1、五棵松文化體育中心冷熱源方案比較北京市建筑設(shè)計(jì)研究院 范瓏 諸群飛 清華大學(xué)建筑技術(shù)系 李輝摘 要：本文對五顆松文化體育中心的三種集中冷熱源方案（城市熱網(wǎng)+電制冷，燃?xì)忮仩t+電制冷、以及熱電冷聯(lián)產(chǎn)）進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性能和技術(shù)性能的分析比較，并根據(jù)工程實(shí)際情況選擇了實(shí)施方案。關(guān)鍵詞：冷熱源 負(fù)荷預(yù)測 熱電冷聯(lián)產(chǎn) 經(jīng)濟(jì)性 方案比較0.引言五棵松文化體育中心總建筑面積約35萬平方米，主要由奧林匹克籃球館、商業(yè)、餐飲、展覽廳、辦公、影院等組成，空調(diào)的冷、熱源消耗量非常大，選擇何種能源形式，不僅關(guān)系到工程建設(shè)的初期投資規(guī)模，還會對今后的運(yùn)營成本產(chǎn)生很大影響。為滿足奧運(yùn)設(shè)計(jì)大綱對節(jié)能與環(huán)保的要求，并充分考慮業(yè)主

2、的經(jīng)濟(jì)利益，我們在工程設(shè)計(jì)初期對冷熱源形式進(jìn)行了一些分析研究。由于很多客觀條件的限制，分析的結(jié)果并沒有完全在工程中實(shí)現(xiàn)。但其分析研究方法，可為一般大型復(fù)雜工程冷熱源的選擇提供一些有益的經(jīng)驗(yàn)。整個(gè)體育中心建筑類型多樣，不同功能建筑的最大負(fù)荷出現(xiàn)在不同時(shí)間，具有一定的互補(bǔ)條件，而且建筑較為集中，能源供應(yīng)比較適合于集中能源站的方式。另外，籃球館在賽時(shí)賽后存在負(fù)荷不穩(wěn)定的問題，如果對其單獨(dú)考慮能源供應(yīng)系統(tǒng)，容易造成設(shè)備投資的浪費(fèi)，而將體育館的能源供應(yīng)統(tǒng)一納入商業(yè)建筑中，不同建筑類型負(fù)荷的互補(bǔ)作用，可以彌補(bǔ)場館建筑負(fù)荷的不穩(wěn)定性，提高能源設(shè)備的利用率和整個(gè)能源系統(tǒng)運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。五棵松體育中心作為北京08

3、年奧運(yùn)會規(guī)劃安排的一處主要比賽場地，其能源供應(yīng)首先應(yīng)保證安全可靠，充分體現(xiàn)“綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)”的理念，還應(yīng)考慮到實(shí)際運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)體育中心周邊現(xiàn)有或規(guī)劃的市政條件及建筑特點(diǎn)，其能源系統(tǒng)的供應(yīng)方式主要有以下幾種可能的方案：l 城市熱網(wǎng)供熱電制冷市政供電l 燃?xì)忮仩t供熱電制冷市政供電l 內(nèi)燃機(jī)熱電冷聯(lián)產(chǎn)電制冷補(bǔ)充市政供電補(bǔ)充其他的冷熱源方案也曾被考慮過，本工程所處位置的地質(zhì)條件很適合做水源熱泵，體育館周圍雖有很大的打井場地，但冷熱負(fù)荷需求大的商業(yè)設(shè)施周圍用地卻比較緊張，難以打足夠數(shù)量的井來滿足冷熱負(fù)荷要求，同時(shí)設(shè)備初投資價(jià)格也偏高，建設(shè)單位難以接受，此方案首先被排除。而電制冷加冰蓄冷的方案也

4、是由于回收期限長、運(yùn)行管理復(fù)雜被業(yè)主否定。1.負(fù)荷預(yù)測負(fù)荷的預(yù)測是進(jìn)行冷熱源方案比較和分析的基礎(chǔ)。在建筑的規(guī)劃階段，一般只能確定該建筑最基本的信息，如建筑的使用功能和相應(yīng)面積等。因而，我們只能在大量的調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)該建筑類型的基本特征，對典型建筑類型的負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)模擬計(jì)算，其原理如圖1和圖2所示。冷熱負(fù)荷的模擬計(jì)算是基于建筑能耗模擬軟件DeST進(jìn)行的，電負(fù)荷的計(jì)算模擬軟件則是在大量實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上而進(jìn)行研究開發(fā)的。圖3圖8為各項(xiàng)負(fù)荷預(yù)測和計(jì)算結(jié)果。表1對各項(xiàng)負(fù)荷的最大值和全年累計(jì)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和匯總，表中電負(fù)荷均不包含冷源耗電；生活熱水配套商業(yè)和籃球館最大值分別為1600kW和2300k

5、W，表中為考慮同時(shí)使用率的數(shù)值。需要說明的是，由于空調(diào)方式特別是冷源的類型，對電負(fù)荷會產(chǎn)生較大影響，而冷源耗電與方案的冷源選擇有關(guān)，因而，在冷熱源方案沒有確定之前，在對電負(fù)荷進(jìn)行模擬時(shí)，先只對不包含冷源耗電的電負(fù)荷進(jìn)行模擬，而最終的電負(fù)荷大小只有在冷源確定之后，才能最終確定。圖1 熱冷負(fù)荷模擬流程圖圖2 電負(fù)荷模擬流程圖熱負(fù)荷(kW)(39000)(26000)(13000)0130002600012001400160018001全年小時(shí)數(shù)冷負(fù)荷(kW)05000130001950026000325003900015011001150120012501全年小時(shí)數(shù)制冷負(fù)荷（kW）供熱負(fù)荷（kW）

6、圖3 整個(gè)體育中心冷熱負(fù)荷圖4 整個(gè)體育中心冷熱負(fù)荷量全年使用小時(shí)數(shù)kW026005200780010400130001560012001400160018001全年小時(shí)數(shù)全年小時(shí)數(shù)026005200780010400130001560012001400160018001電負(fù)荷（kW)kW圖5 整個(gè)體育中心電負(fù)荷圖6 整個(gè)體育中心電負(fù)荷全年使用小時(shí)數(shù)全年小時(shí)數(shù)06500130001950026000325001471013161922kW電負(fù)荷熱負(fù)荷0650013000195002600032500390001471013161922全年小時(shí)數(shù)kW電負(fù)荷冷負(fù)荷圖7 冬季典型日負(fù)荷圖8 夏季典型

7、日負(fù)荷表1 負(fù)荷匯總表最大電負(fù)荷(kW) 12600 全年總耗電量（萬kW.h）5460 最大制冷負(fù)荷(kW)32500 全年總耗冷量（萬GJ）13.9 最大供熱負(fù)荷(kW)22100 全年供暖耗熱量（萬GJ）9.2 最大生活熱水負(fù)荷（kW）3400 全年生活熱水耗熱量（萬GJ）1.7 2.方案1（城市熱網(wǎng)供熱電制冷市政供電）方案1采用城市熱網(wǎng)供熱，并提供利用生活熱水；夏季利用電制冷機(jī)為空調(diào)供冷，全部使用市政供電，此方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2表4所示，其中生活熱水供應(yīng)設(shè)備含在熱力站投資內(nèi)。表2 城市熱網(wǎng)+電制冷方案的設(shè)備投資估算主要設(shè)備類型設(shè)備購置費(fèi)（萬元）電冷水機(jī)組1（2臺2250 kW）

8、260電冷水機(jī)組2（4臺7000 kW）1680水泵260冷卻塔270配電設(shè)備340機(jī)房管道、閥門及輔助設(shè)備200熱力站及備用熱源費(fèi)用650總計(jì)3660表3 城市熱網(wǎng)+電制冷方案的建設(shè)投資估算項(xiàng)目金額（萬元）占建設(shè)投資比例設(shè)備購置及熱力站建設(shè)費(fèi)用366060.3%建筑工程費(fèi)（包括市政管網(wǎng)工程費(fèi)）180029.7%設(shè)備安裝費(fèi)2003.3%工程其它費(fèi)用1502.5%預(yù)備費(fèi)用2604.3%總計(jì)6070100.0%表4 城市熱網(wǎng)+電制冷方案的年運(yùn)行管理費(fèi)用估算項(xiàng)目數(shù)量單價(jià)（萬元）費(fèi)用小計(jì)（萬元）全年買市電（萬kWh）分時(shí)電價(jià)高峰電期間2523 （萬kWh）1.13952875平價(jià)電期間2981（萬kW

9、h）0.75252243谷價(jià)電期間563（萬kWh）0.3875218小計(jì)/5336單一電價(jià)60670.75254565全年供暖費(fèi)用35萬m21010全年生活熱水費(fèi)用1.7萬GJ83141人工管理費(fèi)用/100年運(yùn)行管理費(fèi)用合計(jì)分時(shí)電價(jià)/6586單一電價(jià)/58163.方案2（燃?xì)忮仩t電制冷）方案2中采暖及生活熱水的供應(yīng)采用燃?xì)忮仩t，制冷利用電壓縮制冷機(jī)，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表5表7所示。表5燃?xì)忮仩t+電制冷方案的設(shè)備投資估算主要設(shè)備類型設(shè)備購置費(fèi)（萬元）電冷水機(jī)組1（2臺2250 kW）260電冷水機(jī)組2（4臺7000 kW）1680水泵360冷卻塔270配電設(shè)備380鍋爐及附機(jī)580熱水交換設(shè)備

10、480機(jī)房管道、閥門及輔助設(shè)備250總計(jì)4260表6 燃?xì)忮仩t+電制冷方案的建設(shè)投資估算項(xiàng)目金額（萬元）占建設(shè)投資比例設(shè)備購置費(fèi)426074.9%建筑工程費(fèi)（包括廠區(qū)及管網(wǎng)工程費(fèi)）76013.4%設(shè)備安裝費(fèi)2504.4%工程其它費(fèi)用1803.2%預(yù)備費(fèi)用2404.2%建設(shè)投資費(fèi)用5690100.0%表7燃?xì)忮仩t+電制冷方案的年運(yùn)行管理費(fèi)用估算項(xiàng)目數(shù)量單價(jià)（萬元）費(fèi)用小計(jì)（萬元）全年買市電（萬kWh）分時(shí)電價(jià)高峰電期間2529 （萬kWh）1.13952882平價(jià)電期間2988（萬kWh）0.75252248谷價(jià)電期間565（萬kWh）0.3875219小計(jì)/5349單一電價(jià)60820.7525

11、4577全年買天然氣(萬m3)3902.55995人工管理費(fèi)用/85年運(yùn)行管理費(fèi)用合計(jì)分時(shí)電價(jià)/6429單一電價(jià)/56574.內(nèi)燃機(jī)熱電冷聯(lián)產(chǎn)方案熱電冷聯(lián)產(chǎn)方案的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)部分主要包括燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、余熱型吸收機(jī)，輔助的常規(guī)能源系統(tǒng)部分包括電制冷機(jī)、吸收機(jī)、鍋爐等。熱電冷聯(lián)產(chǎn)的工作原理是：采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電，承擔(dān)體育中心峰平電期間的基本負(fù)荷，不足電量由市電補(bǔ)充；在發(fā)電同時(shí)，回收其排放廢熱及冷卻水熱量，用于供熱和制冷。發(fā)電動力系統(tǒng)采用多臺高效燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組合形式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部分負(fù)荷下的高效運(yùn)行，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性；制冷系統(tǒng)采用吸收機(jī)利用內(nèi)燃機(jī)排放的中高溫廢熱制冷，不足冷量由常規(guī)制冷方式來補(bǔ)充（圖9所示）

12、。供熱系統(tǒng)采用回收機(jī)組冷卻水熱量及煙氣廢熱，不足熱量由燃?xì)忮仩t或直燃機(jī)補(bǔ)足。整個(gè)方案的突出技術(shù)特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)能源的梯級、高效利用，保證聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（圖10所示）。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行策略總原則是：峰平電期間發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行，不足電量由市電補(bǔ)充，谷電期間發(fā)電機(jī)停機(jī)買電；過渡季節(jié)，采取以熱定電的原則。圖9 夏季制冷系統(tǒng)原理圖圖10 冬季供熱系統(tǒng)原理圖本方案選用2臺單機(jī)電功率在2200kW左右的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，其單臺發(fā)動機(jī)額定性能參數(shù)如下表8：表8 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)額定性能參數(shù)表燃料天然氣電功率2188kW發(fā)電效率40%冷卻水排熱20.0%排氣至180時(shí)廢熱排熱24.0%小時(shí)燃料耗量540Nm3/h制冷系統(tǒng)

13、除了聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的余熱吸收機(jī)外，輔助設(shè)備可選用電壓縮冷機(jī)與直燃機(jī)的組合形式；供熱系統(tǒng)除了煙氣和缸套水供熱外，還可選用直燃機(jī)和鍋爐作為輔助供熱設(shè)備，主要的設(shè)備參數(shù)和全年能源系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)如表9和表10所示，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1113。表9 主要設(shè)備參數(shù)表類別熱力設(shè)備數(shù)量分項(xiàng)總?cè)萘柯?lián)產(chǎn)系統(tǒng)余熱補(bǔ)燃型吸收機(jī)2臺制冷(kW)4500供熱(kW)5000常規(guī)輔助設(shè)備直燃冷溫水機(jī)2臺制冷(kW)5000供熱(kW)6300燃?xì)忮仩t3臺供熱(kW)14000電壓縮制冷4臺制冷(kW)23000表10 全年能源系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)全年運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)全年發(fā)電機(jī)總發(fā)電量(萬kW.h)2139 其中： 高峰電（萬kW.h）1098

14、 平價(jià)電（萬kW.h）1041 低谷電（萬kW.h）0全年總買電量(萬kW.h)3815 其中： 高峰電（萬kW.h）1310 平價(jià)電（萬kW.h）1791 低谷電（萬kW.h）714全年耗燃?xì)饬?萬m3)817 折合發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)4888表11聯(lián)產(chǎn)方案的設(shè)備投資估算主要設(shè)備類型設(shè)備購置費(fèi)（萬元）內(nèi)燃發(fā)電機(jī)及配套設(shè)備（2臺 2188 kW）3000余熱補(bǔ)燃吸收機(jī)（2臺 2250 kW）600直燃冷溫水機(jī)（2臺 2250 kW）700電冷水機(jī)組1（3臺 7000 kW）1260電冷水機(jī)組2（1臺 1900 kW）110水泵300冷卻塔330配電設(shè)備260機(jī)房管道、閥門等輔助設(shè)施280鍋

15、爐及附機(jī)320總計(jì)7160表12聯(lián)產(chǎn)方案建設(shè)投資估算表項(xiàng)目金額（萬元）占建設(shè)投資比例設(shè)備購置費(fèi)716078.9%建筑工程費(fèi)（包括廠區(qū)及管網(wǎng)工程費(fèi)）7608.4%設(shè)備安裝費(fèi)3403.7%工程其它費(fèi)用4304.7%預(yù)備費(fèi)用3804.2%建設(shè)投資費(fèi)用9070100.0%表13聯(lián)產(chǎn)方案的年運(yùn)行管理費(fèi)用估算項(xiàng)目數(shù)量單價(jià)（萬元）費(fèi)用小計(jì)（萬元）全年買市電（萬kWh）分時(shí)電價(jià)高峰電期間1310 （萬kWh）1.13951493平價(jià)電期間1791（萬kWh）0.75251348谷價(jià)電期間714（萬kWh）0.3875227小計(jì)3815/3118單一電價(jià)38150.75252871全年買天然氣(萬m3)257/

16、5602.55/1.551523發(fā)電機(jī)維護(hù)費(fèi)用/214人工管理費(fèi)用/85年運(yùn)行管理費(fèi)用合計(jì)分時(shí)電價(jià)/4939單一電價(jià)/46935.總結(jié)5.1 經(jīng)濟(jì)性能評價(jià)按照北京市的分時(shí)電價(jià)和目前如采用常規(guī)電制冷實(shí)行的單一電價(jià)計(jì)算出的運(yùn)行費(fèi)用和回收年限見表14、15。表14 投資及運(yùn)行費(fèi)用一覽表方案建設(shè)投資費(fèi)用(萬元)年運(yùn)行管理費(fèi)用(萬元)分時(shí)電價(jià)單一電價(jià)方案1（城市熱網(wǎng)+電制冷方案）607065865816方案2（燃?xì)忮仩t+電制冷方案）569064295657熱電冷聯(lián)產(chǎn)方案907049394693表15 增量投資回收年限一覽表項(xiàng)目增加的投資（萬元）年減少的運(yùn)行費(fèi)（萬元）增量投資回收年限（年）分時(shí)電價(jià)單一電價(jià)

17、分時(shí)電價(jià)單一電價(jià)三聯(lián)供方案相對方案13000164811241.822.67 三聯(lián)供方案相對方案2338014909632.273.51 盡管不同電價(jià)的計(jì)算方案造成運(yùn)行成本有顯著變化，但燃?xì)忮仩t方案要略優(yōu)于城市熱網(wǎng)方案，這主要是由以下兩方面原因造成的：由于體育中心周圍原無城市熱網(wǎng)管線，引入管線增加了市政外網(wǎng)的投資，使得此方案投資偏高；由于體育中心建筑以商業(yè)建筑為主，熱負(fù)荷較小，如果采用按面積收費(fèi)的城市熱網(wǎng)供熱方式，運(yùn)行費(fèi)用也偏高。方案3的選擇充分考慮了發(fā)電機(jī)組與市電連接的困難因素，只向內(nèi)部供電，不向電網(wǎng)輸送電力，所以采用了最小規(guī)模的發(fā)電裝機(jī)容量，只要滿足最小電負(fù)荷要求即可，冷熱量不足部分由鍋爐

18、和電制冷機(jī)負(fù)擔(dān)，這在一定程度上增加了初投資和購電成本，減少了收益。5.2 技術(shù)性能評價(jià)三個(gè)方案的供冷方式區(qū)別很小，技術(shù)評價(jià)應(yīng)主要集中在供熱方面。方案1（城市熱網(wǎng)+電制冷）是常規(guī)的冷熱源方案，在北京城市熱網(wǎng)能夠覆蓋的地區(qū)，大多采用此方案，其主要優(yōu)點(diǎn)是：市政熱力供熱可靠；熱電廠的熱量是發(fā)電余熱，能源利用率高；熱交換站建設(shè)位置及規(guī)模基本不受限制，可以盡可能靠近負(fù)荷中心建站，熱量輸送能耗??；用戶側(cè)設(shè)備簡單，運(yùn)行管理方便，還可委托專業(yè)公司代管。此方案的缺點(diǎn)是：供暖按面積收費(fèi)，高大空間(高度超過4米)按雙倍收費(fèi)，這對于自由熱較大的商業(yè)建筑來說很不合理；外網(wǎng)建設(shè)成本高，部分市政管線的建設(shè)投資要由用戶分?jǐn)偅竟こ逃玫刂車挥幸?guī)劃熱力管線，如果用熱需要較高的室外熱網(wǎng)投資，這也是初投資成本高的主要原因；冬季開始供暖和結(jié)束供暖的時(shí)間有規(guī)定，不能完全按照實(shí)際需求運(yùn)行；夏季市政熱網(wǎng)有檢修期，生活熱水供應(yīng)不能間斷的用戶需要設(shè)置備用熱源，也增加了初投資費(fèi)用。方案2（燃?xì)忮仩t電制冷）是較為經(jīng)濟(jì)的方案，用戶完全可以按照需要決定供熱運(yùn)行時(shí)間；所負(fù)擔(dān)的燃料費(fèi)用清楚，可以根據(jù)消耗控制運(yùn)行成本；運(yùn)行管理