周啟金 馬 飛 黃振軍

上海中心冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)深化設計探討

周啟金 馬 飛 黃振軍

1 背景

上海中心總高度632 m，地上127層，地下5層，總建筑面積57.6萬m2，已于2016年3月竣工，是我國首座同時獲得“綠色三星”與LEED金級認證的超高層建筑，綜合采用了43項綠色建筑適用技術。其中利用天然氣分布式能源系統(tǒng)實現(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供，使得清潔能源和綠色建筑得到良好融合，不但有利于上海中心能源的綜合利用，也對合理利用資源、發(fā)展生態(tài)經濟有著積極意義。

本三聯(lián)供系統(tǒng)主要滿足上海中心低區(qū)的基礎冷負荷及熱負荷，包括餐飲、娛樂等房間的冷熱負荷，滿足供冷工況運行3 920 h以上，供熱工況運行1 440 h以上，總運行時間約5 360 h。預計每年可供冷3.1萬GJ、熱1.67萬GJ、供電1 236萬kWh，每年可節(jié)約標煤1 890 t，減少二氧化碳排放4 855 t，減少二氧化硫排放38 t，節(jié)能率達到33%[1]。

2 系統(tǒng)配置

上海中心冷熱電三聯(lián)供項目主機房位于地下2層能源中心內，主廠房占地面積約365 m2。主機房東側為整棟大樓的空調水泵房；南側為分布式能源項目配套的燃氣計量站、配電間、控制室；西側為逃生通道，與樓梯間直接相連；四周通過混凝土墻與地下2層其它公共建筑分割，作為統(tǒng)一防火分區(qū)。

采用兩臺德國MTU 4000系列燃氣內燃機作為三聯(lián)供系統(tǒng)的原動機，每臺燃氣內燃機的發(fā)電量為1 165 kW，所發(fā)電量以“并網不上網”的原則并入大廈內部電網。燃氣內燃機發(fā)電時產生的高溫煙氣（441℃）和高溫缸套水（90℃）分別經過煙氣換熱器和板式換熱器與二次側的熱水進行熱交換。二次側的熱水（75℃/95℃）先經過機組換熱器加熱至85.7℃，然后通過煙氣換熱器加熱至95℃。

夏季二次側的熱水作為熱水型溴化鋰吸收式制冷機的熱源，用于空調供冷，每臺熱水型溴化鋰吸收式制冷機的制冷量為1 047 kW，其冷凍水供/回水溫度為6℃/13.5℃，冷卻水進/出水溫度為32℃/37.5℃。冬季通過供熱換熱器進行熱交換后用于空調供暖，每套供熱板換的換熱量為1 396 kW，供熱熱水供/回水溫度為60℃/45℃，系統(tǒng)原理圖詳見圖1。

3 分系統(tǒng)深化設計

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是一個包含多種能源結構的綜合性系統(tǒng)，設計工作涵蓋面廣，包括了暖通、動力、給排水、電氣和自控等各專業(yè)的分項設計，具有系統(tǒng)集成度高、安全要求高的特點。按照系統(tǒng)結構及專業(yè)不同，可劃分為燃氣供應系統(tǒng)、電力并網系統(tǒng)、供冷/供熱系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和減震降噪系統(tǒng)，各分系統(tǒng)在深化設計時均應符合相關標準規(guī)范的要求，同時滿足上海中心的總體設計思路，與常規(guī)空調系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)和電力系統(tǒng)緊密結合。

3.1 燃氣供應系統(tǒng)

本系統(tǒng)的天然氣管道接自上海中心天然氣總管，引入0.4 MPa的中壓天然氣引接專線作為主要來源，從上海中心天然氣母管上引接DN 100支線為三聯(lián)供系統(tǒng)提供氣源，通過調壓站將天然氣壓力降為0.1 MPa，然后進入三聯(lián)供主機房，依次經過緊急切斷閥、燃氣過濾器、減壓零壓閥后接入內燃機進氣管。同時，在主機房內設置可燃氣體報警探測器，與事故通風系統(tǒng)和燃氣緊急切斷閥聯(lián)動。

圖1 上海中心冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)原理圖

考慮到消防安全問題，發(fā)電機組外圍采用隔聲罩與主機房隔離，并使用單獨的通風系統(tǒng)，同時在隔聲罩內采用七氟丙烷滅火系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)的安全性。

3.2 電力并網系統(tǒng)

燃氣內燃發(fā)電機組單機容量為1 165 kW，發(fā)電機端電壓為10.5 kV，采用發(fā)電機線路組接線方式接入上海中心110 kV變電站1號主變10 kV母線側，在發(fā)電機出口及上海中心110 kV變電站進線處分別設置隔離柜及PT柜。整個三聯(lián)供系統(tǒng)采用并網不上網的方式支行，兩臺發(fā)電機組通過自動同步裝置并網，再通過功率變送器監(jiān)測上海中心大廈實際電負荷來控制三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電功率，保證發(fā)出的電能不倒送。

高壓系統(tǒng)并網開關柜帶繼電保護裝置為發(fā)電系統(tǒng)提供低壓低頻保護、高壓高頻保護、接地故障保護、過流保護等。

3.3 供冷/供熱系統(tǒng)

本三聯(lián)供系統(tǒng)的余熱由高溫煙氣和高溫缸套水產生，根據發(fā)電機組技術參數(shù)，高溫缸套水余熱量約747 kW，高溫煙氣側余熱量約649 kW。二次側熱水的供回水溫度（95℃/75℃）由溴化鋰吸收式制冷機的技術參數(shù)確定，二次側熱水先經過機組換熱器被加熱至85.7℃，然后經過煙氣換熱器進一步加熱，通過控制進入煙氣換熱器的煙氣量使二次側熱水供水溫度保持在95℃。

同時，在余熱回收一次側設置換熱量為747kW的高溫冷卻換熱器，作為發(fā)電機組的應急散熱器，其目的是當供冷/供熱負荷發(fā)生波動時，維持發(fā)電機組的冷卻水溫度不變，保證發(fā)電機組正常運行，避免冷熱負荷波動影響三聯(lián)供系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4 通風系統(tǒng)

三聯(lián)供主機房的通風量包括內燃機所需的助燃空氣量、設備散熱所需的空氣量、環(huán)境衛(wèi)生所需的新鮮空氣量。其中兩臺內燃機散熱所需的空氣量約占總通風量的88%，為加強機組散熱、降低通風機電機功率，內燃機隔聲罩內單獨通風，采用機械進風、機械排風的通風方式。

三聯(lián)供系統(tǒng)的進、排風均由上海中心進、排風總風道提供，隔聲罩進、排風風機均采用防爆風機，主機房進、排風機均采用雙速風機，以滿足事故通風的需求。

3.5 排煙系統(tǒng)

每臺燃氣內燃發(fā)電機組采用單獨的排煙管道，并在排氣管道的最低點、煙氣換熱器煙氣側、消聲器設置U形管等排水設施，煙氣換熱器的煙氣管道設計為“上進下出”，防止煙氣換熱器中的冷凝水進入發(fā)動機造成設置損壞。在煙氣換熱器旁設置旁通管，當冷熱負荷需求降低時，根據二次側熱水出水溫度控制旁通電動閥的開度，減小通過煙氣換熱器的煙氣流量，防止二次側水溫過高。

同時，旁通電動閥與煙氣換熱器電動閥聯(lián)運控制，并滿足開度之和≥100%的控制策略，以避免增加排氣阻力和誤動作引起發(fā)電機組停機事故。

3.6 減震降噪系統(tǒng)

三聯(lián)供系統(tǒng)中燃氣內燃機是最主要的噪聲源，考慮減輕機房噪聲對上海中心聲環(huán)境的影響，在主機房內設置隔聲裝置、排氣消聲器、風機消聲器以及機房吸聲墻面等降噪措施。

發(fā)電機組表面輻射噪聲采用隔聲罩進行隔聲，隔聲門/板結構采用“雙層復合約束阻尼結構”；排氣消聲器采用針對性阻抗復合型結構設計，能有效降低本項目中氣體發(fā)動機特定的低頻排氣噪聲，消聲量可達30 dB（A）。通風機前后端均設有風機消聲器，以降低隔聲裝置內部噪聲向廠界的傳遞，風機消聲器采用片式阻性結構，通過多孔纖維吸聲材料吸聲。

4 BIM建模及空間管理

以上各分系統(tǒng)包含的設備和管道多達10余種，如天然氣管道、潤滑油管道、通風管道、排煙管道、冷凍水管道、發(fā)電機組冷卻水管道、溴機冷卻水管道、一次側熱水管道、二次側熱水管道、供熱熱水管道、高壓電纜、低壓電纜、控制電纜等，加之主機房空間有限，深化設計時利用先進的BIM軟件對三聯(lián)供系統(tǒng)進行建模，有效地規(guī)劃、管理空間，同時優(yōu)化設備、管線、人員動線、維護空間等布局，具有可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性和出圖性5大特點。

4.1 局部空間管理

三聯(lián)供系統(tǒng)中一次側熱水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、低溫冷卻系統(tǒng)與內燃發(fā)電機組結合緊密，在本項目的深化設計中，將以上分系統(tǒng)集成至隔聲罩內，與發(fā)電機組組成一套完整的余熱回收系統(tǒng)，實現(xiàn)了內燃發(fā)電機組的模塊化設計，為三聯(lián)供系統(tǒng)的推廣提供了鮮明的案例。

通過BIM建模，合理利用隔聲罩內的剩余空間，充分考慮各設備的操作空間和維修空間，具體設計原則為：小管讓大管、油管讓水管、冷管讓熱管、提前想維護，完成的模塊BIM模型見圖2。

圖2 內燃發(fā)電機組隔聲罩內BIM建模

4.2 整體空間管理

本項目深化設計利用BIM建模技術，通過搭建各分系統(tǒng)的BIM模型，在虛擬的三維環(huán)境下檢測設計中的管道、電纜橋架及土建之間的碰撞沖突，提高了管線綜合設計能力和工作效率，如圖3、圖4所示。整體空間管理的原則如下：小管讓大管、有壓讓無壓、冷管讓熱管、低壓讓高壓、電氣讓熱力、價低讓價高。

BIM空間管理不僅能及時排除項目施工環(huán)節(jié)中可能遇到的碰撞沖突，更大的提高了施工現(xiàn)場的生產效率，降低了由于施工協(xié)調造成的成本增加和工期延誤。幫助管理團隊記錄空間的使用情況，處理最終用戶要求空間變更的請求，分析現(xiàn)有空間的使用情況，合理分配建筑物空間，確保空間資源的最大利用率[2]。

圖3 三聯(lián)供系統(tǒng)BIM模型局部—主機管道

圖4 三聯(lián)供系統(tǒng)BIM模型局部—泵與主機

5 結語

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是跨專業(yè)、綜合性的節(jié)能系統(tǒng)，它利用天然氣作為清潔能源，產生的冷、熱、電可滿足建筑的基礎負荷需求，其優(yōu)越的節(jié)能減排作用倍受青睞。建于上海中心大廈能源中心的三聯(lián)供系統(tǒng)吸收了國內外優(yōu)質項目的經驗，并借助先進的BIM建模技術，完成了各分系統(tǒng)的深化設計，以及整體系統(tǒng)的空間管理，不但為項目施工提供立體三維指導，降低施工成本、縮短施工工期，也可作為其他民用建筑內的三聯(lián)供系統(tǒng)的設計及施工的參考。

[1] 上海中心大廈分布式能源項目可行性研究報告[R]，上海電力設計院有限公司，2012(12).

[2] 過俊，BIM在國內建筑全生命周期的典型應用[J]，建筑技藝，2011(Z1).

[3] CJJ 145-2010 燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術規(guī)程[S].

Discussion on Combined Cooling Heating and Power Generation System Deepening Design at Shanghai Tower

Zhou Qijin, Ma Fei, Huang Zhenjun

周啟金：（1982-），男，學士，工程師，主要從事新能源設計與技術開發(fā)工作。