280五棵松文化体育中心冷热源方案比较

五棵松文化体育中心冷热源方案比较北京市建筑设计研究院范珑诸群飞清华大学建筑技术系李辉摘要：本文对五颗松文化体育中心的三种集中冷热源方案（城市热网+电制冷，燃气锅炉+电制冷、以及热电冷联产）进行了经济性能和技术性能的分析比较，并根据工程实际情况选择了实施方案。关键词：冷热源负荷预测热电冷联产经济性方案比较0.引言五棵松文化体育中心总建筑面积约35万平方米，主要由奥林匹克篮球馆、商业、餐饮、展览厅、办公、影院等组成，空调的冷、热源消耗量非常大，选择何种能源形式，不仅关系到工程建设的初期投资规模，还会对今后的运营成本产生很大影响。为满足奥运设计大纲对节能与环保的要求，并充分考虑业主的经济利益，我们在工程设计初期对冷热源形式进行了一些分析研究。由于很多客观条件的限制，分析的结果并没有完全在工程中实现。但其分析研究方法，可为一般大型复杂工程冷热源的选择提供一些有益的经验。整个体育中心建筑类型多样，不同功能建筑的最大负荷出现在不同时间，具有一定的互补条件，而且建筑较为集中，能源供应比较适合于集中能源站的方式。另外，篮球馆在赛时赛后存在负荷不稳定的问题，如果对其单独考虑能源供应系统，容易造成设备投资的浪费，而将体育馆的能源供应统一纳入商业建筑中，不同建筑类型负荷的互补作用，可以弥补场馆建筑负荷的不稳定性，提高能源设备的利用率和整个能源系统运营的经济性。五棵松体育中心作为北京08年奥运会规划安排的一处主要比赛场地，其能源供应首先应保证安全可靠，充分体现“绿色奥运、科技奥运”的理念，还应考虑到实际运营的经济性。根据体育中心周边现有或规划的市政条件及建筑特点，其能源系统的供应方式主要有以下几种可能的 城市热网供热+电制冷+市政供电 燃气锅炉供热+电制冷+市政供电 内燃机热电冷联产+电制冷补充+市政供电补充其他的冷热源方案也曾被考虑过，本工程所处位置的地质条件很适合做水源热泵，体育馆周围虽有很大的打井场地，但冷热负荷需求大的商业设施周围用地却比较紧张，难以打足够数量的井来满足冷热负荷要求，同时设备初投资价格也偏高，建设单位难以接受，此方案首先被排除。而电制冷加冰蓄冷的方案也是由于回收期限长、运行管理复杂被业主否定。1. 负荷预测负荷的预测是进行冷热源方案比较和分析的基础。在建筑的规划阶段，一般只能确定该建筑最基本的信息，如建筑的使用功能和相应面积等。因而，我们只能在大量的调研分析的基础上，根据该建筑类型的基本特征，对典型建筑类型的负荷进行逐时模拟计算，其原理如图1和图2所示。冷热负荷的模拟计算是基于建筑能耗模拟软件DeST进行的，电负荷的计算模拟软件则是在大量实地调研的基础上而进行研究开发的。图3图8为各项负荷预测和计算结果。表1对各项负荷的最大值和全年累计值进行了统计和汇总，表中电负荷均不包含冷源耗电；生活热水配套商业和篮球馆最大值分别为1600kW和2300kW，表中为考虑同时使用率的数值。需要说明的是，由于空调方式特别是冷源的类型，对电负荷会产生较大影响，而冷源耗电与方案的冷源选择有关，因而，在冷热源方案没有确定之前，在对电负荷进行模拟时，先只对不包含冷源耗电的电负荷进行模拟，而最终的电负荷大小只有在冷源确定之后，才能最终确定。建筑类型分类各功能房间及对应面积比典型的围护结构、内扰及作息经典的逐时负荷计算方法冷热负荷逐时无因次因子及大小简化的工程求解算法图1热冷负荷模拟流程图图2电负荷模拟流程图热负荷(kw)26000130000(13000)(26000)(39000)12001400160018001冷负荷(kW)全年小时数15011001150120012501全年小时数kW图3整个体育中心冷热负荷图4整个体育中心冷热负荷量全年使用小时数156001300010400780052002600012001400160018001全年小时数电负荷(kW)图6整个体育中心电负荷全年使用小时数图5整个体育中心电负荷图8夏季典型日负荷1471013161922全年小时数表1负荷汇总表最大电负荷（kW）12600全年总耗电量（万kW.h）5460最大制冷负荷（kW）32500全年总耗冷量（万GJ）13.9最大供热负荷（kW）22100全年供暖耗热量（万GJ）9.2最大生活热水负荷（kW）3400全年生活热水耗热量（万GJ）1.72. 方案1（城市热网供热电制冷市政供电）方案1采用城市热网供热，并提供利用生活热水；夏季利用电制冷机为空调供冷，全部使用市政供电此方案的主要技术经济指标如表2表4所示，其中生活热水供应设备含在热力站投资内。表2城市热网+电制冷方案匡的设备投资估算主要设备类型设备购置费（万兀）电冷水机组1（2台2250kW）260电冷水机组2（4台7000kW）1680水泵260冷却塔270配电设备340机房管道、阀门及辅助设备200热力站及备用热源费用650总计3660表3城市热网+电制冷方案的建设投资估算项目金额（万元）占建设投资比例设备购置及热力站建设费用366060.3%建筑工程费（包括市政管网工程费）180029.7%设备安装费2003.3%工程其它费用1502.5%预备费用2604.3%总计6070100.0%表4城市热网+电制冷方案的年运行管理费用估算项目数量单价（万兀）费用小计（万元）全年买市电（万kWh）分时电价高峰电期间2523（万kWh）1.13952875平价电期间2981（万kWh）0.75252243谷价电期间563（万kWh）0.3875218小计/5336单一电价60670.75254565全年供暖费用35万m21010全年生活热水费用1.7万GJ83141人工管理费用/100年运行管理费用分时电价/6586合计单一电价/58163. 方案2（燃气锅炉电制冷）方案2中采暖及生活热水的供应采用燃气锅炉，制冷利用电压缩制冷机，主要技术经济指标如表5表7所示。表5燃气锅炉+电制冷方案的设备投资估算主要设备类型设备购置费（万元）电冷水机组1（2台2250kW）260电冷水机组2（4台7000kW）1680水泵360冷却塔270配电设备380锅炉及附机580热水交换设备480机房管道、阀门及辅助设备250总计4260表6燃气锅炉+电制冷方案的建设投资估算项目金额（万兀）占建设投资比例设备购置费426074.9%建筑工程费（包括厂区及管网工程费）76013.4%设备安装费2504.4%工程其它费用1803.2%预备费用2404.2%建设投资费用5690100.0%表7燃气锅炉+电制冷方案的年运行管理费用估算项目数量单价（万兀）费用小计（万兀）全年买市电（万kWh）分时电价高峰电期间2529（万kWh）1.13952882平价电期间2988（万kWh）0.75252248谷价电期间565（万kWh）0.3875219小计/5349单一电价60820.75254577全年买天然气（万m3）3902.55995人工管理费用/85年运行管理费用合计分时电价/6429单一电价/56574.内燃机热电冷联产方案热电冷联产方案的联产系统部分主要包括燃气内燃机、余热型吸收机，辅助的常规能源系统部分包括电制冷机、吸收机、锅炉等。热电冷联产的工作原理是：采用燃气内燃机发电，承担体育中心峰平电期间的基本负荷，不足电量由市电补充；在发电同时，回收其排放废热及冷却水热量，用于供热和制冷。发电动力系统采用多台高效燃气内燃机组合形式，实现系统部分负荷下的高效运行，同时提高系统的可靠性；制冷系统采用吸收机利用内燃机排放的中高温废热制冷，不足冷量由常规制冷方式来补充（图9所示）。供热系统采用回收机组冷却水热量及烟气废热，不足热量由燃气锅炉或直燃机补足。整个方案的突出技术特点是：实现能源的梯级、高效利用，保证联产系统的可靠、经济运行（图10所示）。联产系统的运行策略总原则是：峰平电期间发电机发电运行，不足电量由市电补充，谷电期间发电机停机买电；过渡季节，采取以热定电的原则。图9夏季制冷系统原理图图10冬季供热系统原理图本方案选用2台单机电功率在2200kW左右的燃气内燃机，其单台发动机额定性能参数如下表8：表8燃气内燃机额定性能参数表燃料天然气电功率2188kW发电效率40%冷却水排热20.0%排气至180C时废热排热24.0%小时燃料耗量540Nm3h制冷系统除了联产系统中的余热吸收机外，辅助设备可选用电压缩冷机与直燃机的组合形式；供热系统除了烟气和缸套水供热外，还可选用直燃机和锅炉作为辅助供热设备，主要的设备参数和全年能源系统运行指标如表9和表10所示，技术经济指标如表1113。表9主要设备参数表类别热力设备数量分项总容量联产系统余热补燃型吸收机2台制冷（kW）4500供热（kW）5000常规辅助设备直燃冷温水机2台制冷（kW）5000供热（kW）6300燃气锅炉3台供热（kW）14000电压缩制冷4台制冷（kW）23000表10全年能源系统运行指标全年运行技术指标全年发电机总发电量（万kW.h）2139其中：高峰电（万kW.h）1098平价电（万kW.h）1041低谷电（万kW.h）0全年总买电量（万kW.h）3815其中：高峰电（万kW.h）1310平价电（万kW.h）1791低谷电（万kW.h）714全年耗燃气量（万m3）817折合发电机组满负荷运行小时数4888表11联产方案的设备投资估算主要设备类型设备购置费（万兀）内燃发电机及配套设备（2台2188kW）3000余热补燃吸收机（2台2250kW）600直燃冷温水机（2台2250kW）700电冷水机组1（3台7000kW）1260电冷水机组2（1台1900kW）110水泵300冷却塔330配电设备260机房管道、阀门等辅助设施280锅炉及附机320总计7160表12联产方案it建设投资估算表项目金额（万元）占建设投资比例设备购置费716078.9%建筑工程费（包括厂区及管网工程费）7608.4%设备安装费3403.7%工程其它费用4304.7%预备费用3804.2%表13联产方案的年运行管理费用估算项目数量单价（万元）费用小计（万元）全年买市电（万kWh）分时电价高峰电期间1310（万kWh）1.13951493平价电期间1791（万kWh）0.75251348谷价电期间714（万kWh）0.3875227小计3815/3118单一电价38150.75252871全年买天然气（万m3）257/5602.55/1.551523发电机维护费用/214人工管理费用/85年运行管理费用合计分时电价/4939单一电价/4693建设投资费用9070100.0%5.总结5.1经济性能评价按照北京市的分时电价和目前如采用常规电制冷实行的单一电价计算出的运行费用和回收年限见表14、15。表14投资及运行费用一览表方案建设投资费用（万元）年运行管理费用（万兀）分时电价单一电价方案1（城市热网+电制冷方案）607065865816方案2（燃气锅炉+电制冷方案）569064295657热电冷联产方案907049394693表15增量投资回收年限一览表项目增加的投资（万元）年减少的运行费（万元）增量投资回收年限（年）分时电价单一电价分时电价单一电价三联供方案相对方案13000164811241.822.67三联供方案相对方案2338014909632.273.51尽管不同电价的计算方案造成运行成本有显著变化，但燃气锅炉方案要略优于城市热网方案，这主要是由以下两方面原因造成的：由于体育中心周围原无城市热网管线，引入管线增加了市政外网的投资，使得此方案投资偏高；由于体育中心建筑以商业建筑为主，热负荷较小，如果采用按面积收费的城市热网供热方式，运行费用也偏高。方案3的选择充分考虑了发电机组与市电连接的困难因素，只向内部供电，不向电网输送电力，所以采用了最小规模的发电装机容量，只要满足最小电负荷要求即可，冷热量不足部分由锅炉和电制冷机负担，这在一定程度上增加了初投资和购电成本，减少了收益。5.2技术性能评价三个方案的供冷方式区别很小，技术评价应主要集中在供热方面。方案1（城市热网+电制冷）是常规的冷热源方案，在北京城市热网能够覆盖的地区，大多采用此方案，其主要优点是：市政热力供热可靠；热电厂的热量是发电余热，能源利用率高；热交换站建设位置及规模基本不受限制，可以尽可能靠近负荷中心建站，热量输送能耗小；用户侧设备简单，运行管理方便，还可委托专业公司代管。此方案的缺点是：供暖按面积收费，高大空间（高度超过4米）按双倍收费，这对于自由热较大的商业建筑来说很不合理；外网建设成本高，部分市政管线的建设投资要由用户分摊，本工程用地周围只有规划热力管线，如果用热需要较高的室外热网投资，这也是初投资成本高的主要原因；冬季开始供暖和结束供暖的时间有规定，不能完全按照实际需求运行；夏季市政热网有检修期，生活热水供应不能间断的用户需要设置备用热源，也增加了初投资费用。方案2（燃气锅炉电制冷）是较为经济的方案，用户完全可以按照需要决定供热运行时间；所负担的燃料费用清楚，可以根据消耗控制运行成本；运行管理比较简单、方便，很多锅炉都能实现无人值守自动运行模式。缺点是：锅炉房的建设位置受到限制，承压锅炉需要单建锅炉房；烟囱的设置对景观有影响，实际工程中常常很难找到地方；虽然燃气锅炉的燃烧效率较高，但对清洁能源的利用率仍低于其他2个方案。方案3热电冷联产方案对清洁能源可实现梯级、高效的利用，符合奥运“三大理念”的要求，直接利用清洁能源供冷、供热和供电，真正实现了节能减排；用户自己发电，在增加供电可靠性的同时减少了购电成本，在大规模电网不断受到挑战的今天，分布式能源方式逐渐显现出其优势；利用发电余热供冷、供热减少了购买电力和热力的成本；用户也可以按照需要决定供热系统的启停；所负担的燃料费用清楚，可以根据消耗控制运行成本。此方案的缺点是：由于现行政策的限制，发电设备与市政电网的连接受到严格限制，还处在“一事一议”阶段，难以大量推广；初投资成本较高，系统运行管理复杂，在目前整个行业运行管理水平很低的情况下，只能委托专业公司代管；机房及烟囱设置位置受到限制，还不能随意选择厂址；燃气消耗量大，运行成本受其价格控制。5.3结论在五棵松文化体育中心工程的实际建设中，由于建设方资金不足、建设周期紧和缺少供电部门的政策支持等原因，最终还是选择了体育馆与商业分期建设，分别设冷热源机房，采用电制冷+城市热网供热的方案。从本工程冷热源确定的方式可以看出，节能还不是唯一的判定标准。随着能源价格的不断提高，在确定冷热源方案时，节能的作用会逐渐显现出来。范珑,男,1963年9月生,大学,教授级高级工程师100045北京市建筑设计研究院二所（010）88042671E-mail:fan-long