區(qū)域供冷在世界的發(fā)展趨勢

1、區(qū)域供冷在世界的發(fā)展?fàn)顩r簡 介： 本文首先簡介了區(qū)域供冷的概念、優(yōu)缺點以及目前世界上采用比較流行的各種區(qū)域供冷技術(shù), 然后概括了當(dāng)前世界上這種供冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀并展望了這種技術(shù)在中國發(fā)展的潛力。關(guān)鍵字：區(qū)域供冷 世界 中國1、引言隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平得到了不斷提高，城市化建設(shè)不斷加速, 工業(yè)化發(fā)展趨勢不斷深入, 能源與資源消耗屢創(chuàng)新高。特別是以建筑業(yè)為代表的行業(yè)及其相關(guān)行業(yè)的高速發(fā)展 (如供熱通風(fēng)與空調(diào)行業(yè)) 在很大程度上反應(yīng)了我國的高經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的現(xiàn)狀和趨勢。根據(jù)中國建筑科學(xué)研究所的權(quán)威統(tǒng)計, 建筑內(nèi)耗能占了我國每年能耗非?？捎^的一部分?；诒疚淖髡呓鼉赡陙碓谌鸬浠始夜?/p>

2、學(xué)院能源技術(shù)系的學(xué)習(xí)體會以及為瑞典資金供冷公司在國內(nèi)的半年市場調(diào)查的經(jīng)歷，本文簡要的介紹了近年來在全世界興起的區(qū)域供冷技術(shù)的概念、 優(yōu)缺點、基本技術(shù)、當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀并且結(jié)合國內(nèi)的實際情況展望了該技術(shù)在中國的發(fā)展前景。2、區(qū)域供冷的概念區(qū)域供冷技術(shù)是指集中生產(chǎn)并輸配冷量。冷量以冷凍水為載體被中心制冷工廠生產(chǎn)出來并通過埋入地下的管道輸往辦公寫字樓、 工業(yè)建筑和住宅建筑中去帶走室內(nèi)空氣的熱量, 實現(xiàn)空調(diào)的舒適要求或生產(chǎn)的工藝要求。3、區(qū)域供冷系統(tǒng)的組成一個獨立的區(qū)域供冷系統(tǒng)一般由以下五個基本部分組成:1）中心冷凍水制造工廠2）蓄冷設(shè)備3）冷凍水輸配系統(tǒng)4）用戶端和主干網(wǎng)的連接5）計算機模擬軟件圖一:

3、 一個獨立區(qū)域供冷系統(tǒng)的組成 (文獻(xiàn)1)3.1中心冷凍水制造工廠在中心制冷廠中冷凍水通常由電驅(qū)動的壓縮式制冷機或吸收式制冷機生產(chǎn)出來, 如果技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件允許的話, 天然的低溫水體可以被作為廉價的冷源來提供部分冷量。在某些外部條件下一套獨立的區(qū)域供冷系統(tǒng)方案在經(jīng)濟(jì)上不可行, 這時我們可以考慮采用把區(qū)域供冷系統(tǒng)結(jié)合到一套熱電冷三聯(lián)供的CCHP系統(tǒng)中, 從而把眼前的經(jīng)濟(jì)障礙通過靈活的技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化為新的節(jié)能和賺取最大的經(jīng)濟(jì)效益的契機。3.2蓄冷設(shè)備蓄冷是優(yōu)化一套區(qū)域供冷系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一部分。通常它可以減小系統(tǒng)的初投資和運行費用, 同時又可以為中心制冷廠中的制冷機創(chuàng)造一個更加平穩(wěn)的負(fù)荷從而提高系

4、統(tǒng)的能效。3.3冷凍水輸配系統(tǒng)主干網(wǎng)的冷凍水輸配系統(tǒng)實現(xiàn)了將在中心制冷工廠中生產(chǎn)出的、攜帶著冷量的冷凍水輸送到用戶端的任務(wù)。3.4用戶端和主干網(wǎng)的連接用戶端的連接是一個大型區(qū)域供冷工程中至關(guān)重要的部分, 這不僅僅是因為這一部分是整個區(qū)域供冷系統(tǒng)中實現(xiàn)為用戶端供冷這一終極目標(biāo)的最后一步, 更是因為正是系統(tǒng)連接的這些客戶的采取何種供冷方式供冷的決定將最終決定該區(qū)域供冷系統(tǒng)整體的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性, 如果在這部分發(fā)生問題, 潛在的區(qū)域供冷用戶們出于供冷安全的考慮將采用其他的供冷方案, 而區(qū)域供冷的最大優(yōu)點在于其規(guī)模效應(yīng)引起的其他諸如節(jié)能、高靈活性等超出傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)點, 一旦用戶端冷負(fù)荷不夠穩(wěn)定或過小,

5、區(qū)域供冷將完全沒有任何優(yōu)勢可言, 甚至不如傳統(tǒng)的、獨立的分散式的供冷技術(shù)。3.5計算機模擬軟件計算機模擬軟件近來被越來越多的采用到區(qū)域供冷系統(tǒng)的設(shè)計和運行中。這些模擬軟件能夠處理復(fù)雜的系統(tǒng)和建筑的負(fù)荷計算、不斷變化的氣候影響和多種技術(shù)經(jīng)濟(jì)選擇。由于大量參數(shù)的存在, 有些軟件是專門進(jìn)行初步可行性研究的, 有的是進(jìn)行特殊計算的, 比如一個互聯(lián)系統(tǒng)的平衡或確定管道的尺寸。通常, 計算機模擬軟件被用于三種條件下: 一套新系統(tǒng)的設(shè)計、現(xiàn)有系統(tǒng)的擴(kuò)展和系統(tǒng)的運行中。4、區(qū)域供冷的優(yōu)點1）運行的高能效2）環(huán)境的保護(hù)3）建筑空間利用率和建筑美觀性的提高4）維護(hù)的高質(zhì)量5）系統(tǒng)的高可靠性4.1運行的高能效一個大

6、型的中心制冷工廠與許多分散的小制冷機組相比可以得到更多、更細(xì)致的分析和更好的設(shè)計, 而且由于連接用冷用戶數(shù)量巨大, 各用戶冷負(fù)荷的同時利用系數(shù)小于1, 這將在一定程度上降低系統(tǒng)的整體供冷能力的需求, 同時可以使得系統(tǒng)的工作曲線維持一個比較平緩的模式, 從而使得系統(tǒng)可以實現(xiàn)一個較高的運行能效或COP。大型制冷工廠幾乎可以采取各種能源制冷, 尤其是廉價的能源, 比如工業(yè)費熱, 海水或湖水的自然冷量。蓄冷技術(shù)可以實現(xiàn)削峰填谷技術(shù), 從而減輕電力系統(tǒng)在夏天冷需求達(dá)到高峰時對其他用電企業(yè)、單位和發(fā)電廠的壓力, 同時, 利用低谷電可以使得區(qū)域供冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更好。而且采取蓄冷技術(shù)可以降低系統(tǒng)的總制冷能力,

7、 利用夜間冷負(fù)荷低的時候使大型制冷機組連續(xù)高效的工作并將產(chǎn)出的冷量以冰或冷凍水的形式儲存起來以備白天使用, 從而降低了整個系統(tǒng)的供冷機組的裝機能力要求。4.2環(huán)境的保護(hù)對于同等制冷能力的幾部大型制冷機組和分散的許多的小制冷機組來說, 大型機組不僅需要少的多的制冷劑, 而且可以更好的處理制冷劑在工作及回收時的泄漏問題。一旦特殊的或更嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺, 比如CFC和HCFC的淘汰, 大型的制冷工廠可以更快的和更經(jīng)濟(jì)的采取技術(shù)措施來達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于大的制冷機的高能效的不間斷的運行, 制取同樣冷量的電耗的大大減少將大大降低溫室氣體的排放, 尤其對像中國這樣的以煤電為主的、自然化石能源資源按人口

8、分配又極其稀缺的國家來說, 節(jié)能還將意味著發(fā)電廠本地的酸雨問題將不至于更加嚴(yán)重。4.3建筑空間利用率和建筑美觀性的提高采用區(qū)域供冷后, 建筑的業(yè)主就可以大大減少在建筑內(nèi)安裝設(shè)備室所需的空間, 因為不需要再在樓宇里安裝自己獨立的制冷機了, 而這些節(jié)省下來的空間可以被用來出售或租賃以賺取更多的收入。而且, 取消了設(shè)備間還意味著消除了制冷機在樓內(nèi)工作或起停時所產(chǎn)生的噪音, 而原來設(shè)置于房頂或室外的冷卻塔也不復(fù)存在了, 節(jié)省下來的空間可以用于安裝衛(wèi)星接受天線等通訊設(shè)備, 也可以考慮建立一個大的溫室植物暖房以加強建筑的美觀和欣賞價值, 同時還能充分利用空間并賺取更多的收益。取消難看的冷卻塔的好處不僅釋放

9、了有限的、昂貴的空間, 實現(xiàn)了提高美觀和收益的目的, 而且還消除了采用冷卻塔所帶來的釋放羽狀水蒸氣和產(chǎn)生軍團(tuán)菌的問題。在有的地方冷卻塔甚至是不能安裝的, 比如像巴黎這樣的古都, 為了和城市眾多的歷史性的建筑進(jìn)行協(xié)調(diào), 在美麗的凱旋門面對的香謝麗舍大街上的商業(yè)樓宇外安裝冒著水蒸汽的難看的冷卻塔是絕對不可容忍的, 因此巴黎采取了區(qū)域供冷, 將冷卻塔挪到了不存在影響古建筑的美觀的地方, 而且制冷機組采取埋地的安裝, 從而將制冷系統(tǒng)的視覺污染減到最小。圖表二: 建筑空間利用率和建筑美觀性的提高 (網(wǎng)站1)變成 或4.4維護(hù)的高質(zhì)量采用區(qū)域供冷后用戶就不再需要去自己維護(hù)制冷系統(tǒng)了, 所有在中心制冷工廠的

10、技術(shù)維護(hù)管理人員都受過嚴(yán)格、過硬的培訓(xùn), 輔助以先進(jìn)的計算機控制系統(tǒng), 供冷的質(zhì)量、可靠性和系統(tǒng)的安全性都可以得到很大的提高。由于采用了先進(jìn)的技術(shù), 工作量大大的降低了, 工作人員大大的減少了, 這樣維護(hù)的費用也大大降低了。圖表三: 高質(zhì)量的維護(hù) (網(wǎng)站1)4.5系統(tǒng)的高可靠性區(qū)域供冷系統(tǒng)的可靠性是分散小系統(tǒng)所無法比擬的, 根據(jù)歐洲的經(jīng)驗, 區(qū)域供冷保證供冷的可靠性在99.7% 以上, 正是因為如此高的可靠性, 連一般的醫(yī)院和食品冷凍廠都取消了備用供冷設(shè)備, 從而降低了開銷。5、區(qū)域供冷潛在的問題1）巨大的初投資2）復(fù)雜的商業(yè)管理3）潛在的環(huán)境問題4）潛在的美觀和娛樂問題5.1巨大的初投資在這

11、個現(xiàn)實世界中沒有任何一種工程解決方案是完美無缺的, 這句話同樣也適用于區(qū)域供冷。巨大的初投資使得仿佛可以引領(lǐng)供冷革命的區(qū)域供冷技術(shù)蒙上了經(jīng)濟(jì)是否可行的巨大的疑惑陰影, 這一缺陷尤其在一個已經(jīng)建立好供冷解決方案的地區(qū)想進(jìn)行供冷技術(shù)升級、改進(jìn)的情況下顯露無疑。而如果是在一個新建的集中商業(yè)區(qū)(CBD)的供冷設(shè)計時就考慮這種方案, 這種缺點可以降到最低。5.2復(fù)雜的商業(yè)管理除了每一個成功的區(qū)域供冷工程都要考慮當(dāng)?shù)馗鞣N外部情況和條件等復(fù)雜性, 最難掌握的還是采取最適當(dāng)?shù)墓芾矸绞? 其中包括在不同的地區(qū)對不同的客戶簽訂不同的冷量價格的合同, 步步為營的模塊式的設(shè)計戰(zhàn)略以避免系統(tǒng)的制冷能力和傳輸能力設(shè)計過大

12、, 準(zhǔn)確的長期預(yù)測和適當(dāng)?shù)亩唐诮ㄔO(shè)的成功結(jié)合以避免出現(xiàn)短期內(nèi)初投資無法產(chǎn)生效益而帶來的投資風(fēng)險, 等等。由于多種因素的共同影響, 一個成功的、賺錢的區(qū)域供冷的商業(yè)管理模式是非常的難得的和不能在其他地方按部就班照抄的, 成功的技術(shù)設(shè)計但是失敗的管理導(dǎo)致的賠錢的區(qū)域供冷工程并非在少數(shù)。5.3潛在的環(huán)境問題雖然節(jié)能和制冷劑的減排帶來了可觀的環(huán)境效應(yīng), 但是當(dāng)采用利用低溫海水或湖水, 抑或是采用蓄水層中的冷水進(jìn)行廉價冷卻的時候, 所帶來的環(huán)境污染和水溫升高后的潛在的生態(tài)污染還應(yīng)該經(jīng)過謹(jǐn)慎的論證后才能確定最終的供冷方案, 畢竟我們要遵守“科技以人為本”的設(shè)計方針。5.4潛在的美觀和娛樂問題同樣, 如果采

13、用海水或湖水的廉價冷量進(jìn)行區(qū)域供冷, 巨大的冷水管道會造成視覺污染, 而且浮在水面的輸水管道還會迫使以娛樂目的的行船被迫改變航向。圖表四: 潛在的美觀和娛樂問題 (網(wǎng)站2)6、當(dāng)前區(qū)域供冷采用的基本技術(shù)按照冷源類型劃分, 區(qū)域供冷當(dāng)前在現(xiàn)有的條件下所采取制冷基本技術(shù)有:1）大型制冷機的冷端, 包括電驅(qū)動和各種熱源驅(qū)動的吸收式制冷機2）現(xiàn)有的區(qū)域供熱系統(tǒng)中熱泵的冷端3）低溫的深層海水或湖水4）創(chuàng)造性的上述三種基本技術(shù)的任意結(jié)合6.1大型制冷機的冷端, 包括電驅(qū)動和各種熱源驅(qū)動的吸收式制冷機基于制冷機的區(qū)域供冷系統(tǒng)是目前最簡單也是最普遍采用的解決方案, 幾乎所有的區(qū)域供冷工程都部分或全部采用了這一

14、方案。其中比較有意思的是通過成熟的吸收式制冷技術(shù)把一套區(qū)域供冷系統(tǒng)結(jié)合到一套熱電冷三聯(lián)供的系統(tǒng)中去以提高整個系統(tǒng)的熱能利用效率, 從而提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和加強了對環(huán)境的保護(hù)。圖表五: 三聯(lián)供能源站示例 (網(wǎng)站3)6.2現(xiàn)有的區(qū)域供熱系統(tǒng)中熱泵的冷端這種技術(shù)可是說就像童話般在美麗的Scandinavia大陸的瑞典成為了現(xiàn)實, 具體的工程設(shè)計請參看本文作者的瑞典區(qū)域供冷技術(shù)對中國的啟示一文。6.3低溫的深層海水或湖水、地下水采用低溫深層海水或湖水、地下水的廉價冷量進(jìn)行區(qū)域供冷是利用自然存在的天然冷量供冷的革命性的設(shè)計思想, 瑞典目前是應(yīng)用該技術(shù)最成功的國家, 具體工程請參看本文作者的瑞典區(qū)域供冷技

15、術(shù)對中國的啟示一文, 正是由于采用了這一技術(shù), 瑞典首都斯德哥爾摩城區(qū)內(nèi)的大型區(qū)域供冷工程在最近一次的系統(tǒng)擴(kuò)充后, 整體的COP達(dá)到了1214, 這樣的COP值幾乎是現(xiàn)有的任何其他的供冷系統(tǒng)所望塵莫及的。圖表六: 美國康奈爾大學(xué)采用的以深層湖水的冷水來提供冷量的區(qū)域供冷工程 (網(wǎng)站4)6.4創(chuàng)造性的上述三種基本技術(shù)的任意結(jié)合因為一個成功的區(qū)域供冷工程的設(shè)計總是在所有特定的外部條件共同的作用下被設(shè)計出來的, 因此為了尋求在所有的限制下找到最優(yōu)的設(shè)計方案, 創(chuàng)造性的結(jié)合幾乎將是所有區(qū)域供冷技術(shù)采用的必然的方案。在瑞典區(qū)域供冷技術(shù)對中國的啟示一文中, 本文作者詳盡的介紹了瑞典的區(qū)域供冷技術(shù), 該技術(shù)

16、不同程度的涉及到了所有上述的三種冷源的合理利用, 從而成就了目前世界上最成功的和幾近完美的區(qū)域供冷系統(tǒng)。7、區(qū)域供冷在世界上的發(fā)展最早的商業(yè)化的區(qū)域供冷工程始于1961年美國的哈特富德 (Hartford), 6年之后區(qū)域供冷登陸歐洲大陸, 地點是法國的La Défense,該系統(tǒng)現(xiàn)在發(fā)展為全世界最大的區(qū)域供冷系統(tǒng)之一(1997年的供冷能力達(dá)到了220MW), 目前法國和瑞典是歐洲區(qū)域供冷發(fā)展最成熟也是技術(shù)最先進(jìn)的兩個國家。1970年的大阪世博會、日本政府的大力支持、相關(guān)法規(guī)的出臺以及當(dāng)時日本繁榮的經(jīng)濟(jì)背景促成了亞洲第一個大型區(qū)域供冷項目的實現(xiàn), 地點自然是日本的大阪, 目前在亞洲只

17、有馬來西亞有一些區(qū)域供冷工程可以和日本相提并論, 日本人的“先模仿然后超越”技術(shù)發(fā)展模式再次讓世界為之側(cè)目。1989年, 第一個北歐區(qū)域供冷工程誕生于挪威, 緊接著瑞典斯德哥爾摩的市內(nèi)大型區(qū)域供冷項目經(jīng)過兩年的精密籌劃后于1995年正式投入使用, 經(jīng)過幾次不斷的擴(kuò)充系統(tǒng)供冷能力, 到目前為止該系統(tǒng)成為了世界上最大的區(qū)域供冷工程之一, 更重要的是從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度講, 她也是世界上最成功的區(qū)域供冷的典范。近來, 荷蘭的阿姆斯特丹、加拿大的多倫多以及中東的沙特阿拉伯成為了區(qū)域供冷發(fā)展的新的亮點, 幾個超大型的區(qū)域供冷項目正在建設(shè)中或即將投入使用。圖表七:區(qū)域供冷在世界的發(fā)展 (網(wǎng)站1)對于第一種采

18、用制冷機的冷端為冷源的技術(shù), 采用電驅(qū)動制冷機進(jìn)行區(qū)域供冷最多的國家是法國, 這是因為法國在夏天有比較低的核電價格; 而在日本、德國和美國通常不采用獨立的區(qū)域供冷系統(tǒng), 而是采用將其結(jié)合到熱電冷三聯(lián)供的大系統(tǒng)中, 如果我們看看這三個國家的能源體系中天然氣的利用都超過了20%, 了解這三個國家的大力支持天然氣的國家能源政策就不難理解這一技術(shù)現(xiàn)狀的由來。至于第二種冷源的利用, 本文作者可以大膽而且放心的說瑞典的技術(shù)在世界上具有馬首是瞻的絕對技術(shù)優(yōu)勢, 這也是諸多因素所導(dǎo)致的, 其中一個關(guān)鍵可以說是在瑞典的先進(jìn)的、早就存在的、幾十兆瓦級的大型熱泵機組組成的區(qū)域供熱體系, 另一個關(guān)鍵是瑞典是全世界最早

19、淘汰HCFC的國家, 更具體的分析請詳見本文作者的瑞典區(qū)域供冷技術(shù)對中國的啟示一文。采用自然的廉價冷量的大型區(qū)域供冷工程有美國康奈爾大學(xué)、加拿大多倫多以及荷蘭阿姆斯特丹等地采用的以深層湖水的冷水來提供冷量的工程。瑞典則還是這一領(lǐng)域的絕對世界領(lǐng)導(dǎo)者, 他們擁有幾乎所有全世界最好的利用低溫的深層海水或湖水、地下水提供廉價冷量的區(qū)域供冷工程的教科書式的范例, 有的地區(qū)甚至利用冬天儲存的的雪水來在夏天進(jìn)行廉價供冷。對于結(jié)合了各種可以利用的冷源來實現(xiàn)區(qū)域供冷的工程在全世界更是不勝枚舉, 幾乎可以肯定的說沒有任何一種冷源可以在一個地方既能獨享作為制冷冷源的特權(quán), 又同時使得供冷系統(tǒng)達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益

20、, 這句話也可以理解為幾乎目前所有的區(qū)域冷源都是通過創(chuàng)造性的結(jié)合上述三種冷源來實現(xiàn)供冷的優(yōu)化的, 這當(dāng)然還是要具體問題具體分析, 在不同的地點(天然冷源的存在性和可實際利用潛力)和不同的人為條件(政府態(tài)度、用冷用戶接受程度、各種能源價格、相關(guān)行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn), 等等)下有不同比率組成的最優(yōu)組合。8、區(qū)域供冷在中國的發(fā)展?jié)摿νㄟ^上面的介紹我們可以知道: 區(qū)域供冷在世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為一種商業(yè)化的、十分成熟的供冷技術(shù), 但是根據(jù)筆者在2003年下半年在國內(nèi)為瑞典資金供冷公司作的近半年的中國市場調(diào)查來看, “區(qū)域供冷”這一概念在國內(nèi)還可以說是鮮為人知, 即使有人聽說過也僅是有極其模糊的概念, 不過是停留

21、在“初投資大” 、“環(huán)?！钡然締卧~, 至于“為什么”、“怎么回事” 還不是很清楚。而且我采訪的對象還大都是些業(yè)內(nèi)的有多年工程經(jīng)驗的工程師或比較有學(xué)識的學(xué)校教師等, 如果采訪對象換成非專業(yè)人士那恐怕啼笑皆非的問答是難免發(fā)生了。因此, 我們可以說從目前來看, 區(qū)域供冷在國內(nèi)發(fā)展首先面臨的問題不是初投資大, 而是沒人知道那是個什么東西。通過上述的技術(shù)分析, 我們不難預(yù)見第一種和第三種冷源結(jié)合的第四種技術(shù)的采用將會在不遠(yuǎn)的未來在巨大的中國供冷市場尋找到一些機會, 尤其是近來國內(nèi)大力開發(fā)和鼓勵利用天然氣能源, 比如最近的一些中國政府和澳大利亞政府、印尼政府以及俄羅斯政府的液化天然的購買項目, 國內(nèi)的西氣東輸項目, 所有這些都可能為將來在我國最發(fā)達(dá)的幾個大都市中發(fā)展環(huán)保的、以天然氣為能源的熱電冷三聯(lián)供的項目打下伏筆, 在各大南方城市, 尤其是上海、廣州、深圳等冷需求較高、商業(yè)化建筑密集、存在潛在的可利用的天然水體作為廉價冷源、同時又比較缺電的地區(qū), 發(fā)展區(qū)域供冷將是為解決當(dāng)?shù)卣恍╊^痛的缺電、環(huán)保問題的一個非常理想的選擇。不能回避的是區(qū)域供冷技術(shù)在中國的經(jīng)濟(jì)可行性的研究是實現(xiàn)這種技術(shù)的關(guān)鍵中的關(guān)鍵: 政府的大力支持(日本經(jīng)