區域空調分散二次泵系統的輸配節能研究

霍怡佳 蔡亮

東南大學能源與環境學院

0 引言

近年來，由于迅速發展的城市化進程，各種產業園區、大型建筑群和小城鎮得以建成，為滿足這些公共建筑群的用冷需求，大多采用區域供冷技術[1]。區域供冷系統在降低區域內總的空調裝機容量和相應配電系統容量方面有著較大優勢，能夠減少設備冗余，減少機房占地面積，減少系統初投資。但是，區域供冷系統也存在一個明顯的劣勢，即冷凍水輸送距離大大增加，從而導致區域供冷系統的輸送能耗高、輸配管網投資大、管網的冷損失大。因此，必須合理設計區域供冷系統的輸配管網，最大限度降低冷凍水輸配管網的運行能耗，從而提升區域供冷系統整體的經濟性。

區域供冷系統作為一種綜合用能、集成用能的大型區域空調系統已經得到了學者們的廣泛關注。國內外學者對區域供冷系統輸配能耗影響因素的研究主要集中于運行調節方式、二次管網冷量損失、管網設計參數等[2-6]，對于管網動力形式的研究仍然較少。此外，對于輸配系統節能運行研究往往局限于設計負荷分布條件下，往往忽略了實際負荷分布在空間上的不確定性和不均勻性，極少研究基于負荷非均勻分布情況下的水泵運行能耗以及管網水力特性。因此，本文基于一種分散式二次泵系統[7]，從改變管網動力形式的角度，分析區域空調系統的輸配節能潛力，并從研究該系統在不同負荷工況下的節能效果。

1 物理模型

由于系統規模較大、管網阻力較高且各環路負荷特性或阻力相差懸殊，區域空調系統一般采用二次泵變流量系統。以分集水器為界，一次泵用于克服源側機房內的管路阻力與設備阻力，常采用定流量運行。二次泵用于克服用戶側與能源站機房之間的管網阻力，一般采用變頻調節。

在傳統的二次泵系統中，二次泵往往組集中設置于機房內或者機房下游管路上，稱為集中式二次泵系統，其簡化示意圖如圖1。其二次泵選型根據最不利環路阻力來確定揚程，其他用戶支路需要通過調節閥增加支路阻力消耗掉多余壓力從而使得支路流量滿足用戶的需求，這種方法大大增加了水泵能耗，其水壓圖如圖2。

圖1 集中式二次泵系統示意圖

圖2 集中式二次泵系統水壓圖

分散式二次泵系統中將二次泵分散設置在用戶支路中，系統示意圖如圖3，水壓圖如圖4。分散二次泵僅需克服所屬建筑物與中心機房之間的阻力，降低了二次泵的揚程，管網運行壓力也隨之降低，有利于系統安全運行。利用變頻調速泵代替閥門來實現對各個用戶流量的調節作用，減少了在閥門上消耗的多余壓頭，減少了無效電耗，有利于系統運行節能。

圖3 分散式二次泵系統示意圖

圖4 分散式二次泵系統水壓圖

2 計算結果及分析

2.1 設計工況

本文研究的系統包含5 個用戶換熱站，每個用戶的設計流量均為300 m3/h，用戶側設計供回水溫差為6 ℃，每個用戶站需用壓頭為8 m。源側冷水機組蒸發器的供水溫度恒定為5.5 ℃，考慮管網冷量損失，源側設計供回水溫差為7 ℃，機房內設備阻力為10 m。整個管網的設計比摩阻為200 Pa/m。每個用戶站的間距為200 m，機房內管網總長250 m。根據以上管網設計參數，采用基本回路分析法進行管網解算。分散二次泵系統和集中二次泵系統水壓圖分別如圖5 和圖6，其中Pg，Ph，Pn分別表示供水壓力、回水壓力、用戶需用壓力，n 表示用戶，n=1，2，3，4，5。

可以看出，在分散式二次泵系統中，供水壓力線總是在回水壓力線下方，各分散二次泵的揚程為用戶需用壓力與供水壓力的差值。而在集中式二次泵系統中，除了最不利環路以外，供水壓力總是大于用戶需用壓力，因此，在用戶1～用戶4 支路中需要用調節閥消除多余壓頭。

圖5 分散式二次泵系統設計工況水壓圖

圖6 集中式二次泵系統設計工況水壓圖

系統中水泵運行參數如表1。由表中數據可知，在滿足用戶流量需求的情況下，分散二次泵系統中總泵耗Nchp為434.5 kW，相較于集中二次泵系統的555.3 kW，可節約泵耗120.8 kW，節能率達到21.8%。

表1 設計工況水泵運行參數

2.2 負荷率對水泵節能運行的影響

當系統處于部分負荷時，源側定流量運行，機組和一次泵根據分集水器間的盈虧管中的流量進行臺數控制，當二次側管網流量大于一次側管網流量且盈虧管內的水流量達到一臺機組額定流量的110%時，關閉一臺機組和對應一次泵。用戶側變流量運行：在分散式二次泵系統中，每個用戶支路內的變頻二次泵會根據用戶側供回水壓差調節轉速，從而調節支路流量；而在集中式二次泵系統中，集中二次泵根據末端用戶壓差來進行轉速和臺數調節，用戶支路入口則用電動調節閥消耗多余壓頭。

當每個用戶負荷率RL同時從100%降至10%時，系統總泵耗情況如圖7，分散二次泵系統節能情況如圖8。從中可以看出，當負荷率處于100%至70%時，分散二次泵系統節能效果明顯，并且泵耗節能率Rs隨著負荷率的降低而增加，當負荷率為70%時，系統節能率達到最大值50.8%。當負荷率處于60%至40%時，集中二次泵系統中關閉一臺二次泵，總泵耗明顯降低，但是依舊高于分散二次泵系統泵耗，分散二次泵系統節能率同樣隨著負荷率的降低而增加，節能率為17.7%～40.0%。當負荷率處于30%至10%時，系統處于低負荷工況，集中二次泵系統中只有一臺二次泵運行，而分散二次泵系統中依舊需要5 臺泵同時運行，此時泵開啟臺數的影響要大于單臺泵容量大小的影響，使得分散二次泵系統節能率不再明顯，甚至在30%負荷率時，分散式系統泵耗要大于集中式系統。

圖7 部分負荷下系統總泵耗

圖8 分散二次泵系統節能率

2.3 負荷非均勻分布對水泵節能運行的影響

在實際工程中，用戶負荷在空間上一般都是非均勻分布，近端用戶和遠端用戶的負荷往往存在差異。為了研究負荷非均勻分布對水泵節能運行的影響，分別針對分散式二次泵系統和集中式二次泵系統的4 中較為典型的空間非均勻分布的水泵運行能耗進行計算。4 種典型的負荷非均勻分布形式如圖9。管網支路負荷率同步等比例下降，圖9 中反映的是負荷率為100%時的用戶流量分布。

2.3.1 負荷非均勻分布方案一

圖9 典型的非均勻負荷分布形式

負荷非均勻分布方案一，用戶側總負荷不變，用戶1 到用戶5 的負荷分別占總負荷的13%、17%、20%、23%、27%，負荷集中于管網最遠端。圖10 和圖11 分別為分散式二次泵系統在不同負荷率下的二次泵能耗以及各二次泵的效率。方案一中用戶5 的需用流量所對應的水泵轉速大于二次泵5 的額定轉速，因此，在負荷率為100%到70%區間內，二次泵5 以額定轉速運行。負荷率低于70%時，二次泵5 降低轉速以滿足用戶流量需求。可以看出，在不同負荷率下，二次泵5 的功率和整體效率均為最高，二次泵4 至二次泵1 的功率和效率分別依次降低。

圖10 方案一的分散二次泵能耗

圖11 方案一的分散二次泵效率

2.3.2 負荷非均勻分布方案二

負荷非均勻分布方案二，用戶側總負荷不變，用戶1 到用戶5 的負荷分別占總負荷的27%、23%、20%、17%、13%，負荷集中于管網最近端。圖12 和圖13 分別為分散式二次泵系統在不同負荷率下的二次泵能耗以及各二次泵的效率。方案二中用戶1 的需用流量所對應的水泵轉速大于二次泵1 的額定轉速，因此，在負荷率為100%到80%區間內，二次泵1 以額定轉速運行。負荷率低于80%時，二次泵1 降低轉速以滿足用戶流量需求。可以看出，在不同負荷率下，各二次泵的功率較為接近，當負荷率為40%～100%時，二次泵3 和二次泵4 的功率較高。當負荷率為10%～30%時，二次泵1 的功率最高。就效率而言，二次泵1 的整體效率最高，二次泵2 至二次泵4 的效率依次降低。

圖12 方案二的分散二次泵能耗

圖13 方案二的分散二次泵效率

2.3.3 負荷非均勻分布方案三

負荷非均勻分布方案三，用戶側總負荷不變，用戶1 到用戶5 的負荷分別占總負荷的27%、17%、13%、17%、27%，負荷集中于管網兩端。圖14 和圖15 分別為分散式二次泵系統在不同負荷率下的二次泵能耗以及各二次泵的效率。方案三中用戶1 和用戶5 的需用流量所對應的水泵轉速大于二次泵1 和二次泵5 的額定轉速，因此，在負荷率為100%到80%區間內，二次泵1 和二次泵5 以額定轉速運行。負荷率低于80%時，二次泵1 和二次泵5 降低轉速以滿足用戶流量需求。可以看出，在不同負荷率下，二次泵5 的功率為最高。當負荷率為60%～100%時，二次泵1 的效率最高，當負荷率為10%～50%時，二次泵5 的效率最高。

圖14 方案三的分散二次泵能耗

圖15 方案三的分散二次泵效率

2.3.4 負荷非均勻分布方案四

負荷非均勻分布方案四，用戶側總負荷不變，用戶1 到用戶5 的負荷分別占總負荷的13%、23%、27%、23%、13%，負荷集中于管網中部。圖16 和圖17分別為分散式二次泵系統在不同負荷率下的二次泵能耗以及各二次泵的效率。方案四中，當負荷率為100%時，用戶2 和用戶3 的需用流量所對應的水泵轉速大于二次泵2 和二次泵3 的額定轉速，二次泵2 和二次泵3 以額定轉速運行。負荷率低于90%時，二次泵2 和二次泵3 降低轉速以滿足用戶流量需求。可以看出，在不同負荷率下，二次泵3 的功率和整體效率均為最高。

圖16 方案四的分散二次泵能耗

圖17 方案四的分散二次泵效率

2.3.5 匯總

針對4 種典型的空間負荷非均勻分布方案，分散式二次泵系統的水泵總功率和集中式二次泵系統的水泵總功率如圖18。圖中可以看出，集中式二次泵系統的水泵總功率與負荷在空間上的分布形式無關。集中式二次泵系統都是調節閥門開度來調節用戶側流量，其本質上是增加阻抗，任一種空間負荷分布形式，用戶側總負荷相同，總流量相同，那么，用戶側總阻抗也相同，因此集中二次泵系統水泵總功率相同。

圖18 不同負荷分布下的系統總泵耗

由圖19 可知，4 種分均勻負荷分布下的分散二次泵系統相較于集中二次泵系統而言，其節能率呈現的規律是一致的。在這些典型的負荷空間非均勻分布方案和均勻分布方案中，方案二即負荷集中于管網最近端的分散二次泵系統節能率最高，而方案一負荷集中于管網最遠端的分散二次泵系統節能率最低，也就是說，能源站機房應設立在負荷集中處，這與實際工程經驗相符合。

圖19 不同負荷分布下的分散系統節能率

3 結論

本文建立了區域分散式二次泵系統空調管網模型，主要研究了動力形式，負荷率和負荷空間分布形式等方面對于冷凍水輸配能耗的影響。得到了以下結論：

1）在設計工況下，相較于集中式二次泵系統，分散二次泵系統的節能率達到21.8%，輸配節能效果明顯。

2）在部分負荷情況下，分散二次泵系統的水泵節能效果與負荷率有關。當負荷率處于40%-90%時，分散式系統輸送節能效果顯著，負荷率為70%時最高節能率可達50.8%。當負荷率低于30%時，由于二次泵運行臺數的差異，分散式系統節能效果降低。

3）負荷在空間上的分布形式會影響分散式二次泵系統的輸送能耗，而對集中式系統則基本無影響。通過對四種典型的空間負荷非均勻分布方案中分散式二次泵系統的水泵總功率的計算，發現方案二即負荷集中于管網最近端的分散二次泵系統節能率最高，說明能源站機房應設立在負荷集中處。