香港華藝設計顧問(深圳)有限公司 陶嘉楠 高 龍 李雪松中建科技集團華南有限公司 鄭文國

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展，集中空調系統(tǒng)在生活中得到廣泛應用，空調能耗約占建筑能耗的40%以上[1]，空調系統(tǒng)的節(jié)能已成為建筑節(jié)能領域的研究熱點。

區(qū)域供冷系統(tǒng)因其可以有效地利用能源，使空調系統(tǒng)的能耗更低，同時可以降低污染物排放，逐漸成為我國城市建筑群供冷方式新的選擇。深圳前海深港現(xiàn)代服務業(yè)合作區(qū)、廣州珠江新城、北京麗澤商務區(qū)、重慶江北城CBD等均選擇區(qū)域集中供冷系統(tǒng)作為空調冷源[2-5]。

區(qū)域供冷系統(tǒng)一般由集中供冷站、輸配管網(wǎng)、用戶末端裝置等組成[6]。集中供冷站設備主要包括冷水機組、冷卻塔、水泵、板式換熱器、蓄冷裝置。其中冷水機組全年運行能耗占整個供冷站能耗的75%左右，是供冷站節(jié)能及能耗計算的重點研究對象[7-8]。劉昶等人以運行能效為優(yōu)化指標，對比分析了不同負荷率及濕球溫度下不同冷卻水量和冷卻風量時的冷卻水系統(tǒng)能效理論計算值，得到了最佳運行風水比[9]。李玉街等人提出了一種基于冷水機組能效比與機組負載率動態(tài)匹配的控制節(jié)能技術，并通過項目驗證實現(xiàn)冷水機組節(jié)能10%～30%的效果[10]。冷水機組能耗除了受負載率、冷水溫度影響外，冷卻水溫度也直接影響冷水機組能耗，而冷卻水溫度又受室外濕球溫度影響。區(qū)域供冷系統(tǒng)在工程設計階段進行冷源能耗計算時，一般以100%、75%、50%和25%這4種典型工況的運行策略和其持續(xù)時間作為計算依據(jù)。但是4種典型工況日和持續(xù)時間內的濕球溫度不一致，這會導致計算的偏差。

本文將通過實際工程設計案例，研究基于全年濕球溫度變化對冷水機組能耗計算的影響，以找到基于濕球溫度變化的典型工況分界點，從而較為準確地計算區(qū)域供冷系統(tǒng)冷水機組的全年運行能耗，并為其他工程項目提供參考。

1 冷水機組能耗影響因素分析

冷水機組的能耗受機組負載率、冷水溫度、冷卻水溫度等的影響，本章通過分析深圳地區(qū)全年濕球溫度、冷水機組隨負載率、冷卻水溫度(假定冷水溫度恒定)的變化情況，探究濕球溫度的變化對冷水機組能效及典型工況分界點的影響。

1.1 深圳市全年負荷及濕球溫度變化分析

調研對象為深圳某典型辦公商業(yè)綜合體建筑群，建筑面積約45萬m2(不含地下車庫等非空調區(qū)域)，主要業(yè)態(tài)為辦公和商業(yè)，辦公與商業(yè)面積比為9∶1,入住率接近100%，可以代表深圳市同類型建筑群滿負荷運行情況下的冷負荷特性。冷源采用水蓄冷系統(tǒng)，獲得的原始運行數(shù)據(jù)為2018年全年逐時冷負荷。

根據(jù)調研數(shù)據(jù)中實測的全年逐時干球溫度和相對濕度，可以計算出全年逐時濕球溫度及逐時負荷變化，如圖1～3所示。

圖1 根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算全年8 760 h濕球溫度及逐時負荷變化

圖1顯示了濕球溫度及逐時負荷變化趨勢，可以看出全年濕球溫度在5月中旬到9月中旬變化不大且變化規(guī)律相似，4、10、11月的變化規(guī)律也比較相似。圖2顯示了逐時濕球溫度由大到小變化及逐時負荷隨濕球溫度的變化(逐時濕球溫度由大到小變化過程中相對應時刻逐時負荷的變化)，并根據(jù)濕球溫度的變化分段采用最小二乘法進行線性擬合，可知在供冷季和非供冷季的大部分時間內呈階段性線性變化，故可以近似認為進入冷水機組的冷卻水溫度全年呈線性變化。圖3顯示了逐時負荷由大到小變化及逐時濕球溫度隨逐時負荷的變化(逐時負荷由大到小變化過程中相對應時刻逐時濕球溫度的變化)?？梢钥闯鲋饡r負荷的變化趨勢與相對應的濕球溫度的變化并不一致，負荷較小時也會存在濕球溫度很高的情況，所以100%、75%、50%和25%這4種典型工況日和持續(xù)時間內濕球溫度的變化并不完全一致，會導致計算的偏差。

圖2 根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算全年8 760 h濕球溫度及逐時負荷變化(逐時負荷隨濕球溫度變化)

圖3 根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算全年8 760 h濕球溫度及逐時負荷變化(濕球溫度隨逐時負荷變化)

1.2 變頻冷水機組運行特性分析

冷水機組的能效受負載率、冷卻水溫度及冷水溫度的影響。圖4、5分別為根據(jù)某廠家8 440 kW(2 400 rt)變頻冷水機組運行數(shù)據(jù)(冷水溫度恒定)所繪制的冷水機組COP隨負載率及冷卻水溫度的變化趨勢圖。

圖4 不同冷卻水進水溫度下冷水機組COP隨負載率的變化趨勢

從圖4可以看出，隨著負載率的增加，冷水機組COP先升后降，而負載率在30%～90%區(qū)間內時，冷水機組COP相對較高，偏離此區(qū)間，COP顯著下降。從圖5可以看出，冷水機組不同負載率下的COP隨冷卻水溫度的升高而降低，其中以冷卻水進水溫度20 ℃為分界線，COP下降速度明顯不同。

圖5 不同負載率下冷水機組COP隨冷卻水溫度的變化趨勢

通過1.1節(jié)對濕球溫度的計算分析可知，深圳地區(qū)全年約80%以上的時間室外濕球溫度在16 ℃以上，所以深圳地區(qū)采用開式冷卻塔冷卻系統(tǒng)的冷卻水進水溫度在80%時間段內均維持在20 ℃以上(按4 ℃逼近度考慮)。圖6給出了冷卻水進水溫度20 ℃以上工況下，冷水機組不同負載率下的COP隨冷卻水溫度變化的線性擬合結果。由圖可知，3種負載率下COP隨冷卻水溫度(濕球溫度)的變化趨勢近似呈線性，冷卻水進水溫度在20 ℃以下及其余負載率下的COP均有相同線性變化趨勢，此處不再贅述。

圖6 不同負載率下冷水機組COP隨冷卻水溫度的變化線性擬合曲線

1.3 基于濕球溫度變化的典型工況分界點分析

通過上述分析可知，全年冷量變化、全年濕球溫度變化及冷水機組COP隨冷卻水溫度變化在20%～100%負荷率持續(xù)時間內均呈現(xiàn)出較好的線性關系，因此可以認為以典型工況日和典型工況日持續(xù)時間來進行全年能耗的計算是合理的，不必進行全年8 760 h的逐時計算。20%以下工況在非供冷季，雖然濕球溫度變化出現(xiàn)了非線性情況，但是由于總體負荷較小，且持續(xù)時間較短，對全年的影響可以忽略。

通過圖4、5可知，典型工況的劃分應充分結合冷水機組COP隨冷卻水溫度及機組負載率的變化，并且為使整個系統(tǒng)高效運行，制定主機運行策略如下：1) 除過渡季負荷較小時(約15%負載率以下)，其他負荷時間段使單臺主機負載率處于30%～90%的高效區(qū)間內；2) 每2種相鄰典型工況相應負荷時段內單臺主機的負載率不能出現(xiàn)10%以上幅度的跨越，以保證在此負荷區(qū)間持續(xù)時間段內冷水機組COP隨冷卻水溫度(濕球溫度)變化呈現(xiàn)較好的線性變化，減小由于采用典型工況持續(xù)時間計算能耗帶來的誤差。

遵循以上原則進行典型工況劃分后，需要對各典型工況持續(xù)時間內逐時濕球溫度進行處理，處理后的逐時濕球溫度(以下簡稱為“特征濕球溫度”)作為典型工況日室外氣象輸入條件。由于上述進行典型工況分界時充分考慮了典型工況持續(xù)時間內冷水機組COP隨濕球溫度線性變化特性，下面利用此特性推導特征濕球溫度。

由1.2節(jié)分析可知，冷水機組不同負載率下的COP隨濕球溫度呈線性變化，可用式(1)表達此特性：

COPij=a+btij

(1)

式中 COPij為典型工況時間段內第j天第i時刻的COP;tij為典型工況時間段內第j天第i時刻的計算(或實測)濕球溫度;a、b為線性擬合常數(shù)。

由于典型工況日的逐時負荷取值近似為典型工況持續(xù)時間內的平均值，所以典型工況日第i時刻的COP可用每日第i時刻的平均COP代替，表達式見(2)。

將式(1)代入式(2)可得式(3)。

式中 n為某典型工況持續(xù)天數(shù);c、d為線性擬合常數(shù)。

則典型工況日第i時刻的COP可用式(5)表達：

對深圳某辦公商業(yè)綜合體的全年冷負荷進行統(tǒng)計時，分離出10%～100%負載率工況的全年具體天數(shù)，結果如圖7所示。全年能耗計算時可將圖7所示不同負載率工況天數(shù)及此負載率(即典型工況)下計算得到的特征濕球溫度輸入冷源能耗計算模型中進行全年能耗計算。

圖7 全年10%～100%負載率工況天數(shù)統(tǒng)計結果

2 案例分析

2.1 工程概況

深圳某區(qū)域集中供冷項目總建筑面積約123.18萬m2，區(qū)域內建筑功能主要為辦公、商業(yè)、酒店、學校及部分市政設施，本項目總冷負荷為92 363 kW(2.63萬rt)。根據(jù)深圳地區(qū)峰平谷電價政策，該項目采用“電制冷+冰蓄冷”系統(tǒng)，不同時刻制冷站供回水溫度如表1所示。

表1 制冷站供回水溫度

該項目采用主機上游串聯(lián)的外融冰開式系統(tǒng)。采用附建式制冷站，機房位于地下室內，主機房凈高8.3 m，冰池凈高8.6 m，分別布置冷水機組、板式換熱器、蓄冰盤管及相應水泵，主機配置如表2所示,系統(tǒng)流程如圖8所示。

表2 主機配置及蓄冰率

圖8 系統(tǒng)流程示意圖

2.2 能耗計算

采用1.3節(jié)所述典型工況劃分原則，按圖7所示共劃分9種典型工況。典型工況負荷取為各典型工況負荷區(qū)間內的中間值，各典型工況天數(shù)見圖7。0～15%負載率雖然有63 d，但是其冷負荷均較低，且?guī)缀蹙诜枪├浼緝?，故不計算在內。根?jù)式(4)及深圳典型年全年8 760 h的濕球溫度數(shù)據(jù)計算得到9種典型工況的特征濕球溫度如圖9所示。以100%負荷工況為例，逐時運行策略如圖10所示，根據(jù)深圳市峰平谷電價政策，23:00 至次日07:00為低谷電價時段，雙工況主機運行蓄冰工況，其他時段雙工況主機運行空調工況。

圖9 特征濕球溫度統(tǒng)計圖

圖10 100%工況運行策略

各工況基載主機及雙工況主機逐時負載率變化如圖11、12所示。

圖11 不同工況下單臺基載主機逐時負載率變化

從圖11單臺基載主機逐時負載率變化可以看出，00:00—07:00每小時9種工況中存在6種不同負載率的分布，且負載率相差10%左右。其中100%和50%工況、80%和40%工況及60%和30%工況單臺負載率相同，但運行臺數(shù)不一樣，08:00—23:00也存在類似的趨勢，所以9種運行工況基本可以代表不同的基載主機運行特性。由圖12可以看出，夜間23：00至次日07:00雙工況主機滿負荷蓄冰運行，08：00—23：00之間9種工況中最多也存在8種不同的負載率，且負載率相差在10%以內。其中20%及30%工況白天基本采用融冰供冷，雙工況主機負載率均為0，所以9種運行工況基本可以代表不同的雙工況主機運行特性。由上述分析可知，該項目所分9種運行工況基本均在COP線性變化范圍內。

圖12 不同工況下單臺雙工況主機逐時負載率變化

通過對以上9種工況運行能耗統(tǒng)計計算可得到該項目全年運行能耗，見表3，全年主機總能耗2 820萬kW·h，全年總冷量15 403萬kW·h，主機全年綜合COP為5.46。

表3 全年能耗統(tǒng)計

3 結論

1) 從濕球溫度的變化趨勢來看，在供冷季和非供冷季的大部分時間內呈階段性線性變化，故可以近似認為進入冷水機組的冷卻水溫度全年呈線性變化。

2) 冷水機組不同負載率下的COP隨冷卻水溫度的變化也基本呈線性變化；不同冷卻水溫度下，冷水機組COP隨著負載率的增加先升后降，負載率在30%～90%區(qū)間內時，冷水機組COP相對較高。

3) 通過統(tǒng)計深圳地區(qū)濕球溫度全年的變化規(guī)律及冷水機組運行特性，給出了基于濕球溫度變化的典型工況分界點的原則及特征濕球溫度的計算方法，從而可以較為準確地計算出區(qū)域供冷站的全年運行能耗，為其他工程項目提供參考。