李輝 湯小亮 鄒松 陳焰華 金碧輝 邱雅凡

1 武漢市建筑節(jié)能辦公室

2 中信建筑設(shè)計研究總院有限公司

0 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，單個項目達(dá)到五十萬平方米乃至一百多萬平方米的建筑群不斷涌現(xiàn)，為了實現(xiàn)區(qū)域能源的高效集約利用，區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)在工程項目中得到了越來越多的應(yīng)用，大型的供冷供熱系統(tǒng)不僅使得空調(diào)水管網(wǎng)和輸送動力系統(tǒng)變得更復(fù)雜，空調(diào)冷熱水輸送系統(tǒng)的能耗也變得越高。據(jù)相關(guān)項目測試研究，辦公大樓的空調(diào)水系統(tǒng)能耗占到了空調(diào)總能耗的25%以上[1]?？梢?，如何合理設(shè)計一個大型區(qū)域空調(diào)水系統(tǒng)，并準(zhǔn)確計算其耗電輸冷熱比，使其滿足相應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求顯得尤為重要。

本文結(jié)合武漢某示范基地項目的暖通空調(diào)設(shè)計實例及《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）[2]和《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012）[3]中有關(guān)空調(diào)水系統(tǒng)的耗電輸冷熱比計算方法，研究和分析該計算方法在區(qū)域供冷供熱空調(diào)水系統(tǒng)中存在的疑點和難點，并探討計算方法的可改進(jìn)和優(yōu)化之處，以供類似區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)在空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計時參考和借鑒。

1 耗電輸冷熱比的定義及計算方法

1.1 耗電輸冷熱比的定義

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，空調(diào)冷熱水系統(tǒng)耗電輸冷熱比的定義是：空調(diào)冷熱水系統(tǒng)的輸送單位能量所需要功耗。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]中的“術(shù)語”描述可知，空調(diào)冷熱水系統(tǒng)的耗電輸冷熱比即是：在設(shè)計工況下，空調(diào)冷熱水系統(tǒng)循環(huán)水泵總功耗（kW）與設(shè)計冷熱負(fù)荷（kW）的比值。

1.2 耗電書冷熱比的計算方法

根據(jù)文獻(xiàn)[2]第4.3.9 條和文獻(xiàn)[3]第8.5.12 條可知，在選配空調(diào)冷熱水系統(tǒng)的循環(huán)水泵時，應(yīng)計算循環(huán)水泵的耗電輸冷熱比EC（H）R，并應(yīng)標(biāo)注在施工圖的設(shè)計說明中。耗電輸冷熱比應(yīng)符合下式要求：

EC(H)R=0.003096Σ(G·H/ηb)/ΣQ≤A(B+αΣL)/△T（1）式中：EC (H)R 為循環(huán)水泵的耗電輸冷熱比；G 為每臺運行水泵的設(shè)計流量，m3/h；H 為每臺運行水泵對應(yīng)的設(shè)計揚程，m；ηb為每臺運行水泵對應(yīng)設(shè)計工作點的效率；Q 為設(shè)計冷（熱）負(fù)荷，kW；△T 為規(guī)定的計算供回水溫差，℃；A 為與水泵流量有關(guān)的計算系數(shù)；B 為與機(jī)房及用戶的水阻力有關(guān)的計算系數(shù)；α 為與ΣL 有關(guān)的計算系數(shù)；ΣL 為從冷熱機(jī)房至該系統(tǒng)最遠(yuǎn)用戶的供回水管道的總輸送長度，m；當(dāng)管道設(shè)于大面積單層或多層建筑時，可按機(jī)房出口至最遠(yuǎn)端空調(diào)末端的管道長度減去100 m 確定。

2 區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的耗電輸冷熱比計算實例

2.1 項目概況

項目位于武漢市東西湖區(qū)，建設(shè)范圍包括網(wǎng)絡(luò)學(xué)院，培訓(xùn)中心及研究院，總建筑面積約64 萬m2。建筑功能以教學(xué)，辦公及學(xué)院公寓為主，項目設(shè)計集中能源站進(jìn)行區(qū)域供冷供熱，集中能源站設(shè)于項目中間的集中公共綠化帶范圍內(nèi)，詳見圖1。夏季空調(diào)總冷負(fù)荷為70400 kW，冬季空調(diào)總熱負(fù)荷為44800 kW，考慮教學(xué)，辦公與公寓存在錯峰運行的特點，項目夏季供冷總裝機(jī)容量為45760 kW，冬季供熱總裝機(jī)容量為29120 kW。冷源采用5 臺制冷量為7700 kW+2 臺3850 kW 的水冷離心式冷水機(jī)組，熱源采用5 臺5600 kW 的燃?xì)鉄崴仩t（另設(shè)有3 臺5600 kW 的雙盤管燃?xì)鉄崴仩t供衛(wèi)生熱水和空調(diào)供熱極端高峰時調(diào)劑使用）。

圖1 項目平面布局及能源站區(qū)位

2.2 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計方案

空調(diào)冷熱水系統(tǒng)水管共用，供冷供熱循環(huán)水泵分別設(shè)置變頻水泵，采用二次泵變流量系統(tǒng)，近端（研究院、培訓(xùn)中心一期）采用一次泵直接供水，遠(yuǎn)端（培訓(xùn)中心二期、網(wǎng)絡(luò)學(xué)院）根據(jù)末端阻力情況就近設(shè)置二次泵系統(tǒng)。夏季供冷按大溫差空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，夏季空調(diào)供回水溫度為5/13 ℃。冬季空調(diào)供回水溫度為62/50 ℃。由于空調(diào)水系統(tǒng)輸送距離較長，考慮到管路溫升（降）因素，空調(diào)系統(tǒng)末端夏季供回水溫度取5.5/12.5 ℃，冬季供回水溫度取61/51 ℃。整個系統(tǒng)一、二次泵的具體設(shè)計情況如表1 所示，空調(diào)供回水管道的總輸送長度為2500 m。

表1 空調(diào)水泵設(shè)計參數(shù)表

2.3 耗電輸冷熱比計算

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012）中有關(guān)耗電供冷熱比的定義和計算公式，按設(shè)計總冷熱負(fù)荷70400 kW/44800 kW 及夏熱冬冷地區(qū)規(guī)定的供回水溫差5 ℃（冷水）/10 ℃（熱水）進(jìn)行計算可得：

項目循環(huán)水泵耗電輸冷比設(shè)計值ECR=0.01665，夏季耗電輸冷比限值為0.05246。耗電輸熱比設(shè)計值ECR=0.00626，冬季耗電輸熱比限值為0.01108。均需要滿足規(guī)范要求，耗電輸冷熱比設(shè)計值均遠(yuǎn)小于限值要求。

但根據(jù)壽煒煒等關(guān)于空調(diào)水系統(tǒng)耗電輸冷（熱）比編制情況介紹一文，計算耗電輸冷（熱）比應(yīng)按每小時被輸送的冷（熱）量的耗電量來進(jìn)行[4]。筆者也認(rèn)為按照按此定義來進(jìn)行計算更為合理。即式1 中的設(shè)計冷熱負(fù)荷按裝機(jī)負(fù)荷45760 kW/29120 kW 進(jìn)行計算可得：

項目循環(huán)水泵耗電輸冷比設(shè)計值ECR=0.02562，夏季耗電輸冷比限值為0.05246。耗電輸熱比設(shè)計值ECR=0.00963，冬季耗電輸熱比限值為0.01108。均滿足規(guī)范要求，冬季耗電輸熱比設(shè)計值與限值差值較小，但夏季耗電輸冷比設(shè)計值仍遠(yuǎn)小于限值要求，存在限值過大的問題。

3 計算結(jié)果分析

3.1 規(guī)范計算方法適應(yīng)區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)耗電輸冷熱比的計算

《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012）中的計算方法由于拓展了對多級泵系統(tǒng)，更長管道范圍及更自由供回水溫差的計算，其適用范圍更廣泛，能對大規(guī)模建筑群的集中區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)進(jìn)行耗電輸冷熱比驗算及相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計控制。

3.2 耗電輸冷熱比及相關(guān)參數(shù)的定義有待商榷

兩項標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中對空調(diào)水系統(tǒng)耗電輸冷（熱）比的定義均為：在設(shè)計工況下，空調(diào)冷熱水系統(tǒng)循環(huán)水泵總功耗（kW）與設(shè)計冷熱負(fù)荷（kW）的比值，且式（1）中Q 為設(shè)計冷（熱）負(fù)荷。但對于區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)，通常存在錯峰運行和實際裝機(jī)容量考慮同時使用系數(shù)的問題，即冷熱源和空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)水泵的選配規(guī)模均會有所縮小，此時，如仍按照設(shè)計總冷（熱）負(fù)荷進(jìn)行空調(diào)水系統(tǒng)耗電輸冷（熱）比的計算，則式（1）左側(cè)分子與分母不匹配，設(shè)計計算值明顯偏小。同時，由于水泵在設(shè)計選型時會考慮10%～20%的附加安全余量，也會導(dǎo)致式（1）左側(cè)分子與分母不匹配的問題。因此，筆者認(rèn)為空調(diào)冷熱水系統(tǒng)耗電輸冷熱比的定義采用空調(diào)冷熱水系統(tǒng)輸送單位冷（熱）量所需要的耗功率更為準(zhǔn)確，且式（1）中Q 應(yīng)定義為空調(diào)水系統(tǒng)單位時間輸送的冷（熱）量，kW。這樣，式（1）中左側(cè)的計算值才能真正反映空調(diào)水系統(tǒng)的輸送能效。

3.3 規(guī)定的供回水溫差取值有待進(jìn)一步擴(kuò)展延伸

《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012）中對供回水溫差的常規(guī)取值和熱泵供應(yīng)熱水、高溫冷水機(jī)組提供冷水等特殊情況下的取值做出了說明，《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》實施指南[5]對相應(yīng)參數(shù)的確定也做了詳細(xì)說明。但對于區(qū)域供冷供熱這類存在大溫差情況下的取值未做說明，特別是一次供水和二次供水溫差不同的情況。根據(jù)本項目實例計算可知，如項目供冷采用了7～8 ℃的大溫差設(shè)計，而溫差仍按標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中的5 ℃進(jìn)行取值，即使空調(diào)水泵效率均降低至60%以下，空調(diào)水系統(tǒng)耗電輸冷熱比的設(shè)計值仍然滿足規(guī)范限值的要求。這樣容易讓設(shè)計人員認(rèn)為：對于大溫差系統(tǒng)，水泵的節(jié)能設(shè)計可以放松要求。因此，筆者認(rèn)為，對于大溫差供水系統(tǒng)，供回水溫差應(yīng)按照實際參數(shù)確定，如一次供水和二次供水溫差不同，則可取兩個溫差的算術(shù)平均值。本項目實例如按此方法進(jìn)行夏季供回水溫差取值，則夏季耗電輸冷比限值會降低至0.03497，將會對水泵效率形成一定的約束。

4 結(jié)語

《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012）對空調(diào)供水半徑大、采用多級泵系統(tǒng)的大型復(fù)雜工程具備基本的適應(yīng)性。由于采用區(qū)域供冷供熱的集中能源系統(tǒng)在進(jìn)行冷熱源配置選型時存在考慮同時使用系數(shù)，夏季供冷考慮大溫差供水及水泵選型時有考慮附加安全余量等情況，因此，建議對標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中耗電輸冷熱比及相關(guān)參數(shù)的定義進(jìn)行合理修正，以便于真實反映空調(diào)水系統(tǒng)的輸送能效。進(jìn)一步擴(kuò)展延伸關(guān)于供回水溫差的取值說明（對于大溫差供水系統(tǒng)，供回水溫差應(yīng)按照實際參數(shù)確定），雖然冷水系統(tǒng)不低于5 ℃的溫差是必需和能夠?qū)崿F(xiàn)的，但也應(yīng)考慮大于5 ℃的溫差導(dǎo)致計算出的限值過大，進(jìn)而可能影響對水泵效率約束的問題。