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1区域供冷系统的能源效率同济大学马宏权1龙惟定摘要分析了区域供冷系统目前应用中出现的突出问题，讨论了区域供冷所能达到的能源效率，并分析了其主要的影响因素，提出区域供冷系统装机容量应设置一定的不保证率，以提高系统整体能源效率和改善运行工况。关键词区域供冷能源效率COPEnergyPerformanceofDistrictcoolingsystemByMaHongquan★LongWeidingAbstractThispaperanalysesenergyperformanceofDistrictCoolingSystemsandit’sinfluencefactors.BringforwardthatcapacityofDistrictCoolingSystemsshouldconsideraguaranteeratesothatenhanceenergyperformance.KeywordsDistrictCooling,EnergyPerformance,COP★TongjiUniversity,Shanghai,China一、引言区域供热供冷供热（DistrictHeatingandCooling，简称DHC）是指对一定区域内的建筑群，由一个或多个能源站集中制取热水，冷水或蒸汽等冷热媒，通过区域管网输配到各单体建筑内换热器，换热供给最终用户，实现用户制冷或制热要求的系统。在我国区域供热实施的年代已久，对其作用的认识已取得共识，但对于以供冷为主的区域供冷系统（DistrictCoolingSystem，简称DCS)其是否能实现运行中而不只是理论上的节能尚有争议。支持者的意见认为我国城市中心区的供冷和供热一样，必将逐步由分散走向集中，从福利供冷走向商业供冷。其理由主要包括：1）区域供冷可以利用空调同时使用系数降低冷热源和配电系统容量；2）可以集中配置高能效比环保制冷剂的大型设备；3）可以通过专业化的管理逐步实现供冷的产业化、商业化和市场化，利用市场手段调节需求和配置资源，避免了传统福利供冷造成的浪费。反对者的主要原因包括：1）区域供冷管网的冷冻水供回水温差小于集中供热，输送功耗和冷量损失相对升高，而大型设备的效率提升有限，不足以弥补输配管网能耗的增加；2）供冷的部分时段的比例多于供暖，特别是南方以供冷为主的系统更为明显，马宏权，男，1979年1月生，在读博士研究生。上海市曹安公路4800号同济大学嘉定校区13-306信箱201804（021）69584901E-mail:mhqtj@163.com本文得到国家科技部、上海市政府部市合作2005年世博科技专项课题《城市清洁能源高效利用系统技术研究与示范》（课题编号05dz05807，2005BA908B07）的资助2系统COP会随负荷率降低而下降；3）水泵功耗造成的温升减少了有效输冷量。因而区域供冷系统运行效率甚至要低于分体空调，国内部分已建成项目运行的情况较差，也说明了该技术不宜在国内推广。两种观点都存在一定的科学根据，因此可以说国内对于区域供冷技术是否节能没有形成统一的认识。但由于我国目前迅速发展的城市化进程，各种产业园区、大型建筑群和小城镇的建设标准和规划日益先进，区域供冷作为一种新型的能源基础设施思路，在一些大型项目中被多次提出并获得部分实施。对于以供冷为主的DHC系统如何定性评价，急需统一认识，而其中的前提和关键，是分析清楚在我国实施区域供冷所可以实现的能源效率。二、区域供冷的能源效率2.1能源效率在区域供冷系统性能评价中的地位日本的区域供冷最早是为应对城市区域的公害问题为主要目的发展起来的，近年来更转向与活用未利用能相结合，早稻田大学还在研究将东京多个区域供冷系统及排热设施互联成能源总线（EnergyBus），以期进一步将城市中的各类低品位能源加以统一规划和利用。欧洲的区域供冷大多基于热电冷联产，也有象斯德哥尔摩这样依托城市热网和天然冷源增加了供冷功能的实例。在英国、丹麦、挪威等国，也不乏将DHC作为利用稻壳、木屑、沼气等生物质能的平台。而在美国除了城市CBD地区，DHC主要应用于大学校园、医院、工业园区和军队建筑，则主要是将其作为一种方便集中管理和降低维护成本的区域能源供应形式。在07年12月布什政府最新签署的《TheEnergyIndependenceandSecurityActof2007》中也采取措施鼓励包括使用废热回用和联产系统在内的区域能源系统。这样看来，欧美日等国家利用区域供冷技术的主要目的不仅仅是为了提高能源利用效率，也是着眼于改善城市空间环境、优化能源结构、防止大气污染，对这一技术的权衡研究和规划利用建立在更广阔和可持续发展的层面上。因此采用能源效率作为区域供冷系统性能评价的唯一标准是不全面的，而且也是有失公允的。例如从表1所示，日本2004年在运行的DHC系统中只有16%单纯以电力作为投入能源，而81%的项目中使用了天然气，58%的项目中结合了废热回收或可再生能源利用。这对缓解夏季电力供应高峰和天然气夏季填谷起到很大作用。在燃煤电厂为主的中国，削减电力负荷高峰就是削减温室气体排量。在日本以电力为主要投入能源的大型DHC系统中则较为普遍的应用了冰（水）蓄冷技术，尽管制冰时制冷效率降低，还增加了蓄冷时的散热损失和乙二醇溶液泵功耗，但其同样有益于夏季电力的削峰填谷、提高电网的安全性和系统的经济性。 表1 日本区域供热供冷项目燃料分布（2002年数据，有重复统计）[1] DCS燃料种类 天然气 废热 电力 下水 垃圾焚烧 总计 DCS项目数量 116 24 23 18 41 143 因此区域供冷系统的性能评价应体现能源、环境、管理和经济等多方面内容，分析其能3源利用效率也应该兼顾温室气体减排、电力削峰填谷和系统运营的经济性等其它方面的性能。为简化分析，本文只限于对非蓄冰工况的区域供冷系统能源效率进行分析，包括蓄冰工况在内的系统综合性能评价将另文陈述。2.2日本的区域供冷发展与能源效率统计由于欧美的区域供冷基于热电冷联供和吸收式制冷的比例较高，而中国目前电力不能上网、天然气又供应不足导致了这一方式在中国的可行性降低，故本文选用与中国位置和气候相近的日本来进行对比分析。日本国土狭长，纵贯热带、温带和寒带3个气候带，1月份北部的扎幌平均气温在零度以下，而南部的那霸平均气温则在15度以上，位于中部的东京与上海气候接近。日本的供冷供暖的商业化最早可以追溯至1970年供热事业法的制定，其规定适用于向对多于2栋建筑物供热且规模超过21GJ/hr(加热能力总和，或冷冻能力总和)的商业行为。20世纪90年代后，一些主要城市相继制定了区域供热供冷指导纲要，对其规划和管理做出了详细规定。比如《东京都地域冷暖房实施指导标准》规定建筑面积在5万平方米（2005年修订前为2万）以上的新建项目或改建项目，以及供热规模在21GJ/h以上的事业开发者，需要对是否需要配备区域供热供冷设施进行研究，且在制定计划方案时，要尽最大努力减少对环境的压力并有效利用各种能源，尤其是未利用能和可再生能源，而政府将帮助具备可行性的项目立案并确保设备用地，和优先提供低息贷款和减税优惠。 按照日本热供给事业协会的统计数据，截止2005年数据日本共有DHC系统151个，总服务建筑面积4500万平米，这些建筑占地基地面积约4700万平米，服务建筑的平均容积率小于1。2005年这些DHC系统共向居住建筑售能1316TJ（主要用于供暖和生活热水），占总售能量的5.3%，向非居住建筑售能23586TJ，其中供冷15108TJ，占64%。这151个DHC项目四岛均有分布，东京及附近的大阪、福冈等中部地区较多，其气候类似于我国的冬冷夏热地区。根据文献2中所提供2002年日本全国调研数据统计，DHC一次能效率平均值为0.67，按照目前日本和中国电网扣除损耗后的平均发电效率38%和33%，区域供冷系统COP在日本和中国分别相当于电力驱动制冷时的1.76和2.03。那么是不是据此就可以证明区域供冷技术的能源利用效率较低呢？笔者认为这是不够充分的。首先日本区域供冷和集中供冷多以吸收式制冷为主的制冷方式导致其能源利用效率注定不高，但这是为了空调投入能源符合其国家能源结构所引起的，并不是利用区域供热供冷技术后所引起的效率下降。其次这一统计值是用年总有效供冷供热量（表计值）除以年总供能量计算得到的，而总供能量中包括了低能源利用效率时的蓄冷蓄热过程和冬季锅炉燃烧过程。再次日本的区域供冷主要服务于密集的商业建筑，而其热供给事业法属于国家法律范畴，依法确保室内环境品质的要求使得空调系统全年运行时间较长，东京市区的办公楼许多冬季内区也要供冷，这样系统在低效率时的运行时间延长了。表2为2003年对日本108个非住宅建筑区域供冷项目和36个独立建筑冷热源的能源效4率对比调查，分析显示DHC系统的一次能利用效率平均值约在0.7左右，但利用了“未利用能”的5个DHC项目接近1.0,甚至压缩式制冷加锅炉的方式一次能利用率也超过了0.8，而各种类型的DHC系统相对独立冷热源均具有较高的一次能效率。该统计显示和单体建筑设置冷热源相比，区域供热供冷系统平均可以节约12％的一次能源，结合了未利用能的HDC系统则可以节约15～22％的一次能源。表22003年日本DHC项目与独立冷热源项目一次能利用效率的对比统计[3]2.3中国的区域供冷现状与能源效率算例中国目前缺乏详细的研究和统计，但不缺乏失败的项目。所以在一片怀疑声中大家就似乎默认了以供冷为主的DHC技术在中国是不适用的。但仔细分析可见，中国失败的项目大多并不是真正实现了商业供冷的DHC系统，而是规模扩大化了福利供冷。由于法规、制度、税收和认知程度等多方面原因，在目前的中国要实现一个真正意义上的DHC系统尚有多方面的非技术不利因素，但并不意味着该技术不适用于中国。北京某区域供冷系统是我国第一个较为真正意义上的商业化运行DHC系统，采用带蓄冰的电力压缩式制冷机组作为冷源，经计算该项目的名义满负荷系统COP为4.08（系统设备信息可见文献3）。如果按照供冷水泵80%的功耗转换为循环水温升，并扣除5%的输配管道温升，则系统满负荷COP为3.78，折算一次能利用效率为1.15。这与日本的晴海DHC系统1.19的全年统计值较为接近。晴海DHC也采用压缩式制冷（冬季冷却塔采用盐水循环液为工质转换为取热塔，系统带有蓄热蓄冷槽）。然而区域供热供冷系统的发展方向应该是结合未利用能和可再生能源利用。例如正在设计中的南京某区域供热供冷系统，通过引取附近的长江水到3个集中能源站，利用江水源热泵并集成冰蓄冷、大温差输冷技术为接近200万平米园区内的建筑提供全年供冷供热。长江5南京段的检测水温和该DHC系统预期效果如表3、表4所见。由于最大小时取水量不足长江平均径流量的万分之一，对长江的水温影响极小，如果设计达到预期目的，整个空调冷热源系统可以彻底告别冷却塔和锅炉房，可以实现能源、环境、经济性的均衡发展。表3长江南京监测站历年月平均水温表单位：ºC月份123456789101112全年水温7.98.011.716.620.725.428.428.025.221.016.010.518.3表4南京某DHC的预期效果项目配电容量机房面积机房人员天然气消耗区域供冷35031KVA550034人296m3/hr传统方案76154KVA18400230人9338m3/hr节省比例46%70%85%97%项目满负荷系统COP年运行费用年冷却水损耗C02排量区域供冷4.098951万元045616t/yr传统方案3.6311009万元54万m3/年40142t/yr节省比例12.7%23%100%5474t/yr三、区域供冷的能源效率的影响因素DHC系统是高度集中的冷热源，其能源方面的优势在于可选用高效率的设备和设置完善的自控、以及利用未利用能和可再生能源时的便利性；而不利在于区域供冷比常规的集中空调多出了输配外网和单体建筑内的换热器。因此简单的看，区域供冷相对传统空调能源效率的消长取决于区域供冷大型设备的相对