區(qū)域能源系統(tǒng)能效的理論分析

□文/李君 王硯

區(qū)域能源系統(tǒng)能效的理論分析

□文/李君 王硯

針對大型集中能源站供冷、供熱系統(tǒng)，特別是超大規(guī)模建筑群可再生能源利用與綜合蓄能技術(shù)耦合，復(fù)合以調(diào)峰冷熱源的多元化復(fù)合能源系統(tǒng)，通過理論分析和試驗測試研究系統(tǒng)在典型工況下冬季供暖和夏季供冷時的能源效率，形成一套完整的分析計算與設(shè)計方法、系統(tǒng)工藝集成體系、監(jiān)控體系，進一步提升系統(tǒng)的運行能效。

區(qū)域能源；集中供冷；供熱；能效

隨著城市CBD的發(fā)展，區(qū)域集中供冷、供熱系統(tǒng)越來越具有優(yōu)勢，特別是多種能源、新能源的復(fù)合利用。具有共性的大規(guī)模公共建筑組團區(qū)域供冷、供熱能夠節(jié)約能源，節(jié)約投資，提高單體建筑空間的商業(yè)價值，減少系統(tǒng)運行維護工作量。區(qū)域能源系統(tǒng)效果顯著，必須有優(yōu)化的控制運行策略支持，才能真正的節(jié)能降耗。監(jiān)測分析區(qū)域能源系統(tǒng)的能效比，既可以驗證系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計預(yù)期，也可以對后續(xù)工程項目的建設(shè)與評價提供參考。

以某大型集中能源站為例，系統(tǒng)采用帶有冷熱調(diào)峰復(fù)合以冰蓄冷系統(tǒng)的三工況地源熱泵系統(tǒng)。

1　區(qū)域能源供冷系統(tǒng)能效比

EER（energy efficiency ratio）指能源系統(tǒng)中運行時供給的冷量或熱量與整個系統(tǒng)運行時功耗的比值，為評價系統(tǒng)運行是否高效和節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。

式中：EER為整個系統(tǒng)的能效比；Q為系統(tǒng)的制冷/制熱量；W為系統(tǒng)總耗電量。

區(qū)域供冷系統(tǒng)和其他空調(diào)系統(tǒng)一樣，大部分時間段處在部分負(fù)荷運行，部分負(fù)荷的系統(tǒng)能效指的是系統(tǒng)在部分時段輸送的冷量與系統(tǒng)在部分負(fù)荷是所使用的設(shè)備用電量之間的比值。區(qū)域供冷系統(tǒng)在部分負(fù)荷下運行是否高效是整個系統(tǒng)在運行周期內(nèi)是否節(jié)能的關(guān)鍵因素。

系統(tǒng)運行部分負(fù)荷率為系統(tǒng)運行的逐時冷負(fù)荷與設(shè)計日最大負(fù)荷的比值

式中：Qx為運行時系統(tǒng)的部分負(fù)荷；Q為設(shè)計日最大負(fù)荷。

區(qū)域供冷部分負(fù)荷下，系統(tǒng)設(shè)備功耗和系統(tǒng)的能效

式中：EERX為部分負(fù)荷率為X的時候系統(tǒng)能效；W為部分負(fù)荷率為X的時候，整個系統(tǒng)的總耗電量；WX1為部分負(fù)荷率為X的時候，制冷機組的耗電量；WX2為部分負(fù)荷率為X的時候，冷凍水泵的耗電量；WX3為部分負(fù)荷率為X的時候，地源側(cè)水泵的耗電量；WX4為部分負(fù)荷率為X的時候，地源側(cè)水泵的耗電量；Q1為部分負(fù)荷率為X的時候，冷凍水溫升造成的冷量損失；Q2為部分負(fù)荷率為X的時候，冷凍水管道在部分負(fù)荷下冷量損失。

系統(tǒng)在不同的負(fù)荷條件下，系統(tǒng)的運行工況不同，其融冰策略和機組配置不同，系統(tǒng)的能效也有明顯的不同，系統(tǒng)的能效不同主要表現(xiàn)在制冷機組的能耗、系統(tǒng)水泵的能耗、管道的冷損三個方面，從而影響整個系統(tǒng)的效率。

式中：EER為系統(tǒng)制冷機的制冷效率；Q冷損失系統(tǒng)的管道損失和泵的溫升損失以及換熱損失；W系統(tǒng)中總耗電量；W主機、W冷凍水泵、W溶液泵、W地源側(cè)冷卻水泵、W融冰泵分別為主機的耗電量、冷凍水泵耗電量、溶液泵耗電量、地源側(cè)水泵耗電量、融冰泵耗電量。

系統(tǒng)不同負(fù)荷率100%、75%、50%、25%系統(tǒng)能耗見圖1。

圖1　不同負(fù)荷率下的系統(tǒng)能效

系統(tǒng)夏季節(jié)運行綜合能效為各個負(fù)荷時段能效值與其時間比的加權(quán)平均值SEER=3.69×4.48%+3.46× 19.8%+3.38×46.52%+3.01×29.20%=3.29。

2　區(qū)域能源供熱系統(tǒng)綜合能效

區(qū)域供熱系統(tǒng)比區(qū)域供冷系統(tǒng)由于沒有蓄能系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)能效計算簡單許多，只考慮地源熱泵系統(tǒng)供熱能效，不考慮調(diào)峰熱源供熱能效影響。主機和機載機均在額定工況下運行。滿負(fù)荷運行時主要耗能設(shè)備見表1。

表1　冬季供暖系統(tǒng)能夠滿負(fù)荷運行時設(shè)備耗能kW

板式換熱器損失為供熱量的3%，管道散熱損失為170 kW，參照系統(tǒng)供冷能效計算方式。

則系統(tǒng)滿負(fù)荷下能效比為（14 933×0.97-170）÷（744×4+110×4+75×4+160×4）=3.29。

3　結(jié)論

通過區(qū)域能源系統(tǒng)能效的理論分析，系統(tǒng)綜合能耗為3.29。通過運行一段時間的實際測量，系統(tǒng)能耗為3.01。導(dǎo)致能源效率低的一個原因是系統(tǒng)負(fù)荷率低，裝機容量大，無效的輸送功耗導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)濟性差。另一方面，自動控制系統(tǒng)仍無法精準(zhǔn)的預(yù)測出下一個時段的負(fù)荷，并指導(dǎo)運行。人為因素成為運行的主導(dǎo)，在運行過程中的錯誤或偏差也導(dǎo)致系統(tǒng)的經(jīng)濟性差。

設(shè)計得當(dāng)區(qū)域能源的能效仍高于傳統(tǒng)空調(diào)的能效，是根據(jù)不同單體建筑使用時間及負(fù)荷變化，綜合考慮同時使用系數(shù)，減少總裝機容量與機房占用的建筑面積并可節(jié)約項目的總體投資。

綜上，對城市CBD區(qū)域能源系統(tǒng)，應(yīng)充分論證項目的可行性。在投資之初，充分考察項目的負(fù)荷率。從設(shè)計上，合理設(shè)定負(fù)荷率可以有效提高區(qū)域能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，因地制宜地利用可再生能源。

［1］馬宏權(quán)，龍惟定.區(qū)域供冷系統(tǒng)的能源效率［J］.暖通空調(diào)，2008，38（11）：59-64.

［2］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.

□王硯/天津市建筑設(shè)計院。

TU831

C

1008-3197（2016）04-73-02

2016-04-08

李君/女，1986年出生，天津佳源興創(chuàng)新能源科技有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.029