區域供能系統耗電輸冷熱比計算的分析與探討

李輝 湯小亮 鄒松 陳焰華 金碧輝 邱雅凡

1 武漢市建筑節能辦公室

2 中信建筑設計研究總院有限公司

0 引言

近年來，隨著我國城鎮化的快速發展，單個項目達到五十萬平方米乃至一百多萬平方米的建筑群不斷涌現，為了實現區域能源的高效集約利用，區域供冷供熱系統在工程項目中得到了越來越多的應用，大型的供冷供熱系統不僅使得空調水管網和輸送動力系統變得更復雜，空調冷熱水輸送系統的能耗也變得越高。據相關項目測試研究，辦公大樓的空調水系統能耗占到了空調總能耗的25%以上[1]。可見，如何合理設計一個大型區域空調水系統，并準確計算其耗電輸冷熱比，使其滿足相應設計標準和規范的要求顯得尤為重要。

本文結合武漢某示范基地項目的暖通空調設計實例及《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）[2]和《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）[3]中有關空調水系統的耗電輸冷熱比計算方法，研究和分析該計算方法在區域供冷供熱空調水系統中存在的疑點和難點，并探討計算方法的可改進和優化之處，以供類似區域供冷供熱系統在空調水系統節能設計時參考和借鑒。

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

根據文獻[4]，空調冷熱水系統耗電輸冷熱比的定義是：空調冷熱水系統的輸送單位能量所需要功耗。

根據文獻[2]和文獻[3]中的“術語”描述可知，空調冷熱水系統的耗電輸冷熱比即是：在設計工況下，空調冷熱水系統循環水泵總功耗（kW）與設計冷熱負荷（kW）的比值。

1.2 耗電書冷熱比的計算方法

根據文獻[2]第4.3.9 條和文獻[3]第8.5.12 條可知，在選配空調冷熱水系統的循環水泵時，應計算循環水泵的耗電輸冷熱比EC（H）R，并應標注在施工圖的設計說明中。耗電輸冷熱比應符合下式要求：

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

2 區域供冷供熱系統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，建設范圍包括網絡學院，培訓中心及研究院，總建筑面積約64 萬m2。建筑功能以教學，辦公及學院公寓為主，項目設計集中能源站進行區域供冷供熱，集中能源站設于項目中間的集中公共綠化帶范圍內，詳見圖1。夏季空調總冷負荷為70400 kW，冬季空調總熱負荷為44800 kW，考慮教學，辦公與公寓存在錯峰運行的特點，項目夏季供冷總裝機容量為45760 kW，冬季供熱總裝機容量為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組，熱源采用5 臺5600 kW 的燃氣熱水鍋爐（另設有3 臺5600 kW 的雙盤管燃氣熱水鍋爐供衛生熱水和空調供熱極端高峰時調劑使用）。

圖1 項目平面布局及能源站區位

2.2 空調水系統設計方案

空調冷熱水系統水管共用，供冷供熱循環水泵分別設置變頻水泵，采用二次泵變流量系統，近端（研究院、培訓中心一期）采用一次泵直接供水，遠端（培訓中心二期、網絡學院）根據末端阻力情況就近設置二次泵系統。夏季供冷按大溫差空調系統設計，夏季空調供回水溫度為5/13 ℃。冬季空調供回水溫度為62/50 ℃。由于空調水系統輸送距離較長，考慮到管路溫升（降）因素，空調系統末端夏季供回水溫度取5.5/12.5 ℃，冬季供回水溫度取61/51 ℃。整個系統一、二次泵的具體設計情況如表1 所示，空調供回水管道的總輸送長度為2500 m。

表1 空調水泵設計參數表

2.3 耗電輸冷熱比計算

根據《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）中有關耗電供冷熱比的定義和計算公式，按設計總冷熱負荷70400 kW/44800 kW 及夏熱冬冷地區規定的供回水溫差5 ℃（冷水）/10 ℃（熱水）進行計算可得：

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

但根據壽煒煒等關于空調水系統耗電輸冷（熱）比編制情況介紹一文，計算耗電輸冷（熱）比應按每小時被輸送的冷（熱）量的耗電量來進行[4]。筆者也認為按照按此定義來進行計算更為合理。即式1 中的設計冷熱負荷按裝機負荷45760 kW/29120 kW 進行計算可得：

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

3 計算結果分析

3.1 規范計算方法適應區域供冷供熱系統耗電輸冷熱比的計算

《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）中的計算方法由于拓展了對多級泵系統，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，能對大規模建筑群的集中區域供冷供熱系統進行耗電輸冷熱比驗算及相應的節能設計控制。

3.2 耗電輸冷熱比及相關參數的定義有待商榷

兩項標準/規范中對空調水系統耗電輸冷（熱）比的定義均為：在設計工況下，空調冷熱水系統循環水泵總功耗（kW）與設計冷熱負荷（kW）的比值，且式（1）中Q 為設計冷（熱）負荷。但對于區域供冷供熱系統，通常存在錯峰運行和實際裝機容量考慮同時使用系數的問題，即冷熱源和空調水系統循環水泵的選配規模均會有所縮小，此時，如仍按照設計總冷（熱）負荷進行空調水系統耗電輸冷（熱）比的計算，則式（1）左側分子與分母不匹配，設計計算值明顯偏小。同時，由于水泵在設計選型時會考慮10%～20%的附加安全余量，也會導致式（1）左側分子與分母不匹配的問題。因此，筆者認為空調冷熱水系統耗電輸冷熱比的定義采用空調冷熱水系統輸送單位冷（熱）量所需要的耗功率更為準確，且式（1）中Q 應定義為空調水系統單位時間輸送的冷（熱）量，kW。這樣，式（1）中左側的計算值才能真正反映空調水系統的輸送能效。

3.3 規定的供回水溫差取值有待進一步擴展延伸

《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）中對供回水溫差的常規取值和熱泵供應熱水、高溫冷水機組提供冷水等特殊情況下的取值做出了說明，《公共建筑節能設計標準》實施指南[5]對相應參數的確定也做了詳細說明。但對于區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。根據本項目實例計算可知，如項目供冷采用了7～8 ℃的大溫差設計，而溫差仍按標準/規范中的5 ℃進行取值，即使空調水泵效率均降低至60%以下，空調水系統耗電輸冷熱比的設計值仍然滿足規范限值的要求。這樣容易讓設計人員認為：對于大溫差系統，水泵的節能設計可以放松要求。因此，筆者認為，對于大溫差供水系統，供回水溫差應按照實際參數確定，如一次供水和二次供水溫差不同，則可取兩個溫差的算術平均值。本項目實例如按此方法進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 結語

《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）對空調供水半徑大、采用多級泵系統的大型復雜工程具備基本的適應性。由于采用區域供冷供熱的集中能源系統在進行冷熱源配置選型時存在考慮同時使用系數，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，建議對標準/規范中耗電輸冷熱比及相關參數的定義進行合理修正，以便于真實反映空調水系統的輸送能效。進一步擴展延伸關于供回水溫差的取值說明（對于大溫差供水系統，供回水溫差應按照實際參數確定），雖然冷水系統不低于5 ℃的溫差是必需和能夠實現的，但也應考慮大于5 ℃的溫差導致計算出的限值過大，進而可能影響對水泵效率約束的問題。