燃气锅炉供热。公建面积占园区建筑面积的6%。考虑到公建用户单户用电量大，且用电价格较高，因此可以考虑采用天然气分布式能源系统为公建用户提供冷热电的供应。另外，在供暖季的初寒及末寒期，用户供暖负荷较低，可通过公建和住宅的资源共享，由分布式能源发电余热作为公建和住宅共用的热源进行供暖，随着供暖负荷的增加，不足部分由锅炉来补充，从而提高供能系统的经济性。某产业园能源站总建筑面积约为5000㎡。由能源站内引出的冷热水管网分两个回路：一路用于公建、一路用于住宅，公建和住宅供回水管路单独设置。考虑住宅区建筑均采用地板采暖，且位置较远，为减少输送能耗，住宅区地块A～地块J内各设置一个热力换热站，进行二次换热，一次热媒水采用大温差小流量设计。公建区域，按用户的要求，采用冷、热水直接供到用户末端，冷热同管。
根据相关的负荷优化预测分析，住宅设计热负荷87.16MW；公建部分设计冷负荷为9.098MW，设计热负荷为12.67MW，公建设计电负荷为7942kW。能源站内规划设计CCHP（冷热电联供）系统、海水源热泵系统、水蓄能系统以及锅炉保障系统等；站外有公建和住宅供/回水系统；各系统在智能能效平台的统一监控与调度下耦合成一个智能的复合式供能系统。联合供能系统的规划设计遵循着系统能效四环节理论，以能源站为核心，对市政电网、市政燃气、及相关的余能资源，结合终端用能，进行综合的优化与调度。综合本项目对供能安全、节能低碳、节省投资、降低运行费用等多方面的要求，对能源站设计总体思路归纳如下：
（1）根据项目特点和系统的优化设计理念，以及能源梯级利用的原则考虑天然气分布式供能，满足公建部分的基负荷需求。
（2）在其他设备选择过程中，应该区分承担热基本负荷设备和调峰类设备。承担基本负荷设备，可采用一些运行费用相对较低的技术和设备；而调峰设备则适宜于选择一些初投资相对较低的技术和设备。
（3）由于峰谷电价政策，尖峰时段与低谷时段电价比达到3.7，从降低系统初投资，降低能源站运行成本的角度考虑，适当采用蓄冷、热技术。
（4）通过能源站系统优化设计，公建和住宅初始供热时，优先利用发电机余热。随着用能末端负荷增加，采用锅炉加热提高供回水温差的调节方法，住宅采用大温差输送，既提高了系统的运行效率，又可以节省运行成本费用。
1.1供能方案比选
1.1.1方案比选的原则
由于分布式能源系统参数之间的相关性，在配置发电机时通常需要考虑多个因素：
（1）按基本冷、热需求和电力需求选型，同时匹配最大热需求和最大电力需求，机组要能进行调节，以追踪冷、热负荷和电力负荷的变化，必要时引进市政电力；
（2）追踪能源费率和负荷率，在电力价格高，用能负荷率较高的时段（7:00-22:00）启动三联供系统，在电力价格低，且用能负荷率较低的时段（23:00-6:00）联供系统停运；
（3）多数燃气发电机组可以在低负荷下正常运行，但此时运行的经济性较差，建议机组在低于50%负荷率时段停运。
（4）由于冬、夏季的电力负荷和冷、热负荷有很大差别，因此，发电机选型时必须考虑满足需求和尽量延长运行时间两者之间的平衡，可通过配置多台容量较小的机组，尽量增加机组全年运行小时数，发挥冷热电联供系统的节能、经济和环保效益。
在系统集成设计过程中，存在不同设备、不同方案的选择，选择适用本项目的最优方案是项目设计中的关键，采用一种定性与定量相结合的决策分析方法，对所选择的供能方案的实际经验和技术经济分析等决策思维模型化、数量化，程序化，通过选型优化软件将繁杂的方案选择问题简化为不同因素的计算与比较，最后推荐出最优方案。根据预测的负荷规律，进行设备选型计算，对运行计算结果采用方案优选模型进行筛选。方案筛选所考虑的因素主要包括年节省运行费用、能源利用效率、系统总投资、系统可靠度、冷热电的供能比例、满负荷时数、设备利用率、设备性能、系统灵活度、设备停机时数、系统对市政条件的依赖度等十多项，其中不但要考虑技术和经济因素，还必须考虑到诸如市政条件、补贴政策、设备售后服务等因素。
1.1.2技术路线比选
根据能源资源条件分析，适合用于本项目的能源资源主要有市政电力、管道燃气、海水源/污水源能等。根据供能对象的用能特点，适合于本项目的的供能方式见表1-1所示。参照第6.1部分的方案比选原则，考虑各种适合的供能方式的投资强度、投资收益、系统效率、能源价格、补贴政策等可量化比选因素，对上述供能方式的供能成本进行量化筛选、分析比较。比较的边界条件见表1-2，比较结果见图1-2至图1-4所示。
表1-1适合本项目的供能方式
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表1-2供能技术量化筛选测算依据及假设条件
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图1-2 公建供冷成本随年运行时数变化
图1-3 公建供冷成本随年运行时数变化
图1-4 公建供冷成本随年运行时数变化
由图1-2、1-3可以看出，对于公建供能来说，在运行时数较高时，三联供系统具有最低的供能成本，但由于三联供系统初投资较高，在运行是时数过低时，单位供能初投资分摊过大，造成成本较高，因此三联供系统宜承载系统运行的基负荷。结合图6-2和图6-3，当三联供年运行时数在1250小时以上时，三联供的供冷供热在几种供能方案中成本最低，可将年运行时数1250小时作为三联供系统装机规模确定的参考条件之一。由图1-2、1-3还可以看出，水蓄能的成本较低，而“压缩式制冷+燃气锅炉”与海水源热泵的成本较为接近，考虑到海水源热泵可以与谷电蓄冷、蓄热相结合，因此应考虑采用海水源热泵与水蓄能系统相结合，同时辅以燃气锅炉调峰，以满足三联供无法满足的供热、供冷负荷需求。由图1-4可以看出，对于住宅采暖来说，由于燃气补贴的影响，在任何年运行时数下，燃气锅炉供暖成本都低于海水源热泵成本。
综上所述，本项目的优化功能方案应为“天然气三联供系统+海水源热泵+水蓄能+燃气锅炉”组成的混合匹配联合供能系统。三联供系统和海水源热泵系统的装机应根据公建部分的负荷来确定，住宅供暖部分主要通过燃气锅炉满足，在燃气锅炉和公建之间可以做到热量的相互调配，以增强供能系统运行的经济性。
2方案介绍与比选
根据上述分析，本报告提供三种供能方案进行对比分析，就三种方案的技术路线、设备配置、投资、运行费用、经济评价方面分别进行比较论证，从而确定一套经济可行的供能方案。
项目的公建部分供热面积为15.224万㎡，公建中供冷面积是6.624万㎡；住宅部分供热面积为242.1万㎡。供能系统选择主要有三种，第一种是传统供能系统：燃气锅炉+电制冷机；第二种是冷热电三联供（CCHP）+电制冷机+水蓄冷+燃气锅炉；第三种是冷热电三联供（CCHP）+海水源热泵+水蓄能+燃气锅炉系统。本可研报告主要对此三种系统进行对比、分析和研究，以确定最优方案。
2.1方案一：燃气锅炉+电制冷机
该方案是一般用户采用的最简单的方案，也是多数建筑采用的传统方案。夏季采用以电冷机为主机的冷水系统供冷；冬季采用以燃气锅炉为主的热水系统供热。该方案系统比较简单，采暖全部采用燃气热水锅炉，年燃气消耗量为：1773万Nm3；公建部分的制冷全部采用电空调供给，年消耗市政电力为：4603MWh。
该系统方式系统简单、初投资少，但能源综合利用率低，不能实现能源梯级利用，运行成本较高。
2.2方案二：冷热电三联供+电制冷机+燃气锅炉+水蓄冷
项目的公建部分，需要能源站提供冷、热和电力供应，多数是白天用能，晚上只是值班负荷用能，电力在平、峰、尖峰时段平均电价为1.151元/kWh，比较适合燃气三联供方案，考虑到谷电价格较低，可引入水蓄冷系统，即本方案采用燃气三联供+电制冷机+燃气锅炉+水蓄冷系统。
根据产业原设计方案，项目的住宅部分采用地板辐射供热，设计二级网温度45/35℃,一级网温度50/40℃。经过方案优化后一级网温度可提高为（60～80）/40℃，以降低输送能耗。
本方案相对方案一，系统初投资有所增加，但因为采用了高效的能源利用方式，系统的运行成本大大降低。
2.3方案三：冷热电三联供+海水源热泵+燃气锅炉+水蓄能
考虑项目临近海岸，海水资源丰富，因此可考虑将方案二中的电制冷系统由海水源热泵替代，为公建供能，并根据典型日逐时负荷考虑装机容量，同时考虑运行海水源热泵在夜间低谷进行蓄能，即方案三为：冷热电三联供+海水源热泵+燃气锅炉+水蓄能系统。
本方案相对方案二，初投资又有所增加，系统的运行费用会进一步降低。但与方案二相比，投资回报是否有优势，还需进一步分析。
2.4各供能方案的详细分析
根据负荷测算和系统工艺路线，本着安全可靠、节约投资的原则，对各方案系统内的设备做初步的设备选型、投资估算、运维成本等分析。
2.5方案比较
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方案一系统比较简单，投资少，但能源综合利用率低，不能实现能源梯级利用，运行成本较高。方案二采用“燃气三联供+电制冷+锅炉调峰系统”，系统配置较为复杂，采用热电冷三联供技术，实现燃气能量梯级利用；系统发电并网不上网，减少市政电力耗量，加入发电收入后运行费用较低。方案三采用“燃气三联供+海水源热泵+锅炉调峰系统”，系统配置最为复杂，采用了海水源热泵，装机规模为4460KW，减少了能源站的运行费用，但是投资成本会有所增加。以方案一为基准，方案二增量投资回收期为3.0年；方案三增量投资回收期为3.4年，方案二和方案三都具有较好的经济性。在保证项目经济性的前提下，适当考虑项目示范意义，推荐采用方案三。
3结束语
本文结合青岛某产业园区，对燃气锅炉、制冷机组、燃气三联供、海水源热泵等进行了详细的技术经济分析，综合考虑各种能源利用的效率及经济性，同时保证设备使用的最大化；得出结论方案二和方案三都具有较好的经济性。在保证项目经济性的前提下，该方案对于产业园区具有良好的示范意义。
参考文献：
1《燃气冷热电三联供工程技术规范》CJJ145-2010.
2《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）.
3《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）.
4《锅炉房设计规范》GB50041-2008.
5《全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调动力》（2009年版）.
6《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015.