提要 本文首先简介了瑞典的概况, 区域供冷的概念, 然后分析了在瑞典这种供冷技术的发展历程, 通过分析了斯德哥尔摩的区域供冷系统展望了这种技术思想对我国暖通事业的启示意义。关键词 区域供冷 水源热泵 瑞典 中国 引言当读者看到这个题目的时候可能会问这样一个问题: 区域供冷怎么可能会在一个寒冷的北欧国家有很大的发展呢? 但是当你读过这篇文章后, 读者就会理解为什么和阿拉斯加处于同一纬度的瑞典首都斯德哥尔摩会拥有目前这个世界上最近乎完美的区域供冷系统了. 本文首先简介了瑞典的概况, 给出了区域供冷的定义和简要分析了其在瑞典快速发展的原因, 然后详尽的叙述并分析了斯德哥尔摩市的区域供冷系统, 最后在总结瑞典区域供冷技术的成功之处和值得借鉴之处的基础之上展望了区域供冷技术对我国制冷行业的启示意义.
提要 本文首先简介了瑞典的概况, 区域供冷的概念, 然后分析了在瑞典这种供冷技术的发展历程, 通过分析了斯德哥尔摩的区域供冷系统展望了这种技术思想对我国暖通事业的启示意义。
关键词 区域供冷 水源热泵 瑞典 中国
引言
当读者看到这个题目的时候可能会问这样一个问题: 区域供冷怎么可能会在一个寒冷的北欧国家有很大的发展呢? 但是当你读过这篇文章后, 读者就会理解为什么和阿拉斯加处于同一纬度的瑞典首都斯德哥尔摩会拥有目前这个世界上最近乎完美的区域供冷系统了. 本文首先简介了瑞典的概况, 给出了区域供冷的定义和简要分析了其在瑞典快速发展的原因, 然后详尽的叙述并分析了斯德哥尔摩市的区域供冷系统, 最后在总结瑞典区域供冷技术的成功之处和值得借鉴之处的基础之上展望了区域供冷技术对我国制冷行业的启示意义.
1. 瑞典概况[浏览网站1]
1.1 地理
瑞典王国，位于北欧斯堪的纳维亚半岛东南部。面积449964平方千米。人口883万。90％为日耳曼族瑞典人。通用瑞典语。国教为基督教路德宗。
海岸线长7624千米。西北部为斯堪的纳维亚山脉的东坡，南部及沿海多为低地。最高点凯布讷山，海拔2117米。河湖众多，河流急湍，富水力资源，湖泊面积约占全国总面积8％，广大地区属温带针叶林气候，南部属温带阔叶林气候。年降水400－600毫米。有铁、铜、锌、铅等矿藏。森林占总面积57％。
1.2 气候
瑞典所处纬度较高，北极穿越其北部国土，因此气温较低。但由于受北大西洋暖流的影响，瑞典的气候要比同纬度的其他地区温和。 1月份瑞典南部平均气温为摄氏零下1度， 北部为摄氏零下14度、首都斯德哥尔摩的冬季从12月开始到第2年的3月底结束，冬季的平均气温为零下3度，平时降雪较多。7月份大部分地区的平均气温为15到17度、斯德哥尔摩的平均气温为18度左右。
1.3 首都
斯德哥尔摩是瑞典第一大城市，面积186平方公里，人口74万。斯德哥尔摩大区除斯德哥尔摩市区外，还包括其周围四个市政区，共182万人口。斯市地处波罗的海和梅拉伦湖（瑞典第三大湖）之间，由14个大岛和一个半岛组成。市内水道纵横， 70多座桥梁把整个市区连在一起，素有“北方威尼斯”的美称。
斯市建于1250年，1436年起瑞典定都于此。它是瑞典的政治、经济、文化中心、第一大工业城市和第二大港口，商业产值及海港吞吐量占全国的五分之一，有60％的大型企业及金融机构的总部设在这里。此外，斯市还有许多重要的文化和教育机构，如：瑞典皇家科学院、瑞典工程科学院、斯德哥尔摩大学、皇家工学院、国家博物馆、音乐厅等。
由于在基础设施方面的良好条件和无线通讯研究领域的领先优势，斯德哥尔摩还被誉为 “欧洲IT之都”， KISTA高科技园吸引了微软、IBM、诺基亚、惠普以及爱立信等众多信息与通讯领域的高科技公司来此投资并设立研发中心。
2. 区域供冷的定义[参考文献1]
区域供冷技术是指集中生产并输配冷量。冷量以冷冻水为载体被中心制冷工厂生产出来并通过埋入地下的管道输往办公写字楼、 工业建筑和住宅建筑中去带走室内空气的热量, 实现空调的舒适要求或生产的工艺要求。
3. 为什么是瑞典?[参考文献2, 4]
区域供冷在90年代在瑞典经历了从无到有, 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? 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.
3.1 成功的区域供热的历史背景
区域供热在瑞典是非常发达的, 目前在瑞典的20多个城市里都有自己的区域供热系统. 城市里75%的单元住宅建筑, 8%的单独的家庭房就和60%的商业建筑和公共建筑都连接了区域供热系统进行供暖.
瑞典的区域供热公司通常是和市政当局一起组成合股制的组织模式, 自己作为独立股东. 然而一些市政当局把他们的股份买给了大的能源公司. 虽然区域供热公司是在一个公开的供热市场上公开通过竞标的形式来寻求客户, 但是由于在多数情况下最大的业主就是市政当局本身, 因此对于许多的区域供热系统来说根本就不用担心没有用户来用自己产出的热量.
1970年后瑞典区域供冷事业的扩张发展部分是因为瑞典政府决心减低国家对石油的依赖. 瑞典自己在70年代和80年代大力发展了核电事业, 从而导致了过多的, 用不了的发电能力, 这导致了区域供热公司被鼓励投资于大型的热泵以及电加热锅炉的应用. 这些大型的热泵采用废水, 湖水或海水作为热源, 供热能力从2MW到40MW(570-11 400吨)不等, 可以说, 这些现有的热泵系统为将来发展的区域供冷系统的蓬勃发展奠定了极其重要的基础.
3.2 电力系统的解除管制+区域供热的寻找新的经济增长点=区域供冷的飞速发展
解除电力管制: 以往由政府大权独揽的电力供应系统将逐步由政府的绝对宏观调控转机制变为以市场需求为导向的市场竞争的运作机制, 电力用户将有自主选择电力供应商的权利, 这就像人们可以选择电话服务商一样, 也可以选择电力供应商, 谁的服务好, 价格底就选谁的. 这种政策的实施在理论上显然可以使得资源得到更优化的配置, 从而更有益于社会.
瑞典, 作为一个很早就实现工业化的国家, 在近年来有一种公共设施解除管制完全实行市场化的大趋势. 尽管区域供热在瑞典从来就没有被政府管制过, 但是北欧4国的电力市场在90年代成功的解除管制深深的影响了瑞典的区域供热事业.
瑞典区域供热贸易通常是更大的, 为当地市场供电的市政能源公共事业的一部分. 一些区域供热公司也通过自己的热电联产系统发电或是作为水电资源的业主(目前瑞典全年的发电能源50%是水电, 44%是核电, 6%是生物能和极少的燃油). 由于电力工业的解除管制, 区域供热公司不得不作出以市场为导向的发展战略.
2楼
在瑞典, 区域供热公司不仅提供能源审计, 外购业务甚至提供宽带互联网业务的服务. 由于区域供热在瑞典已经是相当成熟的工业, 公司开拓市场必须被迫寻找其他新的商业增长点. 区域供冷便被相中成为了可供选择的, 在将来发展的核心商业. 同时现存的大型热泵的冷端潜在的廉价冷量也被认为是非常符合这种构想的.
瑞典第一个区域供冷工程于1992年在Västerås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.
3.3 瑞典的冷源
考虑到瑞典比较短的供冷季节(大约年均1000小时的满负荷), 高昂的管线投资以及瑞典少得可怜的人口密度和缺少高楼大厦的现状, 区域供冷必须寻找到廉价冷源才能在经济上可行. 幸运的是瑞典被环抱在波罗的海中, 有许多非常大的湖泊还有现成的大型热泵的冷端可以加以利用.
3.4 CFC和HCFC的淘汰[采访人员4]
另一个因素就是瑞典是全世界最早淘汰CFC和HCFC的国家. 从2000年一月开始禁止在现有的工厂里使用用于商业买卖的CFC作为制冷剂, 小型的固定设备除外(如饮用水冷却机, 冰棒冷冻机, 除湿机, 用于冷冻食品和冷藏的设备, 但是该特赦将于2004年12月31号失效).
CFC HCFC
Stop for new design 1st of January 1995 1st of January 1998
Stop for filling 1st of January 1998 1st of January 2002
Stop for usage 1st of January 2000 Not yet decided
4. 工程实例: 斯德哥尔摩市内的区域供冷系统[参考文献5]
4.0 背景
感谢波罗的海和来自大西洋暖流的恩赐, 位于北纬60度的瑞典首都斯德哥尔摩的月平均温度见下表[浏览网站2]
月份 1月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月
平均温度 -2.9℃ -3.0℃ 0.0℃ 4.4℃ 10.5℃ 15.5℃ 17.1℃ 16.1℃ 11.8℃ 7.4℃ 2.5℃ -1.3℃
为了对比我们不妨看一下典型的陆地气候: 我国黑龙江省的哈尔滨的纬度是北纬45.75度, 比斯德哥尔摩要低14度左右, 可是她的月平均温度呢? [浏览网站3]
月份 1月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月
平均温度 -19.4℃ -15.4℃ -4.8℃ 6.0℃ 14.3℃ 20.0℃ 22.8℃ 21.1℃ 14.4℃ 5.6℃ -5.7℃ -15.6℃
由此我们不难发现陆地性气候和海洋性气候的明显差异, 波罗的海不仅给斯德哥尔摩带来了温暖的天气还提供了廉价的冷源, 而如果我们知道波罗的海的平均盐度只有0.6度的话(全世界最淡的海水, 全世界海水平均盐度为千分之三十五, 即3.5度), 那么我们不禁更要羡慕幸运的瑞典人了, 因为低盐度意味着当采取利用海水的廉价冷量的时候, 盐度低的海水对换热器的腐蚀性比起盐度高的海水来的要小, 而且结垢导致的系统阻力增加, 换热效果下降等缺点也要小许多.
美丽的瑞典斯德哥尔摩环抱在世界上最淡的波罗的海中[参考文献3]
另外, 由于瑞典有利用先进的大型海水源热泵进行区域供热的经验和现成的设备, 采用海水以及热泵蒸发器端作为冷源进行区域供冷的构想开始形成并最终经过技术和经济论证后进行了实施. 经过了8年的运行后, 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, 其结果是: 更高的可利用率, 更加环保的效应以及更加经济的运行操作.
4.1 区域
斯德哥尔摩城区包括了各种各样的供不同用途的建筑物, 尤其是办公写字楼和商业建筑. 城市的冷需求非常的高, 而且与不断增长的贸易, 更加严格的舒适要求以及不断信息化的计算机的配备步伐同步上升. 斯德哥尔摩城区的区域供冷工程是全世界第一个采用热泵的冷端和廉价的低温海水进行环保经济的区域供冷工程.
4.2 工程的建造
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. 输配水系统的管线就被安装在现有的隧道, 地下管道里或深埋的电缆壕沟里. 通过在工程的规划和施工中采用特殊的建筑方案, 斜坡梯安排以及夜晚工作等方法使得对于道路交通的负面影响降到了最低.
4.3 客户
自1995年以来, 到目前为止已经有大约300多用户签署了购买斯市内的区域供冷合同. 典型的客户可以是一个冷负荷500kW的办公写字楼区域, 但是冷负荷也可以有非常大的浮动, 可以小到100kW, 也可以大到3000kW.
4.4 供冷网路的分布
区域供冷的冷量被冷冻水携带着通过供冷网路被输送到用户端, 城区内的供冷网路的主干线的长度目前是8.6km, 管径是800mm. 主干网被安装于现有的管路隧道或埋地. 在城区内, 输配系统的总长度为12km, 同样, 系统也被安装于隧道里和地下.
4.5 冷量的生产
当该区域供冷系统于1995年开始投放市场的时候, 一个新的60MW的制冷厂在Värtan的现有的热泵系统旁边被建造起来, 并且区域供冷系统的中心制冷厂于1995年年内就建成并服役了. 廉价的低温海水冷量和热泵冷端冷量的结合不仅带来了非常好的经济效应, 同时也带来了非常好的环境效应.
在1998年, 制冷厂又补充了一个位于Brunkebergsåsen的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, 她可以连续数个小时给整个系统提供不小于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.)
4.6 近乎完美的供冷解决方案[采访人员1, 2]
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下, 出水口在海水表面.
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3楼
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, 来进一步提供给流出换热器的系统的冷冻水足够的,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. 在系统的设计的时候, 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, 但是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.
这样的设计最终的结果是: 该系统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年加入系统后整体的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.
1998年还没补充蓄水层部分的系统工作原理[浏览网站4]
4.7 无法模仿的近乎完美的区域供冷神话[参考文献6]
要知道在7月份的时候波罗的海的海水表面温度可以超过20℃, 那么在海平面下哪里来的低温海水呢?
来自海水廉价冷量的有力条件是斯德哥尔摩位于波罗的海和Malaren湖泊入海的位置, Malaren湖泊是全瑞典第三大湖. 波罗的海在斯德哥尔摩近海岸的平均盐度只有0.6度, 是全世界最“淡”的海水. 来自Malaren湖泊的淡水流入波罗的海, 因为淡水的密度比海水的密度低, 因此淡水会“漂浮”在海水上面流过各个小岛然后流入波罗的海. 表面水流的流出将产生拖拽力拖拽海水来入水口进行补充, 由此形成一个贴着海底的反向海水流向斯德哥尔摩的海边, 正是这股海水为该区域供冷系统带来了廉价的大量的冷量. 由于距离等因素, 远处的海水要流到斯德哥尔摩的近海岸要整整3个月, 因此在7月份到达斯德哥尔摩的海底的海水是在4月份离开群岛的海水, 而在4月份的各个岛屿的海水温度是非常的低的, 因为在这段时间通常是巨大的冰块融化的时候. 笔者贴了一张在发稿半月前乘VIKING Line游览芬兰时在船上照的群岛上的浮冰的照片, 我们还可以看到许多浮冰漂在海面上, 谁能想到就是这些浮冰融化时产生的的冷量将在3个月后的夏天提供给我在瑞典皇家工学院的自习室里的空调冷量……实在是太神奇了!!!
因此我们不得不说瑞典斯德哥尔摩市内的区域供冷系统的解决方案不仅是唯一的, 具有独创性和革命性的, 而且还是世界任何其他地方没有任何办法模仿的.
5. 瑞典区域供冷技术对中国制冷行业寻求可持续性发展的启示
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.
我国目前的地表水的资源分布如下:
我国地下水资源分布如下两图[浏览网站5]
我们发现在南方还是有非常多的水资源可以加以利用的, 而南方同时又是冷需求最大的地方. 另外, 在缺水的北方我们可以考虑采用地下水, 或结合城市自来水供应系统, 甚至工业费热来采用吸收式制冷技术, 像青岛, 大连等沿海城市也可以考虑采用利用海水的冷量. 退一步说, 即使水体的温度不够低, 尤其是南方的地表水, 我们可以用这些仿佛没有利用价值的水来冷却制冷机的冷凝器, 从而大大提高其COP, 就像海洋性气候与陆地性气候的巨大差别一样, 采用水体冷却比采用利用空气的不饱和蒸发原理的冷却塔的效果是不可同日而语的, 而且还可以避免一系列采用冷却塔所带来的诸如军团菌病, 视觉污染, 羽状的水蒸气, 夏天湿度大的时候冷却能力不足 (而这时正是冷负荷最大的时候!) 等这样那样的问题.
总之, 知识还是要活用的, 我们没有瑞典的独特的冷源条件, 但是我们可以在汲取其设计精华的基础上根据我国各个城市自己的特点来进行我们的独特的, 近乎完美的和没有办法拷贝的制冷解决方案, 创造性的设计思维和国家大力的支持是最最关键的两个驱动力.
目前我国拥有着惊人的经济发展速度和巨大的市场潜力, 随之而来的是不可避免的能源需求和环境压力, 如何实现可持续性的发展和增长是我们现在就必须全力解决和运筹的问题, 防微杜渐能否成功, 亡羊补牢为时不晚, 我们已经走在了发达国家的后面, 如果不能及时的吸取他们的经验教训, 等到我们的化石资源用尽耗干之时也是我们走向衰落之日.
希望将我国的节能工作提高到影响到未来国家安全的层面上来看待, 而在暖通领域采取严格的节能标准和鼓励新的, 适宜于某个地区的技术的法规将是在行动上执行这种思想的具体表现.
后记
我希望能够通过这篇小题大做的文章给工作在暖通领域的各位专家, 学者, 工程师, 企业家, 政府官员等能为我国暖通事业做点事情的人们提供一点信息, 因为我深深相信知识和见识只有通过有效的, 迅速的传播才能得到最大限度的利用. 国外的新的, 好的技术很多很多, 毕竟我的能力有限, 时间也有限, 不可能介绍的更多, 但是我想众人拾柴火焰高, 如果大家都能贡献一点微薄之力的话, 那么我国暖通事业实现可持续发展的时候就指日可待了.
我由衷的感谢瑞典资金供冷公司(Capital Cooling Europe AB)对我的这篇文章的大力支持, 不论是在物质上的还是在精神上的, 另外还有我在瑞典皇家工学院的导师Per Lundqvist教授在我了解瑞典区域供冷技术的过程中给我提供了非常多的资料和专家级的指导. 最后感谢我的父母多年来给我在生活上和学习上的精神上和物质上的支持和鼓励, 没有你们我不会有今天的成绩.
最后祝愿我们的暖通事业蒸蒸日上!
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4楼
有pdf格式的吗？
上面的图片看不见。
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