粤港澳大湾区区域能源站设计的实践和探索

区域综合能源指在某一特定区域内对各种形式、品位能源的生产、转换、存储、传输、消费等环节进行有机协调和优化后，形成的社会综合能源产、储、供、消一体化系统。区域供冷、供暖、区域供电以及解决区域能源需求的能源系统的技术集成 ^[1] 。区域能源系统的高能效、高利用率，在国外一直受到了重视并取得快速的发展，美国在70年代冷热电联产技术发展迅速，止2004年，已建1540个冷热电联供系统，6000多座分布式能源站在运营；欧洲的区域能源系统技术发展也很迅速，英国人口不到6000万，却建有1000多座分布式能源站；丹麦过半电力供给来源于冷热电联产能源站。此外日本、澳大利亚等发达国家，很早就提出了冷热电多联供区域能源站发展计划，并已经得到大规模应用，取得明显效果。我国长期以来都以煤炭化石能源为主，高度依赖区域外输入，能源保障面临巨大压力，能源基础设施也很薄弱，对冷热电联产分布能源供冷（供热）技术的研究和应用起步较晚，20年前广州大学城是我国第一个区域供冷项目，当时区域供冷技术还停留在探索阶段，大学城区域供冷项目效果和收益不是很理想，但投入使用已经近20年，在区域供冷方面积累了很多经验和教训，且在这期间，国内经济迅速发展，新产品新技术层出不穷，以区域供冷的区域能源站项目已成功如雨后春笋般分布在大江南北，据不完全统计有600多个区域能源项目在设计建设中 ^[2] ，但项目多集中在一线发达城市，已经建成的示范工程有广州珠江新城核心区区域能源供冷站项目、西虹桥商务区发展区域分布式能源项目、珠海横琴综合智慧能源项目、深圳前海区域能源站项目等。

区域能源站涉及制冷工艺技术方案的确定，也涉及总图中能源站的选址、站点土地的出让性质，以及与周边道路交通、景观等配合等因素；需系统性地考虑多方面因素并取得政府的政策支持。供能管网的布局又与附近区域道路交通、市政管线的敷设和建设时序等问题相关，在区块前期规划阶段考虑不周祥，都有可能在后期实施过程中带来时间成本及建设成本的不可控，项目甚至下马。由规划牵头布点，在规划或策划阶段就考虑能源评估，能源阶梯综合利用，将成为各地规划的政策要求。广州地区旧城片区更新或规划调整中，把区域能源置入规划及市政规划中去，五羊新城片区更新已是成功案例，建设方一直有兴建区域能源站设想，区域能源布局置入市政规划，可以通过前期项目立项、孵化、项目跟踪及后期实施，做实区域能源系统的落地及施工建设。通过参与规划调整，参与能源专项规划和完善能源规划，区域能源站网规划布点，后期孵化区域能源项目落地。区域能源基本上是设备投资，投资额大，收费较高，土建相对简单，性价比高；特别现在民用建筑设计市场单价低，市场竞争激烈情况下，走差异化道路。逐步培养和锻炼一支队伍，专业的事由专业队伍来做，将来发展成为我院建筑的一个品牌和特色技术产业，为院创造更大的贡献和价值；进行院内资源整合，大力发展区域能源，做强做大区域能源系统。

广东地区夏热冬暖，夏季湿热时间长，作为中国的第一经济大省，居民生活水平普遍较高，建筑物采用空调和空调系统的能耗也越来越大。在白天太阳辐射强、环境气温高以及人员的活动强度大，白天的空调降温冷负荷远远大于夜间需求的空调冷负荷，有些办公、商业建筑夜间负荷也极小，这时利用南方电网的峰时电价，夜间利用低价低谷电制冰蓄冷，白天再融冰释放冷量供给用户端，可以增大夜间低谷期用电负荷，减轻白天用电高峰负荷，移峰填谷，减小电网用电量的峰谷差。常用主要成熟的蓄冷技术主要有盘管外融冰的冰蓄冷系统及水蓄冷系统，冰蓄冷系统蓄冷强度大、占用空间小，但冷水机组蒸发温度低，系统运行效率降低，对运行管理技术团队的专业化水平要求较高；水蓄冷除了蓄水池体积较大、技术要求低、投资低外，主机运行效率较高；一般制冷剂的蒸发温度每下降1℃，可用功率下降3%，因此，冰蓄冷比水蓄冷主机制冷性能系数要降低10%～20%；但中心城区建筑物内要找适当位置设置水蓄冷罐确实很困难，故水蓄冷系统使用受到一定限制。区域供冷系统的效益,取决于其负荷率，负荷率越高，其效益越显著；区域内的建筑物或用户均使用区域供冷系统的冷量，则可取得最大的负荷率。

我院总包承建的广州珠江新城核心区区域能源供冷站项目已签约末端用户用冷负荷总计6.0万RT，减少如分散设置装机容量2.0万RT。相当于按冷水机组系统初投资5500元/RT计，减少1.1亿元；按变配电投资900元/kVA计算，减少1800万元；按综合能效3.5计，减少用电容量2万kVA。珠江新城核心区实施区域集中供冷达到了预期的效果，取得了很好的经济效益和社会效益，也是全国新城市中心区域实施区域能源供冷收益，被评为“中国城市能源变革十大样板工程” ^[3] 。

能源站作为建筑群的动力中枢，涉及的工况较多，冷源种类复杂，建设承包商众多，利用BIM技术辅助设计对其进行整合优化后各方面效果优良。通过精细化设计，机房中管路弯头减少，优化主机和水泵管径、流速，降低比摩阻和局部阻力，在项目不同阶段的收集建筑、机电数据进行集成，为项目提供增值服务。针对能源站重点、难点的剖析，提出多方案进行对比分析。管道短直、弯头少、阻力低，各阀门也便于维护调试；主要管道统一标高内敷设，房间净高利用优势明显；其次，水泵集中布置，便于管理，也可避免水管交错；最后，冷却水立管、冷却水泵靠近制冷机，可减少大管径水管使用，大道“节材”的目的。管线综合涉及多个专业，精确的BIM模型建立避免了碰撞，保证了净高的控制要求。通过BIM模型，进行管线的避让修改，最终进行管线综合出图。机电安装系统主要包含通风空调、采暖、防排烟管道、供配电桥架、给排水、消防管道等，BIM管线综合首先创建不同专业的数据模型，导入到Navisworks中进行碰撞检查，根据检查报告进行准确定位，找寻碰撞原因和位置，及时调整避免碰撞。

利用高效机房技术，对冷站机房进行精细化设计，对制冷机组选型及搭配进行系统优化；采用大温差冷冻水系统，适当提高出水温度；合理配置水泵性能及台数；优化冷却塔性能及冷却水温；优化控制策略，采用主动寻优控制策略，实现制冷工艺最佳运行平衡点。经过采用多种新技术优化设计后：各专业管线及桥架合理顺畅，供冷、供热以及供电系统运行高效；优化后的站房既保证了充足的设备安装及检修空间，空间利用率高，又给扩建改造以及土建施工带来了诸多便利；节约初投资，土建及机电管材用料节省，避免了施工现场不必要浪费的产生 ^[4] 。BIM辅助设计能准确地统计施工算量，设备招标工作省时省力；辅助土建专业完成计算荷载支吊架点位确定以及预留孔洞核对的工作；生成的模块化设备与实际贴合，提高施工安装效率，为工程增值服务。

横琴综合智慧能源项目规划建设10个冷站，总装机规模达到45万RT，总投资超过50亿元人民币（深圳前海区域能源站规划10个冷站，总装机规模达到40万RT，总投资超过40亿元人民币），全部建成后，将成为全球最大的区域供冷（热）项目，规划装机规模全球最大，对比单独采用中央空调、相同供冷建筑面积下（1500万m ² ），每年减少耗电量约四亿度，约18万吨标准煤，电气的装机容量约334MW，用于补充冷却塔的漂水约115万吨/年，单体建筑用空调制冷设备的总投资约20亿元人民币；减少建设冷水机房、变配电房约14.4万平方米，减少约48万吨二氧化碳和约1500吨二氧化硫的排放。技术包含溴化锂制冷技术、电制冷技术、蓄冰和蓄水技术，具有多重制冷保障的高可靠性，配合燃气电站，利用电站余热，综合热效率高，采用集中区域供冷方式+智能化控制系统，减少了能源消耗，提高了资源的利用，节能效果显著；通过智能采集、处理、分析设备数据和物联网，提供节能策略，助力企业降低能耗成本、智能化节能减排；为园区内办公、商业、酒店及超算中心（横琴国际金融中心及金融服务基地、横琴口岸及综合交通枢纽、横琴科学城、横琴新区市民艺术中心、横琴梧桐树、横琴总部大厦、灏怡财富中心、横琴长隆海洋王国）等建筑提供空调冷热源服务，具有较好地社会和经济效益，也是节约能源、改善环境的一项重大措施。

珠海横琴区域能源模式的创新——通过产品模式盈利，收取计量冷/热费+市政基础设施容量费实现盈利；依托云计算、大数据、主动寻优控制策略等高科技手段，已建成具有核心技术能力的综合智慧能源管理体系，成为更加高效节能的互联网+智慧绿色能源示范项目 ^[5] 。我院承接设计的2#、5#、6#站采用水蓄冷+外融冰冰蓄冷空调系统，双工况主机夜间利用电网低谷电价制冰，白天与溴化锂机串联联合供冷，充分就近利用横琴热电厂的低压蒸汽，达到能源梯级利用目的。为了避免蒸汽管道冷凝，管道的最小蒸汽量应大于输送管道热损失量，并保持蒸汽管网24小时不间断供气。为了维持空调季吸收式制冷机24小时不停机工作，设置相应的水蓄冷水池，在夜间供冷需求不足时，溴化锂机转入蓄冷供冷，水蓄冷水池容积应保证可存蓄最小蒸汽量对应的吸收式制冷量。如5#能源站，总装机容量为28030RT,蓄冰冷量为72000RTH，蓄水冷量为9600RTH，蓄冰比例为31%，总供冷能力为40,873RT，供能总建筑面积约208万平米。二期2号、5号、6号站也已完成设计，正在施工安装中，三期9号站设计招标已经完成，我院中标，目前正在做前方案论证及水务部门批复，如采用海水冷却方案能实施，将成为全球最大的海水源热泵区域供冷供热站，为我国“双碳”目标做出贡献。珠海横琴区域能源站项目各项技术水平达到同期同类项目国内先进水平，项目获中国区域能源示范项目和综合智慧能源优秀示范项目奖。

我院近几年通过参与珠海横琴、广州知识城、广州南沙明珠湾区等区域能源项目项建、可研、节能评审及方案、初步、施工图设计的实践，既锻炼了一批技术骨干，也为我院下一步拓展区域能源站项目规划、孵化及落地，进一步打好基础，为我国区域能源站建设尽一份力量；又实现能源投资商、运营商、末端用户、开发商及政府的多方共赢；大大提高了能源综合利用效率，节能减排；有效减少污染，生态环保；实现多种能源形式相互补充，阶梯利用能源或再生能源，削峰填谷，综合供应，提高区域供能安全备用，为国家碳中和做出应用的贡献。