曹榮光 王文科 朱 江 丁艷虹 江紹輝 張 偉

(1.中國中元國際工程有限公司,北京;2.北京京能恒星能源科技有限公司,北京)

0 引言

區(qū)域集中供冷相比分散供冷,由于考慮了同時使用的因素,具有節(jié)省總體裝機容量、機房面積、初投資及便于集中管理等優(yōu)點,自20世紀80年代開始,在日本一些大城市的商業(yè)建筑群、美國許多大學校園等得到了廣泛應用。典型的案例是日本東京新宿新都心、日本名古屋新機場等,區(qū)域供冷的建筑面積都在50萬m2以上。我國的廣州大學城、北京中關村科技園、北京麗澤金融商務區(qū)等也采用了區(qū)域供冷方式,并已投入運行[1-5]。

與分散供冷相比,影響區(qū)域供冷系統(tǒng)能效的主要因素是輸配能耗。對于區(qū)域供冷輸配能耗,現(xiàn)有研究大多以定性分析或工程測試為主,缺乏適用于設計階段的定量分析方法。在工程設計時,現(xiàn)有設計方法一般按規(guī)范給出的技術(shù)措施選擇輸配系統(tǒng)方案[6-7],很少進行基于輸配能耗定量分析的輸配方案比選。本文以某組群式城市綜合體區(qū)域供冷輸配系統(tǒng)設計為例,在分析供冷期各單體建筑用戶逐時冷負荷的基礎上,通過建立管網(wǎng)動力學數(shù)學模型,定量分析供冷工況下各用戶資用壓頭和循環(huán)水泵運行工況的逐時變化,提出區(qū)域供冷輸配能耗量化分析及方案比選方法,供類似工程設計參考。

1 工程概況

1.1 建筑概況

某城市綜合體項目(如圖1所示)位于北京市,涵蓋辦公、商業(yè)、公寓等功能業(yè)態(tài),采用區(qū)域集中供冷,規(guī)劃用地面積為6.82萬m2,集中供冷區(qū)域內(nèi)有13棟建筑,其中包括9棟辦公樓(辦公樓1～9)、2棟公寓樓(公寓樓1、2)及2棟配套商業(yè)樓(配套商業(yè)樓1、2),總供冷建筑面積為16.89萬m2。

注:J1～J16為供水側(cè)節(jié)點編號,E1～E15為供水側(cè)管段編號。圖1 某城市綜合體項目平面示意圖

如圖1所示,供冷冷源采用地埋管地源熱泵系統(tǒng),熱泵機組設置于辦公樓8南側(cè)的地下冷熱機房內(nèi),地埋換熱管布置于相鄰地塊的城市公園綠地內(nèi)。冷水設計供/回水溫度為5 ℃/12 ℃,供冷區(qū)域內(nèi)各建筑面積及用戶側(cè)設計流量見表1,總流量為1 153.1 m3/h,用戶側(cè)設計壓降均為19.5 m。

表1 供冷建筑面積及各建筑最大冷負荷

1.2 逐時冷負荷

該項目建筑逐時冷負荷計算采用EnergyPlus軟件,該軟件主要用于建筑能量特性模擬與負荷計算,它吸收了DOE-2和BLAST軟件的優(yōu)點,并具備很多新的功能[8-10]。該項目供冷季從5月1日到9月30日,共153 d,模擬采用的北京地區(qū)室外氣象參數(shù)按照EnergyPlus氣象數(shù)據(jù)庫選取,來源為CSWD(中國典型氣象年數(shù)據(jù))[11]。負荷計算時考慮了各建筑的使用功能、平時及節(jié)假日運行時間、房間同時使用率等參數(shù),由于篇幅所限,本文不再贅述。各建筑及總體的冷負荷最大值見表1,供冷季(共3 672 h)逐時冷負荷見圖2～8。

圖2 辦公樓1～5逐時冷負荷

圖3 辦公樓6、7逐時冷負荷

圖4 辦公樓8逐時冷負荷

圖5 辦公樓9逐時冷負荷

圖6 公寓樓1、2逐時冷負荷

圖7 配套商業(yè)樓1逐時冷負荷

圖8 配套商業(yè)樓2逐時冷負荷

根據(jù)表1的統(tǒng)計結(jié)果,該項目綜合最大冷負荷為9 387.02 kW,合建筑面積冷負荷指標55.6 W/m2。供冷季總供冷量為646.62萬kW·h,合38.28 kW·h/m2。區(qū)域建筑逐時冷負荷見圖9,逐日耗冷量見圖10。

圖9 區(qū)域建筑逐時冷負荷

圖10 區(qū)域建筑逐日耗冷量

1.3 輸送管網(wǎng)

冷水輸送管網(wǎng)路由如圖1所示,供水側(cè)共有15個管段,編號分別為E1～E15;該項目冷水輸送管網(wǎng)采用枝狀布置,為簡化分析,設定回水側(cè)管網(wǎng)參數(shù)與供水側(cè)相同,則回水側(cè)共有15個管段,編號分別為E16～E30。根據(jù)表1中各用戶節(jié)點的流量和經(jīng)濟比摩阻(取50～80 Pa/m),經(jīng)設計計算,各管段的內(nèi)徑、管長及局部阻力系數(shù)(ζ)設計值見表2。管徑小于DN300的管道采用無縫鋼管,大于等于DN300的管道采用螺旋焊接鋼管。

表2 各管段設計參數(shù)

2 輸配系統(tǒng)設計方案

區(qū)域供冷輸配系統(tǒng)的設計目標一方面是要保證各末端用戶隨時得到所需流量,另一方面要降低循環(huán)水泵能耗。由于用戶末端設備換熱具有顯著的非線性特征及水系統(tǒng)的熱惰性,溫度控制方法在控制機理上存在不穩(wěn)定性,實際應用不多。壓差控制方法可以對用戶末端負荷的變化快速響應,控制參數(shù)簡單明確,在國內(nèi)眾多大型項目中得到了應用,是現(xiàn)階段工程設計中水系統(tǒng)控制普遍采用的方法[12-22]。

管網(wǎng)泵的運行控制方式影響輸送管網(wǎng)水壓圖,對于輸配一級泵系統(tǒng),影響用戶電動調(diào)節(jié)閥的運行狀態(tài);對于輸配二級泵系統(tǒng),影響用戶泵的設備選型和運行能耗。因此,輸配系統(tǒng)形式和運行控制方式均為影響系統(tǒng)設計和運行能耗的因素。

如圖1所示,該項目冷水輸送管網(wǎng)從冷熱機房到最遠端的4#站房的管線長度約為388.6 m,末端用戶布置分散且冷水輸送距離較遠,綜合考慮冷水系統(tǒng)的承壓等因素,冷水輸配系統(tǒng)從形式上有一級泵系統(tǒng)和二級泵系統(tǒng)2個備選方案,從運行控制方式上有輸送管網(wǎng)始端(主管線第一個用戶分支J3處)定壓差和末端(最不利用戶J16處)定壓差2種不同控制方式。

限于篇幅,二級泵系統(tǒng)方案將另文分析,本文僅分析輸配一級泵系統(tǒng)如下2個定壓差控制方案:1) 一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案;2) 一級泵系統(tǒng)末端定壓差方案。

2.1 一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案

1) 系統(tǒng)設計。

冷水輸配一級泵系統(tǒng)原理圖見圖11,管網(wǎng)泵B1設置于冷熱機房內(nèi),承擔輸送管網(wǎng)及末端用戶系統(tǒng)全部阻力。1#～4#站房內(nèi)設置電動調(diào)節(jié)閥,根據(jù)末端負荷變化調(diào)節(jié)進入各建筑的冷水流量,保證用戶側(cè)冷水供回水壓差為設計值19.5 m。冷源側(cè)熱泵機組設置冷水循環(huán)泵,承擔冷源阻力;冷源側(cè)與輸配側(cè)水力工況通過平衡管隔開。

注:J17～J32為回水側(cè)節(jié)點編號;E16～E30為回水側(cè)管段編號。圖11 冷水輸配一級泵系統(tǒng)原理圖

2) 水泵選型。

該項目輸配系統(tǒng)補水定壓水頭為63 m,定壓點為管網(wǎng)泵B1吸入口;管壁粗糙度為0.5 mm。根據(jù)管網(wǎng)參數(shù)計算設計流量下各節(jié)點的供回水壓力,結(jié)果如圖12所示,節(jié)點J1處供回水壓差為33.6 m,第一個用戶分支節(jié)點J3處供回水壓差為29.0 m,末端最不利用戶節(jié)點J16處供回水壓差為19.5 m。根據(jù)表1,節(jié)點J1處設計流量為1 153.1 m3/h。根據(jù)上述參數(shù),管網(wǎng)泵B1選擇3臺同型號水泵,兩用一備,單臺水泵額定參數(shù)為:流量650 m3/h,揚程37 m,效率80%;單臺水泵電動機功率為90 kW,總功率為180 kW。

圖12 冷水輸配一級泵系統(tǒng)設計工況下管網(wǎng)節(jié)點水壓圖

根據(jù)水泵樣本[23],采用拉格朗日插值法,擬合得到管網(wǎng)泵B1單臺變頻運行時的性能方程:

H=-9.467 5×10-6Q2-6.153 8×10-5×

fQ+0.017 2f2

(1)

式中H為水泵揚程,m;Q為水泵流量,m3/h;f為運行頻率,Hz。

(2)

式中Ep為水泵效率。

3) 運行策略。

通過調(diào)節(jié)管網(wǎng)泵B1的運行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速,保持第一個用戶分支節(jié)點J3處供回水壓差恒定為29.0 m,以滿足末端流量調(diào)節(jié)需求。

2.2 一級泵系統(tǒng)末端定壓差方案

1) 系統(tǒng)設計。

同輸配一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案。

2) 水泵選型。

同輸配一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案。

3) 運行策略。

通過調(diào)節(jié)管網(wǎng)泵B1的運行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速,保持末端最不利用戶節(jié)點J16處供回水壓差為19.5 m,以滿足末端流量調(diào)節(jié)需求。

3 輸配能耗量化分析

3.1 輸配能耗計算方法

輸配能耗計算內(nèi)容為求解管網(wǎng)泵B1的逐時能耗并累加,按下列步驟進行:

1) 計算供冷季各用戶的逐時冷負荷,根據(jù)逐時負荷求解各用戶節(jié)點的逐時冷水流量;

2) 參照文獻[22,24],根據(jù)表2及圖11的管網(wǎng)信息,建立管網(wǎng)動力學數(shù)學模型;

3) 根據(jù)1)、2)的結(jié)果及系統(tǒng)壓差控制方案,求解輸配管網(wǎng)各時刻的節(jié)點水壓圖,得到管網(wǎng)泵B1的運行揚程;

4) 將1)、3)得到的流量和揚程代入管網(wǎng)泵B1的性能方程,求解水泵的運行頻率、效率,進而求解管網(wǎng)泵B1的逐時能耗;

5) 將管網(wǎng)泵B1的逐時能耗累加求和,即得到輸配能耗。

3.2 一級泵系統(tǒng)始端定壓差輸配能耗

一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案水泵年運行總耗電量為11.50萬kW·h。輸配系統(tǒng)逐時運行耗電量見圖13。管網(wǎng)泵B1逐時運行頻率、效率、耗電量見圖14～16。

圖13 一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案逐時運行耗電量

圖14 一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案管網(wǎng)泵B1逐時運行頻率

圖15 一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案管網(wǎng)泵B1逐時運行效率

圖16 一級泵系統(tǒng)始端定壓差方案管網(wǎng)泵B1逐時運行耗電量

3.3 一級泵系統(tǒng)末端定壓差輸配能耗

一級泵系統(tǒng)末端定壓差方案水泵年運行總耗電量為8.08萬kW·h。輸配系統(tǒng)逐時運行耗電量見圖17。管網(wǎng)泵B1逐時運行頻率、效率、耗電量見圖18～20。

圖17 一級泵系統(tǒng)末端定壓差方案逐時運行耗電量

圖18 一級泵系統(tǒng)末端定壓差方案管網(wǎng)泵B1逐時運行頻率

圖19 一級泵系統(tǒng)末端定壓差方案管網(wǎng)泵B1逐時運行效率

圖20 一級泵系統(tǒng)末端定壓差方案管網(wǎng)泵B1逐時運行耗電量

4 定壓差設計方案比選

根據(jù)上面的計算結(jié)果,統(tǒng)計并對比各輸配系統(tǒng)方案的水泵電動機功率及年運行能耗,見表3。由表3可見,一級泵系統(tǒng)末端定壓差方案相比始端定壓差方案,總水泵電動機功率相同,初投資相同,而年運行能耗低29.7%,節(jié)能效果顯著。

表3 各方案電動機功率及年運行能耗

另外,從用戶側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能方面看,在系統(tǒng)部分負荷條件下,如圖21所示,始端定壓差方案的用戶側(cè)電動調(diào)節(jié)閥兩端壓差增大,閥門調(diào)節(jié)能力變差,降低了系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度;而末端定壓差方案的用戶側(cè)電動調(diào)節(jié)閥兩端壓差變小,閥門調(diào)節(jié)能力變好,提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。

圖21 管網(wǎng)節(jié)點供回水壓差圖

綜上,輸配一級泵系統(tǒng)優(yōu)選末端定壓差方案。

5 結(jié)論

本文基于管網(wǎng)動力學數(shù)學模型,以某城市綜合體區(qū)域供冷項目為例,定量分析了區(qū)域供冷輸配一級泵系統(tǒng)在輸送管網(wǎng)始端(主管線第一個用戶分支處)定壓差和末端(最不利用戶處)定壓差2種不同控制方案下的全年逐時運行能耗,主要結(jié)論如下:

1) 該工程末端定壓差方案具有負荷調(diào)節(jié)精度高、運行費低的優(yōu)點,建議采用。相比始端定壓差方案,末端定壓差方案的年運行耗電量低29.7%。

2) 在部分負荷下,末端定壓差方案的用戶側(cè)電動調(diào)節(jié)閥兩端壓差變小,閥門調(diào)節(jié)能力變好,提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。