南京市建筑设计研究院有限责任公司 王文武 张建忠 杨剑峰
【摘 要】本文简述了低碳生态城区可再生能源利用形式及特点，研究将建筑群污水低温冷源、土壤源、太阳能、全年供冷的建筑内区热量、大型数据机房显热等可再生能源耦合成能源微网系统来加热能源中心源水，从而保证热泵机组在极端天气条件下安全高效的运行。并以南京某生态新城区域能源站为例，重点分析和计算了建筑污废水利用措施、流量及回收热量，为设计此类管网系统提供一定参考。
【关键词】能源微网 多能互补 建筑污废水 能源站源水 热泵
0 能源微网
未来低碳生态城区能源系统的技术路线——产能、供能、用能、蓄能和节能相互协调统一，它很像信息互联网，把分散的用能和分布式的产能互相连通、实现共享。因此，在低碳生态城区层面，我们要构建的是一种能源微网，即融合了电力微网、热力微网和信息网的能源互联网[1-3]。
1 低碳生态城区多能互补措施及利用形式
1.1 污废水资源建筑群污水通常流量
稳定且十分充足，冬季污水温度保持在15~18℃，高出室外空气温度与秦淮河水温度，也高出江水最冷月平均温度，在夏季污水温度保持在18~24℃，低于室外空气温度与秦淮河水温度，城市污费水是一种优良的低温冷源[4-6]。
1.2 太阳能资源
是一种高效清洁的能源，每栋建筑都有一定的可利用太阳能资源。太阳能光伏发电可以用于驱动热泵或蓄热电锅炉，太阳能热水可以直接供暖，也可用于预热水源热泵系统源水。由于源水冬季温度较低，太阳能预热水源热泵系统源水可以有较高的换热效率，同时显著提高水源热泵系统能效。
1.3 建筑预热资源
大型的建筑群，建筑类型较多，某些建筑存在空调系统的内外区，要求空调系统全年供冷的建筑及具有高显热的大中型计算机、数据机房越来越多。因此回收冬季建筑内区的热量及计算机数据机房的热量具有明显的经济效益。
1.4 多能互补利用形式
南京某低碳城区能源区域供能项目，有4个能源中心站，也分别应用可再生能源、水蓄冷、冰蓄冷及能源管理等技术，能源中心冷源采用了多种冷热源形式耦合的特点，其中大量采用水源热泵机组，热泵机组冬季运行时，蒸发侧的温度不能过低，否则机组停机保护，无法运行，查阅相关资料，当源水温度低于5.5℃时，水源热泵机组无法运行。根据南京某水源厂停提供的数据显示，南京极端天气时，秦淮河中的水温低于5.5℃，导致能源站水源热泵机组无法运行。可将建筑群污水低温冷源、土壤源、太阳能、全年供冷的建筑内区热量、大型数据机房显热等可再生能源耦合成能源微网系统来加热能源中心源水，从而保证热泵机组在极端天气条件下安全高效的运行。
图1 多能互补利用形式
2 低碳生态城区污废水利用方式及流量分析
以城市污水及管网为基础，采用两种方式回收污水管网中的能量：
（1）合理规划污水与源水管网，使污水管网与源水管网在一定区域内并排一同敷设，中间采用导热系数较高的材料回填，回收污水管网中的能量，对源水进行预热。如图1所示。
（2）在源水进入能源中心之前，沿途设置若干换热机房，就近抽取部分源水及污水，通过板式换热器将江水的源水进行预热，原理示意如图2、图3所示。
图2
图3
图4
此生态城区综合考虑建筑业态、冷热负荷密度等因素，将服务区域分成四个供能分区，每个分区负荷中心设置1座区域能源中心，四个能源中心服务面积统计分别如表1：
表1 各能源中心服务面积
根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003，取住宅用水定额为300L/人.d，每家3.5人，办公取人员密度为0.1428人/m2，用水定额取50 L/人.d，商业用水定额取8 L/人.d，排水量去给水量的90%，则该低碳城区排水量如表2：
表2 各能源中心服务区域排水量
经计算，生态城区整个区域合计排污水量为0.85m3/s。相关资料研究表明[4] [6]，建筑污水中大约40%的排水可回收供能源中心使用，故此区域可使用污水量为0.34 m3/s。
3 能源微管网回收能量分析
能源中心源水取自南京秦淮河，特针对秦淮河的水温变化情况作了调研，下面是秦淮河某水源监测站提供的2018年水温情况：
表3 某水监测站2018年秦淮河水温变换情况
图5 源水月平均水温变化情况
图6 源水月最低水温变化情况
根据监测站提供的数据显示，南京极端天气时，秦淮河中的水温低于5.5℃，导致能源站水源热泵机组无法运行。
极端天气条件下，假定源水温度取5.5℃，查阅相关资料与文献，源水管网与污水管网沿途一同敷设可提升0.15℃，在沿途的热交换机房设置太阳能辅助加热系统，经初步计算，可把源水提高0.15℃，全年供冷的建筑内区热量、大型数据机房显热可把源水提升0.2℃；进入沿途换热站的源水温度可达6.0℃。设定源水经过能源中心热回收后温度为6.4℃，污水进入能源中心板换机组为16℃，出机组为9℃。4个能源中心共设计5.8m3/s的源水，经计算，把6m3/s的源水从6.0提升到6.4℃，共需要0.331m3/s的污水。由上节计算可用污废水量知，污废水流量可满足要求。
能源微网多能互补技术措施可把极端天气条件下的源水从5.5℃提升至6.4℃，共计回收22680kW热量。假定回收热量以空气源热泵来提供，空气源泵COP取2.7，则可节省8400kW的电。假定能源中心一天运行10h，则每天可节省84000kW.h电量，折合标准煤27.72t（电厂发电效率为42%，煤耗量统计数据为：330g/kW.h）[7] 。
参考文献
[1] 龙惟定.绿色生态城区的智能能源微网[J].暖通空调.2013(10)
[2] 龙惟定编著.城区需求侧能源规划和能源微网技术.上海:中国建筑工业出版社,2016
[3] 龙惟定.需求侧能源规划顺应供给侧结构改革——写在《城区需求侧能源规划和能源微网技术》前面的话[J].暖通空调.2016(06)
[4] 许文君.城市排水系统的整合与优化研究[D].扬州大学.2012
[5] 李迅.低碳生态城市:我们共同追求的未来——对其现状发展与未来趋势的思考[J].城市管理与科技.2012(04)
[6]王志明. 城市排水系统低品位热能利用方式研究[D].北京建筑大学,2017.
[7]张浩,徐长周,李娉婷.吸收式热泵在供热应用中的高效化研究[J].机电信息,2013(10):95-97.
[8] European Heat Pump Association.Smart cities andaspects of heat pump integration. EuropeanHeat Pump News.201
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
