国外区域供冷的发展情况

国外区域供冷的发展情况

由于能源和环境问题日益突出，区域供冷技术因其高效率的运行和对环境影响小的主要特点，在近几十年里逐渐受到各个国家的重视。自上世纪八十年代开始，日本一些大城市的商业建筑群，美国许多大学校园，都采用这种区域供冷的方式。典型的案例是日本东京新宿新都心，日本名古屋新机场以及美国许多大学校园。我国广州大学城，北京中关村科技园也采用了区域供冷方式，并已投入运行。但到目前为止这项技术的研究和应用主要集中在国外，比如：北美、日本、北欧等一些国家。我国对于这项新技术的研究和应用还处于刚刚起步的状态。下面就总结一下国外在区域供冷这一块的发展。

北美

北美区域供冷发展情况

北美的区域供冷项目最早出现在20世纪60年代，出发点是希望利用城市蒸汽管网的夏季富余能力驱动吸收式制冷机来提高蒸汽利用率，但因为当时单效吸收制冷机效率较低经济性差而没有得到广泛应用。70年代双效吸收式制冷机的出现以及城市化进程中商业建筑供冷需求的增长使区域供冷技术再次受到重视，其间建设的纽约世界贸易中心吸收式制冷区域供冷系统供冷量达到172MW，成为当时世界上规模最大的DHC系统，随后在美国芝加哥等大城市的商业中心还相继出现了电力压缩式制冷的区域供冷项目。北美采用区域供冷技术的主要着眼于方便管理和维护，因此在统一规划建设的单一业主单位如大学、医院和军队等建筑中应用较为广泛，例如到1980年数据，美国2000所大学中采用了区域供热供冷技术，输配管道长度已经超过3479Km，九十年代后分布式能源系统和冷热电联产技术日益成熟，结合冷热电联产的DHC系统也逐渐成为区域供冷的重要技术路线之一。

近些年来，北美加强了在湖水供冷这一块的研究和应用。这主要是因为北美

一些地区的深水湖泊较多，利用这些天然的湖泊作为水源热泵的冷热源可以实现高效率的区域供冷。这些湖泊会产生温度分层现象，形成稳定的三层结构，即上部温水层、中部温跃层和底部均温层。湖水底部水温常年可以保持在4~5摄氏度，因此是夏季的冷源。北美在利用湖水源供冷的同时，还会在整套系统中通常会结合冰蓄冷、水蓄冷等技术。下面就以Cornell大学和多伦多市的湖水供冷工程具体地介绍一下北美的区域供冷工程。

工程实例 1——Cornell大学湖水供冷工程

图 1 Cornell大学湖水供冷工程示意图

Cornell大学的湖水供冷工程是通过抽取大学附近的Gayuga湖底层温度较低的湖水，通过中间的热交换站换热后，为Cornell大学提供7℃的空调冷媒水，其供冷能力达到63306kW。这个工程耗资5800万美元，能为Cornell大学节约87%的空调能耗，同时每年可以节省2亿多度电。2002年该工程荣获ASHRAE技术奖。 工程实例 2——多伦多市湖水供冷工程

图 2 多伦多市湖水供冷工程示意图

多伦多市湖水供冷工程是加拿大Enwave区域能源公司利用周边安大略湖设计的一个区域供冷项目，图 2 为该工程的示意图。该工程抽取安大略湖83m深处的低温湖水，经过过滤净化后进入热交换站，为区域供冷提供冷水。该系统能为多伦多市区建筑40%的空调供冷，同时可以减少75%的空调损耗，大大减少了CFC制冷剂的使用和温室气体的排放。

日本

日本区域供冷发展情况

日本的区域供热供冷系统出现较晚但发展迅速，最早应用开始于1970年的大阪世博会，当时日本政府提出“日本列岛改造论”，试图解决都市人口密集、环境污染严重的问题，从法规上鼓励投资DHC，并形成了公益型的都市热供给产业。但从1973年开始的石油危机使DHC价格高涨，需求减少，DHC事业进入低迷期。在石油危机的刺激下，相继出现了利用蓄热、热泵和热电冷联供等新技术的DHC项目。1985年以后随着日本都市再开发的发展，日本的能源产业积极介入DHC开发，形成了新的热潮。在此期间的代表项目是东京新宿新都心区域供冷项目（202万平米，总制冷量59000冷吨）。截止2005年日本共有154个DHC项目，总服务建筑面积4500万平米，这些建筑占地基地面积约4700万平米，2003年共售能24830 TJ，年销售额相当于130亿人民币，其中向居住建筑售能占5.3%（主要用于供暖和生活热水），非居住建筑占94.7%，非居住建筑售能中供冷占64%。

20世纪90

年代后，日本各地相继制定政策要求新建建筑设计阶段应分析采

用区域供冷系统的可行性，受能源政策的影响，这一阶段的区域供冷方式不再采用单一的供冷方式，而是多种方式有机结合的区域供冷方式。这一阶段出现了废热回收和活用各种未利用能的区域供冷系统，以箱琦地区的河水源热泵最为代表。 该工程是以隅田川的河水作为热泵的热源，第一期工程的供热量为11000kW，具有4980m3的蓄热槽；90年代初建成的采用海水热泵的大阪南港宇宙广场区域供冷供热工程，供热量达到23300kW。由于这类大型热泵系统对于节能和环保都有利，1991年，日本新能源与工业技术发展组织和日本热泵与蓄冷技术中心联合23家企业启动了“未利用能利用计划”希望能够进一步促进低品味能的利用与推广。而近些年来，随着技术的发展，日本又逐渐兴起了一种新型热泵——海水源热泵，该系统利用海水的潜热作为热泵系统的热源,从而达到满足室内温度和相对湿度的要求。该热泵系统已在日本清水港水族管投入使用。2001年, 热泵热水器于开始进入日本家庭, 政府对消费者给予一定的补助。这种热水器可以使每户节能30%, 很受用户欢迎。日本政府有关人士预计, 到2010 年大约有520 万个日本家庭会使用这种热水器。下面我们就以具体的区域供冷工程介绍日本区域供冷的发展。

工程实例 3——东京新宿新都心

作为新都市中心而发展起来的东京新宿新都心地区是一个具有完整规划的高层建筑物群，为了改善城市环境和节约能源，于20世纪70年代初就采用了以煤气为主要能源的的多种供热供冷技术，90年代初，经扩建已经成为具有先进技术、规模巨大的区域供冷供热使用地区

从1972年开始，区域供冷供热站就以城市燃气为主要能源向该地区供应冷冻水和蒸汽，稳定运行20年后，由于新都心地区建造了规模很大的东京都政府办公大厦（建筑面积达38.1万m2），对于能源供应有了更大的需求，因此从1988年开始对其区域供冷供热站进行了扩建工程，并于1990年2月竣工，1991年初正式供冷供热。扩建后的系统采用燃气-蒸汽联合循环热电联产装置、汽轮机拖动的离心式冷冻机以及蒸汽吸收式冷水机组，总供冷容量为210MW，供冷面积达220万m2。供热用的蒸汽和供冷用的冷冻水通过四条管路进行输送，配管总长度达8km，主干管安装在用钢筋混凝土构筑的隧道内，其中冷冻水的供回水干

管为两条直径1500mm的钢管，供回水温差为4~8℃，管道温升0.8℃；热量使用蒸汽输送，蒸汽干管为直径600mm的钢管，蒸汽压力约0.7MPa；冷凝水干管直径为300mm。该系统以燃气为一次能源，所产电量并没有为客户侧提供，而是全部用于输配系统。为了提高冷冻机组全年的运行效率，明确区别基本负荷和高峰负荷而使用两套系统，基本负荷用的冷冻机采用背压透平/离心冷冻机与双效吸收式制冷机相组合的高效运行系统，高峰负荷用单机容量大的系统。

根据全年能量平衡计算，对新宿区域供冷供热原有方式和新方式的比较，可知新方式比原有方式节能33.5%。

欧洲

欧洲整体区域供冷发展情况

欧洲最早的区域供冷系统20世纪60年代出现在法国巴黎，其中最大的两个系统供冷能力发展至今已超过200MW，瑞典、德国和意大利等地随后也有不同程度应用。目前在法国有8个大型的区域供冷网络承担着超过650MW的制冷需求，这些系统制冷设备主要采用电动冷水机组，这是因为当地的夏季电价比较便宜。德国有大约10个系统，则主要是热电联产向冷热电联产的发展，柏林和挪威的DHC系统供冷容量都超过了30MW。在北欧，挪威、瑞典和丹麦等地的区域供热供冷技术非常具有特色，它们较为普遍的采用海水、湖水、地下水、工业废水和城市污水等作为冷源，或者利用生物质和垃圾焚烧作为热源。规模最大的斯德哥尔摩区域供冷系统运行始于1994年，最初的部分动机是为了减少使用对臭氧层有破坏作用的制冷剂，但获得的迅速发展超过预期，至今斯德哥尔摩中央区域供冷站容量已经达到228MW，而这却是从早期众多较小和临时的区域供冷系统逐步互联形成的。目前该市区域供冷用户已经超过500个，输配管网达76公里，服务于700万平米的商业建筑，由于对于前景的看好，运营商已经决定进一步连接现有的两个区域供冷网络并再新建一个区域供冷系统。

在寒冷的北欧，区域供冷系统所取得的发展甚至引起了欧洲人自己的惊讶，诚然采用海水免费供冷和高效的大型热泵站是取得成功的主要因素之一，同时当地实行已久的区域供暖服务也使得客户乐于接受和信任区域供冷这一新的商品

服务。由于区域供冷实现了天热冷源的规模化利用，过去近十年运行数据表明该项目消减空调季节电力高峰的作用明显，系统耗电只有传统空调方式的1/5，CFC和HCFC的使用量至少减少了60吨，CO2排量从传统分体空调的280g/kWh降低到了60g/kWh。在区域供冷系统总的运行时间中，系统可靠运行的时间段高于99.7%，而长达50年的供冷合同不仅避免了用户自身的空调投资，也带来了运行上的经济实惠，这确实是一个多赢的结果。

瑞典

瑞典区域供冷发展情况

瑞典，位于北欧斯堪的纳维亚半岛东南部。面积约45万平方千米。海岸线长7624千米，人口918.3万。瑞典的区域供冷技术是在20世纪90年代发展起来的。瑞典的区域供冷技术从无到有，从有到世界领导者的惊人的飞速发展，年平均区域供冷冷量销售增长率保持在50%以上。在1991年，瑞典没有一个区域供冷系统，而在2000年，超过20家公司在提供销售区域供冷的服务。那么为什么区域供冷会在瑞典有如此迅猛的发展呢？这主要是因为区域供热传统的坚实根基，大量的和创造性的廉价冷源，适时的市场环境以及政府强制淘汰CFC和HCFC制冷机的法规的实施(瑞典是全世界最早淘汰CFC和HCFC的国家)的综合作用孕育了区域供冷在瑞典的发展。

瑞典第一个区域供冷工程于1992年在V&auml ster&arings建成，目前该系统每年大约供冷20GWh，现在瑞典最大的区域供冷工程是Brika Energi 运营，Capital Cooling Europe AB管理的斯德哥尔摩市内的区域供冷系统。

工程实例 4———斯德哥尔摩市内的区域供冷系统

斯德哥尔摩的区域供冷系统被公认为是大型供冷解决方案中最近乎完美的典型工程，这一工程主要利用波罗的海这一天然廉价的低温海水作为热交换介质，采用先进的大型海水源热泵对区域进行供冷的供冷技术。该系统的第一次初步的可行性研究始于1992年。1994年开始动工，地点就位于斯德哥尔摩的市中心。1995年第一期工程开始投产，所产的冷量开始供应市场。随着市场需求的增加

在第一期工程投产的同时，一个新的60MW的制冷厂在原有的热泵系统旁边被建造起来。且于1995年年内就建成并运行。随后在1998年，制冷厂又补充了一个用于蓄冷的蓄水层的部分。该蓄冷部分是为了保证在高冷负荷的情况下提供足够的冷量以保证满足用户侧的需求。它可以连续数个小时给整个系统提供不小25MW的冷量。在蓄水层的蓄冷主要是在春天将来自于海水的廉价冷量通过换热器储存在蓄水层中，在夏天的夜晚，当用户端的冷负荷需求降低的时候，也进行有限度的(根据系统的运行情况)蓄冷以备白天出现冷负荷高峰的时候使用。在2000年，该区域供冷系统又补充了一个扩充系统供冷能力的制冷厂，采用了可以回收冷凝器的热量的制冷机，附加的通往城区的管线的直径为700mm。该制冷厂可以在夏天的白天为整个系统提供额外的50MW的冷量，同时该系统的热回收也可以被利用到区域供热系统中(在瑞典区域供冷的冷凝器端的热回收可以得到60℃～80℃的热水，可以为区域供热的回水预热，这也是其特色之一)。

图 3 斯德哥尔摩市内的区域供冷系统示意图

斯德哥尔摩城区的区域供冷系统的供回水温度分别是6℃和16℃，系统压力是10bar，海水入水口位于海平面20米下，出水口在海水表面。当吸入口的海水温度低于6℃的时候，海水首先通过热泵的冷端提供给区域供热系统一部分热量，然后，被冷却的海水通过含钛金属的板式换热器将自身的冷量传递给区域供冷系统。而预热了的来自区域供热系统的回水再被输送到区域供热供热厂再加热到供水温度。

当吸入口的海水温度介于6℃和16℃之间的时候，系统还是和上面的工作过程一样，只是当冷量不能满足用户需求的时候，电驱动的制冷机将投入使用，

来进一

步提供能满足用户需求的冷量。同时，海水还可以作为冷却水来冷却制冷机的冷凝器以提高系统的COP。当吸入口的海水温度高于16℃的时候，海水已经没有“能力”来提供给区域供冷系统廉价的冷量了，因为她的温度比系统回水温度还要高。这时，聪明的瑞典人就利用看似无用了的海水作为冷却水来冷却制冷机的冷凝器以提高其COP，然后通过耐腐蚀的钛金换热器把热量传给区域供热系统来预热区域供热的回水。在这种工况下，区域供冷的冷量将完全由电驱动的制冷机制造的和储存在蓄水层的冷量来为系统供冷。在系统设计的时候，由于当在这种工况的情况下区域供热的热需求和前两种工况相比要小许多。因此利用区域供热的供水的热量通过吸收式制冷技术可以在经济条件可以接受的情况下提供一定的冷量给区域供冷系统。目前这只是一种想法，现有的系统并没有采取任何吸收式制冷的方案，但是一旦采用，可以说这个系统就可以说基本采用了所有可以用于大型供冷解决方案的技术了。

目前，整个系统75%的冷量来自于海水的廉价冷量，25%的冷量来自于热泵的蒸发器端和制冷机的冷凝器的热端。系统在2000年，后整体的COP大约在12～14之间，目前，整个系统的尖峰制冷能力为110MW。到2003年底，该系统的安装供冷能力为170MW，在2003年全年的累计供冷量为240GWh。虽然瑞典斯德哥尔摩城区内的区域供冷系统是世界上任何其他地方也没有办法模仿的，但是其利用低温水源作为廉价冷源并将区域供冷系统与基于大型热泵技术的区域供热系统的近乎完美的结合仍然值得我们学习和深思。

法国

法国区域供冷发展情况

法国是使用区域采暖冷冻系统的主要欧洲国家，约有12个主要区域供冷网络和多个类似的系统在运作中。在1963年，LaDéfense便开始计划装设区域性采暖冷冻装置，并在1967年启用。当时的采暖量只有40兆瓦，而冷冻量只有4兆瓦。而今天，该网络已是世界上最大的网络之一。在1997年，该区域供冷系统的总冷冻容量达到220兆瓦。

工程实例 5———加拿大广场制冷站

加拿大广场制冷站在法国的区域供冷项目中可以说最具有特色和代表性的，这个项目的奇特之处在于它是一个“看不见”、“听不到”的制冷站。整个制冷站建设在埃菲尔铁塔附近的加拿大广场地下，呈圆筒形式，共分为5层。最底层位于地下30米。可升降的入口平时与地面齐平，当人员需要进入时通过按钮就可以将入口升出地面进入地下机房。该制冷站于2002年5月调试完成，总制冷量52MW，一共安装了8台Unitop33CX冷水机组，分布于圆通形机站的最下面两 层。

图 4 加拿大广场制冷站

该机组的冷却冷源是巴黎的塞纳河，塞纳河通过位于岸边的11200m3/h流量的水泵站被输送到制冷站的5个二次板式换热器中。板式换热器的一次循环与制冷机组的冷凝器相连。每个板的二次换热量为12.4MW，总计62MW。每层的四台机组中的两台机组的冷水循环串联连接，与位于第二层的区域供冷系统的换热器相连接。串联中的第一台机组将水从10℃冷却到6℃。接下来第二台机组将水从6℃冷却到2℃。每台机组的制冷量为6.5MW。整个冷却过程中，塞纳河的河水的平均温度只提高了0.5℃，因此对水温的影响不大。

该系统利用河水作为冷却冷源，减少了氟利昂制冷剂的使用和释放，突出了环保效益。而且利用河水进行再冷却减少了每年500000m3

自来水的生产和使用。

除此之外，区域制冷的应用也避免了城市中心安装冷却塔，这样可以减少因冷却塔的使用而造成雾气柱和喜热喜湿细菌的繁殖。而且区域政冷的接入方式非常安静，也可以避免因冷却塔旋转造成的噪音。

该制冷系统的能效比很高，节省了大量的电能。通过优化时间和使用水蓄冷，也平衡了用电高峰和低谷时间。总的来说，该系统比单独的商业空调机组节约了30%~50%的用电，相对于减少了40%的二氧化碳的排放。

各国区域供冷发展新技术

随着人们环保和节能意识越来越强，一方面各个国家在对传统制冷技术进行改善，以期望获得更高的能源使用效率，另一方面也在原有的制冷技术基础上不断研究和开发其他新的制冷技术，比如近年来兴起的热泵技术以及与之相结合的冰蓄冷技术、水蓄冷技术等，无论是在工业生产、商业还是民用建筑领域都有广泛的应用。在日本，东京湾区域供冷系统通过与高效率热源机器、蓄热罐以及大供回水温差的结合，使得系统的CO2排放量小于平均水平的60%；在加拿大使用热泵对木材进行干燥，同比将平均减少近35%的能耗；在新加坡，使用改进的空气源热泵干燥系统干燥后的水果，与使用传统干燥方法干燥的水果相比诸多指标都得到了改进，某些指标甚至可以与冷冻干燥法干燥后的水果相媲美；美国能源部协同供热部门、制冷部门及发电厂联合开发先进的热驱动热泵系统，该系统利用发电设备余热对建筑物进行供热与制冷，该计划将推动热泵尤其是综合利用发电厂废热的冷暖同供技术的发展，这种技术如果被推广使用将使全能源利用率提高近80%。各国在通过各种技术的组合来实现能源最大化利用的同时，也加强了对制冷系统本身进行了研究。比如：加强了对传统制冷剂使用CO2替换的研究。在这一方面，欧洲走在了前面。其开发的CO2地源热泵系统借助CO2自身重力作用在地埋垂直管中自动运行，在循环过程中发生相变，从而吸收土壤低位热量，其吸热效率远高于普通制冷剂，有数据显示其吸热效率是普通制冷剂的4~12倍；这种产品投放市场已有四年，其特有的CO2自循环系统降低了系统的电能消耗，获得了较好评。

总结

相对于传统的分散式供冷而言，区域供冷在节能、环保以及制冷系统的管理和维护上都具有很大的优势。同时对于节约建筑用地以及提高建筑物的美观性这一块都具有传统分散式制冷无法替代的优点。相对于区域供热来说，区域供冷技术尚属于新生事物，至今开展的时间才短短数十年，所以其发展的潜力巨大。特别是在北欧国家，充分利用热泵机组冬天供热、夏天供冷的优势，一套机组，两种用途，节约了初期的投资成本，更加利于资源节约和环境保护。

随着新技术的出现，区域供冷系统不再采用单一的制冷模式，而是多种供冷技术结合的方式。美国在发展区域供冷中采用的冰蓄冷技术，日本采用的热电冷联产技术，以及北欧一些国家在区域供冷项目中以海水、河水以及湖水作为低温冷源的热泵技术。这些技术的采用可以有效的减少机组运行的成本，减少工程项目的投资。

近年来随着我国经济的快速发展，人民生活水平的提高，工业化发展趋势的不断深入，能源与资源的消耗屡创新高。建筑行业的能源消耗已经越来越受到关注，有资料统计，建筑行业的能耗占了我国能耗的三分之一，发展既节能又环保的区域制冷技术已经成为我国实现可持续发展的重要一环。