某產業園區分布式供冷輸配系統設計

西安市建筑設計研究院有限公司 徐 瑞 呂硯昭 唐 燕

陜西澤華實業有限公司 徐 哲

0 引言

早在20世紀90年代，Green通過測試發現，在空調冷水系統中用戶末端處以變頻泵或三速泵代替流量調節閥有較好的節能效果[1]。進入21世紀以后，Paarpon利用算例驗證了用戶處使用變頻泵進行調節的新系統相較于傳統使用調節閥的系統具有節能性[2]。Taylor通過對比一二級變頻泵系統與一級泵系統的運行特性和運行費用，發現一二級變頻泵系統兩方面都具有優異的表現[3]。這些關于分布式輸配系統概念的提出及應用和研究，主要集中在空調冷水系統方面。

分布式供熱輸配系統在國內的研究和應用已相當廣泛，而有關供冷系統的應用則寥寥無幾，本文以某產業園分布式供冷輸配系統為例，介紹空調水系統中分布式供冷輸配系統最優溫差的選取，冷源泵、沿程泵、用戶泵的設置，供同行參考。

1 工程概述

該工程位于陜西省西咸新區，項目總用地12.3萬m2，總建筑面積35萬m2，整個園區分為5個功能區，分別為高層辦公區、低密度多層辦公區、綜合配套區、酒店區及廠房區，定位為以人為本、資源開放、人人創客的生態智慧型產業園區。

該項目的分布式供冷輸配系統是在原設計的基礎上，結合項目具體的銷售情況及用戶需求，根據能源需求側(即末端系統分區)對能源供給側進行需求量的二次計算校核及在末端系統的功能分區確定后的系統深化配置。園區要求系統24 h供冷供熱，根據需求側實施對管網的冷熱量量化分配及輸送，以降低系統運行能耗，并且對能源實施集約化管理。

2 輸配系統設計

2.1 冷源設計

冷源機房位于7號樓地下室，靠近負荷中心(見圖1)，集中供冷半徑約為370 m，供冷半徑較大；原設計采用集中式輸配系統，循環泵設置在熱源處，其揚程按最遠端環路的阻力損失確定，在運行中必然會出現管網近端用戶資用壓力過大、遠端用戶資用壓力過小，管網系統水力失調，導致系統前端用戶過度供冷、系統后端用戶欠供冷的情況。而采用各種調節閥節流的方式來消除近端用戶的多余資用壓力，會產生無功電耗，不僅使管網輸送效率降低，而且用戶的舒適性無法得到滿足，直接影響供冷效果。

圖1 冷源機房位置示意圖

冷源選用3臺水冷離心式冷水機組，4臺冷水泵(三用一備)，另外單獨配置1臺冷水低載泵，與冷負荷變化相適應，滿足低負荷的使用需求；選用3臺冷卻塔與冷水機組一一匹配，4臺冷卻水泵(三用一備)，設于7號樓屋面;冷源機房主要設備參數見表1。

表1 冷源機房主要設備

采用分布式供冷輸配系統(見圖2)，在冷源機房處設置冷水泵，借用每一個建筑單體的熱計量間分別設置與冷源串聯的用戶泵房，冷源機房外設置平衡管；冷水泵承擔冷源內的循環和零壓差點以前的管網循環；沿程泵承擔零壓差點以后管網的循環，用戶泵承擔用戶內循環。以泵代閥，無功電耗極少，可獲得更高的輸送效率，從本質上解決了水力平衡問題，保證了系統的水力穩定性。

圖2 分布式供冷輸配系統流程示意圖

2.2 輸配管網系統設計

該工程輸配管網采用合理大溫差，在各建筑單體的用戶泵房處分別設置沿程泵和用戶泵，沿程泵承擔零壓差點以后的管網循環；水泵變頻運行，減少系統的無功電耗，獲得更高的輸送效率；系統大溫差、小流量運行，大量減少管網投資，節省了輸送費用，真正達到了節能、高效的目的。

2.3 用戶泵房設計

用戶泵設于各單體原有熱計量間內，不用額外增加建筑面積；與室外供冷管網混水連接，承擔單體建筑內的循環；每個用戶按需從管網提取冷量，即通過調節分布式用戶變頻水泵的轉速來改變管網的流通率從而改變管網阻力來完成。

用戶泵房主要設備參數見表2。

表2 各建筑單體用戶泵房主要設備參數

2.4 自動控制系統設計

由冷源機房群控部分和若干個用戶泵房分控站部分構成分散控制集中管理(DCS)系統，實現系統的最大節能運行控制。

根據室外氣象參數，通過配合管網供水溫度設定點調節用戶側溫度設定點，改變冷水泵的轉速，達到改變管網水流量的目的；通過支管供回水溫差設定點調節，并配合沿程泵的轉速控制，合理配置用戶側冷量輸送，最終實現按需取能，達到降低能源消耗的控制目的。

3 確定最優工況

在分布式供冷輸配系統中，隨著冷源側冷水溫差的增大，輸配系統的功耗顯著降低，隨之帶來了制冷機功耗的相應增加，因此，通過對多種工況下的制冷機、輸配管網、用戶裝置功耗綜合對比分析，以確定全系統的最優運行工況。

該工程分布式供冷輸配系統工況的建立與分析相對于原設計(冷源側、用戶側供/回水溫度均為7 ℃/12 ℃的集中式供冷輸配系統)，其管網的布置與管徑完全相同。分布式供冷輸配系統冷源側冷水供/回水溫度分別采用7 ℃/12 ℃、6 ℃/12 ℃、5 ℃/12 ℃、5 ℃/13 ℃、5 ℃/14 ℃、5 ℃/15 ℃、5 ℃/16 ℃、5 ℃/17 ℃，用戶側冷水供/回水溫度分別采用7 ℃/12 ℃、7 ℃/12 ℃、6 ℃/12 ℃、7 ℃/13 ℃、8 ℃/14 ℃、9 ℃/15 ℃、10 ℃/16 ℃、11 ℃/17 ℃模型進行計算分析。原設計的集中式供冷輸配系統功耗見表3，不同工況的分布式供冷輸配系統功耗和節電率見表4、5。

表3 原設計集中式供冷輸配系統功耗

表4 分布式供冷輸配系統功耗對比

表5 分布式供冷輸配系統節電率

從表4可以看出：采用分布式供冷輸配系統，輸配系統的功耗隨著冷水溫差的增大而降低；回水溫度為12 ℃時，制冷機的功耗隨著冷水溫差增大而增大；供水溫度為5 ℃時，制冷機的功耗隨著冷水溫差增大而減小。因此，該工程冷源側冷水供/回水溫度采用5 ℃/14 ℃、溫差為9 ℃的合理大溫差，用戶側風機盤管系統冷水供/回水溫度采用8 ℃/14 ℃，溫差為6 ℃[4]，可以達到制冷機和輸配系統全系統綜合功耗最低的效果。

4 結語

1) 在空調系統設計中，分布式供冷輸配系統的功耗隨著管網冷水溫差的增大而降低，而制冷機的功耗相應增加。因此，分布式輸配系統的節能性采用輸配系統和制冷機的全系統綜合功耗來評價。

2) 采用分布式供冷輸配系統，以泵代閥的方式有效地解決了水力平衡問題，保證了系統的水力穩定性，達到了節能的目的。

3) 基于全空調系統的功耗，分布式供冷輸配系統適用于6 ℃及以上溫差的末端用戶，不適用于6 ℃以下小溫差輻射供冷系統。