孫強(qiáng) 劉明生

哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院

一種新型區(qū)域熱/冷/水聯(lián)供系統(tǒng)

孫強(qiáng) 劉明生

哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院

本文闡述了一種新型的區(qū)域聯(lián)合供熱、供冷及供水的能源供應(yīng)系統(tǒng)——城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)高效直接地將建筑冷熱量移位互補(bǔ)利用的思想，闡述了該系統(tǒng)分級水處理的思想，闡述了該系統(tǒng)將區(qū)域供熱、供冷與供水三個管網(wǎng)的功能用一個大管網(wǎng)代替的管網(wǎng)形式，闡述了該系統(tǒng)用戶側(cè)分質(zhì)供水的理念，即提供用戶直接飲用水、生活一般用水、生活熱水和雜用水，同時也闡述了該系統(tǒng)各子系統(tǒng)的組成、設(shè)計實(shí)施方案以及系統(tǒng)控制策略。

城市大熱容水環(huán)系統(tǒng) 分質(zhì)供水 可再生能源

為了充分利用區(qū)域內(nèi)的可再生及可回收利用能源，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)建筑冷熱量之間的移位互補(bǔ)利用，從而減少化石能源的消耗[1]；降低水廠水處理費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水，合理利用區(qū)域水資源，滿足人們對飲用水不斷增長的需求[2]。本文提出了一種新型的區(qū)域熱、冷和水聯(lián)供系統(tǒng)——城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)。本文首先詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)區(qū)域分級水處理、區(qū)域內(nèi)建筑冷熱量移位互補(bǔ)利用以及充分利用區(qū)域內(nèi)可再生和可回收利用能源的主要思想；其次，闡述了該系統(tǒng)各子系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)中主要部件的組成并闡述了區(qū)域分級水處理和區(qū)域內(nèi)建筑冷熱量移位互補(bǔ)利用的具體實(shí)施方案；最后，闡述了系統(tǒng)運(yùn)行控制策略。

1　城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)的概述

城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)是指將水廠的原水進(jìn)行區(qū)域分級水處理，從而向區(qū)域用戶供應(yīng)不同水質(zhì)的水（包括直接飲用水、生活一般用水、生活熱水和雜用水），同時利用水源熱泵將管網(wǎng)中的水作為蓄熱和取熱的載體，輔以區(qū)域中常規(guī)能源以及可再生和可回收利用能源進(jìn)行區(qū)域供熱供冷。該系統(tǒng)的思想主要包括區(qū)域分級水處理、區(qū)域內(nèi)建筑冷熱量移位互補(bǔ)利用和充分利用區(qū)域中可再生和可回收利用能源。

區(qū)域分級水處理分為初級、中級和高級水處理（圖1），初級水處理在水廠處完成，中級和高級水處理在區(qū)域用戶處完成。初級水處理是原水在水廠處進(jìn)行常規(guī)混凝、過濾和沉淀處理使其達(dá)到冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，通過管道輸送給區(qū)域用戶，用于建筑沖廁用水，清洗路面、澆灌綠地用水以及作為區(qū)域用戶供冷供熱的冷熱源。中級水處理是將管道中經(jīng)初級水處理的水在區(qū)域用戶處通過水處理設(shè)備進(jìn)一步處理使其達(dá)到一般飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，一部分經(jīng)加熱作為生活用熱水（用于洗澡等），一部分作為生活一般用水（用于洗滌等）。高級水處理是將經(jīng)中級水處理的水在區(qū)域用戶處再深度處理，使其達(dá)到優(yōu)質(zhì)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，作為直接飲用水。

圖1　區(qū)域分級水處理流程圖

區(qū)域中建筑冷熱量移位互補(bǔ)利用是指當(dāng)區(qū)域中的建筑有不同的冷熱量需求時，需要用冷的建筑可以通過水源熱泵將熱量轉(zhuǎn)移到水中，再通過管道系統(tǒng)將熱量轉(zhuǎn)移給需要用熱的建筑；需要用熱的建筑提取水中的熱量，再將取熱后溫度降低的水通過管道系統(tǒng)供給需要用冷的建筑，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域建筑之間的冷熱量移位互補(bǔ)利用。

區(qū)域中可再生和可回收利用能源的利用是指該系統(tǒng)充分利用區(qū)域中的地表水作為區(qū)域供冷供熱的冷熱源，同時可以利用區(qū)域中可再生、可回收以及未利用能源（包括污水熱能，太陽能等）作為輔助供熱的熱源。

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：三源合一、三網(wǎng)合一、三用合一?！叭春弦弧笔侵冈撓到y(tǒng)充分利用區(qū)域中的高密度及低品位的水作為冷熱源，同時將區(qū)域中可再生及可回收利用能源和常規(guī)石化能源作為輔助能源；“三網(wǎng)合一”是指該系統(tǒng)利用一個大管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱、供冷和供水三種管網(wǎng)的功能，從而代替了區(qū)域供熱、供冷和供水三個市政管網(wǎng)；“三用合一”是指該系統(tǒng)可以滿足建筑內(nèi)用戶用熱、用冷以及用水的需求。

2　系統(tǒng)組成及實(shí)施方案

城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的組成，見圖2。在水廠處包括取水泄水系統(tǒng)和初級水處理系統(tǒng)；在系統(tǒng)管網(wǎng)處包括大熱容水環(huán)管網(wǎng)系統(tǒng)和蓄能系統(tǒng)；在用戶處包括中高級水處理系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)和輔助供冷供熱系統(tǒng)。

圖2　城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)的子系統(tǒng)組成

城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的主要部件組成，見圖3。取水泄水系統(tǒng)主要包括取水水泵、蓄水池和泄水發(fā)電機(jī)等；初級水處理系統(tǒng)主要包括在水廠處進(jìn)行混凝、過濾、沉淀的設(shè)備等；大熱容水環(huán)管網(wǎng)系統(tǒng)主要包括兩個管道（供水管和穩(wěn)壓水管）、供水水泵和補(bǔ)水水泵、定壓裝置（如壓力罐）和泄壓控制閥門；蓄能系統(tǒng)包括蓄能水箱、壓差傳感器、蓄能水泵；中高級水處理系統(tǒng)包括中級和高級水處理設(shè)備；水源熱泵系統(tǒng)包括水源熱泵機(jī)組、供熱供冷控制閥門和水泵；輔助供冷供熱系統(tǒng)包括冷水機(jī)組、鍋爐、太陽能熱水系統(tǒng)和污水源熱泵系統(tǒng)等。

圖3　城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)的示意圖

區(qū)域分級水處理的具體實(shí)施方案是利用取水水泵將河流湖泊等的地表水提升到城市水廠地面高度，在水廠處將地表水進(jìn)行初級水處理（包括混凝、過濾和沉淀等），把水處理到換熱器進(jìn)水的水質(zhì)要求，達(dá)到冷卻水處理標(biāo)準(zhǔn)，利用供水水泵將經(jīng)初級水處理的水輸送到區(qū)域用戶，作為用戶供冷和供熱的冷熱源以及用于對水質(zhì)要求不高的場所如城市綠化、清洗路面以及建筑中衛(wèi)生器具用水等；用戶側(cè)，利用中級水處理設(shè)備將管網(wǎng)中的水進(jìn)一步處理到生活一般用水的水質(zhì)要求，達(dá)到一般飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)中級水處理的水一部分經(jīng)過水源熱泵機(jī)組提升水溫，升溫后的水利用管道直接輸送到用戶，作為生活熱水；再將經(jīng)中級水處理的水通過高級水處理設(shè)備進(jìn)行深度水處理，處理到直接飲用水的水質(zhì)要求，達(dá)到優(yōu)質(zhì)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，利用管道直接輸送到用戶，作為直接飲用水。

區(qū)域建筑冷熱量移位利用的具體實(shí)施方案是在水廠處通過管道輸送經(jīng)初級水處理的水到區(qū)域用戶，大熱容系統(tǒng)管道由兩根管道組成，一根為供水管，另一根為穩(wěn)壓水管。夏季供水管為空調(diào)用冷源，穩(wěn)壓水管為空調(diào)用熱源；冬季供水管為空調(diào)用熱源，穩(wěn)壓水管為空調(diào)用冷源。在用戶側(cè)，當(dāng)用戶需要供冷時，需提取作為空調(diào)用冷源水管的水，經(jīng)換熱后溫度升高的水排入到作為空調(diào)用熱源的水管中；當(dāng)用戶需要供熱時，需提取作為空調(diào)用熱源水管的水，經(jīng)換熱后溫度降低的水排入到作為空調(diào)用冷源的水管中。當(dāng)某一管道在某一時間段內(nèi)存在大量過剩的冷熱量時，可以將其儲存到蓄能水箱中，當(dāng)管道中需要大量的冷熱量時，可以將蓄能水箱的水注入到相應(yīng)的管道中。

3　系統(tǒng)控制

城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)的控制包括管網(wǎng)水溫控制、用戶側(cè)輔助供熱供冷系統(tǒng)控制、管網(wǎng)壓差控制、蓄能控制和管網(wǎng)泄水控制。

城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)的管網(wǎng)水溫要求控制在5～40℃之間。管網(wǎng)中水的水溫不應(yīng)低于5℃，以免管網(wǎng)中水溫太低影響水源熱泵機(jī)組正常運(yùn)行；同時要保持管網(wǎng)水溫不高于40℃，防止管道中細(xì)菌迅速滋生堵塞管道。

用戶側(cè)輔助供熱供冷系統(tǒng)控制與管網(wǎng)水溫以及用戶側(cè)負(fù)荷有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)無法完全滿足用戶供熱需求時（如管道中水溫低于5℃或用戶側(cè)出現(xiàn)熱負(fù)荷高峰時段等），用戶側(cè)需開啟輔助供熱系統(tǒng)（如鍋爐，太陽能熱水系統(tǒng)，污水源熱泵系統(tǒng)等）；當(dāng)系統(tǒng)無法完全滿足用戶供冷需求時（如管道中水溫高于40℃或用戶側(cè)出現(xiàn)冷負(fù)荷高峰時段等），用戶側(cè)需開啟輔助供冷系統(tǒng)（如冷水機(jī)組等）。

管網(wǎng)壓差控制主要包括供水水泵變頻控制和定壓裝置的水位控制。由于系統(tǒng)的供水管和穩(wěn)壓水管都可以進(jìn)行取水和注水，為了保證兩根管道之間的壓差最小，供水水泵宜采用變頻控制，從而根據(jù)各管段之間的壓差值確定供水水泵的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)穩(wěn)壓水管的定壓裝置的水位達(dá)到最高水位的限定值時，需開啟泄壓控制閥門，將穩(wěn)壓水管中的水泄到蓄水池中，從而降低定壓裝置的水位；當(dāng)定壓裝置的水位低于最低水位的限定值時，需開啟補(bǔ)水水泵，將蓄水池的水注入到穩(wěn)壓水管中，從而提高定壓裝置的水位。

蓄能控制包括蓄熱控制和蓄冷控制。當(dāng)作為熱源的管道在某一時間段內(nèi)存在大量過剩的熱量時，可以開啟蓄熱水箱的水泵，將管道中大量的剩余熱量儲存到蓄熱水箱中，作為某一時間段用熱高峰的補(bǔ)充熱源；當(dāng)作為冷源的管道在某一時間段內(nèi)存在大量的剩余冷量時，可以開啟蓄冷水箱的水泵，將管道中大量的剩余冷量儲存到蓄冷水箱中，作為某一時間段用冷高峰的補(bǔ)充冷源。

管網(wǎng)泄水需根據(jù)蓄水池水位進(jìn)行控制，當(dāng)蓄水池水位較高時，意味著穩(wěn)壓水管道中的水量較大，存在大量的過剩能量，需要對蓄水池進(jìn)行泄水。泄出的水可以排入到城市景觀池或用于園藝灌溉，道路灑水等[3]；如果城市地面與河流表面之間存在較大的高差，可以利用水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電；也可以將水輪機(jī)與水泵同軸連接，利用水輪機(jī)帶到取水水泵取水[4]。

4　結(jié)論

城市大熱容水環(huán)系統(tǒng)是一種充分利用區(qū)域中可再生能源的新型城市市政管網(wǎng)系統(tǒng)，該管網(wǎng)系統(tǒng)將區(qū)域中的供熱、供冷、供水三個管網(wǎng)的功能用一個大管網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)；用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水，直接提供用戶飲用水、生活一般用水、生活熱水和雜用水；實(shí)現(xiàn)了高效直接的區(qū)域內(nèi)建筑冷熱量移位互補(bǔ)利用。該系統(tǒng)可以充分利用區(qū)域內(nèi)的可再生及可回收利用能源，簡化城市市政管網(wǎng)系統(tǒng)，同時也大幅度提高城市居民生活品質(zhì)與安全。

[1]龍惟定,白瑋,梁浩,等.低碳城市的能源系統(tǒng)[J].暖通空調(diào), 2009,39(8):79-84

[2]徐鶴,劉家宏,于莉君.我國分質(zhì)供水的發(fā)展[J].水利水電技術(shù), 2012,43(9):74～76.

[3]顧銘,馬宏權(quán),王勇.江水源熱泵的技術(shù)關(guān)鍵與工程案例分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2010,29(4):38-42

[4]Jun Lu,Yunqing Fan,Jingna Song,et al.Application of hydro turbine pump in water source heat pump drainage gravitational potential energy recovery system[J].Indoor and Building Environment,2010,19(5):546-554

A New Typical Combined District Heating, Cooling and Water Supply System

SUN Qiang,LIU Ming-sheng
School of Municipal&Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology

A new typical energy supply system of combining district heating,cooling and water supply was introduced, which is named as urban heat capacity water looped system.The idea that energy is transferred between cooling and heating in buildings efficiently and directly,and the idea that water is treated by three levels,and the pipe network form of this system which replaces pipe networks of district heating,cooling and water supply,and the idea of dual water supply which supplies drinking water,tap water,hot water and non-drinking water,were presented.Finally,the subsystems of this system,design and implement plans and systematic control strategies,were introduced.

urban heat capacity water looped system,dual water supply,renewable energy resource

1003-0344（2015）06-043-3

2014-6-26

孫強(qiáng)（1985～），男，博士研究生；黑龍江省哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院（150090）；E-mail:sunqiang1222@163.com

國家自然科學(xué)基金青年基金（51208160）；黑龍江省青年基金（QC2012C056）