随着国家对节能技术的日益重视,黄淮以南区域和长江流域最先开始发展区域供冷供热系统,解决供热和供冷需求。区域供冷供热系统通过资源的综合、协同应用,充分利用工业余热废热、可再生能源、冷热电联供技术等,最大限度地降低区域内的能源消耗、降低有害物排放、获得最佳经济效益与社会效益、促进经济和社会的可持续发展。据不完全统计,目前已建成投入运行和正在施工的区域供冷供热工程达到千余项,其中绝大部分为国家、省市级重点工程。

　　 但在区域供冷供热技术蓬勃发展的背后,也存在一些问题:缺少相关技术标准的支撑,不同项目设计和实施做法差异较大;部分项目设计方案存在能源站选址不合理、设备选型偏大、运行管理理念跟不上等问题;设计方案的不合理往往造成系统运行不经济,更有甚者,因设计不合理导致系统不能正常运行;能源站容量配置缺乏科学统一的理论方法,在设计中一般根据工程经验来确定,计算方法较为简单,缺乏合理设计和分析;对于复合式能源系统,系统复杂且投资巨大,传统工程经验的方法将更加不合理。由于区域供冷供热系统在负荷预测、容量配置、设计、控制运行等方面缺少相应的标准等指导工具,限制了其应用和推广。

　　 因此,为了改变目前无标准可依的状况,针对上述问题并根据中国工程建设标准化协会建标协字[2017]014号文件要求,中国建筑科学研究院有限公司会同31个单位共同编制了T/CECS 666—2020《区域供冷供热系统技术规程》(以下简称《规程》),送审稿审查专家一致认为《规程》内容全面、技术先进,达到国际先进水平,目前该《规程》已正式发布。

　　 编制组梳理了区域供冷供热技术应用中迫切需要解决的系列问题和工程技术人员亟待明确的一些重要依据、原则,确定了《规程》主要包括:总则、术语、冷热负荷、规划、设计、监测与控制、调适及运行。

　　 区域供冷供热系统同时具备供冷和供热的功能,因此应用的重要范围在黄淮、长江流域,即寒冷、夏热冬冷地区,与严寒地区传统的集中供热不同,《规程》涉及的供热主要以低温热源为主。因此《规程》适用于介质温度不高于95 ℃、工作压力不大于2.5 MPa的新建、扩建和改建的民用建筑供冷供热系统规划、设计、监测与控制、调适及运行。所涉及的供热主要是指低温供热系统,传统的以热电厂、大型锅炉为热源的集中供热应按照现行行业标准CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》的规定执行。

　　 主要对不同项目特点及建设情况采用不同的冷热负荷计算方法、累计供冷供热量计算方法,以及供能规模、建筑类型、使用特点等综合确定同时使用系数等方面进行了规定。

　　 主要从区域能源规划的内容、目标、评价,系统形式、供能方案的选择,能源站选址、供能范围和规模、输配管网形式和布置等方面进行了规定。

　　 主要从机组选型、主机和系统性能、供能温度、系统优化运行,工业余热废热、热泵、冷热电联供系统设计要求,一级输配管网冷热损失、管网阻力、冷热共用等方面进行了规定。

　　 主要从能源站与一级管网、换热站与二级管网的监测内容、能量计量和运行控制等方面进行了规定。

　　 主要从调适流程、调适预检查、单机试运转、设备性能调试、系统平衡调试、联合运行调适和季节性验证等方面进行了规定。

　　 区域供冷供热系统能源利用形式复杂,与之相关的因素众多。如何从项目规划、设计、运营阶段进行统筹规定,进而提高能源利用效率、降低社会运行成本、实现可持续发展,是《规程》编制的重点与难点。对比国内外相关的标准 ^{[1,2,3,4,5,6]},大多是针对单一技术、单一系统、单一能源方式应用的规定,而对于如何与开发进度和使用强度结合的负荷预测、供需匹配、系统经济效益评价、系统容量配置、多能源系统设计、优化运行的方法和指标等方面缺少规定。

　　 区域建筑冷热负荷、累计供冷供热量预测方法较多 ^[7,8],但是项目不同实施阶段负荷预测的目的不同,因此《规程》提出不同阶段应采取不同的预测方法。

　　 规划和方案设计阶段,各单体建筑或建筑群仅确定了建筑功能和面积等控制性参数,尚未完成具体的建筑设计,在此条件下采用单位建筑面积指标法对区域内建筑冷热负荷进行估算,对于能源系统基础设施的合理配置、方案决策等有重大意义;在施工图设计阶段,单体建筑设计已经完成,需详细且精确计算负荷,反映区域内建筑群负荷的空间和时间特征。准确的负荷预测对供能方案的选择、系统装机容量配置、管网设计参数、运行的优化管理和控制等方面至关重要。

　　 但区域建筑设计冷热负荷与单体建筑设计冷热负荷略有不同,区域供冷供热面积较大,建筑类型复杂多样,建筑朝向、体形系数、窗墙面积比,建筑功能及建筑内部人员、灯光、设备使用时间,使用强度等差异,致使不同类型建筑物峰值负荷出现的时间有差异,因此在计算区域供冷供热系统设计负荷时,还需考虑同时使用系数。编制组根据广泛调研并结合实际工程项目,在第3.0.3条条文说明中规定了区域供冷供热同时使用系数,见表1。

　　 区域供冷供热系统一般较大,在执行分时电价政策、峰谷电价差较大的地区,为了减小主机装机容量、降低系统运行费用,一般优先考虑蓄能系统,蓄能-释能周期内逐时冷热负荷是系统配置、运行模式和运行策略的依据,因其重要性和特殊性,《规程》第3.0.5条规定了蓄能系统负荷计算方法,并提供了逐时热负荷系数,方便设计人员进行计算。

　　 区域供冷供热项目大多按照商业化、市场化模式运作,能源投资公司将“冷热量”作为商品获取经济利益。在区域供冷供热项目投资决策时,准确预测累计供冷供热量是确定冷热价格、进行经济效益分析的基础和关键。由于情景模拟法考虑的因素多,更接近区域供冷供热项目实际运行情况,因此《规程》中建议优先采用情景模拟法并结合建设进度,分期计算累计供冷供热量。情景模拟法可采用TRNSYS,EnergyPlus,DOE-2,DeST,PKPM等专用软件,可按照《规程》规定的模拟方法和步骤进行。

　　 编制组经过对多个项目的模拟计算,并结合实际工程项目,提出了冷热负荷指标和全年累计供冷供热量的参考值,见表2～5。

　　 区域供冷供热技术的核心内容是对能源资源选择、能源方案、能源设备、能源系统进行综合、集成、补充、完善,达到最小的能源消耗和最佳的能源应用效率。由于区域供冷供热的能源系统形式受资源、环境、政策、用户要求等多种因素的影响和制约,因此应客观地、综合地、以可持续发展的思路对能源方案进行技术经济论证,同时结合当地能源状况、建筑的规模、用途和功能、建设进度、使用特点、国家节能减排和环保政策,并应符合下列规定:

　　 1) 区域内有完善的市政集中供热设施时,宜采用市政热力集中供热。

　　 2) 若不具备本条第1款条件时应优先采用工业余热废热进行供热。

　　 3) 若不具备本条第1,2款条件时,有适宜的城市污水、江河等天然地表水资源可供利用,宜采用地表水地源热泵系统;有适宜的浅层地热能资源可供利用,宜采用地埋管地源热泵系统。

　　 4) 在执行分时电价政策、峰谷电价差较大的地区,采用低谷电价对电网“削峰填谷”和节省运行费用作用明显,宜采用蓄能系统。

　　 5) 天然气供应充足的地区,当建筑的电力负荷、热负荷和冷负荷能较好匹配,经济性合理时可采用燃气冷热电联供系统。

　　 6) 具有多种能源的区域,可采用复合式能源系统供冷供热。

　　 区域供冷供热系统形式较多,各系统优势和特点不同,传统设计中单纯采用系统效率进行评价已不能充分反映区域供冷供热系统实际效果,无法体现项目经济性特点,导致蓄能、冷热电联供等系统的技术优势无法得到合理评价。因此,项目评价过程中宜因地制宜,采用初投资、运行费用、寿命周期成本、系统综合能效、节能率、碳排放量等作为评价指标。

　　 区域供冷供热系统方案的评价宜按下列要求:

　　 1) 对于以节能环保为目标建设的政府公共设施类项目,可结合项目需求,优先以系统能耗、碳排放量、系统综合能效为评价指标。

　　 2) 对于以经济收益为目标的企业投资类项目,可结合业主需求,优先以系统初投资、运行费用、寿命周期成本、节能率等作为评价指标。

　　 3) 具备燃气优惠价格、执行峰谷用电价格等的项目,宜充分考虑系统运行经济性优势,综合评价系统方案。

　　 4) 复合式区域供冷供热项目宜以寿命周期成本作为系统评价的主要指标。

　　 另外,笔者在《规程》编制期间,对于多能源系统项目,按不同的投资、运营主体发放调查问卷,对系统成本、经济运行、环境影响的权重进行打分,经层次分析法得到如表6所示的结果。因此,不同的项目可以根据具体情况,采用不同的权重,以便于更有针对性地指导实际项目的评价。

　　 区域供冷供热系统为了经济、可靠运行,需进行优化设计与计算:

　　 1) 区域供冷供热系统中,冷水(热泵)机组、冷热电联供等主机设备选型应采用名义工况性能系数较高的产品,并应同时考虑部分负荷工况下的能效,使主机始终处于较高性能工作区。

　　 2) 初步设计和施工图设计阶段,应提供区域供冷供热系统的运行策略,提供各典型工况下的运行模式;设计应对系统调试与调适提出要求,同时提供相应的控制参数和运行策略。

　　 3) 区域供冷供热系统因供能范围较大,且供冷时温差较小、输配能耗较高,因此作出了运行工况下,冷热水输配能耗占总能耗的比例不宜大于15%的规定,目的是在现有技术下,尽可能降低输配能耗。

　　 区域供冷供热系统一般采用2种及以上类型的能源系统形式,设备容量配置非常重要,这将直接影响系统投资、运行能耗及运行成本,进而影响系统的经济性和节能性等。传统设计中复合式能源系统容量配置一般根据工程经验,计算方法较为简单,缺乏一定的科学性。为了有效提高复合式能源系统的经济性和可靠性,《规程》第5.1.2条建议对于复合式能源系统的容量优化配置,宜根据项目需求,以系统能效、初投资、运行费用、全寿命周期成本、碳排放量等为优化目标,进行系统容量优化配置计算;目前采用比较多的是以全寿命周期成本最低为优化目标。

　　 系统容量优化配置计算一般采用动态能耗模拟计算的方式,通过采用TRNSYS,EnergyPlus,DOE-2,DeST等软件建立系统模型,完成主机、水泵等主要设备及系统的能耗计算,并根据能耗计算结果,结合燃气价格、电力价格、市政热力价格等因素完成经济计算。

　　 笔者结合区域能源工作经验,以某行政办公区域地源热泵+市政热力+蓄能系统为例,简要介绍复合式能源系统容量优化配置方法。

　　 该项目建筑类型主要为办公建筑,建筑面积为62.0万m²,采用情景模拟法并利用动态模拟计算软件TRNSYS计算得到设计热负荷指标为54.2 W/m²,设计冷负荷指标为125.4 W/m²;供热同时使用系数为1,供冷同时使用系数为0.75;累计供冷量指标为90.4 kW·h/(m²·a),累计供热量指标为58.2 kW·h/(m²·a)。设备容量配置最优化计算过程如下:

　　 1) 利用TRNSYS建立地源热泵+市政热力+蓄能系统动态能耗计算模型,如图1所示。

　　 2) 以寿命周期成本最低为优化目标建立地源热泵+市政热力+蓄能系统容量配比优化数学模型。

　　 3) 利用GenOpt软件,结合动态逐时模拟计算和数学优化算法(虎克捷夫Hooke-Jeeves)对系统设备容量配置进行优化模拟计算。

　　 4) 设定计算步长、迭代次数,反复计算,得出复合式能源系统容量配置优化结果,见表7,8。

　　 为了提升区域供冷供热系统能效,需适当提高主机的制冷性能,要求名义制冷工况和规定条件下冷水(热泵)机组的制冷性能系数(COP)应满足表9的要求,即GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》第4.2.10条中对夏热冬暖地区规定的限值要求。

　　 电动机驱动的蒸气压缩循环冷水(热泵)机组的综合部分负荷性能系数(IPLV)不应低于表10的数值。

　　 区域供冷系统电冷源综合制冷性能系数(SCOP)不应低于表11的数值。

　　 本文对《规程》的编制思路进行了梳理,分析了负荷预测、供需匹配、系统经济效益评价、系统容量配置、多能源系统设计、运行优化的方法和指标等关键要点,明确了区域供冷供热技术应用中迫切需要解决的重要问题。《规程》的关键作用和展望如下:

　　 1) 《规程》作为国内首部针对区域供冷供热系统应用的技术标准,为区域能源技术的应用提供了理论指导,规范了行业相关设计和实施方法,是区域供冷供热技术推广应用的重要依据。

　　 2) 《规程》有利于推动区域能源技术的应用和发展,促进经济和社会的可持续发展。

　　 3) 由于目前国内外可借鉴的成熟经验比较少及项目本身的一些不确定因素,如建设周期长、投资主体不明确、前期规划统筹不完善、用能单位不确定等,导致项目的具体实施、运营管理存在一定的困难,使得《规程》的一些具体条文,如同时使用系数、经济性评价指标、系统能效、运行与控制等存在一定的局限性,需要在区域供冷供热项目推广和运行中不断积累经验,进行完善。