提高區(qū)域供冷系統(tǒng)能效與經(jīng)濟性的途徑

摘 要

摘要：分析了區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效與經(jīng)濟性的影響因素。提出了提高區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效與經(jīng)濟性的途徑：加大二級管網(wǎng)的供回水溫差、對二級管網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計、對區(qū)域供冷站進行優(yōu)化
摘要：分析了區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效與經(jīng)濟性的影響因素。提出了提高區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效與經(jīng)濟性的途徑：加大二級管網(wǎng)的供回水溫差、對二級管網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計、對區(qū)域供冷站進行優(yōu)化設(shè)計、對區(qū)域供冷系統(tǒng)進行運行優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：區(qū)域供冷系統(tǒng)；能效；經(jīng)濟性；優(yōu)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 當前能源形勢
   近年來，我國能源消費由于經(jīng)濟的快速發(fā)展而迅速增加。而我國的人均能源占有量遠低于世界平均水平，特別是石油、天然氣人均資源量僅為世界平均水平的7.7%、7.1%，能源供應(yīng)相對短缺。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展及城鄉(xiāng)居民消費結(jié)構(gòu)升級，能源供給與需求之間的缺口逐漸拉大，我國面臨嚴峻的能源形勢。
   我國的建筑能耗占總能耗的27.6%，并且將繼續(xù)增長。建筑能耗中供暖空調(diào)的能耗占了很大的比重。對深圳15幢高層辦公建筑的能耗調(diào)查結(jié)果表明，空調(diào)能耗約占建筑總能耗的30%[1]；對武漢9幢公共建筑的能耗調(diào)查和現(xiàn)場測試表明，空調(diào)能耗占建筑總能耗的22.3%～79.4%[2]；對北京10幢大中型商場類建筑的能耗調(diào)查結(jié)果表明，空調(diào)能耗占建筑總能耗的40%～50%[3]；對長沙市14幢公共建筑的能耗調(diào)查結(jié)果表明，空調(diào)能耗占建筑總能耗的32.7%～64.3%，平均為46.65%[4]。因此，提高空調(diào)系統(tǒng)的能源利用效率迫在眉睫。冷(熱)量的梯級利用以及規(guī)模化設(shè)計是空調(diào)系統(tǒng)最有效的節(jié)能途徑。區(qū)域供冷是一種節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保的空調(diào)技術(shù)，也是空調(diào)節(jié)能的有效手段[5～8]。
    ② 區(qū)域供冷系統(tǒng)存在的問題
    雖然區(qū)域供冷系統(tǒng)在國外已經(jīng)有很多成功運行的工程實例，但目前某些區(qū)域供冷系統(tǒng)出現(xiàn)了造價、冷價較高的現(xiàn)象。究其原因，這些區(qū)域供冷系統(tǒng)主要存在著以下兩方面問題：
    a. 造價過高。導(dǎo)致區(qū)域供冷系統(tǒng)造價過高的原因主要有：區(qū)域供冷系統(tǒng)形式選擇不合理；冷負荷預(yù)測過大；區(qū)域供冷站內(nèi)各設(shè)備的配置不合理；二級管網(wǎng)的造價過高。這將極大地影響區(qū)域供冷系統(tǒng)的冷價，也使得項目投資回收期較長。
    b. 二級管網(wǎng)的造價與二級泵能耗過大。一些區(qū)域供冷工程的二級管網(wǎng)管徑偏大、冷水流量大溫差小、二級泵的功率大，最終導(dǎo)致二級管網(wǎng)的造價與二級泵能耗過大。
    ③ 能耗與經(jīng)濟性的影響因素
    區(qū)域供冷系統(tǒng)的造價主要包括區(qū)域供冷站內(nèi)制冷主機及其輔助設(shè)備的造價、二級管網(wǎng)造價。冷負荷的預(yù)測，制冷主機的類型、容量、數(shù)量等是區(qū)域供冷站內(nèi)設(shè)備造價的主要影響因素。二級管網(wǎng)的造價主要受用戶與區(qū)域供冷站的距離、二級管網(wǎng)冷水供回水溫差等因素的影響。
    對區(qū)域供冷系統(tǒng)運行能耗與費用影響較大的因素包括：能源種類的選擇，應(yīng)盡可能利用低溫?zé)嵩?、可再生能源、天然?熱)源；制冷主機的選擇、主機與輔機的匹配程度；區(qū)域供冷系統(tǒng)的運行策略。
2 提高能效與經(jīng)濟性的途徑
    ① 加大二級管網(wǎng)冷水的供回水溫差
    加大二級管網(wǎng)冷水的供回水溫差，降低二級管網(wǎng)的造價與二級泵的能耗。當二級管網(wǎng)輸送的冷量相同時，冷水供回水溫差越大，冷水流量越小。在一定流速范圍內(nèi)，管徑越小，二級泵的功率也越小。因此，二級管網(wǎng)的造價與二級泵的能耗受冷水供回水溫差的影響很大。但是，冷水供回水溫差受制冷主機與空調(diào)末端的用冷特性的限制，不能隨意確定。
    目前，市場上的大部分制冷機組，在額定工況下的冷水進出口溫差為5℃，也有少量制冷機組的溫差為8℃，極少數(shù)特殊設(shè)計的制冷機組溫差較大。通常，離心式制冷機組的冷水供回水溫差最低可到4℃，吸收式制冷機組可低至5℃。
    通常5～6℃的二級管網(wǎng)冷水供回水溫差稱為常規(guī)溫差，溫差超過7℃后稱為大溫差。目前，在國內(nèi)外的區(qū)域供冷工程中采用的二級管網(wǎng)冷水供回水溫差通常為6～11℃。文獻[9]推薦的二級管網(wǎng)冷水供回水溫差為7～11℃。北京中關(guān)村廣場區(qū)域供冷系統(tǒng)二級管網(wǎng)冷水供回水溫差為11.1℃，供水溫度低至1.1℃，采用了冰蓄冷技術(shù)[10]。上海東華大學(xué)松江校區(qū)區(qū)域供冷系統(tǒng)的二級管網(wǎng)冷水供、回水溫度為6、14℃，溫差為8℃[11]。
    目前，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)末端的冷水供回水溫差為5℃，只有大溫差空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)末端的冷水供回水溫差才能達到8～10℃。以制冷機組作為冷源的空調(diào)系統(tǒng)，由于受到制冷機組的限制，系統(tǒng)中冷水供回水溫差為5～10℃，只有利用冰蓄冷技術(shù)時系統(tǒng)的冷水供回水溫差才超過10℃。因此，在不考慮采用冰蓄冷技術(shù)的前提下，二級管網(wǎng)的冷水供回水溫差超過10℃時，空調(diào)末端以及冷源必須進行改造，關(guān)于這方面的分析詳見文獻[12]。
    在溫差為5～15℃內(nèi)，二級管網(wǎng)的供回水溫差越大，二級管網(wǎng)的造價與二級泵的能耗越小。即使在對二級管網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計的情況下，供回水溫差仍對二級管網(wǎng)的造價與二級泵能耗有著極大的影響。
    康英姿[8]對某一區(qū)域供冷系統(tǒng)的二級管網(wǎng)在其他條件不變，分別在供、回水溫度為7、12℃，供、回水溫度為5、15℃，供回水溫度為5、19℃下，對二級管網(wǎng)的最優(yōu)設(shè)計方案的造價、能耗進行了統(tǒng)計(見表1)。由表1可知，隨著供回水溫差的增大，二級管網(wǎng)造價、二級泵的能耗均大幅降低。將供回水溫差從5℃加大到14℃，二級泵年耗電量降低了58.6%，二級管網(wǎng)造價降低了46.6%，獲得很好的經(jīng)濟效果。
表1 二級管網(wǎng)的最優(yōu)設(shè)計方案的造價、能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)[12]
供回水溫差/℃
二級管網(wǎng)造價/元
二級泵造價/元
二級泵年耗電量/(kW·h·a-1)
二級泵年運行費用/
(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 對二級管網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計
   對二級管網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計，提高二級管網(wǎng)的經(jīng)濟性。在管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)、各用戶冷負荷、供回水溫度均已知的情況下，二級管網(wǎng)的設(shè)計主要是確定管網(wǎng)內(nèi)各管段的管徑以及對二級泵的選型。
    工程中對于冷水系統(tǒng)常規(guī)的設(shè)計方法為假設(shè)流速法，該設(shè)計方法先依據(jù)工程經(jīng)驗選取一個經(jīng)濟流速，按經(jīng)濟流速對整個管網(wǎng)的各管段進行初步計算。然后對整個冷水系統(tǒng)進行水力計算，最終確定各管段管徑及水泵的揚程、流量并進行水泵的選型。而優(yōu)化設(shè)計方法以壽命期費用最小為目標，在綜合考慮二級管網(wǎng)造價與二級泵的運行能耗的基礎(chǔ)上，對二級管網(wǎng)進行設(shè)計，確定經(jīng)濟性最優(yōu)的各管段管徑、二級泵的揚程、流量、型號。
   由于優(yōu)化設(shè)計綜合考慮了二級管網(wǎng)的造價與運行費用兩個方面，以壽命期總費用最小作為目標，對二級管網(wǎng)進行設(shè)計。因此，與常規(guī)的設(shè)計方法相比，能提高二級管網(wǎng)的經(jīng)濟性。此外，由于區(qū)域供冷系統(tǒng)的二級管網(wǎng)輸送的冷量大、距離遠，造價與運行費用較高，對其采用優(yōu)化設(shè)計方法進行設(shè)計，可避免因二級管網(wǎng)設(shè)計的先天不足導(dǎo)致的造價過高或二級泵能耗過大等缺點。
   ③ 對區(qū)域供冷站進行優(yōu)化設(shè)計
   對區(qū)域供冷站進行優(yōu)化設(shè)計，提高區(qū)域供冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性。區(qū)域供冷站是區(qū)域供冷系統(tǒng)的核心部分，不僅造價高，而且也是能耗主體。區(qū)域供冷站的設(shè)計主要是確定制冷主機及其輔助設(shè)備的類型、容量、數(shù)量。由于區(qū)域供冷系統(tǒng)負擔的用戶多，各用戶的冷負荷隨室外氣象參數(shù)及內(nèi)部的用冷特性不斷變化，制冷主機及其輔助設(shè)備種類與型號眾多。因此，區(qū)域供冷站內(nèi)設(shè)備選型的可行方案很多。但是，各可行方案的造價、運行能耗與費用各異，在這些眾多的可行方案中選擇一個作為最終方案是區(qū)域供冷站設(shè)計工作的難點。
   區(qū)域供冷站的經(jīng)濟性評價涉及造價、運行費用。因此，在設(shè)計階段，必須對區(qū)域供冷站各可行方案的造價與運行費用進行權(quán)衡，最終找出最優(yōu)的方案，使得區(qū)域供冷站在壽命期內(nèi)的經(jīng)濟性達到最優(yōu)。關(guān)于區(qū)域供冷站的優(yōu)化設(shè)計，由于區(qū)域供冷系統(tǒng)的復(fù)雜性，應(yīng)該在對區(qū)域供冷站的運行與設(shè)計建模的基礎(chǔ)上，對其進行求解才可能實現(xiàn)。
   通過對區(qū)域供冷站進行優(yōu)化設(shè)計，使其在整個壽命期內(nèi)的經(jīng)濟性達到最優(yōu)，從根本上避免出現(xiàn)因設(shè)計不合理而導(dǎo)致的區(qū)域供冷系統(tǒng)先天性的造價過高及運行能耗過大問題，實現(xiàn)了區(qū)域供冷站內(nèi)部各設(shè)備的選型的科學(xué)性，從而保證了區(qū)域供冷系統(tǒng)的經(jīng)濟、節(jié)能優(yōu)勢能得到發(fā)揮。
   ④ 對區(qū)域供冷系統(tǒng)進行運行優(yōu)化
   對區(qū)域供冷系統(tǒng)進行運行優(yōu)化，提高區(qū)域供冷系統(tǒng)的運行效率，降低運行費用。由于氣象參數(shù)的變化、用戶用冷特性的差異與不確定性，區(qū)域供冷系統(tǒng)的冷負荷處在動態(tài)變化之中。因此，需要確定區(qū)域供冷系統(tǒng)的運行策略以適應(yīng)冷負荷的變化。
    區(qū)域供冷系統(tǒng)設(shè)備多、冷水輸送系統(tǒng)復(fù)雜，整個系統(tǒng)的運行效率與運行費用受較多因素的影響。其中影響較大的因素主要有：制冷機組的運行效率、二級泵的運行效率、能源(包括電力與熱源)價格。這些因素的變化都將影響區(qū)域供冷系統(tǒng)的運行效率、運行費用。因此，對于區(qū)域供冷這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)變化的能源價格、冷負荷等外部邊界條件，以運行效率最高或運行費用最小為目標，對區(qū)域供冷系統(tǒng)的運行進行優(yōu)化。通過運行優(yōu)化最終確定區(qū)域供冷系統(tǒng)的運行策略(系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的實際容量與運行負荷率、各設(shè)備的啟停狀況)，從而控制區(qū)域供冷系統(tǒng)的總能耗與運行費用，提高區(qū)域供冷系統(tǒng)的運行效率，降低運行費用。
3 結(jié)論
    提高區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效與經(jīng)濟性的有效措施：加大二級管網(wǎng)冷水的供回水溫差，降低二級管網(wǎng)的造價與二級泵的能耗；對冷水二級管網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計，提高二級管網(wǎng)的經(jīng)濟性與能效；對區(qū)域供冷站進行優(yōu)化設(shè)計，提高區(qū)域供冷系統(tǒng)經(jīng)濟性。對區(qū)域供冷系統(tǒng)進行運行優(yōu)化，提高區(qū)域供冷系統(tǒng)的運行效率，降低運行費用。
    采用上述措施，將進一步提高區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效與經(jīng)濟性，避免實施中出現(xiàn)的問題，使得區(qū)域供冷系統(tǒng)的優(yōu)勢能得到充分地發(fā)揮，為我國的節(jié)能減排工作作出貢獻。
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(本文作者：康英姿1 華賁2 1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院 廣東廣州 510641；2.華南理工大學(xué) 強化傳熱與過程節(jié)能教育部重點實驗室 廣東廣州 510641)