深圳市前海能源科技發(fā)展有限公司 曠金國(guó) 王朝暉 羅曙光

0 引言

國(guó)際上，區(qū)域供冷系統(tǒng)已有半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)區(qū)域供冷系統(tǒng)項(xiàng)目也有近20年的經(jīng)驗(yàn)，尤其是最近幾年，國(guó)內(nèi)區(qū)域供冷項(xiàng)目呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，區(qū)域供冷理念也逐漸得到社會(huì)的認(rèn)可，但是圍繞區(qū)域供冷系統(tǒng)的一些疑問一直存在，區(qū)域供冷系統(tǒng)外管網(wǎng)冷損失就是其中一個(gè)痛點(diǎn)。外管網(wǎng)指區(qū)域制冷站外的管網(wǎng)，是區(qū)別于建筑自建制冷機(jī)房，額外增加的管道系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，日本新宿新都心區(qū)域供冷供熱(DHC)系統(tǒng)的冷水管道溫升達(dá)0.8 ℃，冷量損失達(dá)到全年售冷量的10%。對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)外管網(wǎng)冷損失的分析報(bào)道，多以理論分析為主[2-7]，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的公開報(bào)道并不多。一個(gè)可能原因是缺乏可靠可行的測(cè)量方法。

本文提出外管網(wǎng)輸配系統(tǒng)冷損失分析方法，研究外管網(wǎng)冷損失的影響因素，以及外管網(wǎng)實(shí)際冷損失對(duì)系統(tǒng)能源效率的影響，并結(jié)合深圳前海區(qū)域供冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)10號(hào)站外管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，希望能對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)運(yùn)行提供參考。

1 項(xiàng)目介紹

深圳前海區(qū)域供冷規(guī)劃10個(gè)供冷站，總供冷建筑面積1 900萬m2，供冷外管網(wǎng)90 km。其中10號(hào)站設(shè)計(jì)供冷建筑面積110萬m2，供冷能力7.7萬kW，外管網(wǎng)2.2 km，管網(wǎng)路由見圖1。該站1期1標(biāo)段于2019年6月開始投產(chǎn)運(yùn)行，裝機(jī)容量9 144 kW，2020年7月1期2標(biāo)段投產(chǎn)運(yùn)行，制冷站裝機(jī)容量達(dá)到2.74萬kW。

圖1 10號(hào)站外管網(wǎng)路由

截至2021年7月，制冷站完成1期外管網(wǎng)建設(shè)。接入供冷管網(wǎng)用戶6家：A、B、C、D、E1/E2、F用戶，如圖1所示。截至2021年4月，主要用戶為A與B用戶，入住率均為100%，C與D用戶均在小負(fù)荷調(diào)試階段。目前C、D、E1/E2、F等用戶均已正式運(yùn)行，預(yù)期2022年負(fù)荷率增大。本文主要基于對(duì)A和B用戶供冷管網(wǎng)部分進(jìn)行分析，管道參數(shù)如表1所示。

表1 10號(hào)站外管網(wǎng)參數(shù)

2 外管網(wǎng)冷損失分析方法

2.1 外管網(wǎng)冷損失機(jī)理

10號(hào)站外管網(wǎng)均為預(yù)制保溫管道，在接入用戶地塊紅線前均采用直埋敷設(shè)，進(jìn)入用戶地塊后，部分采用架空敷設(shè)。由于外管網(wǎng)絕大部分均采用直埋敷設(shè)，本文將架空部分管道的單位表面積冷損失近似折算成直埋管道單位表面積冷損失。由此，管網(wǎng)冷損失包括兩部分，一部分是管道與土壤之間的傳熱，另一部分是冷水輸運(yùn)過程中的摩擦生熱。

2.1.1管網(wǎng)傳熱冷損失

預(yù)制保溫直埋管道由碳鋼管、硬質(zhì)聚氨酯保溫層、聚四氟乙烯套管等組成。冷水與土壤間的傳熱強(qiáng)度取決于預(yù)制直埋管的熱阻，以及管道內(nèi)冷水溫度與土壤溫度的溫差。區(qū)域供冷外管網(wǎng)分為供水管道與回水管道，供水溫度低于回水溫度，所以供水管道的冷損失強(qiáng)度要大于回水管道。

直埋管道通常位于地下2 m，土壤溫度隨著季節(jié)發(fā)生變化。對(duì)于深圳地區(qū)，本文假設(shè)地下2 m處全年平均土壤溫度為22.4 ℃。

對(duì)于全年365 d 24 h不間斷供冷的區(qū)域供冷系統(tǒng)外管網(wǎng)，全年8 760 h都會(huì)有管道傳熱引起的冷損失。如果假設(shè)管道埋深的土壤溫度變化不大，則可以認(rèn)為外管網(wǎng)冷損失全年都按照一定的單位管道面積傳熱冷損失強(qiáng)度發(fā)生。

2.1.2管網(wǎng)水阻摩擦生熱

外管網(wǎng)冷水輸送摩擦生熱，實(shí)質(zhì)上由冷水輸送泵軸功率提供，這些能量最終以熱的形式耗散在冷水中，從而引起冷水溫升。包括兩部分摩擦：一部分是由于水泵效率引起的，冷水在制冷站輸送水泵內(nèi)部產(chǎn)生局部溫升；另一部分是站外管網(wǎng)系統(tǒng)的水阻力摩擦引起的，冷水溫度隨著管網(wǎng)沿程逐漸升高。

輸送水泵運(yùn)行效率的高低決定了水泵內(nèi)部冷水溫升的大小。由此可以看出，水泵選型合適，以及合理運(yùn)行在水泵高效區(qū)，將會(huì)減少水泵帶來的冷損失。

2.2 冷損失計(jì)算方法

2.2.1管網(wǎng)傳熱冷損失

區(qū)域供冷系統(tǒng)管道內(nèi)冷水通常根據(jù)用戶負(fù)荷的變化進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，以滿足用戶的用冷需求。對(duì)于某段時(shí)間內(nèi)用戶負(fù)荷變化不大的情況，制冷站外網(wǎng)輸送水泵經(jīng)常保持一定頻率，供水溫度保持穩(wěn)定，從而管道內(nèi)水流速保持一定，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，沿著外管網(wǎng)長(zhǎng)度方向的冷水溫度分布保持不變。本文基于實(shí)際運(yùn)行過程中穩(wěn)定冷水流速和溫度的工況進(jìn)行分析。

對(duì)于如圖2所示的管道，穩(wěn)定冷水流速與單元管道熱量守恒方程為

圖2 冷水管網(wǎng)熱量平衡分析圖

式中 D為管道公稱直徑，m；v為管內(nèi)水流速度，m/s；ρ為水密度，kg/m3；cp為水比定壓熱容,kJ/(kg·℃)；t為冷水溫度，℃；q為單位管道面積(公稱直徑表面)傳熱冷損失，kW/m2；l為管道長(zhǎng)度，m。

對(duì)于管道長(zhǎng)度L的管段：

式中Δt為管段溫升，℃。

對(duì)于由2段管道組成的管道，則：

式中 下標(biāo)1、2分別表示管段1和管段2。

所以：

假設(shè)對(duì)于不同管徑的直埋保溫管道，單位面積傳熱冷損失保持一定，即

q=q1=q2

(7)

于是，由管段1與管段2組成的管道12的溫升為

Δt12=Δt1+Δt2

(8)

即

對(duì)于管段12，單位面積傳熱冷損失為

或者對(duì)于任意沿著水流方向由n段管段組成的管道，其單位面積傳熱冷損失為

全年外管網(wǎng)傳熱冷損失量Qht為

考慮到外管網(wǎng)冷水供水溫度與流量易測(cè)量，本文通過測(cè)量制冷站供水管出口溫度、用戶換熱站外管網(wǎng)供水溫度，以及每段管道管徑、長(zhǎng)度、流速，計(jì)算得出單位供水管道面積傳熱冷損失。其中每段管道的流速根據(jù)相應(yīng)管段流量測(cè)量值獲得。于是：

對(duì)于回水管道，通過冷水溫度的修正，得到

式中 Qht,r為回水管道全年傳熱冷損失量，kW·h；ts為供水管道內(nèi)冷水溫度，℃；tr為回水管道內(nèi)冷水溫度，℃；tso為管道埋深處土壤溫度，℃。

作以下假設(shè)：

1) 供水管道與回水管道具有相同的管徑分布，鑒于不同管網(wǎng)供回水管徑可以不同，需要修正以保證通用性。

2) 供回水管道有相同的冷水流量。

3) 根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，冷水沿管道溫升不大，式(15)中冷水供回水溫度可認(rèn)為是常數(shù)。

4) 管道埋深處土壤溫度取為全年平均溫度。

從而得到全年管網(wǎng)傳熱冷損失Qht為

Qht=Qht,s+Qht,r

(16)

則全年外管網(wǎng)傳熱引起的冷損失率rht為

式中 Qs為全年售冷量。

2.2.2管網(wǎng)水阻摩擦冷損失

管網(wǎng)水阻摩擦總冷損失Qdist，就是輸送水泵的軸功率Pdist,p，即

Qdist=Pdist,p

(18)

水泵軸功率為

式中 V為冷水體積流量，m3/s；H為水泵揚(yáng)程，kPa；η為水泵效率。

水泵軸功率一部分克服水泵效率引起的機(jī)械損失，一部分克服外管網(wǎng)水阻摩擦損失。相應(yīng)地，冷水輸送冷損失也包括兩部分：輸送水泵內(nèi)水泵效率引起的摩擦生熱、外管網(wǎng)水阻摩擦生熱，可分別表示為

Qdist=Qdist,p+Qdist,f

(20)

Qdist,p=Pdist,p(1-η)

(21)

Qdist,f=Pdist,pη

(22)

式中 Qdist,p為水泵內(nèi)部摩擦生熱；Qdist,f為管網(wǎng)水阻摩擦生熱。

對(duì)于制冷站來說，冷水輸送冷量可以表示為

Qs=mcp(tr-ts)

(23)

式中 m為冷水質(zhì)量流量，kg/s。

m=Vρ

(24)

則冷水輸送引起的冷損失率rdist為

即

冷水輸配系統(tǒng)中，輸送水泵揚(yáng)程可表示為

H=Δppipe+ΔpETS

(27)

式中Δppipe為管網(wǎng)沿程阻力，kPa；ΔpETS為用戶換熱站冷水阻力，kPa。

對(duì)于最不利壓差換熱站來說，ΔpETS一般設(shè)為120kPa。對(duì)于設(shè)計(jì)工況，有

H0=Δppipe,0+ΔpETS

(28)

式中 下角標(biāo)0代表設(shè)計(jì)工況，即最大負(fù)荷率工況。

在前海制冷站設(shè)計(jì)中，管網(wǎng)供/回水溫度為3 ℃/12 ℃，溫差為9 ℃，水密度為1 000kg/m3，水比熱容為4.18kJ/(kg·℃)。

管網(wǎng)沿程阻力Δppipe與水流速成二次冪關(guān)系。隨著水流速的增大，冷水與管道內(nèi)壁的摩擦增加，摩擦生熱的強(qiáng)度增加。管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，滿負(fù)荷冷水設(shè)計(jì)流速一般是2.5m/s，此時(shí)管道水阻摩擦產(chǎn)生的熱強(qiáng)度最大。根據(jù)文獻(xiàn)[8]分析，全年絕大部分時(shí)間，管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷率在60%以下，于是外管網(wǎng)內(nèi)冷水流速常年不高于1.5 m/s。

根據(jù)管網(wǎng)水阻力與流速成二次冪關(guān)系，則全年絕大部分時(shí)間，水泵運(yùn)行揚(yáng)程低于60%負(fù)荷率工況的揚(yáng)程，即

H≤0.62(H0-ΔpETS)+ΔpETS

(29)

對(duì)于前海10號(hào)站來說，輸送水泵揚(yáng)程為460kPa，于是：

H≤240 kPa

(30)

代入式(26),同時(shí)取水泵運(yùn)行效率為80%，則冷水輸配冷損失率為

rdist≤1%

(31)

由此得出結(jié)論，全年平均管網(wǎng)輸配冷損失率可以忽略。這個(gè)結(jié)論也適用于區(qū)域供冷系統(tǒng)輸配距離或供冷半徑的確定。

需要說明的是，輸配水泵選型與數(shù)量配置要能在管網(wǎng)負(fù)荷率0～100%間連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足最合理的揚(yáng)程與流量組合，并保證水泵在不同頻率下都在高效區(qū)運(yùn)行[8]。

另外，供回水溫差也對(duì)式(31)的結(jié)論有影響。當(dāng)負(fù)荷率非常大時(shí)，大溫差有利于降低輸配冷損失率；當(dāng)負(fù)荷率較小時(shí)，可以適當(dāng)提高供水溫度，在提高制冷站能源效率的同時(shí)，還可以忽略輸配冷損失率。

2.2.3冷水輸配系統(tǒng)管網(wǎng)總冷損失

考慮冷水輸送泵效率與外管網(wǎng)系統(tǒng)水阻力引起的冷損失，冷水輸配系統(tǒng)管網(wǎng)總冷損失率為

rt=rht+rdist

(32)

根據(jù)式(31)，冷水輸配全年冷損失可以忽略，于是式(32)變?yōu)?/p>

rt=rht

(33)

2.3 管網(wǎng)冷損失影響因素

2.3.1工況選取

根據(jù)本文假設(shè)，單位管道表面冷損失強(qiáng)度全年維持基本不變，由式(5)、(11)可知，流速減小、管道長(zhǎng)度增加、管徑減小等，都會(huì)增加沿程溫升?？紤]到沿程溫升本身不高，以及溫度傳感器精度的問題，需要選取管網(wǎng)小負(fù)荷運(yùn)行，且離制冷站較遠(yuǎn)換熱站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文選取A用戶的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。

2.3.2測(cè)量?jī)x表

10號(hào)站區(qū)域供冷系統(tǒng)制冷站與用戶換熱站均配置有溫度傳感器與冷量計(jì)，冷量計(jì)可以測(cè)量溫度與流量。其中溫度傳感器采用Pt1000，精度為0.15 ℃；流量傳感器為電磁流量傳感器，精度為0.5%。

3 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

3.1 單位面積冷損失的測(cè)量

數(shù)據(jù)基于10號(hào)站區(qū)域供冷系統(tǒng)實(shí)際供冷運(yùn)行工況，沒有專門設(shè)計(jì)測(cè)試工況獲取運(yùn)行數(shù)據(jù)。在整個(gè)制冷站系統(tǒng)運(yùn)行過程中，選取能夠滿足一定溫度和流量(流速)的運(yùn)行時(shí)間區(qū)間，要保證冷水從制冷站供水出口到達(dá)換熱站供水入口，且溫度與流速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間足夠長(zhǎng)。

分析制冷站到A用戶的冷損失情況。以2021年4月19日為例，圖3為根據(jù)流量測(cè)量得到的水流方向各管段流速變化數(shù)據(jù)。

圖3 外管網(wǎng)冷水流速變化

由圖3可以看出，冷水從制冷站到A用戶，分別經(jīng)歷了3個(gè)平均流速：0.2、0.15、0.43 m/s，根據(jù)管道1、4～7的長(zhǎng)度，得出流過這5段管道的時(shí)間分別為63、22、6、4、3 min，合計(jì)98 min。也就是說冷水從制冷站供水出口，到達(dá)A用戶換熱站供水入口，需要98 min。根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的流量數(shù)據(jù)，得到不同時(shí)刻冷水從制冷站到達(dá)A用戶的預(yù)期時(shí)間，如圖4所示。

圖4 冷水從制冷站抵達(dá)A用戶預(yù)計(jì)時(shí)長(zhǎng)變化

從圖4可以看出，13：00—15：00期間，冷水流經(jīng)時(shí)間基本維持在98～99 min之間。也就是說，從制冷站冷水出口溫度穩(wěn)定開始，需要保持90 min左右，才能保證這一段管道冷水溫度場(chǎng)穩(wěn)定的冷水輸送到A用戶換熱站。而這些冷水到達(dá)換熱站后，還需要制冷站冷水出口溫度保持穩(wěn)定一段時(shí)間τ，從而保證換熱站在后續(xù)時(shí)間段τ內(nèi)保持供水溫度不變。這樣在時(shí)間段τ內(nèi)，可以認(rèn)為從制冷站到A用戶換熱站的外管網(wǎng)形成了穩(wěn)定的溫度場(chǎng)?？梢岳玫?.2節(jié)的方法分析外管網(wǎng)冷損失。如圖5所示，從12：25到14：50，制冷站供水溫度保持3.53 ℃不變，A用戶換熱站從14：10到14：50保持供水溫度3.76 ℃不變，沿程溫升0.23 ℃。需要注意的是，這個(gè)溫升是基于管網(wǎng)內(nèi)流速非常低，也就是管網(wǎng)負(fù)荷率非常低的情況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，主管網(wǎng)流速0.2 m/s，相當(dāng)于設(shè)計(jì)負(fù)荷的8%。負(fù)荷率增大時(shí)，冷水流速增大，沿程溫升會(huì)降低，考慮到溫度傳感器的測(cè)量精度，筆者專門選取小負(fù)荷率、大沿程溫升工況進(jìn)行分析，以提高分析的可靠性。

圖5 冷水溫度變化

在建立穩(wěn)定溫度場(chǎng)后，得到不同時(shí)刻冷水鋼管表面冷損失強(qiáng)度變化，如圖6所示。

圖6 冷水鋼管表面冷損失強(qiáng)度變化

由圖6可以看出，單位面積管網(wǎng)冷損失強(qiáng)度平均為27 W/m2。由于10號(hào)站外管網(wǎng)還有部分閥井沒有完成閥門接頭保溫，可能會(huì)帶來較大的冷損失。

3.2 運(yùn)行結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，選取滿足分析條件的工況，對(duì)2021年4月單位面積鋼管表面?zhèn)鳠崂鋼p失強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 單位面積鋼管表面?zhèn)鳠崂鋼p失強(qiáng)度數(shù)據(jù)

如圖7所示，管網(wǎng)傳熱冷損失平均為32 W/m2，根據(jù)式(12)～(16)，可以算出外管網(wǎng)管段1～8的供水管道全年冷損失為83萬kW·h?？紤]外管網(wǎng)供/回水溫度3 ℃/12 ℃，土壤平均溫度22.4 ℃，得到回水管道全年冷損失為44.5萬kW·h。對(duì)于4個(gè)用戶供冷的外管網(wǎng)部分，全年冷損失為127.5萬kW·h。

根據(jù)10號(hào)站全年售冷情況，2020年，全年售冷量為1 040萬kW·h，則2020年10號(hào)站外管網(wǎng)冷損失率為12.3%。需要注意的是，2020年是10號(hào)站的第一個(gè)完整運(yùn)行年，只有2個(gè)用戶開始用冷。隨著C、D、E1/E2、F用戶的接入使用，供冷負(fù)荷率增大，但是管網(wǎng)全年冷損失基本不變。根據(jù)對(duì)2021—2023年全年售冷量的預(yù)測(cè)，得到外管網(wǎng)全年冷損失率的預(yù)測(cè)，見圖8。預(yù)期在2030年，用戶負(fù)荷接近滿負(fù)荷，圖1中管道也全部敷設(shè)施工完畢，根據(jù)測(cè)量分析的單位管道冷損失強(qiáng)度，可以得到全年外管網(wǎng)冷損失率為1.6%。

圖8 外管網(wǎng)冷損失率變化

圖8中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成管網(wǎng)冷損失率對(duì)應(yīng)用戶負(fù)荷率的變化，結(jié)果見圖9。隨著用戶負(fù)荷率的增大，管網(wǎng)冷損失率快速降低，接近100%負(fù)荷率時(shí)，冷損失率為1.6%。

圖9 管網(wǎng)冷損失率隨用戶負(fù)荷率變化

由于傳感器的精度限制，以及所取管段的代表性，本文冷損失率的數(shù)據(jù)分析還有一定局限性。比如溫度傳感器精度為0.15 ℃，但是冷水沿程溫升也只有0.23 ℃。本文數(shù)據(jù)只能作為一個(gè)初步結(jié)果，供業(yè)內(nèi)專業(yè)人士參考。同時(shí)，隨著10號(hào)站管網(wǎng)工程的不斷完善，預(yù)期外管網(wǎng)冷損失會(huì)進(jìn)一步降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了區(qū)域供冷系統(tǒng)外管網(wǎng)冷損失分析方法，并通過深圳前海10號(hào)站外管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際情況，對(duì)制冷站開始運(yùn)行前幾年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。采用該方法測(cè)量管網(wǎng)冷損失強(qiáng)度，需要在非常小的管網(wǎng)冷負(fù)荷率條件下對(duì)距離制冷站較遠(yuǎn)的換熱站測(cè)量。對(duì)于距離制冷站1 179 m的換熱站，在冷水從制冷站流動(dòng)到換熱站需要98 min的小冷負(fù)荷率工況，冷水沿程溫升為0.23 ℃。初步結(jié)果表明，在制冷站運(yùn)行初期，由于用戶接入較少，外管網(wǎng)冷損失率較大，第1年運(yùn)行，外管網(wǎng)冷損失率可達(dá)12.3%；隨著用戶接入增多，外管網(wǎng)冷損失率逐漸減少，到滿負(fù)荷時(shí)，外管網(wǎng)冷損失率預(yù)計(jì)低于2%。由于10號(hào)站外管網(wǎng)還有部分管道連接處沒有作保溫，會(huì)造成測(cè)量冷損失偏大。另外，作為對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)外管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的初步分析，局限于傳感器的精度，以及不同區(qū)域供冷系統(tǒng)外管網(wǎng)有不同的設(shè)計(jì)與施工條件，本文結(jié)果僅作為專業(yè)人士的參考，隨著管網(wǎng)建設(shè)工程的完善，以及更多運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，將會(huì)提供更精確的外管網(wǎng)冷損失分析與結(jié)論。