區(qū)域供冷系統(tǒng)供回水經(jīng)濟(jì)溫差優(yōu)化模型研究

張國強(qiáng) 徐玉珍++韓杰++劉濤++吳海平??

摘要：從經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮，基于動(dòng)態(tài)年折算費(fèi)用法建立了區(qū)域供冷系統(tǒng)供回水經(jīng)濟(jì)溫差的優(yōu)化模型，并以夏熱冬冷地區(qū)某小區(qū)區(qū)域供冷系統(tǒng)為例，分析了用電價(jià)格、比摩阻、供冷距離以及空調(diào)負(fù)荷等因素對(duì)供回水經(jīng)濟(jì)溫差的影響.結(jié)果表明，當(dāng)供回水經(jīng)濟(jì)溫差為6.3 ℃時(shí)，年度費(fèi)用最低，此時(shí)供水溫度為5.9 ℃，與常規(guī)設(shè)計(jì)溫度7/12 ℃相比，每年可節(jié)約2.4萬元，經(jīng)濟(jì)溫差隨電價(jià)的增加而減小，隨比摩阻、供冷距離、空調(diào)負(fù)荷的增大而增大.

關(guān)鍵詞：區(qū)域供冷；動(dòng)態(tài)年折算費(fèi)用法；經(jīng)濟(jì)溫差；影響因素

中圖分類號(hào)：TU995 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

區(qū)域供冷系統(tǒng)是指針對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的建筑群，由一個(gè)或多個(gè)能源站集中制取冷凍水，通過輸配管網(wǎng)輸送到各用戶，滿足用戶用冷需求的系統(tǒng)，包括能源站、輸配管網(wǎng)和末端用能裝置[1-3].與常規(guī)的分散式空調(diào)系統(tǒng)相比，區(qū)域供冷系統(tǒng)機(jī)組能效較高，能有效避免各用戶冷負(fù)荷峰值的同時(shí)出現(xiàn)，可降低裝機(jī)容量和提高機(jī)組的部分負(fù)荷率[4].

冷凍水供回水溫差是區(qū)域供冷系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它直接影響著系統(tǒng)的投資與性能.加大冷凍水供回水溫差可提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和能效，但其并不是越大越好，因?yàn)檩^低的供水溫度會(huì)導(dǎo)致機(jī)組制冷性能下降，而較高的回水溫度不能滿足室內(nèi)熱舒適的要求.在區(qū)域供冷系統(tǒng)供回水溫差研究方面，胡晨炯[5]以廣州地鐵五號(hào)線集中供冷系統(tǒng)為例，得出了10 ℃供回水溫差能效比最高.壽煒煒[6]分析得出冷凍水供/回水溫度設(shè)計(jì)為7/17 ℃時(shí)，節(jié)能效果不明顯，且會(huì)加大系統(tǒng)的初投資.陳曉建立了基于LCC的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)某一住宅小區(qū)集中供冷進(jìn)行分析，得出供回水溫差不宜過大，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)一般取8 ℃左右.張朝暉[8]建立了基于LCC的冷凍水溫度優(yōu)化模型，并對(duì)大連市星海灣項(xiàng)目進(jìn)行分析，得出最佳的冷凍水供回水溫度參數(shù)為3/12 ℃.華賁等[9]通過制冷主機(jī)串聯(lián)兩級(jí)制冷、末端設(shè)備革新的冷量逐級(jí)利用方法，實(shí)現(xiàn)了冷凍水二次管路的溫差由10 ℃升高到15 ℃.付林等人[10]分析了供回水溫度對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗的影響，并得出存在最優(yōu)的供回水溫度使得系統(tǒng)能耗最小.

從上述研究可知，目前區(qū)域供冷系統(tǒng)供回水溫差設(shè)計(jì)通常采用經(jīng)驗(yàn)值或僅從能耗的角度進(jìn)行優(yōu)選，沒有從系統(tǒng)投資的角度進(jìn)行考慮，而不同規(guī)模的區(qū)域供冷系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的冷凍水經(jīng)濟(jì)溫差不同.經(jīng)濟(jì)溫差指的是從系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析的角度綜合考慮的冷凍水供回水溫差[11].本文基于動(dòng)態(tài)年折算費(fèi)用法建立區(qū)域供冷系統(tǒng)供回水經(jīng)濟(jì)溫差的優(yōu)化模型，并以夏熱冬冷地區(qū)某小區(qū)區(qū)域供冷系統(tǒng)為例，分析電價(jià)、比摩阻、供冷距離以及空調(diào)負(fù)荷對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)供回水經(jīng)濟(jì)溫差的影響.

1模型建立

常見的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析法有投資回收期法、年折算費(fèi)用法以及基于LCC的年折算費(fèi)用法.投資回收期法適用于年運(yùn)行費(fèi)存在很大節(jié)省空間的工程；基于LCC的年折算費(fèi)用法實(shí)際運(yùn)用中受各種客觀因素的限制缺乏可操作性；而年折算費(fèi)用法適用性廣.本文基于動(dòng)態(tài)年折算費(fèi)用法建立了區(qū)域冷凍水供回水經(jīng)濟(jì)溫差優(yōu)化模型，并利用Matlab編制程序?qū)ζ溥M(jìn)行求解.

區(qū)域供冷系統(tǒng)比較復(fù)雜，要綜合考慮到各種影響因素，本文所建立的優(yōu)化模型不考慮區(qū)域供冷系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)和環(huán)保等方面的作用，僅考慮初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)等經(jīng)濟(jì)性因素，并且暫不考慮室內(nèi)管網(wǎng)投資、室內(nèi)管網(wǎng)冷量損失以及末端設(shè)備運(yùn)行費(fèi).

該模型以年折算費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)的冷凍水供回水經(jīng)濟(jì)溫差進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)如下[12-13]：

MinCt=XtCtz+Cw+Cc+Cp+CΔQ+Cα. （1）

式中： MinCt為年總折算費(fèi)用，元/年； Xt為標(biāo)準(zhǔn)投資效果系數(shù)，1/年；Ctz為室外輸配管網(wǎng)初投資，元；Cw為循環(huán)水泵年折算費(fèi)，元/年；Cc為冷水機(jī)組年均運(yùn)行費(fèi)，元/年；Cp為循環(huán)水泵年均運(yùn)行費(fèi)，元/年；CΔQ為輸配系統(tǒng)冷量損失的折算費(fèi)，元/年；Ca為室外輸配管網(wǎng)的折舊、維修年均費(fèi)，元/年.

3結(jié)論

本文基于動(dòng)態(tài)年折算費(fèi)用法建立了區(qū)域供冷系統(tǒng)供回水經(jīng)濟(jì)溫差優(yōu)化模型，并對(duì)夏熱冬冷地區(qū)某小區(qū)區(qū)域供冷系統(tǒng)的供回水經(jīng)濟(jì)溫差進(jìn)行了優(yōu)化分析.研究表明，隨著經(jīng)濟(jì)溫差的增大，系統(tǒng)能效降低，但年總折算費(fèi)用隨經(jīng)濟(jì)溫差升高先降低后升高，當(dāng)冷凍水供回水溫差為6.3 ℃時(shí)，年度費(fèi)用最低，其相應(yīng)設(shè)計(jì)供水溫度為5.9 ℃，與常規(guī)設(shè)計(jì)工況度7/12 ℃相比，每年可節(jié)約2.4萬元.且經(jīng)濟(jì)溫差隨電價(jià)的增加而減少，隨比摩阻、供冷距離、空調(diào)負(fù)荷的增大而增大.但是，本文僅對(duì)某特定小區(qū)區(qū)域供冷系統(tǒng)的供回水經(jīng)濟(jì)溫差進(jìn)行了優(yōu)化分析，對(duì)于不同建筑群區(qū)域供冷系統(tǒng)的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究.

參考文獻(xiàn)

[1]張歆暉，盧軍，李春蝶，等.區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗模型及能效分析[J].煤氣與熱力，2013，33（3）：29-32.

ZHANG Xinhui， LU Jun， LI Chundie， et al. Energy consumption model and energy efficiency analysis of district cooling system[J]. Gas & Heat， 2013，33（3）：29-32.（In Chinese）

[2]馬鈞，陳進(jìn)，李春蝶，等.區(qū)域供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].暖通空調(diào)， 2012， 42（3）： 12-16.

MA Jun， CHEN Jin， LI Chundie， et al. Analysis of district cooling system[J]. Heating， Ventilating & Air Conditioning， 2012， 42（3）： 12-16. （In Chinese）

[3]王培培，龍惟定，白煒.能源總線系統(tǒng)研究——半集中式區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（12）：137-141.

WANG Peipei， LONG Weiding， BAI Wei. Study on energy bus systemsemicentral DHC[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2009，36（12）：137-141.（In Chinese）

[4]CHAN A， HANBY V I， CHOW T T. Optimization of distribution piping network in district cooling system using genetic algorithm with local search[J]. Energy Conversion and Management， 2007， 48（10）： 2622-2629.

[5]胡晨炯.從廣州地鐵五號(hào)線集中供冷系統(tǒng)淺談遠(yuǎn)距離大溫差供冷系統(tǒng)[J]. 建設(shè)科技，2012（12）：92-93.

HU Chenjiong. Analysis of long distance large temperature difference cooling system through central cooling system in Guangzhou metro line 5[J]. Construction Science and Technology， 2012（12）：92-93.（In Chinese）

[6]壽煒煒.空調(diào)用冷水溫差的擇優(yōu)探討[J].制冷技術(shù)，2000（2）：5-9.

SHOU Weiwei. Discussion on optimum selection of chilled water temperature difference for AC[J]. Refrigeration Technology， 2000（2）： 5-9. （In Chinese）

[7]陳曉.住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析[D].長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2002：48-59.

CHEN Xiao. Technical and economical analysis of district cooling system in residential district[D]. Changsha： College of Civil Engineering， Hunan University， 2002：48-59.（In Chinese）

[8]張朝暉.區(qū)域供冷供熱方案的LCC評(píng)價(jià)及關(guān)鍵參數(shù)分析[D].大連：大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)部，2007：51-55.

ZHANG Zhaohui. The life cycle cost evaluation of schemes and analysis of key parameters in district cooling and heating system[D]. Dalian： Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， 2007：51-55.（In Chinese）

[9]華賁，康英姿.一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法[P].中國：CN101344291，2009-01-14.

HUA Ben， KANG Yingzi. A high efficiency and energy saving air conditioning system and its implementation method for district cooling[P]. China： CN101344291， 2009-01-14.（In Chinese）

[10]FU Lin， JIANG Yi， YUAN Weixing， et al. Influence of supply and return water temperature on the energy consumption of a district cooling system[J]. Applied Thermal Engineering， 2001，21（4）：511-521.

[11]高松.供熱二次網(wǎng)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)溫差的研究[D].天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 2008：10-26.

GAO Song. Economic study of design temperature difference of secondary heating network[D]. Tianjin： School of Mechanical Engineering， Tianjin University， 2008：10-26.（In Chinese）

[12]馮小平.上海世博園區(qū)區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化分析的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 2007：101-121.

FENG Xiaoping. Study on optimal design of district cooling system pipe network in Shanghai EXPO[D]. Shanghai： School of Mechanical Engineering， Tongji University， 2007：101-121.（In Chinese）

[13]董曉麗.降低空調(diào)冷凍水系統(tǒng)輸送能耗的研究[D].上海：東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2012：48-50.

DONG Xiaoli. Research of reducing energy consumption of air conditioning chilled water system[D]. Shanghai： School of Environment Science and Engineering， Donghua University， 2012： 48-50. （In Chinese）

[14]戎衛(wèi)國.供熱參數(shù)優(yōu)化的研究及應(yīng)用[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，7（4）：58-63.

RONG Weiguo. A study on optimization of parameters for heating system and its application[J]. Journal of Shandong Architectural and Civil Engineering Institute， 1992，7（4）：58-63.（In Chinese）

[15]張思柱，楊俊，龍惟定.區(qū)域供冷系統(tǒng)最佳供冷半徑研究[J].暖通空調(diào)， 2008， 38（4）： 116-119.

ZHANG Sizhu， YANG Jun， LONG Weiding. Research on optimal radius of a district cooling system[J]. Heating， Ventilating & Air Conditioning， 2008，38（4）：116-119.（In Chinese）

[16]康英姿，左政.區(qū)域供冷系統(tǒng)二次管網(wǎng)的冷量損失分析[J].暖通空調(diào)， 2009， 39（11）： 31-36.

KANG Yingzi， ZUO Zheng. Cooling loss of the secondary piping network in district cooling system[J]. Heating， Ventilating & Air Conditioning， 2009， 39（11）：31-36.（In Chinese）

[17]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所.全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施：暖通空調(diào)·動(dòng)力[M]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2009：50.

Department of Construction Engineering Quality & Safety Supervision of Ministry of Housing and UrbanRural Development of the P R China， China Institute of Building Standard Design & Research.Technical measures for design of civil construction engineering： heating， ventilation and air conditioning[M]. Beijing： China Planning Press， 2009：50.（In Chinese）