李骥，男，出生年月：1983年12月，职称：高级工程师，2009年7月毕业于中国建筑科学研究院暖通空调专业，工作单位：中国建筑科学研究院，长期从事区域能源规划与设计。主要设计代表作品：青岛海都国际水源热泵工程、APEC会议主会场雁栖湖会议中心水源热泵工程等。
优秀项目成果展示：
设计时间：2013年08月～2014年08月
工程竣工日期：2014年08月
设计单位：中国建筑科学研究院环能院
主要设计人：李骥
本文执笔人：李骥
获奖等级：一等奖
一、工程概况
本项目名称为无锡软件园能源站项目，坐落于无锡（太湖）国际科技园。项目建设的目的为满足江苏外包产业园三期D地块的4栋办公建筑（A、B、C、D楼）采暖空调需求。
图1 江苏外包产业园二期、三期总平面图
4栋办公建筑中A楼采暖空调面积51807 m2，B楼采暖空调面积49395 m2，C楼采暖空调面积23447 m2，D楼采暖空调面积15794 m2，合计140443 m2。
项目拟采用污水源热泵系统满足上述需求。在A建筑的预留机房内建立水源热泵能源站一座。在本项目周边已经建设运行有污水厂一座，污水拟通过在建的污水泵房取水，流入能源站，作为能源站的低位热源。
本项目采用区域能源建设方式，由投资主体对能源站进行投资建设，通过后期运营实现投资收益。
本项目建设内容包括区域供冷（热）能源站工程和相应的污水、空调水管路以及相应的配套设施等。本次设计不包含末端设计，设计范围为出能源站1米。本次设计包含内容如下：
●能源站冷热源以及水泵、水处理、阀门、管路等配套设备；
● 能源站配电自控等；
● 末端用户冷热计量装置；
● 空调蓄能水池；
● 污水管路（目前已引至机房周边）；
● 阀门井（中远期规划预留）；
● 机房隔声降噪措施。
二、工程设计特点
本项目设计过程中，主要设计特点和创新点如下：
1）本项目跟踪监测项目实际运行数据，保证系统高效运行，达到设计目的
本项目设计完毕后，设计单位跟踪了项目的实际运行1年以上，获取了项目全年实际运行数据。
根据2015年7月（夏季典型月）和2016年1月（冬季典型月）逐时运行监测数据可知，系统夏季运行COP达到3.7，冬季运行COP达到2.8。与理论模拟计算值差距在10%左右，这是由于本项目在当时入住率还不高，仅达到60%左右。在保证入住率的前提下，本项目的系统能效有望进一步提升，最终达到设计目的，实现系统的高能效。
2）进行了区域能源供应建筑的逐时负荷计算
建筑负荷动态计算是后续设备选型、方案比对以及能源系统设计的前提。只有在充分合理的掌握建筑动态负荷的前提下，建筑的能源方案才能做到合理高效，既定的节能和经济效益才能得到实现。本项目计算采用较为权威的动态能耗模拟计算软件TRNSYS。在TRNSYS的平台上进行建筑物建模，划分热区，计算建筑逐时冷热负荷。
建立模型和计算结果汇总如图2和图3。
图2 4栋楼逐时负荷计算物理模型
图3本项目单位面积逐时负荷
3）进行了污水资源的详细（逐时）调研、分析、评估以及方案论证
污水源热泵系统的成功设计和良好运行必须建立在对源测污水水质、水量以及水温数据充分掌握并细致分析的前提下。国内很多污水源热泵运行失败的原因多数都是由于前期对水质调研不充分或者论证不详细，导致后期运行中出现难以挽回的后果。本项目进行污水源热泵设计，进行了大量的污水资源数据调研（1年逐时数据），并在此基础上对污水源热泵方案进行了详细论证。
污水水质：与其它热源相比，污水源热泵技术的关键点和难点在于防堵塞、防污染与防腐蚀。而防堵塞、防污染与防腐蚀等技术难点又与水质密切相关。本项目污水水质为国家排放标准一级A，水质参数如表1。
表1 污水水质参数表
通过调研类似实际运行的污水源热泵项目经验（5年以上）发现：在本项目污水水质条件下，对于某些品牌设备污水可以直接进入热泵机组。综合本项目情况，采用了污水直接进入机组的方案，免去了加设换热器的需求，大大节约了初投资的同时节省了大量机房面积。
污水水温：污水源热泵冬季从污水中提取热量，夏季从污水中提取冷量。污水温度是污水源热泵技术的关键参数。本项目通过从污水厂实时监测数据整理后得到的污水厂逐日平均温度如图4。由图可得，在监测年内污水温度全年最高为27.7℃，最低为9.8℃，是水源热泵良好的低位热源。
图4 污水资源全年温度
污水流量：污水资源量的多寡直接决定了可以利用的低品位能源的数量，进而决定了水源热泵应用的规模。通过对污水厂实时监测数据整理后得到得污水厂典型日逐时流量如图5。
图5 污水厂典型日逐时流量
4）设计方案中综合多项创新节能技术，做到了合理匹配和耦合
本项目采用污水源热泵结合蓄冷蓄热技术。蓄冷蓄热技术在利用峰谷电价降低运行费用的同时削减装机容量（20%以上）。要做到水源热泵和蓄冷蓄热技术的合理匹配和耦合，必须基于逐时负荷计算的前提，在此基础上在设计阶段做好典型设计日的运行模式分析。
图6 夏季设计日每小时的蓄冷量、放冷量及供冷量
图7 冬季设计日每小时的蓄冷量、放冷量及供冷量
蓄能水池通过连接到负荷侧并联母管上的方式来实现蓄能。3台主机设备兼做蓄能设备，互为备用。在运行中根据设备实际效率决定蓄能设备的开启。释能通过板式换热器与用户侧连接。在低负荷段可以开关电动阀来单独供冷。蓄能主机为一用两备，在主机故障时通过电动阀切换完成另外一台主机的蓄能模式。
5）进行了蓄冷、蓄热布水器的优化设计
本项目为节省初投资，利用原有地下车库空间建设蓄冷蓄热水池。水池形状非常不规则（如图8），布水器设计较为复杂。本项目在详细计算的前提下，进行了布水器蓄冷和蓄热工况的优化设计。
图8 本项目水池形状（1500m3）
6）进行了系统全年逐时能耗计算并进行了项目财务分析
本项目为投资项目，项目的经济分析是必须建立在对系统能效充分掌握的前提下。本项目在逐时负荷计算的前提下，在能耗模拟软件TRNSYS中建立了系统能耗计算模型，对系统的运行能耗进行了全年逐时计算。
图9本项目水源热泵全年逐时能耗计算模型
图10 污水源热泵系统全年逐时能耗计算结果
通过计算系统冬季系统综合COP为3.25，夏季系统综合COP为4.02。
在此基础上，对本项目进行财务分析。在现有价格体系及计算基准下，总投资收益率为7.3%，资本金净利润率14.0%，项目投资财务内部收益率（税后）为11.0%，财务净现值498万元，投资回收期（税后）8.61年，资本金财务内部收益率12.7%。
7）高效输配系统确保能源站运行效率
本项目负荷侧采用一、二级泵系统，一级泵满足机房内阻力需求。二级泵满足末端循环阻力需求，二级泵根据最不利末端压差进行变频。运行时，污水取水泵、一级循环水泵与主机采用一一对应的方式，即1台主机各自对应1台一级循环泵、1台污水取水泵。一级循环水泵安装变频器，在初调时调到某一频率后定频运行。二级循环泵根据对应区域最不利末端压差变频运行。
考虑到污水进入能源站压力的波动，污水取水泵变频方式为恒定水泵出口压力来调节水泵工作频率。系统中蓄能/释能泵、释能二次泵均安装变频器。蓄能时，在初调到某一频率后定频运行。释能时，蓄能/释能泵根据进入水池温度变频运行。
8）基于逐时负荷分析，合理定位设备负荷等级，降低变压器容量
本能源站属于区域性采暖换热站，站房内用电负荷为热泵机组、循环水泵、补水泵等。本项目原定设计全部设备均为二级电负荷，在此基础上变压器容量较大，增投资较大。结合前述逐时建筑负荷分析可知，系统中90%时刻负荷均在75%负荷以下。因此，与业主商议将其中一台主机和其对应的设备定义为三级负荷，其余设备均为二级负荷。
根据《10kV及以下变电所设计规范》“装有两台以上变压器的变电所，当其中一台变压器断开时，其余变压器的容量应满足一级负荷及二级负荷的用电。”的要求选择变压器的容量。根据二级负荷选择变压器的容量，变压器负荷率的计算为78.6%。
为了两台变压器的负荷均衡将二级负荷均衡地安排在两台变压器上。两台变压器的负荷和负荷率的计算分别为60.1%和70.31%。
三、设计参数及空调冷热负荷
本项目位于江苏省无锡市，工程项目室外设计参数为：
夏季空调室外计算干球温度： 34.8℃
夏季空调室外计算湿球温度： 28.1℃
夏季通风计算干球温度： 31.2℃
夏季空调计算相对湿度： 69%
冬季空调室外计算干球温度： -4.1℃
冬季通风室外计算干球温度： 2.4℃
冬季空调计算相对湿度： 76%
能源站供应建筑室内设计参数为：
根据全年逐时负荷计算结果，本项目峰值冷负荷为110W/m2，总冷负荷为15.4MW，全年累积冷负荷为10938843kWh；本项目峰值热负荷为75W/ m2，总热负荷为10.8MW，全年累积热负荷为4526444kWh。
四、空调冷热源及设备选择
本项目采用污水源热泵作为暖通空调系统的冷、热源。本项目污水源热泵机房位于A办公楼地下二层，采暖空调采用2台水源热泵机组和一台冷水机组。2台热泵机组单台设计制冷量为3199.91kW，设计制热量为3300.00kW；1台冷水机组，单台设计制冷量为3199.91kW。冬季运行2台热泵机组采暖，夏季运行2台热泵机组和1台冷水机组空调。设计工况下，水源测夏季进出水温度为27/32℃，冬季进出水温度为10/5℃。设计工况下用户侧夏季进出水温度为12/7℃，冬季进出水温度为40/45℃。水源热泵与冷水机组控制策略：机组优先根据末端负荷进行台数控制，然后进行无级调节。单台调节能力为10%--100%。冷热源设备参数如表2.
为了利用峰、谷电价差节约运行费用，本工程采用部分负荷水蓄能系统，蓄冷蓄热水池为1500 m3.蓄能水池在峰值负荷段采用与主机串联方式运行来联合供冷，夏季承担约20%峰值负荷。夏季设计日总蓄冷量为10158kWh，蓄冷温度为4℃，释冷温度为11℃。冬季蓄热温度为49℃，释热温度为42℃，冬季设计日总蓄热量为10158kWh。
表2 冷热源设备
五、空调系统形式
本项目设计范围为区域能源站冷、热源系统（含站外源侧供回水管）施工图设计。本次设计用户侧范围为甲方投资界面，即空调管进出能源站1米处。末端设计部不包含在本次设计范围内。
六、自控设计
自控系统采用集散型（DCS）结构，实现集中管理、分散监控的技术目标。系统由控制工作站（上位机）、末端控制器（下位机）和现场采集设备三部分组成。上位机以图形和菜单的方式提供友好的人机界面。系统实时监测冷热源系统中的压力、温度和设备运行的状态,设备故障时报警，方便对系统运行进行管理。
在能源站的电源侧设置了电表能够监视电源的电压、电流、电量等参数，数据逐时存入数据库。
在污水源板换的一次侧设冷/热量表；在能源站的空调送、回水管上设冷/热量表，采集进出系统的冷热量参数，数据存入数据库。由上述数据形成的逐时、逐月、逐年的大数据为日后分析整个系统的运行情况和节能的情况提供有力的支持。
七、心得与体会
本项目为无锡软件园能源站项目，能源系统采用污水源热泵 蓄能 辅助冷源的集中能源站形式，进行建筑空调、采暖的供应，能源利用效率高，节能效果明显。本项目的实施属于清洁能源和可再生能源的应用，在节约能源的同时对常规能源消耗有较大的替代作用，减少了污染物的排放，缓解了环境危机。项目的实施能给项目建设单位带来较好经济收益的同时形成较大的社会影响力。自2015年4月调试投入使用至今，能源系统运行稳定，基本达到设计预期效果，系统操作灵活、管理便捷、节能显著。蓄能系统充分利用电力的峰谷差进行蓄能，降低了机组装机容量，减少了初投资，节约了运行费用，起到了移峰填谷合理用电的积极作用。
一个优秀的设计必须建立在前期数据调研充分，设计过程中计算和分析详实，后期有良好的调试和运营的基础上。只有基于此，设计的意图才能得到真实的体现，既定的收益才能如期实现。本项目从前期方案阶段即进行了大量数据调研，设计过程中分析计算充分详实，后续将能耗模拟数据和运行数据比对，项目的良好运行得到了有力保障。
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