上海某工程區域供冷系統的集中、半集中和分布式二級泵系統方案的比較分析

蔣曉杰

（華建集團華東建筑設計研究總院）

隨著我國經濟的快速發展，國內的能源形勢越來越嚴峻。建筑行業是能源消耗的大戶，國家對建筑節能的要求也進一步提高。為做到合理、科學、綜合、集成用能，區域能源系統應運而生［1］。我國的區域能源系統發展始于建國初期的北方區域供熱系統［2］。由于節能減排形勢的緊迫，以及以產業園區為代表的新興公共建筑群的蓬勃發展，具有經濟、節能和環保的優點的區域供冷系統逐漸得到長足發展。但是區域供冷系統由于其系統復雜龐大，存在輸配管網投資大、輸送能耗高的缺點。因此，為了提升區域供冷系統的經濟性，必須合理設計區域供冷系統的輸配管網，最大限度地降低冷水輸配管網的運行能耗。典型的冷水輸配形式有一吉泵系統和二級泵系統。相關規范指出，對于系統作用半徑較大、設計水流量較高的大型工程，宜采用二級泵變流量系統［3］。區域供冷系統的作用半徑和設計水流量通常都較大，宜采用二級泵變流量系統。傳統的二級泵系統中，二級泵組都是集中設置的，稱為集中式二級泵系統［2］。結合“以泵代閥”的思想［4］，有學者提出了一種分布式二級泵系統［5］。分布式二級泵系統的二級泵直接設置在各用戶支路中，只需克服所屬支路阻力和其到能源中心的管路阻力。而根據不同的功能、區塊、標段可以設置幾組二級泵系統，這種系統介于集中式和分布式之間，稱之為“半集中式二級泵系統”。

國外學者對于區域供冷系統的輸配管網的研究主要集中在管網布局優化和管徑優化上，而對于水泵的研究比較少［2］。例如Soderman從能源站位置和容量及管網布局等方面對于區域供冷系統進行了優化研究［6］。Chan等人主要研究了不同算法對區域供冷系統管網布局優化的影響［7］。Li等人研究了管網管徑對系統總成本的影響［8］。國外學者對二級泵變流量系統的研究主要集中在系統形式和控制策略上［9］。例如Paarporn提出在用戶末端使用變頻加壓泵代替調節閥以提高系統的節能潛力［10］。Gustafsson提出一種新的控制方式用于集中供熱分布式變頻系統以大幅度降低輸配系統能耗［11］。Lozano指出變頻泵的控制策略對供熱系統輸配能耗有較大影響，相同條件下，定溫差控制的輸配能耗低于定壓差控制，系統控制穩定性低于定壓差控制［12］。

國內學者對區域供冷系統的輸配管網的研究主要集中在運行調節方式、二次管網的冷量損失、末端負荷特性、管網設計參數等，對于區域供冷系統的動力形式的研究仍然較少［2］。例如閆軍威等人提出采用質調節的方法對區域供冷系統末端用戶實現按需供冷［13］?？涤⒆说热搜芯苛藚^域供冷系統二次管網的冷量損失主要是由二級泵的冷量損失引起的［14］。譚超毅等人研究發現對于管網經濟性的影響順序從大到小依次為管徑、流速、保溫層厚度［15］。國內學者對二級泵變流量系統的研究主要集中于實際運行過程中出現的水泵效率低、大流量小溫差、水力失調等問題［2］。1997年，江億首次提出“以泵代閥”的概念［16］，結合工程實例分析結果表明，“以泵代閥”可減小支路閥門阻力，節省運行能耗，同時改善系統的調節品質，并且對初投資的影響不大。常晟等人提出大流量小溫差現象會給冷水機組造成不利影響和降低冷水管網的輸送效率，同時給出了相關的解決措施［17］。張春光等人針對集中供熱系統長期存在的管網調節困難、調節周期長的問題，提出了將原來的集中供熱系統改造為分布式變頻二級泵供熱系統，使得各換熱站之間相對獨立，大大提高了熱網平衡性［18］。王紅霞研究分析了分布式變頻循環系統對于水力平衡的作用［19］，指出采用分布式變頻系統是實現最佳流量的有效手段，尤其適用于熱計量之后的系統調節中。

綜合國內外研究現狀，對于區域供冷的研究主要集中在管網布局和參數的優化、系統形式和控制策略的研究、負荷計算和運行調節的方法以及實際運行過程中出現的水泵效率低、大溫差小流量、水力失調等問題，而對區域供冷系統的動力形式（水泵）的研究仍然較少，尤其是缺乏對于不同二級泵形式的經濟性探討。本文將采用動態經濟分析的方法，針對上述3種二級泵的形式建立基于目標時間的凈現值的二級泵系統經濟性分析模型，并以實際的區域供冷工程為例計算分析不同動力分布系統的初投資和運行費用（能耗，由于二級泵系統的運行費用只與運行負荷和電價有關，與能源方案和運行模式無關，所以二級泵系統的運行費用的高低直接反應了二級泵系統的能耗特性），比較得出適用于該工程實例的凈現值最低，經濟性和節能性最好的二級泵系統形式。

1 經濟分析模型

1.1 假設條件

1）因本文討論的是確定了冷水供回水溫差的兩管制區域供能系統，示例項目的冷水供回水溫度假定為6～13℃。

2）采用某計算軟件計算示例項目的全年8760h中的冷負荷，并根據該計算中每小時的負荷統計計算循環冷水泵的年運行費用。

3）采用動態經濟分析法建立二級泵系統的凈現值計算模型。

4）假定3種二級泵方案的定壓差點均設置在主管道，分布式系統的水泵揚程可以無限接近根據負荷變化而產生的水管阻力。而集中式和半集中式系統的水泵揚程無法根據總負荷變化而即時反應。

5）實際工程中常采用定壓差法，即供回水主管的壓差設定為克服最不利端樓棟的阻力。這會導致水泵的無效能損失很大。本文將增加說明另一種方法，即假設最不利端樓棟滿負荷時，計算水泵需要滿足的最小揚程（經計算約為63%最大揚程），以此最小揚程作為計算起點，采用五分段法（100%、90%、80%、70%、63%負荷點）限定水泵揚程，從而計算水泵的運行費用。這種計算方法既接近實際工程中的運行情況又可以減少水泵的無效能損失。

1.2 初投資差額

由于本文主要比較不同的二級泵系統的經濟性，所以只考慮二級泵系統部分所包含的水泵、閥門和管道的初投資和水泵機房造價，以常規集中式二級泵系統的初投資和運行費用作為分析計算的基準點，計算公式如下：

式（1）、（2）中：

△，I-1、△，I-2分別為半集中式、分布式二級泵系統與集中式二級泵系統的總投資差額，元；

Ic、Im、Id分別為集中式、半集中式、分布式二級泵系統總投資，元；

Puc、Pum、Pud分別為集中式、半集中式、分布式二級泵系統的水泵初投資，元；

Trc、Trm、Trd分別為集中式、半集中式、分布式二級泵系統的水泵變頻器初投資，元；

Vac、Vam、Vad分別為集中式、半集中式、分布式二級泵系統的閥門初投資，元；

Fic、Fim、Fid分別為集中式、半集中式、分布式二級泵系統的管件初投資，元；

Pic、Pim、Pid分別為集中式、半集中式、分布式二級泵系統的管道初投資，元；

Prc、Prm、Prd分別為集中式、半集中式、分布式二級泵系統的水泵房初投資，元。

1.3 運行費用

水泵耗功計算公式如下［20］：

式中：

Gr為全年第r小時循環冷水泵的流量，t/h ；

Hr為全年第r小時循環冷水泵的揚程，m,；

ηr為全年第r小時循環冷凍水泵的總效率。

供冷水泵運行費為水泵功耗與實際運行時間的電價乘積之和。循環水泵的運行費計算公式如下［20］：

式中：

Pr為第r小時水泵的好功率，kW；

τr為部分負荷 r下的工作時間，h ；

Cr為電價，元/KWh。

1.4 凈現值

由于二級泵系統的初投資比較大，僅考慮靜態經濟指標會忽略投資資金的時間價值，故本文擬采用凈現值（NPV）作為二級泵系統經濟分析模型的目標函數。以半集中式和分布式二級泵系統相對常規集中式二級泵系統增加的造價成本作為項目起始的現金流，以半集中式和分布式二級泵系統相對常規集中式二級泵系統的運行費用差額作為每年的現金流，按照現行的折現率可以求取目標期限內半集中式和分布式系統的凈現值。

式中：Wi為第i年項目的現金流。

γ為折現率，取10%。

2 案例分析

2.1 項目概況

上海臨港松江G60科創云廊二期項目，工程總建筑面積為568965m2，總體分為B地塊、C地塊標段一和標段二。功能主要為科研辦公、科研配套、會議報告及科研實驗室。整個項目由11棟18層的塔樓、3棟5層的總部辦公樓、1棟4層的綜合樓、3層科研配套裙樓及2層地下室車庫和設備用房組成。

根據項目建筑類型、圍護結構性能、人員新風負荷等參數，利用負荷計算軟件計算出項目全年8760h的逐時負荷。經計算，夏季空調尖峰總冷負荷為46670kW，圖1為整體工程全年冷負荷統計圖。

圖1 整體工程全年冷負荷統計圖

2.2 二級泵系統的形式

圖2 集中式二級泵系統

圖3 半集中式二級泵系統

圖4 分布式二級泵系統

2.2.2 三種二級泵系統的初投資匯總

根據供回水溫差和前述計算的工程冷負荷，可計算出循環冷水變頻泵的設計流量和揚程，通過廠商的報價，可得出變頻水泵、水泵機房、管網及閥門管件等的初投資見表1～3。

表1 集中式二級泵系統的初投資

表2 半集中式二級泵系統的初投資

表3 分布式二級泵系統的初投資

由表1～3可得出集中式、半集中式和分布式的二級泵系統的初投資分別為418.3萬元、447.9萬元和505.0萬元。由此可見，集中式二級泵系統的初投資最低、半集中式次之、分布式二級泵系統的初投資最高。半集中式二級泵系統和分布式二級泵系統與集中式二級泵系統的初投資差額分別為29.6萬元、86.7萬元。

2.2.3 二級泵系統的運行費用匯總

計算每個小時在3種不同方案下的耗電量，最后統計出所有供冷小時3種不同方案的耗電量和運行費用見表4。

表4 定壓差法不同二級變頻水泵方案的年耗電量和運行費用

從表4可以得出，半集中式二級泵系統水泵的年運行費用最高，集中式二級泵系統水泵的年運行費用居中，分布式二級泵系統水泵的年運行費用最低。計算結果和理論上“分布式二級泵系統更節能，集中式系統較不節能”基本吻合。半集中式二級泵系統的水泵運行費用最高主要是因為實際工程中，變頻水泵無法根據負荷無限變頻。由于電動機散熱以及水泵自身結構因素限制，水泵變頻頻率下限不低于25Hz，所以該工程在計算過程中將需要水泵變頻到50%額定頻率以下的負荷需要的水泵效率按照50%的頻率框定。這個框定會導致在低效率區域運行的水泵負荷被提高到了高效率區域運行。同時低負荷時水泵的流量也被框定在50%水泵額定流量，這時水泵的耗功也會隨著流量的增大而增加。而由于半集中式二級泵系統為兩個兩用一備和一個三用一備，其最小可控流量為1/4和1/6。集中式二級泵系統為五用一備，最小可控流量為1/10。從這個方面考慮，集中式二級泵系統的水泵能耗在工程低負荷時會相對更小。而工程實際中，大部分制冷時間工程負荷都處于部分低負荷區間，這使得最小可控流量越小的系統節能優勢越明顯。另外，由于水泵規格越大，其運行效率越大。該工程中分布式二級泵系統的水泵臺數最多、水泵規格最小；集中式二級泵系統的水泵臺數最少、規格最大。分布式二級泵系統、半集中式二級泵系統和集中式二級泵系統的效率分別是78%、82%和83%。從這個方面考慮，集中式二級泵系統更節能。然而，由于分布式二級泵系統可以根據各樓棟的負荷和阻力調整水泵的揚程，而集中式和半集中式必須優先滿足各末端的水量和揚程需求，所以不能根據負荷和水流量的降低而同比例降低水泵的揚程，這導致集中式和半集中式的二級泵系統的無效能損失遠大于分布式二級泵系統。當水泵細分之后節省的水泵揚程和能耗可以抵消水泵效率降低的影響時，就會出現分布式二級泵系統比集中式和半集中式二級泵系統的能耗和運行費用更低的情況。綜上所述，二級泵系統的能耗和運行費用不僅與系統形式有關，還和系統的水泵臺數、規格、效率以及工程的負荷分布有關。

從表5可以得出半集中式二級泵系統水泵的年運行費用最高，為29.5萬元，集中式二級泵系統水泵的年運行費用居中，為26.4萬元，分布式二級泵系統的水泵年運行費用最小，為19.8萬元。計算結果和理論上“分布式二級泵系統更節能，集中式系統較不節能”基本吻合。

表5 五分段法不同二級變頻水泵方案的年耗電量和運行費用

2.2.4 凈現值分析計算

Step 2.Construct the matrixand root the polynomial to obtain the frequency parameter estimatesNote that the roots are inside the unit circle and are closest to the unit circle.

水泵的壽命一般為15a，根據此期限計算分布式二級泵系統和半集中式二級泵系統相對集中式二級泵系統的凈現值如表6所示。

表6 定壓差法分布式、半集中式和集中式二級泵系統的凈現值_____________萬元

從表6可以得出分布式和半集中式二級泵的初投資都比集中式大，分布式二級泵系統的年運行費用比集中式和半集中式二級泵系統的小。15a水泵壽命期內，分布式二級泵系統的凈現值為正值（107.6萬元），半集中式二級泵系統的凈現值為負值（-39.4萬元），這表明采用分布式二級泵系統在水泵的壽命期內具有一定的經濟優勢，而采用半集中式二級泵系統在經濟上沒有優勢。

從表7可以得出分布式二級泵系統和半集中式二級泵系統的初投資都比集中式大，分布式二級泵系統的年運行費用比集中式和半集中式二級泵系統的小。15a水泵壽命期的凈現值均為負值，這表明采用分布式二級泵系統或者半集中式二級泵系統在經濟上沒有優勢。但是分布式二級泵系統具有節能、產權分割靈活等明顯的優點，本文所述工程還是采用的分布式二級泵系統。采用定壓差法時，分布式、半集中式二級泵系統的凈現值比采用五分段法時的凈現值更大。這是由于采用定壓差法時，集中式二級泵系統的水泵揚程比采用五分段法時的揚程大，水泵的無效損失更多，所以分布式和半集中式二級泵系統相對集中式系統的優勢會更明顯。

表7 五分段法分布式、半集中式和集中式二級泵系統的凈現值________萬元

3 結論

1）分布式二級泵系統的初投資最高，半集中式二級泵系統次之，集中式二級泵系統的初投資最低。

2）分布式二級泵系統的運行費用最低，集中式二級泵系統次之，半集中式二級泵系統的運行費用最高。

3）在水泵壽命期內，采用設定壓差法計算集中式和半集中式的水泵揚程時，分布式二級泵系統相對集中式二級泵系統的凈現值為正值；半集中式二級泵系統相對集中式二級泵系統的凈現值為絕對數不大的負數。分布式二級泵系統相對集中式和半集中式二級泵系統具有較明顯的經濟優勢。

4）在水泵壽命周期內，采用五分段法計算集中式和半集中式的水泵揚程時，分布式和半集中式二級泵系統相對集中式二級泵系統的凈現值均為絕對數不大的負數。由于分布式二級泵系統的節能、靈活和增強水力穩定性等特點，在經濟允許的條件下，采用分布式二級泵系統具有一定的優勢。

5）二級泵系統的能耗和運行費用不僅與系統形式有關，還和系統的水泵臺數、規格、效率以及工程的負荷分布有關。