重庆市江北城中央商务区(CBD)位于江北区长江与嘉陵江交汇处,东临长江,南濒嘉陵江,与渝中区朝天门、南岸弹子石滨江地区隔江相望,是重庆市在建的中央商务区。整个CBD占地面积226.03万m²,总建筑面积652.60万m²,其中地上建筑面积542.60万m²,地下建筑面积110.00万m²。江北城CBD共分为A,B,C 3个地块,其中A区主要为商业用地,B区为商业、娱乐、旅游等综合用地,C区为住宅用地。

　　 CBD区域水资源丰富,建筑集中,又属于开发新区,利于管网铺设。因此在2008年经重庆市发展和改革委员会批准,采用江水源供冷供热区域能源系统,为A,B地块约400万m²的公共建筑提供冷热源。项目共设置1号、2号2个能源站,从2008年开始分3期建设。1号能源站为3期工程,供冷供热面积约为244.38万m²,于2017年建设完成并投入运行。整个能源站项目历时近10 a,是目前国内建成投运规模最大的江水源热泵+冰蓄冷系统的区域能源系统,被列为国家可再生能源建筑应用城市级示范项目。本文主要介绍1号能源站。

　　 1号能源站位于江溉路聚贤岩立交地下广场西南角,机房土建结构已完成,总建筑面积为9 716m²。图1为江北城CBD规划图。

　　 由于CBD正在建设,冷热负荷根据规划建筑面积及建筑类型进行估算。按照各地块单体建筑的使用功能分类,设计了办公、商场、酒店3种典型建筑模型,利用负荷计算及分析软件计算出各典型单体建筑的负荷指标,结合各建筑的同时使用系数,估算出区域冷热负荷。夏季同时使用系数取0.7,冬季同时使用系数取1,管网的冷热损失取5% ^[1],最终得出1号能源站冷负荷为187.463 MW,热负荷为85.465 MW。最大冷负荷发生时刻为15:00,设计日逐时冷负荷及负荷率见表1。

　　 能源站系统设计遵循重庆市节能减排相关政策和规定,采用冰蓄冷技术移峰填谷,降低运行费用,减少装机容量;大温差供水减少输送能耗。制冷机组及热泵机组均采用江水作为冷却水。

　　 夏季供冷采用江水源热泵制冷+冰蓄冷的系统形式,冬季由江水源热泵进行供热。冰蓄冷采用有基载的主机上游外融冰系统。三工况冷水机组系统控制复杂,机组造价较高,因此采用双工况冷水机组,江水源热泵作为基载机组。能源站白天晚上分时段采用不同的供回水温度,08:00—22:00空调设计冷水供/回水温度为3.0 ℃/13.0 ℃,23:00—07:00空调设计冷水供/回水温度为4.5 ℃/13.0 ℃,冬季空调设计热水供/回水温度为45.0 ℃/37.0 ℃。

　　 设置10台单台制冷量8.403 MW、制热量8.645 MW的热泵机组。冬季供热,热水供/回水温度为45.0 ℃/37.0 ℃;夏季作为基载机组供冷,冷水供/回水温度为4.5 ℃/13.0 ℃。采用10 kV机组。

　　 8台双工况冷水机组,白天供冷夜间制冰。单台制冷量为8.543 MW,制冷供/回水温度为3.5 ℃/12.0 ℃;单台制冰量为5.063 MW,制冰供/回液温度为-6.0 ℃/-1.9 ℃。采用10 kV机组。

　　 320组外融冰蓄冰钢盘管,上下2层布置在混凝土水槽中,总储冷量为330.785 MW·h。

　　 设置8台单台换冷量为8.544 MW的供冷板式换热器,一次侧乙二醇供/回液温度为3.5 ℃/12.0 ℃,二次侧冷水供/回水温度为4.5 ℃/13.0 ℃。

　　 设置6台单台换冷量为6.615 MW的融冰板式换热器,一次侧融冰冷水供/回水温度为1.5 ℃/3.5 ℃,二次侧空调冷水供/回水温度为3.0 ℃/4.5 ℃。

　　 设计日逐时负荷平衡图如图2所示。冷热源系统原理见图3。设计日逐时冷负荷平衡表(100%)见表2。

　　 能源站水系统分为江水、乙二醇溶液、冰槽供冷一次水、空调冷热水4个系统。

　　 江水系统采用串联输送方式,由设于取水井中的取水泵将江水输送到冷热源站房内。江水源热泵机组对应的江水循环泵承担站房内江水系统循环阻力,水泵变频设置。双工况机组对应的江水循环泵变频设置。夏季制冷工况江水供/回水温度为27.0 ℃/37.0 ℃,制冰工况江水供/回水温度为27.0 ℃/33.0 ℃,冬季制热工况江水供/回水温度为10.0 ℃/3.1 ℃。江水夏季取水量为17 260 m³/h,冬季为9 100 m³/h。江水经过两级过滤处理,第一级为取水头斜板粗过滤,第二级为自动反冲洗过滤器,并设置具有防垢、防腐、防藻功能的电子水处理器。

　　 每台双工况主机对应设置1台乙二醇溶液泵,变频变流量控制。制冷工况供/回液温度为3.5 ℃/12 ℃;制冰工况供/回液温度为-6.0 ℃/-1.9 ℃。在能源站内设置乙二醇溶液箱、隔膜式定压补水机组定压补水。

　　 设置8台冰槽供冷融冰冷水泵,采用变频变流量控制,供/回水温度为1.5 ℃/3.5 ℃。

　　 基载热泵主机与制冷板式换热器并联、与融冰板式换热器串联,即管网回水分别经基载主机、制冷板式换热器降温后,再经过融冰板式换热器再次降温。共设置5台一级冷水泵、8台外网循环泵,变频变流量运行。在能源站内设置全自动软水器、软化水箱、隔膜式定压补水机组定压补水,并设置具有防垢、防腐、防藻功能的电子水处理器。

　　 该设计将聚贤岩立交下穿道南边的地下空间改造成由变配电室、主站房、蓄冰间组成的能源站房,属于戊类工业厂房,耐火等级为一级。其中变配电室为满足工艺要求,地板架空2 m。能源站设备布置见图4。

　　 1) 变配电机房设全空气一次回风系统。

　　 2) 值班室、主要检修通道设置风机盘管。

　　 3) 冷源来自基载热泵冷水机组,供/回水温度为4.5 ℃/13.0 ℃。

　　 1) 地下站房可燃物很少且不经常有人停留,性质为戊类库房,主站房设机械排风兼事故通风系统,相应设机械补风系统。

　　 2) 变配电室及其夹层设机械排风系统,相应设机械补风系统。蓄冰间设机械排风系统,相应设机械补风系统。

　　 3) 进风口、排风口连接管段上设置人防密闭阀,洪水来临时关闭人防密闭阀,并设置电动开关阀与风机连锁。

　　 采用智能控制系统,根据测定的气象条件及负荷侧回水温度、流量,通过计算预测全天逐时负荷,同时依据历史负荷记录,确定主机和蓄冰设备的逐时负荷分配(运行控制),控制主机输出,最大限度地发挥蓄冰设备融冰供冷量,以达到减少电费的目的 ^[2]。

　　 冰蓄冷系统包括3种工况:主机蓄冰、蓄冰盘管单独供冷、联合供冷。供冷模式控制逻辑:系统定时自动转入蓄冰运行工况,当冰盘管蓄冰率为100%时自动停止制冰主机和相应的水泵。供冷模式下由供冷需求量经过系统最优化运行模式比选确定主机运行台数。通过日总供冷量预测,确定日融冰供冷策略。与主机配套的江水循环泵、主机冷热水循环泵、乙二醇溶液循环泵与主机连锁启停。由供冷板式换热器出口空调冷水温度控制相应主机乙二醇溶液出口温度。由融冰板式换热器一次水自动控制阀开度控制冰槽冷水循环泵转速。由外网最不利用户资用压头控制外网循环泵转速。

　　 供热模式控制逻辑:由供热需求量经过系统最优化运行模式比选确定主机运行台数。与主机配套的江水循环泵、主机冷热水循环泵与主机连锁启停。由外网最不利用户资用压头控制外网循环泵转速。

　　 冰槽采用内保温时保温效果好,工艺要求高,但对于大型区域供冷外融冰系统,做内保温时防水不易施工,因此大型冰槽宜采用外保温做法,如图5所示。蓄冰槽未设盖板,因此蓄冰间墙壁、顶棚采用50 mm厚聚氨酯发泡保温层做整体内保温。

　　 冰槽设计高度由蓄冰钢盘管高度、冰槽底部做法高度、水面淹没盘管高度(150～200 mm)、结冰时水的体积膨胀高度(需计算,一般不超过200 mm)、管道溢水进冰槽的高度(需计算,一般不超过150 mm)、100 mm的富余高度决定,该项目槽体高度为4.5 m。

　　 该项目采用江水作为热源和热汇,对水体的影响主要体现为温度的变化,设计江水回水温度为37 ℃,直接排入嘉陵江中会对水体产生一定影响。

　　 根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》,人为造成的环境水温变化应控制在周平均最大温升≤1 ℃,周平均最大温降≤2 ℃。按照完全混合模式估算,夏季工程排水对水体温度影响为0.022 ℃,冬季工程排水对水体温度影响为0.130 ℃,工程排水对于水体温度的影响较小。

　　 项目在2017年建成后,于2017年8月和2018年1月由某检测公司分别对夏季、冬季工况进行了系统测评。夏季工况下,系统整体制冷COP为3.9,热泵机组制冷COP为5.0,双工况机组制冷COP为4.9、制冰COP为4.3,测算对比传统供冷方式(EER取2.8),常规能源标准煤替代量为2 579.5 t,二氧化碳减排量为6 371.4 t,二氧化硫减排量为51.6 t,粉尘减排量为25.8 t,夏季节约费用993.3万元。冬季工况下,系统整体COP为3.6,热泵机组制热COP为5.3,测算常规能源标准煤替代量为2 692.2 t,二氧化碳减排量为6 649.7 t,二氧化硫减排量为53.8 t,粉尘减排量为26.9 t,相对传统供冷及供热系统,冬季节约费用909.4万元。综上,江水源热泵系统分级评价为Ⅰ级。

　　 区域集中供冷供热改变了以往用户各自建设、分散运营而造成的投资和效率上的浪费,用能客户无需单独建设制冷机房、热水锅炉房、冷却塔等设施,所增加的建筑内部空间可进一步提高建筑开发的收益。在提高建筑节能效率、扩展建筑利用空间的同时,也能够减少配套电力基础设施建设、降低建筑供能设施的建设和维护成本,节约社会投资。

　　 该工程将冰蓄冷与热泵系统结合,同时实现了区域集中供冷供热,并采用了江水直接冷却技术,具有一定的创新性和先进性。该CBD项目工程正在建设,在前期方案阶段,采用了区域建筑冷热负荷模拟分析方法,选取典型建筑(办公、商业、酒店),利用能耗计算软件得出负荷指标及全年逐时耗冷量和耗热量。设计过程中,由于站房为既有建筑,存在净高不足、空间有限、现有结构不满足使用要求、没有设备吊装条件、没有设备运输条件等问题。经过长时间的精细设计与各专业精密配合,完成了能源站平面设计。除了保证主要检修通道和设备检修空间外的其他地方均密布管道。设备运输及安装,采用了预留安装洞口、安装完毕后用混凝土恢复的方案。项目建成后,系统运行稳定,为区域内用户提供了高质、安全的冷热源。