摘 要

摘要：以某區域供冷系統為研究對象，建立冷源、輸配系統(冷水、冷卻水輸配系統)、冷卻塔的能耗模型，用于模擬區域供冷系統的能耗。在確定制冷機組運行策略、輸配系統運行方式的基

摘要：以某區域供冷系統為研究對象，建立冷源、輸配系統(冷水、冷卻水輸配系統)、冷卻塔的能耗模型，用于模擬區域供冷系統的能耗。在確定制冷機組運行策略、輸配系統運行方式的基礎上，分別對冷水供水溫度為6、7℃，冷水二級泵定流量、變流量運行時區域供冷系統的能耗及當量熱力系數進行模擬計算。當冷水供水溫度為7℃、冷水二級泵變流量運行時，區域供冷系統的當量熱力系數最高。

關鍵詞：區域供冷系統；  能耗模擬；  能耗模型；  運行策略；  當量熱力系數

Energy Consumption Model and Energy Efficiency Analysis of District Cooling System

Abstract: Taking a district cooling system as research object, the energy consumption models for cold source，transmission and distribution systems(chilled water system and cooling water system)and cooling tower are established to simulate the energy consumption of the system. Based on determination of the operation strategy of refrigerating units and the operation mode of the transmission and distribution systems，the energy consumption and the equivalent energy thermodynamic coefficient of the district cooling system are simulated and calculated when the chilled water temperatures are 6℃and 7℃and the secondary pump of chilled water is operated with constant flow and variable flow respectively. When the chilled water temperature is 7℃.and the secondary pump of chilled water is operated with variable flow，the equivalent thermodynamic coefficient of the district cooling system is the highest.

Key words: district cooling system；energy consumption simulation；energy consumption model；operation strategy；equivalent thermodynamic coefficient

區域供冷系統(District Cooling System，DCS)指為了滿足某一特定區域內多座建筑物的冷負荷需求，由專門的冷源集中制備冷水，通過冷水管網向各用冷建筑物輸送，提供制冷服務的系統^[1-6]。區域供冷作為一種空調冷源的解決方案，與區域供熱相比，它的成功需要更多的特殊適用條件和更多的技術保障，例如需要適應負荷變化的制冷機組運行策略、輸配系統運行方式來提高整體的系統能效^[7]。此外，集中供冷系統的經濟性也取決于合理的設備配置(包括主要設備的容量和數量)^[8]。

本文結合工程實例，建立區域供冷系統能耗模型，基于確定的制冷機組運行策略對不同輸配系統運行方式下的區域供冷系統的能效進行分析。

1 區域供冷系統能耗模型

1.1 冷源設備配置

本文研究的區域供冷系統建立在某冷熱電聯供項目基礎上，該冷熱電聯供系統采用燃氣輪機發電機組+余熱鍋爐+汽輪機發電機組+蒸汽型溴化鋰吸收式機組(以下簡稱蒸汽型吸收式機組)+熱水型溴化鋰吸收式機組(以下簡稱熱水型吸收式機組)+離心式冷水機組。利用燃氣輪機驅動發電機發電，高溫煙氣通過余熱鍋爐回收制取蒸汽和熱水。熱水可用于制備生活熱水及空調冷水(利用熱水型吸收式機組制備)，蒸汽用于推動汽輪機發電機組發電，中間抽汽用于制備空調冷水(利用蒸汽型吸收式機組制備)。離心式冷水機組用電為聯供系統自發電。

將聯供系統的蒸汽型吸收式機組、熱水型吸收式機組、離心式冷水機組作為區域供冷系統的制冷機組，配置情況為：9臺制冷能力為9 100 kW的蒸汽型吸收式機組，3臺制冷能力為4 536 kW的熱水型吸收式機組，2臺制冷能力為4 400 kW、7臺制冷能力為8 800 kW的離心式冷水機組。

冷水系統的泵系統分為兩級，一級泵系統保持制冷機組側定流量運行，采用1臺機組對應1臺一級泵的方式。二級泵系統分為4個環路，分別對應4個地塊，每個環路采用3臺二級泵，3臺二級泵流量分配為環路總流量的50％、50％、l0％，以適應部分負荷工況。冷卻塔配置情況：l4臺額定處理量為1 250 m³／h的冷卻塔，10臺額定處理量為2 000 m³／h的冷卻塔，設定制冷機組公用所有冷卻塔。為盡量降低冷卻水變流量對制冷機組的影響，冷卻水循環泵采取定流量運行，采用1臺制冷機組對應1臺冷卻水循環泵的配置方式。

1.2 制冷機組模型

①離心式冷水機組

在冷卻水定流量及冷水定流量條件下，根據廠家提供的離心式冷水機組制冷性能系數隨負載率、冷卻水進水溫度的變化特性，采用Origin8.0對兩種制冷能力離心式冷水機組的制冷性能系數與負載率、冷卻水進水溫度進行擬合。

擬合式分別為：

 

式中 I_COP,1、I_COP,2——制冷能力分別為4 400、8800kW的離心式冷水機組制冷性能系數

    ε——機組負載率，0.1＜ε＜1

     t_in——機組冷卻水進水溫度，℃，20℃＜t_in＜38℃

②吸收式機組

通過擬合，得出蒸汽型、熱水型吸收式機組熱力系數與冷卻水進水溫度的關系式：

 

式中 η_s、η_w——蒸汽型、熱水型吸收式機組熱力系數

1.3 輸配系統模型

①冷水輸配系統

a.一級泵

當一級泵定流量運行時，一級泵總電功率P_c,1的計算式為：

 

式中P_c,1——一級泵總電功率，kW

    n——一級泵的運行數量

    P_c,1，i——第i臺一級泵的電功率，kW

b.二級泵

當二級泵定流量運行時，二級泵總電功率P_c,2,s的計算式為：

 

式中P_c,2,s——二級泵定流量運行時二級泵總電功率，kW

    P_c,2,j,1——流量為環路總流量50％的二級泵電功率，kW

    P_c,2,j,2——流量為環路總流量10％的二級泵電功率，kW

當二級泵變流量運行時，采用定干管溫差控制策略。此時，應計算各環路逐時總流量，再根據環路逐時總流量，判定二級泵的開啟類型及數量，最后根據二級泵變頻規律計算二次泵總電功率。

②冷卻水輸配系統

冷卻水循環泵總電功率P_ch的計算式為：

 

式中P_ch——冷卻水循環泵總電功率，kW

    m——制冷機組運行數量

    P_ch,j——第j臺制冷機組對應的冷卻水循環泵電功率，kW

1.4 冷卻塔模型

采用Merkel焓差法模擬冷卻塔逐時進出水溫度，使得冷卻塔特征數N＇與冷卻數N相等或非常接近，此時的冷卻塔出水溫度即為所求。N＇、N的計算式分別為：

 

式中N＇——冷卻塔特征數

    K_dv——冷卻塔容積傳質系數，kg／(m³·s)

    V——填料體積，m³

    q_m,ch——冷卻水質量流量，kg／s

    N——冷卻數

    K——考慮水蒸發帶走的熱量系數

    t_ch,in——冷卻塔進水溫度，℃

    t_ch,out——冷卻塔出水溫度，℃

    t_ch——冷卻水溫度，℃

    h_e——對應冷卻水溫度下的飽和空氣比焓，J／kg

    h——與冷卻水接觸的空氣比焓，J／kg

冷卻塔出水溫度計算流程：已知冷卻塔風量、冷卻水質量流量、填料體積、容積傳質系數、冷卻塔進水溫度等，由式(8)計算得到冷卻塔特征數N＇。設定冷卻塔出水溫度，根據已知冷卻塔進水溫度，按式(9)計算得到冷卻數N。循環設定冷卻塔出水溫度，當N- N＇的絕對值小于設定誤差時，停止計算，輸出冷卻塔出水溫度，迭代步長為0.1℃。

1.5 區域供冷系統當量熱力系統

區域供冷系統當量熱力系數是指冷源輸出的冷量與冷源能耗(折算成一次能源的熱量)之比，以評價冷源對一次能源的利用率。區域供冷系統能耗包括兩部分：一是耗熱量，包括蒸汽型、熱水型吸收式機組的耗熱量；二是耗電功率，包括離心式冷水機組、溶液泵、冷卻水循環泵、冷水循環泵、冷卻塔等設備的耗電功率。區域供冷系統當量熱力系數，的計算式為：

 

式中 I——區域供冷系統當量熱力系數

    Ф_c——區域供冷系統制冷量，kW

    Ф_h——區域供冷系統耗熱量，kW

    μ——單位質量燃料燃燒產生的高品位熱量與汽輪機抽汽的低品位熱量的折算系數，取2.65

    η_h——供熱效率，取0.215^[9]

    P——區域供冷系統耗電功率，kw

    η_e——聯合循環發電效率，取全國平均水平發電效率0.48

   η_n——電網輸送效率，取0.9^[9] 

1.6 能耗模擬計算流程

采用C語言進行程序開發，設計區域供冷能耗模擬軟件。模擬冷卻水循環泵、一級泵定流量運行下，二級泵分別采用定流量、變流量運行，冷水供水溫度分別為6、7℃時的區域供冷系統能耗。

區域供冷系統能耗模擬計算流程見圖l。先選擇輸配系統運行方式(二次泵定流量、變流量運行)，然后導入逐時冷負荷、逐時氣象參數，根據逐時冷負荷及制冷機組類型確定制冷機組運行策略，計算制冷機組運行參數(冷水供水溫度、冷卻塔出水溫度)。結合逐時氣象參數及輸配系統運行方式確定冷卻塔出水溫度，計算得出制冷機組、冷水循環泵、冷卻水循環泵等設備能耗，最后計算確定區域供冷系統當量熱力系數。

 

制冷機組運行策略指根據某時刻的冷負荷與上一時刻冷負荷之差，判定該時刻是否開啟或關閉某類型制冷機組及數量。由于熱水型吸收式機組以熱水作為制冷動力，而蒸汽型吸收式機組依靠汽輪機中間抽汽制冷，為了避免發電效率受抽氣量的影響，優先開啟熱水型吸收式機組，當負荷超過3臺熱水型吸收式機組制冷能力時，再開啟蒸汽型吸收式機組。為了使余熱利用最大化，離心式水冷機組最后開啟。輸配系統運行方式分為：冷卻水循環泵、一級泵定流量運行，二級泵定流量運行；冷卻水循環泵、一級泵定流量運行，二級泵變流量運行。

2 模擬結果及分析

2.1 制冷機組組合開啟方式

根據制冷機組運行策略及對逐時冷負荷的分析，在整個制冷期中，3臺熱水型吸收式機組均一直開啟；蒸汽型吸收式機組在白天約開啟9臺，夜晚一般開啟6臺；2臺4 400 kW的離心式冷水機組在白天多處于開啟狀態，夜晚則處于停機狀態；8 800 kW離心式冷水機組用于調峰，因此啟停較頻繁，大部分時間開啟數量大于5臺。

2.2 系統能耗分析

①熱水型吸收式機組耗熱量

由制冷機組組合開啟方式可知，在整個制冷期中，3臺熱水型吸收式機組均一直開啟，由于一級泵定流量運行，只要出水溫度不變，無論二級泵是定流量還是變流量運行，熱水型吸收式機組耗熱量都相同，因此僅對比不同冷水供水溫度下的耗熱量即可。由模擬結果可知，當冷水供水溫度為6℃時，熱水型吸收式機組平均耗熱量為17 795.76 kW；當冷水供水溫度為7℃時，平均耗熱量為16 933.9 kW，比前者低4.8％。

②蒸汽型吸收式機組耗熱量

由制冷機組組合開啟方式可知，在整個制冷期中，蒸汽型吸收式機組在白天開啟9臺，夜晚開啟6臺。由于一級泵定流量運行，因此僅對比不同冷水供水溫度下的蒸汽型吸收式機組的耗熱量即可。

由模擬結果可知，當冷水供水溫度為6℃時，蒸汽型吸收式機組平均耗熱量為47 758.58 kW；當冷水供水溫度為7℃時，平均耗熱量為47 399.05kW，比前者低0.75％。

③耗電功率

不同輸配系統運行方式、冷水供水溫度下冷源耗電功率見表l。當冷水供水溫度為7℃，二級泵變流量運行時，冷源耗電功率最低。因此，提高冷水供水溫度及采取二級泵變流量運行可有效降低離心式冷水機組及循環泵的耗電功率。

 

 

2.3系統能效分析

由模擬結果計算得到區域供冷系統當量熱力系數。在二級泵定流量運行條件下，當冷水供水溫度為6 ℃時，平均當量熱力系數為0.658；當冷水供水溫度為7℃時，平均當量熱力系數為0.669。在二級泵變流量運行條件下，當冷水供水溫度為6℃時，平均當量熱力系數為0.684；當冷水供水溫度為7℃時，平均當量熱力系數為0.696。由此可知，當二級泵變流量運行、冷水供水溫度為7℃時，平均當量熱力系數最高。

3 結論及建議

對于該區域供冷項目，適當提高冷水供水溫度，二級泵采取變流量運行，可降低區域供冷系統能耗，提高系統能效。

在區域供冷系統工程設計與運行管理中，除了注意制冷機組的運行策略外，還應該著重降低輸配系統能耗，提高區域供冷系統整體能源利用率。

 

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本文作者：張歆暉 盧軍 李春蝶 黃光勤 馬鈞

作者單位：重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室  中國電力工程顧問集團西南電力設計院