區域供冷輸配一級泵系統能耗量化分析*

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,具有節省總體裝機容量、機房面積、初投資及便于集中管理等優點,自20世紀80年代開始,在日本一些大城市的商業建筑群、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等也采用了區域供冷方式,并已投入運行[1-5]。

與分散供冷相比,影響區域供冷系統能效的主要因素是輸配能耗。對于區域供冷輸配能耗,現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,現有設計方法一般按規范給出的技術措施選擇輸配系統方案[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域供冷輸配系統設計為例,在分析供冷期各單體建筑用戶逐時冷負荷的基礎上,通過建立管網動力學數學模型,定量分析供冷工況下各用戶資用壓頭和循環水泵運行工況的逐時變化,提出區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、公寓等功能業態,采用區域集中供冷,規劃用地面積為6.82萬m2,集中供冷區域內有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棟配套商業樓(配套商業樓1、2),總供冷建筑面積為16.89萬m2。

注:J1～J16為供水側節點編號,E1～E15為供水側管段編號。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,熱泵機組設置于辦公樓8南側的地下冷熱機房內,地埋換熱管布置于相鄰地塊的城市公園綠地內。冷水設計供/回水溫度為5 ℃/12 ℃,供冷區域內各建筑面積及用戶側設計流量見表1,總流量為1 153.1 m3/h,用戶側設計壓降均為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室外氣象參數按照EnergyPlus氣象數據庫選取,來源為CSWD(中國典型氣象年數據)[11]。負荷計算時考慮了各建筑的使用功能、平時及節假日運行時間、房間同時使用率等參數,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 配套商業樓1逐時冷負荷

圖8 配套商業樓2逐時冷負荷

根據表1的統計結果,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。區域建筑逐時冷負荷見圖9,逐日耗冷量見圖10。

圖9 區域建筑逐時冷負荷

圖10 區域建筑逐日耗冷量

1.3 輸送管網

冷水輸送管網路由如圖1所示,供水側共有15個管段,編號分別為E1～E15;該項目冷水輸送管網采用枝狀布置,為簡化分析,設定回水側管網參數與供水側相同,則回水側共有15個管段,編號分別為E16～E30。根據表1中各用戶節點的流量和經濟比摩阻(取50～80 Pa/m),經設計計算,各管段的內徑、管長及局部阻力系數(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

2 輸配系統設計方案

區域供冷輸配系統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的熱惰性,溫度控制方法在控制機理上存在不穩定性,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,控制參數簡單明確,在國內眾多大型項目中得到了應用,是現階段工程設計中水系統控制普遍采用的方法[12-22]。

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

如圖1所示,該項目冷水輸送管網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,綜合考慮冷水系統的承壓等因素,冷水輸配系統從形式上有一級泵系統和二級泵系統2個備選方案,從運行控制方式上有輸送管網始端(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,二級泵系統方案將另文分析,本文僅分析輸配一級泵系統如下2個定壓差控制方案:1) 一級泵系統始端定壓差方案;2) 一級泵系統末端定壓差方案。

2.1 一級泵系統始端定壓差方案

1) 系統設計。

冷水輸配一級泵系統原理圖見圖11,管網泵B1設置于冷熱機房內,承擔輸送管網及末端用戶系統全部阻力。1#～4#站房內設置電動調節閥,根據末端負荷變化調節進入各建筑的冷水流量,保證用戶側冷水供回水壓差為設計值19.5 m。冷源側熱泵機組設置冷水循環泵,承擔冷源阻力;冷源側與輸配側水力工況通過平衡管隔開。

注:J17～J32為回水側節點編號;E16～E30為回水側管段編號。圖11 冷水輸配一級泵系統原理圖

2) 水泵選型。

該項目輸配系統補水定壓水頭為63 m,定壓點為管網泵B1吸入口;管壁粗糙度為0.5 mm。根據管網參數計算設計流量下各節點的供回水壓力,結果如圖12所示,節點J1處供回水壓差為33.6 m,第一個用戶分支節點J3處供回水壓差為29.0 m,末端最不利用戶節點J16處供回水壓差為19.5 m。根據表1,節點J1處設計流量為1 153.1 m3/h。根據上述參數,管網泵B1選擇3臺同型號水泵,兩用一備,單臺水泵額定參數為: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設計工況下管網節點水壓圖

根據水泵樣本[23],采用拉格朗日插值法,擬合得到管網泵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。

通過調節管網泵B1的運行臺數和轉速,保持第一個用戶分支節點J3處供回水壓差恒定為29.0 m,以滿足末端流量調節需求。

2.2 一級泵系統末端定壓差方案

1) 系統設計。

同輸配一級泵系統始端定壓差方案。

2) 水泵選型。

同輸配一級泵系統始端定壓差方案。

3) 運行策略。

通過調節管網泵B1的運行臺數和轉速,保持末端最不利用戶節點J16處供回水壓差為19.5 m,以滿足末端流量調節需求。

3 輸配能耗量化分析

3.1 輸配能耗計算方法

輸配能耗計算內容為求解管網泵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,根據逐時負荷求解各用戶節點的逐時冷水流量;

2) 參照文獻[22,24],根據表2及圖11的管網信息,建立管網動力學數學模型;

3) 根據1)、2)的結果及系統壓差控制方案,求解輸配管網各時刻的節點水壓圖,得到管網泵B1的運行揚程;

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

5) 將管網泵B1的逐時能耗累加求和,即得到輸配能耗。

3.2 一級泵系統始端定壓差輸配能耗

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

圖13 一級泵系統始端定壓差方案逐時運行耗電量

圖14 一級泵系統始端定壓差方案管網泵B1逐時運行頻率

圖15 一級泵系統始端定壓差方案管網泵B1逐時運行效率

圖16 一級泵系統始端定壓差方案管網泵B1逐時運行耗電量

3.3 一級泵系統末端定壓差輸配能耗

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

圖17 一級泵系統末端定壓差方案逐時運行耗電量

圖18 一級泵系統末端定壓差方案管網泵B1逐時運行頻率

圖19 一級泵系統末端定壓差方案管網泵B1逐時運行效率

圖20 一級泵系統末端定壓差方案管網泵B1逐時運行耗電量

4 定壓差設計方案比選

根據上面的計算結果,統計并對比各輸配系統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,從用戶側電動調節閥的調節性能方面看,在系統部分負荷條件下,如圖21所示,始端定壓差方案的用戶側電動調節閥兩端壓差增大,閥門調節能力變差,降低了系統調節精度;而末端定壓差方案的用戶側電動調節閥兩端壓差變小,閥門調節能力變好,提高了系統調節精度。

圖21 管網節點供回水壓差圖

綜上,輸配一級泵系統優選末端定壓差方案。

5 結論

本文基于管網動力學數學模型,以某城市綜合體區域供冷項目為例,定量分析了區域供冷輸配一級泵系統在輸送管網始端(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,主要結論如下:

1) 該工程末端定壓差方案具有負荷調節精度高、運行費低的優點,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電動調節閥兩端壓差變小,閥門調節能力變好,提高了系統調節精度。