提高区域供冷系统能效与经济性的途径

摘 要

摘要：分析了区域供冷系统的能效与经济性的影响因素。提出了提高区域供冷系统的能效与经济性的途径：加大二级管网的供回水温差、对二级管网进行优化设计、对区域供冷站进行优化
摘要：分析了区域供冷系统的能效与经济性的影响因素。提出了提高区域供冷系统的能效与经济性的途径：加大二级管网的供回水温差、对二级管网进行优化设计、对区域供冷站进行优化设计、对区域供冷系统进行运行优化。
关键词：区域供冷系统；能效；经济性；优化
Paths for Improving Energy Efficiency and Economy of District Cooling System
KANG Ying-zi，HUA Ben
Abstract：The factors influencing the energy efficiency and economy of district cooling system are analyzed. The paths for improving the energy efficiency and economy of district cooling system are put forward，they include increasing the temperature difference between supply and return water in secondary circuit，optimizing the design of secondary circuit，optimizing the design of district cooling station and optimizing the operation of district cooling system.
Key words：district cooling system；energy efficiency；economy；optimization
1 概述
   ① 当前能源形势
   近年来，我国能源消费由于经济的快速发展而迅速增加。而我国的人均能源占有量远低于世界平均水平，特别是石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的7.7%、7.1%，能源供应相对短缺。随着经济的快速发展及城乡居民消费结构升级，能源供给与需求之间的缺口逐渐拉大，我国面临严峻的能源形势。
   我国的建筑能耗占总能耗的27.6%，并且将继续增长。建筑能耗中供暖空调的能耗占了很大的比重。对深圳15幢高层办公建筑的能耗调查结果表明，空调能耗约占建筑总能耗的30%[1]；对武汉9幢公共建筑的能耗调查和现场测试表明，空调能耗占建筑总能耗的22.3%～79.4%[2]；对北京10幢大中型商场类建筑的能耗调查结果表明，空调能耗占建筑总能耗的40%～50%[3]；对长沙市14幢公共建筑的能耗调查结果表明，空调能耗占建筑总能耗的32.7%～64.3%，平均为46.65%[4]。因此，提高空调系统的能源利用效率迫在眉睫。冷(热)量的梯级利用以及规模化设计是空调系统最有效的节能途径。区域供冷是一种节能、经济、环保的空调技术，也是空调节能的有效手段[5～8]。
    ② 区域供冷系统存在的问题
    虽然区域供冷系统在国外已经有很多成功运行的工程实例，但目前某些区域供冷系统出现了造价、冷价较高的现象。究其原因，这些区域供冷系统主要存在着以下两方面问题：
    a. 造价过高。导致区域供冷系统造价过高的原因主要有：区域供冷系统形式选择不合理；冷负荷预测过大；区域供冷站内各设备的配置不合理；二级管网的造价过高。这将极大地影响区域供冷系统的冷价，也使得项目投资回收期较长。
    b. 二级管网的造价与二级泵能耗过大。一些区域供冷工程的二级管网管径偏大、冷水流量大温差小、二级泵的功率大，最终导致二级管网的造价与二级泵能耗过大。
    ③ 能耗与经济性的影响因素
    区域供冷系统的造价主要包括区域供冷站内制冷主机及其辅助设备的造价、二级管网造价。冷负荷的预测，制冷主机的类型、容量、数量等是区域供冷站内设备造价的主要影响因素。二级管网的造价主要受用户与区域供冷站的距离、二级管网冷水供回水温差等因素的影响。
    对区域供冷系统运行能耗与费用影响较大的因素包括：能源种类的选择，应尽可能利用低温热源、可再生能源、天然冷(热)源；制冷主机的选择、主机与辅机的匹配程度；区域供冷系统的运行策略。
2 提高能效与经济性的途径
    ① 加大二级管网冷水的供回水温差
    加大二级管网冷水的供回水温差，降低二级管网的造价与二级泵的能耗。当二级管网输送的冷量相同时，冷水供回水温差越大，冷水流量越小。在一定流速范围内，管径越小，二级泵的功率也越小。因此，二级管网的造价与二级泵的能耗受冷水供回水温差的影响很大。但是，冷水供回水温差受制冷主机与空调末端的用冷特性的限制，不能随意确定。
    目前，市场上的大部分制冷机组，在额定工况下的冷水进出口温差为5℃，也有少量制冷机组的温差为8℃，极少数特殊设计的制冷机组温差较大。通常，离心式制冷机组的冷水供回水温差最低可到4℃，吸收式制冷机组可低至5℃。
    通常5～6℃的二级管网冷水供回水温差称为常规温差，温差超过7℃后称为大温差。目前，在国内外的区域供冷工程中采用的二级管网冷水供回水温差通常为6～11℃。文献[9]推荐的二级管网冷水供回水温差为7～11℃。北京中关村广场区域供冷系统二级管网冷水供回水温差为11.1℃，供水温度低至1.1℃，采用了冰蓄冷技术[10]。上海东华大学松江校区区域供冷系统的二级管网冷水供、回水温度为6、14℃，温差为8℃[11]。
    目前，常规空调系统末端的冷水供回水温差为5℃，只有大温差空调系统中空调末端的冷水供回水温差才能达到8～10℃。以制冷机组作为冷源的空调系统，由于受到制冷机组的限制，系统中冷水供回水温差为5～10℃，只有利用冰蓄冷技术时系统的冷水供回水温差才超过10℃。因此，在不考虑采用冰蓄冷技术的前提下，二级管网的冷水供回水温差超过10℃时，空调末端以及冷源必须进行改造，关于这方面的分析详见文献[12]。
    在温差为5～15℃内，二级管网的供回水温差越大，二级管网的造价与二级泵的能耗越小。即使在对二级管网进行优化设计的情况下，供回水温差仍对二级管网的造价与二级泵能耗有着极大的影响。
    康英姿[8]对某一区域供冷系统的二级管网在其他条件不变，分别在供、回水温度为7、12℃，供、回水温度为5、15℃，供回水温度为5、19℃下，对二级管网的最优设计方案的造价、能耗进行了统计(见表1)。由表1可知，随着供回水温差的增大，二级管网造价、二级泵的能耗均大幅降低。将供回水温差从5℃加大到14℃，二级泵年耗电量降低了58.6%，二级管网造价降低了46.6%，获得很好的经济效果。
表1 二级管网的最优设计方案的造价、能耗统计数据[12]
供回水温差/℃
二级管网造价/元
二级泵造价/元
二级泵年耗电量/(kW·h·a-1)
二级泵年运行费用/
(元·a-1)
5
1163.42×104
181.81×104
81.43×104
79.00×104
10
746.06×104
106.18×104
47.64×104
46.02×104
14
621.20×104
79.26×104
33.71×104
31.35×104
   ② 对二级管网进行优化设计
   对二级管网进行优化设计，提高二级管网的经济性。在管网的拓扑结构、各用户冷负荷、供回水温度均已知的情况下，二级管网的设计主要是确定管网内各管段的管径以及对二级泵的选型。
    工程中对于冷水系统常规的设计方法为假设流速法，该设计方法先依据工程经验选取一个经济流速，按经济流速对整个管网的各管段进行初步计算。然后对整个冷水系统进行水力计算，最终确定各管段管径及水泵的扬程、流量并进行水泵的选型。而优化设计方法以寿命期费用最小为目标，在综合考虑二级管网造价与二级泵的运行能耗的基础上，对二级管网进行设计，确定经济性最优的各管段管径、二级泵的扬程、流量、型号。
   由于优化设计综合考虑了二级管网的造价与运行费用两个方面，以寿命期总费用最小作为目标，对二级管网进行设计。因此，与常规的设计方法相比，能提高二级管网的经济性。此外，由于区域供冷系统的二级管网输送的冷量大、距离远，造价与运行费用较高，对其采用优化设计方法进行设计，可避免因二级管网设计的先天不足导致的造价过高或二级泵能耗过大等缺点。
   ③ 对区域供冷站进行优化设计
   对区域供冷站进行优化设计，提高区域供冷系统的经济性。区域供冷站是区域供冷系统的核心部分，不仅造价高，而且也是能耗主体。区域供冷站的设计主要是确定制冷主机及其辅助设备的类型、容量、数量。由于区域供冷系统负担的用户多，各用户的冷负荷随室外气象参数及内部的用冷特性不断变化，制冷主机及其辅助设备种类与型号众多。因此，区域供冷站内设备选型的可行方案很多。但是，各可行方案的造价、运行能耗与费用各异，在这些众多的可行方案中选择一个作为最终方案是区域供冷站设计工作的难点。
   区域供冷站的经济性评价涉及造价、运行费用。因此，在设计阶段，必须对区域供冷站各可行方案的造价与运行费用进行权衡，最终找出最优的方案，使得区域供冷站在寿命期内的经济性达到最优。关于区域供冷站的优化设计，由于区域供冷系统的复杂性，应该在对区域供冷站的运行与设计建模的基础上，对其进行求解才可能实现。
   通过对区域供冷站进行优化设计，使其在整个寿命期内的经济性达到最优，从根本上避免出现因设计不合理而导致的区域供冷系统先天性的造价过高及运行能耗过大问题，实现了区域供冷站内部各设备的选型的科学性，从而保证了区域供冷系统的经济、节能优势能得到发挥。
   ④ 对区域供冷系统进行运行优化
   对区域供冷系统进行运行优化，提高区域供冷系统的运行效率，降低运行费用。由于气象参数的变化、用户用冷特性的差异与不确定性，区域供冷系统的冷负荷处在动态变化之中。因此，需要确定区域供冷系统的运行策略以适应冷负荷的变化。
    区域供冷系统设备多、冷水输送系统复杂，整个系统的运行效率与运行费用受较多因素的影响。其中影响较大的因素主要有：制冷机组的运行效率、二级泵的运行效率、能源(包括电力与热源)价格。这些因素的变化都将影响区域供冷系统的运行效率、运行费用。因此，对于区域供冷这样的复杂系统，应根据变化的能源价格、冷负荷等外部边界条件，以运行效率最高或运行费用最小为目标，对区域供冷系统的运行进行优化。通过运行优化最终确定区域供冷系统的运行策略(系统内各设备的实际容量与运行负荷率、各设备的启停状况)，从而控制区域供冷系统的总能耗与运行费用，提高区域供冷系统的运行效率，降低运行费用。
3 结论
    提高区域供冷系统的能效与经济性的有效措施：加大二级管网冷水的供回水温差，降低二级管网的造价与二级泵的能耗；对冷水二级管网进行优化设计，提高二级管网的经济性与能效；对区域供冷站进行优化设计，提高区域供冷系统经济性。对区域供冷系统进行运行优化，提高区域供冷系统的运行效率，降低运行费用。
    采用上述措施，将进一步提高区域供冷系统的能效与经济性，避免实施中出现的问题，使得区域供冷系统的优势能得到充分地发挥，为我国的节能减排工作作出贡献。
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[12] 康英姿.区域供冷系统集成建模与优化设计(博士学位论文)[D].广州：华南理工大学，2008.
 
(本文作者：康英姿1 华贲2 1.华南理工大学 机械与汽车工程学院 广东广州 510641；2.华南理工大学 强化传热与过程节能教育部重点实验室 广东广州 510641)