79基于能耗模拟的某校园供冷供热系统规划pdf

0引言从20世纪90年代至今，大学校园的规划和发展越来越趋向于区域化和集中化，例如上海的松江大学城集中了7所上海知名高校，占地约8000亩，师生总数突破了10万人，相当于一个小型城镇。由于中国南方的大学校园在上世纪建成之初普遍未考虑安装建筑暖通空调系统，而随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对于学习与生活环境的舒适性要求越来越高，进入了21世纪后，上海、武汉、重庆等南方城市的高校逐步开始空调改造工程，为宿舍、教室、图书馆等教学生活区安装了分体式空调，校园用电负荷大大增加。由此带来的校园绿色生态化发展和可持续化发展问题引起了多方关注，尤其在新规划的校园中，暖通空调系统的规划设计显得尤为重要。现有校园的供冷供热系统规划根据规划尺度可分为单栋建筑独立供冷供热系统和区域供冷供热系统两种：第一种是根据校园内各栋建筑的负荷需求，单独设置空调系统冷热源，是在建筑尺度上考虑系统配置。第二种则是利用区域内的冷冻热力站集中制取空调冷冻水和空调热水，再通过管网输送到区域内的各栋建筑，是在区域尺度上综合考虑系统配置。校园是一种典型的社区形式。校园中通常有教学、住宿、办公、实验、公共服务等功能的建筑，各功能的建筑使用情况不尽相同。在校园的各项能耗中，空调能耗约占总能耗的30%～40%，相对当前被广泛应用的单栋建筑独立的空调系统而言，采用区域集中的供冷供热系统具有更大的节能潜力。现在，世界各地已经有了众多区域供能的成功案例[1-2]，通过区域集中供能，可以统筹规划区域内各栋建筑的能源需求，集中设置冷热源，提高区域的供能效率，减小设备冗余，降低设备的初投资[3]。文献[4]对世界主要地区的区域供冷系统应用情况进行了介绍，其指出区域供冷可以缓解区域供冷需求上升对于电力供应和能源安全的不利影响。文献[5]从运行能耗和经济性的角度探讨了区域供冷系统的适宜规模，其提出当区域供冷半径不大于1000m时，区域供冷系统的优势更显著。将区域供能应用到校园中也早有先例。美国Rochester大学1924年建立新校区时，就使用了燃煤蒸汽锅炉为校园内各栋建筑供暖提供蒸汽，1970年收稿日期：2013-01-04；修回日期：2013-01-20基于能耗模拟的某校园供冷供热系统规划徐哲恬1，潘毅群2，李玉明2，邓小茜1(1.同济大学机械与能源工程学院，上海201804；2.同济大学中德工程学院，上海201804)摘要：阐述了区域供冷供热在校园规划中的实施方法，并以上海市近郊的某一个实际工程为案例，详细分析了校园的供冷供热负荷。在此基础上，模拟了3种供能方案：单体建筑独立设置供冷供热系统、区域集中设置供冷供热系统、集成地源热泵的混合式区域供冷供热系统。3种方案的对比说明：校园实行区域集中供能既可以降低投资成本，又可以提高机组运行效率，降低能耗。当将地源热泵系统集成到区域供冷供热系统中时，可以进一步降低能耗。关键词：区域供冷供热系统；区域负荷预测；系统平均效率中图分类号：TU831.3文献标志码：A文章编号：1673-7237(2013)03-0013-07DistrictCoolingandHeatingSystemPlanningBasedonEnergyModeling-CaseStudy:AUniversityCampusXUZhe-tian1,PANYi-qun2,LIYu-ming2,DENGXiao-xi1(1.CollegeofMechanicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China;2.Sino-GermanCollegeofAppliedSciences,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)Abstract:Variousheatingandcoolingsystemsonacampusarecomparedbyanenergysimulationmethod.Theheatingandcoolingloadsarecalculatedindetail.Threethermalenergysystemoptionsarecomparedanddiscussed,includingindividualcoolingandheatingsys－tem(ICHS),districtcoolingandheatingsystem(DCHS)anddistrictcoolingandheatingintegratedwithgroundsourceheatpump(DCHS&GSHP).ThecasestudyshowsthattheenergyconsumptionofDCHSislowerthanthatofICHS.DCHScanreducetheinitialcostforcentralplantsandimprovetheenergyefficiencyofthesystem.IntegratingDCHSwithgroundsourceheatpumpshowsagreatpotentialinen－ergysaving.Keywords:districtcoolingandheatingsystem(DCHS);districtloadforecasting;systemenergyefficiency建筑节能2013年第3期(总第41卷第265期)No.3in2013(TotalNo.265，Vol.41)■暖通与空调HEATING,VENTILATING&AIRCONDITIONINGdoi：10.3969/j.issn.1673-7237.2013.03.00313后，又增设了区域供冷系统。校园在上个世纪内曾经历了多次扩建，新增了多栋建筑，但该区域供冷供热系统仍能较稳定地为校园提供所需能源[6]。中国的深圳大学城和广州大学城也采用了区域供冷系统[7]。集中式空调系统的冷热源可按照能源种类划分为两种：一种采用传统的不可再生能源，如煤、天然气等，并利用市政管网形成能源输配系统，这种形式被广泛应用于城市，具有能源供给稳定和能源品味较高的优势。另一种则采用可再生能源，如风能、地热能等，在一些拥有此类特殊自然资源的地区得到了广泛应用，这种能源具有低碳环保的优点，但也存在着能源供给不稳定，品位低的缺陷[8]。现如今，还有一种将传统能源与可再生能源结合的形式，例如将电制冷冷水机组和地源热泵相结合的供冷模式，这既保证了能源供给的稳定，同时，也充分利用了当地的可再生能源资源，并且缓解了地源热泵因冷热负荷不匹配导致的土壤不可逆温升或温降的问题[9]。本次案例研究提出了3种校园供冷供热系统方案：单体建筑独立设置供冷供热系统、区域集中设置供冷供热系统和集成地源热泵的混合式区域供冷供热系统。按照上文所述的两种分类方式，方案一和方案二虽然都使用传统能源，但有着不同的规划尺度。方案三是对方案二的优化，两种方案虽然有着相同的规划尺度，但方案三将传统能源和可再生能源结合，以地源热泵辅助冷水机组和锅炉为校园提供冷冻水和空调热水(见表1)。规划尺度能源方式方案一单栋建筑独立供冷供热系统传统能源(煤、天然气)方案二区域集中供冷供热系统传统能源(煤、天然气)方案三区域集中供冷供热系统传统能源(煤、天然气)+可再生能源(地热能)表1方案概述Table1Overviewofeachoption1区域建筑的能耗模拟方法许多文献[10]、[11]介绍了已建成的区域供冷供热系统案例，但未给出估算一个待建项目全年能耗和运行效率估算的方法，对于一个处于方案规划初期的实际项目而言，缺乏借鉴意义。由于校园规划面积大，建筑种类繁多且数量较大，因此，在规划设计阶段对不同冷热源方案进行比选的工作将会非常繁重。使用能耗模拟可以快速、有效地对比各设计方案，并选出最优结果。为了模拟区域能源系统，国际上的科研机构逐渐开发了一些模拟工具。1993年，北美国际新能源实验室(NREL)开发出了HOMER软件，它可以模拟分析混合式能源系统，包括传统的发电机、热电联产、风力发电、太阳能光伏、电池、燃料电池、水力发电和生物质能源等[12]。2000年，美国劳伦斯伯克利实验室(LBNL)开始研发DER-CAM软件，该软件基于一个经济学模型，可以从经济学的角度分析分布式能源系统或热电联产系统的最优方案[13]。其他也有一些如MARKAL/TIMES[14]和RETScreen[15]等软件都可以模拟区域能源系统。但上述这些软件的模拟重心是可再生能源或分布式能源在区域能源系统中的运行效果，对于区域本身的描述则以负荷或冷、热指标的形式概括，如果需要进行精确的区域全能耗分析还需要有能耗模拟软件的辅助。目前国际上主流的能耗模拟软件主要有Energy-Plus、eQuest、TRNSYS、ESP-R等。本次案例分析主要采用eQuest和TRNSYS软件，eQuest是以DOE-2为计算引擎的建筑全能耗模拟软件[16]，它有计算速度快和建模过程可视化等优势，并且可以免费使用，是目前较为理想的能耗模拟软件。TRNSYS是一款可以实现模块化分析的瞬时系统模拟软件，对于模拟地源热泵系统有较强的优势[17]。2010年8月，美国绿色建筑协会(USGBC)曾给出了区域能源模拟指导方法。这份文件[18]针对LEED-2009建筑评级体系，给出了两种使用区域供冷供热设计方案的能耗模拟方法。1.1方法一：流线型(StreamlinedPath)单栋建筑的冷热源侧都用外购冷热源的方法进行能耗模拟，即以统计冷冻水消耗量和空调热水消耗量的方法计算区域的供冷供热能耗。这种方法没有考虑区域供能网络的运行效率，也不能体现冷冻热力站原有的设计方案，较难准确地反映区域实际能耗。1.2方法二：全局型(FullAccounting)需要考虑区域供能网络的运行效率以及冷冻热力站内各设备的运行性能。计算单栋建筑中的空调水侧系统时需要用虚拟的冷水机组和虚拟的锅炉替代冷冻热力站内的区域供冷供热系统。在模拟计算各单体建筑的空调水侧系统时，需要先计算冷冻热力站内各项设备和输配系统的全年运行平均效率，然后将区域供能的平均效率代入各单体建筑模型中的虚拟冷热源系统，进行单体建筑的模拟计算。具体计算步骤如下：(1)根据冷冻热力站的实际信息，搭建冷冻热力站和输配系统的模型。导入区域的空调冷、热负荷(可以是估计值)，计算冷冻热力站的全年能耗。(2)计算区域供能的平均效率。14锅炉平均效率EIR=锅炉供热量×输送损失燃料耗量+热水泵能耗(2)(3)将区域供能平均效率代入单体建筑中进行计算。区域的平均效率反映了冷冻热力站内的各个设备全年运行下的能效情况，并非某一个机组的额定效率或最大效率。然而，单体建筑虚拟冷水机组和锅炉的效率设定值反映的是机组的额定效率，当将区域平均效率代入到单体建筑额定效率时，需要设定单体建筑内各设备的实际效率在任意冷热负荷下都等于平均效率。与此同时，为了避免重复计算冷却塔能耗和输送水泵的能耗，单体建筑的能耗结果中应扣除虚拟冷却塔能耗和虚拟输送水泵能耗。2校园概述上海市近郊正在规划建设一个教育培训机构的校园。校园内有6栋功能不一的建筑，总占地面积为19916m2，总建筑面积为66577m2，表2总结了6栋建筑的类型和面积。教学建筑和宾馆是校园的主体建筑，两者的建筑面积约占校园总建筑面积的50%。表26栋建筑面积数据Table2Basicspecificationsofeachbuilding占地面积/m2功能建筑面积/m21号楼5520教学楼165592号楼4235宾馆169393号楼3776公共设施151054号楼1181宿舍23625号楼3148宿舍94456号楼2056数据中心6167校园整体1991666577根据规划方案，校园所供应的能源为天然气和电力。天然气由校园附近的燃气公司提供，通过市政燃气管道引入校园。电力由当地供电局提供，是校园的主要能源。3校园供冷供热负荷3.1建筑空调系统形式表3给出了各栋建筑的空调系统形式。区域的6栋建筑中的空调系统主要有定风量系统、变