摘要：以某區(qū)域供冷系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立冷源、輸配系統(tǒng)(冷水、冷卻水輸配系統(tǒng))、冷卻塔的能耗模型，用于模擬區(qū)域供冷系統(tǒng)的能耗。在確定制冷機(jī)組運(yùn)行策略、輸配系統(tǒng)運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，分別對(duì)冷水供水溫度為6、7℃，冷水二級(jí)泵定流量、變流量運(yùn)行時(shí)區(qū)域供冷系統(tǒng)的能耗及當(dāng)量熱力系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。當(dāng)冷水供水溫度為
關(guān)鍵詞：區(qū)域供冷系統(tǒng)； 能耗模擬； 能耗模型； 運(yùn)行策略； 當(dāng)量熱力系數(shù)
Energy Consumption Model and Energy Efficiency Analysis of District Cooling System
Abstract: Taking a district cooling system as research object, the energy consumption models for cold source，transmission and distribution systems(chilled water system and cooling water system)and cooling tower are established to simulate the energy consumption of the system. Based on determination of the operation strategy of refrigerating units and the operation mode of the transmission and distribution systems，the energy consumption and the equivalent energy thermodynamic coefficient of the district cooling system are simulated and calculated when the chilled water temperatures are
Key words: district cooling system；energy consumption simulation；energy consumption model；operation strategy；equivalent thermodynamic coefficient
區(qū)域供冷系統(tǒng)(District Cooling System，DCS)指為了滿足某一特定區(qū)域內(nèi)多座建筑物的冷負(fù)荷需求，由專門的冷源集中制備冷水，通過冷水管網(wǎng)向各用冷建筑物輸送，提供制冷服務(wù)的系統(tǒng)[1-6]。區(qū)域供冷作為一種空調(diào)冷源的解決方案，與區(qū)域供熱相比，它的成功需要更多的特殊適用條件和更多的技術(shù)保障，例如需要適應(yīng)負(fù)荷變化的制冷機(jī)組運(yùn)行策略、輸配系統(tǒng)運(yùn)行方式來提高整體的系統(tǒng)能效[7]。此外，集中供冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也取決于合理的設(shè)備配置(包括主要設(shè)備的容量和數(shù)量)[8]。
本文結(jié)合工程實(shí)例，建立區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗模型，基于確定的制冷機(jī)組運(yùn)行策略對(duì)不同輸配系統(tǒng)運(yùn)行方式下的區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效進(jìn)行分析。
1 區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗模型
1.1 冷源設(shè)備配置
本文研究的區(qū)域供冷系統(tǒng)建立在某冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目基礎(chǔ)上，該冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組+余熱鍋爐+汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組+蒸汽型溴化鋰吸收式機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱蒸汽型吸收式機(jī)組)+熱水型溴化鋰吸收式機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱熱水型吸收式機(jī)組)+離心式冷水機(jī)組。利用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐回收制取蒸汽和熱水。熱水可用于制備生活熱水及空調(diào)冷水(利用熱水型吸收式機(jī)組制備)，蒸汽用于推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，中間抽汽用于制備空調(diào)冷水(利用蒸汽型吸收式機(jī)組制備)。離心式冷水機(jī)組用電為聯(lián)供系統(tǒng)自發(fā)電。
將聯(lián)供系統(tǒng)的蒸汽型吸收式機(jī)組、熱水型吸收式機(jī)組、離心式冷水機(jī)組作為區(qū)域供冷系統(tǒng)的制冷機(jī)組，配置情況為：9臺(tái)制冷能力為9 100 kW的蒸汽型吸收式機(jī)組，3臺(tái)制冷能力為4 536 kW的熱水型吸收式機(jī)組，2臺(tái)制冷能力為4 400 kW、7臺(tái)制冷能力為8 800 kW的離心式冷水機(jī)組。
冷水系統(tǒng)的泵系統(tǒng)分為兩級(jí)，一級(jí)泵系統(tǒng)保持制冷機(jī)組側(cè)定流量運(yùn)行，采用1臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)1臺(tái)一級(jí)泵的方式。二級(jí)泵系統(tǒng)分為4個(gè)環(huán)路，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)地塊，每個(gè)環(huán)路采用3臺(tái)二級(jí)泵，3臺(tái)二級(jí)泵流量分配為環(huán)路總流量的50％、50％、l0％，以適應(yīng)部分負(fù)荷工況。冷卻塔配置情況：l4臺(tái)額定處理量為1
1.2 制冷機(jī)組模型
①離心式冷水機(jī)組
在冷卻水定流量及冷水定流量條件下，根據(jù)廠家提供的離心式冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)隨負(fù)載率、冷卻水進(jìn)水溫度的變化特性，采用Origin8.0對(duì)兩種制冷能力離心式冷水機(jī)組的制冷性能系數(shù)與負(fù)載率、冷卻水進(jìn)水溫度進(jìn)行擬合。
擬合式分別為：
式中 ICOP,1、ICOP,2——制冷能力分別為4 400、8800kW的離心式冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)
ε——機(jī)組負(fù)載率，0.1＜ε＜1
tin——機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度，℃，
②吸收式機(jī)組
通過擬合，得出蒸汽型、熱水型吸收式機(jī)組熱力系數(shù)與冷卻水進(jìn)水溫度的關(guān)系式：
式中 ηs、ηw——蒸汽型、熱水型吸收式機(jī)組熱力系數(shù)
1.3 輸配系統(tǒng)模型
①冷水輸配系統(tǒng)
a.一級(jí)泵
當(dāng)一級(jí)泵定流量運(yùn)行時(shí)，一級(jí)泵總電功率Pc,1的計(jì)算式為：
式中Pc,1——一級(jí)泵總電功率，kW
n——一級(jí)泵的運(yùn)行數(shù)量
Pc,1，i——第i臺(tái)一級(jí)泵的電功率，kW
b.二級(jí)泵
當(dāng)二級(jí)泵定流量運(yùn)行時(shí)，二級(jí)泵總電功率Pc,2,s的計(jì)算式為：
式中Pc,2,s——二級(jí)泵定流量運(yùn)行時(shí)二級(jí)泵總電功率，kW
Pc,2,j,1——流量為環(huán)路總流量50％的二級(jí)泵電功率，kW
Pc,2,j,2——流量為環(huán)路總流量10％的二級(jí)泵電功率，kW
當(dāng)二級(jí)泵變流量運(yùn)行時(shí)，采用定干管溫差控制策略。此時(shí)，應(yīng)計(jì)算各環(huán)路逐時(shí)總流量，再根據(jù)環(huán)路逐時(shí)總流量，判定二級(jí)泵的開啟類型及數(shù)量，最后根據(jù)二級(jí)泵變頻規(guī)律計(jì)算二次泵總電功率。
②冷卻水輸配系統(tǒng)
冷卻水循環(huán)泵總電功率Pch的計(jì)算式為：
式中Pch——冷卻水循環(huán)泵總電功率，kW
m——制冷機(jī)組運(yùn)行數(shù)量
Pch,j——第j臺(tái)制冷機(jī)組對(duì)應(yīng)的冷卻水循環(huán)泵電功率，kW
1.4 冷卻塔模型
采用Merkel焓差法模擬冷卻塔逐時(shí)進(jìn)出水溫度，使得冷卻塔特征數(shù)N＇與冷卻數(shù)N相等或非常接近，此時(shí)的冷卻塔出水溫度即為所求。N＇、N的計(jì)算式分別為：
式中N＇——冷卻塔特征數(shù)
Kdv——冷卻塔容積傳質(zhì)系數(shù)，kg／(m3·s)
V——填料體積，m3
qm,ch——冷卻水質(zhì)量流量，kg／s
N——冷卻數(shù)
K——考慮水蒸發(fā)帶走的熱量系數(shù)
tch,in——冷卻塔進(jìn)水溫度，℃
tch,out——冷卻塔出水溫度，℃
tch——冷卻水溫度，℃
he——對(duì)應(yīng)冷卻水溫度下的飽和空氣比焓，J／kg
h——與冷卻水接觸的空氣比焓，J／kg
冷卻塔出水溫度計(jì)算流程：已知冷卻塔風(fēng)量、冷卻水質(zhì)量流量、填料體積、容積傳質(zhì)系數(shù)、冷卻塔進(jìn)水溫度等，由式(8)計(jì)算得到冷卻塔特征數(shù)N＇。設(shè)定冷卻塔出水溫度，根據(jù)已知冷卻塔進(jìn)水溫度，按式(9)計(jì)算得到冷卻數(shù)N。循環(huán)設(shè)定冷卻塔出水溫度，當(dāng)N- N＇的絕對(duì)值小于設(shè)定誤差時(shí)，停止計(jì)算，輸出冷卻塔出水溫度，迭代步長(zhǎng)為0.
1.5 區(qū)域供冷系統(tǒng)當(dāng)量熱力系統(tǒng)
區(qū)域供冷系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)是指冷源輸出的冷量與冷源能耗(折算成一次能源的熱量)之比，以評(píng)價(jià)冷源對(duì)一次能源的利用率。區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗包括兩部分：一是耗熱量，包括蒸汽型、熱水型吸收式機(jī)組的耗熱量；二是耗電功率，包括離心式冷水機(jī)組、溶液泵、冷卻水循環(huán)泵、冷水循環(huán)泵、冷卻塔等設(shè)備的耗電功率。區(qū)域供冷系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)，的計(jì)算式為：
式中 I——區(qū)域供冷系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)
Фc——區(qū)域供冷系統(tǒng)制冷量，kW
Фh——區(qū)域供冷系統(tǒng)耗熱量，kW
μ——單位質(zhì)量燃料燃燒產(chǎn)生的高品位熱量與汽輪機(jī)抽汽的低品位熱量的折算系數(shù)，取2.65
ηh——供熱效率，取0.215[9]
P——區(qū)域供冷系統(tǒng)耗電功率，kw
ηe——聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率，取全國(guó)平均水平發(fā)電效率0.48
ηn——電網(wǎng)輸送效率，取0.9[9]
1.6 能耗模擬計(jì)算流程
采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序開發(fā)，設(shè)計(jì)區(qū)域供冷能耗模擬軟件。模擬冷卻水循環(huán)泵、一級(jí)泵定流量運(yùn)行下，二級(jí)泵分別采用定流量、變流量運(yùn)行，冷水供水溫度分別為6、7℃時(shí)的區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗。
區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗模擬計(jì)算流程見圖l。先選擇輸配系統(tǒng)運(yùn)行方式(二次泵定流量、變流量運(yùn)行)，然后導(dǎo)入逐時(shí)冷負(fù)荷、逐時(shí)氣象參數(shù)，根據(jù)逐時(shí)冷負(fù)荷及制冷機(jī)組類型確定制冷機(jī)組運(yùn)行策略，計(jì)算制冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)(冷水供水溫度、冷卻塔出水溫度)。結(jié)合逐時(shí)氣象參數(shù)及輸配系統(tǒng)運(yùn)行方式確定冷卻塔出水溫度，計(jì)算得出制冷機(jī)組、冷水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵等設(shè)備能耗，最后計(jì)算確定區(qū)域供冷系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)。
制冷機(jī)組運(yùn)行策略指根據(jù)某時(shí)刻的冷負(fù)荷與上一時(shí)刻冷負(fù)荷之差，判定該時(shí)刻是否開啟或關(guān)閉某類型制冷機(jī)組及數(shù)量。由于熱水型吸收式機(jī)組以熱水作為制冷動(dòng)力，而蒸汽型吸收式機(jī)組依靠汽輪機(jī)中間抽汽制冷，為了避免發(fā)電效率受抽氣量的影響，優(yōu)先開啟熱水型吸收式機(jī)組，當(dāng)負(fù)荷超過3臺(tái)熱水型吸收式機(jī)組制冷能力時(shí)，再開啟蒸汽型吸收式機(jī)組。為了使余熱利用最大化，離心式水冷機(jī)組最后開啟。輸配系統(tǒng)運(yùn)行方式分為：冷卻水循環(huán)泵、一級(jí)泵定流量運(yùn)行，二級(jí)泵定流量運(yùn)行；冷卻水循環(huán)泵、一級(jí)泵定流量運(yùn)行，二級(jí)泵變流量運(yùn)行。
2 模擬結(jié)果及分析
2.1 制冷機(jī)組組合開啟方式
根據(jù)制冷機(jī)組運(yùn)行策略及對(duì)逐時(shí)冷負(fù)荷的分析，在整個(gè)制冷期中，3臺(tái)熱水型吸收式機(jī)組均一直開啟；蒸汽型吸收式機(jī)組在白天約開啟9臺(tái)，夜晚一般開啟6臺(tái)；2臺(tái)4 400 kW的離心式冷水機(jī)組在白天多處于開啟狀態(tài)，夜晚則處于停機(jī)狀態(tài)；8 800 kW離心式冷水機(jī)組用于調(diào)峰，因此啟停較頻繁，大部分時(shí)間開啟數(shù)量大于5臺(tái)。
2.2 系統(tǒng)能耗分析
①熱水型吸收式機(jī)組耗熱量
由制冷機(jī)組組合開啟方式可知，在整個(gè)制冷期中，3臺(tái)熱水型吸收式機(jī)組均一直開啟，由于一級(jí)泵定流量運(yùn)行，只要出水溫度不變，無論二級(jí)泵是定流量還是變流量運(yùn)行，熱水型吸收式機(jī)組耗熱量都相同，因此僅對(duì)比不同冷水供水溫度下的耗熱量即可。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)冷水供水溫度為
②蒸汽型吸收式機(jī)組耗熱量
由制冷機(jī)組組合開啟方式可知，在整個(gè)制冷期中，蒸汽型吸收式機(jī)組在白天開啟9臺(tái)，夜晚開啟6臺(tái)。由于一級(jí)泵定流量運(yùn)行，因此僅對(duì)比不同冷水供水溫度下的蒸汽型吸收式機(jī)組的耗熱量即可。
由模擬結(jié)果可知，當(dāng)冷水供水溫度為
③耗電功率
不同輸配系統(tǒng)運(yùn)行方式、冷水供水溫度下冷源耗電功率見表l。當(dāng)冷水供水溫度為
2.3系統(tǒng)能效分析
由模擬結(jié)果計(jì)算得到區(qū)域供冷系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)。在二級(jí)泵定流量運(yùn)行條件下，當(dāng)冷水供水溫度為6 ℃時(shí)，平均當(dāng)量熱力系數(shù)為0.658；當(dāng)冷水供水溫度為
3 結(jié)論及建議
對(duì)于該區(qū)域供冷項(xiàng)目，適當(dāng)提高冷水供水溫度，二級(jí)泵采取變流量運(yùn)行，可降低區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)能效。
在區(qū)域供冷系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理中，除了注意制冷機(jī)組的運(yùn)行策略外，還應(yīng)該著重降低輸配系統(tǒng)能耗，提高區(qū)域供冷系統(tǒng)整體能源利用率。
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本文作者：張歆暉 盧軍 李春蝶 黃光勤 馬鈞
作者單位：重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院
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