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方案：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各功能房间及对应面积比用电设备种类、容量及作息照明动力空调设备其它常用电器建筑类型分类冷热负荷典型设备的耗电性能、典型运行模式全年逐时电力负荷图1热冷负荷模拟流程图图2电负荷模拟流程图图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图5整个体育中心电负荷图6整个体育中心电负荷全年使用小时数热负荷(kW)(39000)(26000)(13000)0130002600012001400160018001全年小时数冷负荷(kW)05000130001950026000325003900015011001150120012501全年小时数制冷负荷（kW）供热负荷（kW）026005200780010400130001560012001400160018001全年小时数026005200780010400130001560012001400160018001电负荷（kW)kWkW全年小时数图7冬季典型日负荷图8夏季典型日负荷表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（万元）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）0.7525224306500130001950026000325001471013161922kW电负荷热负荷0650013000195002600032500390001471013161922全年小时数kW电负荷冷负荷全年小时数谷价电期间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年运行管理费用合计分时电价//6586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（万元）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（万元）费用小计（万元）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。供电天然气市电燃气内燃机余热补燃吸收机高温烟气缸套水排热供冷供生活热水电压缩冷机图9夏季制冷系统原理图供电天然气市电燃气内燃机余热补燃吸收机高温烟气缸套水排热供热锅炉图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180℃时废热排热24.0%小时燃料耗量540Nm3/h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11～13。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（万元）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%建设投资费用9070100.0%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//46935.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(万元)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