區(qū)域供冷系統(tǒng)能效理論與實測研究

郭春梅，楚尚玲，由玉文

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

伴隨著城市區(qū)域內(nèi)建筑密度和負荷的增大，產(chǎn)生了對于區(qū)域能源設(shè)備和能源供應(yīng)實現(xiàn)集約化管理的需求，因而許多學(xué)者對其進行了大量研究.日本東京晴海Triton廣場工程[1]是采用熱泵結(jié)合蓄能與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合為建筑供冷供熱，年平均電力能效COP值約為3.13，一次能源效率達到1.19；日本調(diào)布市市政廳辦公樓[2]是采用風(fēng)冷熱泵+冰蓄冷系統(tǒng)，用高效的熱泵代替燃氣為熱源的吸收式冷水機組，熱源部分的改造實現(xiàn)了40%的CO2減排量；北京中關(guān)村西區(qū)制冷站[3]是采用帶蓄冰的電力壓縮式制冷機組作為冷源，該項目的名義滿負荷系統(tǒng)COP為4.08；南京鼓樓高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)[4]區(qū)域內(nèi)，采用以長江水為冷熱源的地表水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，預(yù)計系統(tǒng)滿負荷COP為4.03；北京大紅門服裝城[5]及果品倉儲用房、配送中心[6]空調(diào)均采用水源熱泵+冰蓄冷系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計配置三工況熱泵機組，對復(fù)合式系統(tǒng)運行費用和一次能節(jié)約率進行研究，表明采用該系統(tǒng)經(jīng)濟性良好.魚晟睿等[7]基于對區(qū)域供冷系統(tǒng)的實測性能數(shù)據(jù)曲線，分析了不同類別的冷水機組在各個影響因素及變工況下的能效比；周欣等[8]通過實測數(shù)據(jù)，結(jié)合模擬手段，研究發(fā)現(xiàn)用戶的空調(diào)使用方式將極大地影響區(qū)域供冷系統(tǒng)的能耗及能效情況；樊瑛等[9]在對上海某商業(yè)中心區(qū)域供冷系統(tǒng)能效模擬分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合了對系統(tǒng)效的分析，對不同形式的區(qū)域供冷系統(tǒng)進行研究.在上海世博園[10～12]也建有區(qū)域能源站，目前還未見該項目的運行情況的報道.

目前的研究中大多都是給出名義滿負荷下的區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效比，但是在實際工程的運行中，大部分時間段是在部分負荷情況下運行的，其他均以運行費用的高低來判斷系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟性，缺乏對系統(tǒng)能效直觀的表示方式.本文以天津某區(qū)域能源站及其所服務(wù)的建筑群為研究對象，對系統(tǒng)逐時能效進行理論計算，并對該系統(tǒng)在運行初期進行能效實測，以期為區(qū)域供冷系統(tǒng)節(jié)能運行打下基礎(chǔ)，也為其他區(qū)域供冷系統(tǒng)設(shè)計提供參考和借鑒.

1 實測案例概況

天津文化中心區(qū)域供冷工程位于天津市河西區(qū)，按照區(qū)域地址分為三個能源站：北區(qū)能源站、西區(qū)能源站和南區(qū)能源站.本文研究的區(qū)域供冷系統(tǒng)針對南區(qū)能源站，南區(qū)能源站的建筑群包括天津博物館、天津大劇院、天津老博物館、天津圖書館與控制中心，總建筑面積253 490 m2，最大供冷半徑為500 m.其冷源采用的是冰蓄冷+地源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)有2臺螺桿地源熱泵機組，作為基載機；4臺三工況離心式地源熱泵機組作為制冷主機，在制冷空調(diào)季電力高峰時段制冷，在電力低谷時段主機蓄冰.整個系統(tǒng)在一個工作日周期內(nèi)分為 4 個時段：①23：00—7：00，主機蓄冷，當夜間建筑有少量冷負荷時，開啟基載機供冷；②7：00—8：00，基載機單獨運行，主機不制冰；③8：00—18：00，采用負荷預(yù)測的融冰優(yōu)先控制策略，根據(jù)負荷預(yù)測的結(jié)果，制冷機組和融冰裝置聯(lián)合供冷，制冷機組運行有兩種方式，開啟運行即保持滿負荷運行，或者關(guān)閉；④18：00—23：00，根據(jù)當天負荷情況以及剩余冰量情況，決定最后5小時的運行工況，在滿足負荷需求的情況下，冰蓄冷系統(tǒng)須融冰完全.

主機、基載機系統(tǒng)運行流程見圖1-2.

圖1 三工況主機系統(tǒng)流程

圖2 雙工況基載機系統(tǒng)流程

2 系統(tǒng)負荷數(shù)值模型的建立與能效計算

2.1 系統(tǒng)負荷數(shù)值模擬模型的建立

負荷數(shù)值模型的建立以建筑模型TRNbuilt為基礎(chǔ)，在建立建筑模型之后，把建筑模型導(dǎo)入到Simulation studio之中，可以和氣象參數(shù)模塊以及干、濕球計算溫度模塊等連接，建筑負荷模型中輸入默認的為外界給定的各種氣象參數(shù)條件，如果需要對建筑負荷模塊進行控制，則需要人為地再進行輸入模塊的設(shè)定.冷負荷計算模型如圖3所示.

圖3 冷負荷計算模型

2.2 系統(tǒng)能效與部分負荷能效的計算

2.2.1 系統(tǒng)能效計算

EER指制冷系統(tǒng)運行時供給的冷量與整個系統(tǒng)運行時功耗的比值，為評價系統(tǒng)運行是否高效和節(jié)能的標準.一般認為，區(qū)域供冷系統(tǒng)中能耗包括了制冷站內(nèi)部和輸配系統(tǒng)的能耗，并不考慮用戶末端能耗，則以地源熱泵與冰蓄冷為冷源的區(qū)域供冷系統(tǒng)的能效比為

式中：EER為整個系統(tǒng)的能效比；Q為系統(tǒng)的制冷量；W為系統(tǒng)總耗電量.

2.2.2 部分負荷能效計算

區(qū)域供冷系統(tǒng)和其他空調(diào)系統(tǒng)一樣，大部分時間段均處在部分負荷下運行.部分負荷的系統(tǒng)能效是指系統(tǒng)在部分時段輸送的冷量與系統(tǒng)在部分負荷時所使用的設(shè)備（制冷設(shè)備和輸配設(shè)備，包括制冷主機、冷凍水泵、地源側(cè)水泵、溶液泵、融冰泵、冷卻塔等）的用電量之間的比值.區(qū)域供冷系統(tǒng)在部分負荷下運行是否高效是整個系統(tǒng)在運行的周期內(nèi)是否節(jié)能的關(guān)鍵因素.

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

式中：QX為運行時系統(tǒng)的部分負荷；Q為設(shè)計日最大負荷.區(qū)域供冷部分負荷下，系統(tǒng)設(shè)備功耗和系統(tǒng)的能效分別為

式中：W為部分負荷率X時，整個系統(tǒng)的總耗電量；WX1、WX2、WX3、WX4分別為部分負荷率 X 時制冷機組、冷凍水泵、地源側(cè)水泵以及溶液泵和融冰泵的耗電量；EERX為部分負荷率X時的系統(tǒng)能效；Q1、Q2分別為部分負荷率X時冷凍水溫升造成的冷量損失和冷凍水管道在部分負荷下的冷量損失.

3 區(qū)域供冷系統(tǒng)能效理論與實測結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)冷負荷數(shù)值模擬結(jié)果與分析

利用TRNSYS模擬建筑群全年、設(shè)計日逐時冷負荷見圖4-5，以此為系統(tǒng)能效分析奠定基礎(chǔ)，進而為系統(tǒng)運行狀態(tài)及設(shè)備的選擇提供相應(yīng)的依據(jù).

圖4 能源站建筑群年逐時冷負荷

圖5 設(shè)計日逐時冷負荷分布

從圖4可以看出：在供冷季節(jié)，隨著室外氣象參數(shù)的變化，冷負荷的波動較大，且絕大部分時刻處于部分負荷，各部分負荷率區(qū)間所占時間比例如表1所示.由表1可知，部分負荷率區(qū)間40%～60%占時間比例最大，為46.52%；部分負荷率區(qū)間80%～100%占時間比例最小，只占4.48%.

表1 負荷率分布表%

圖5是根據(jù)設(shè)計日氣象參數(shù)得出的設(shè)計日逐時冷負荷.由圖5可見：早上8：00人員開始進入，為了消除夜間積蓄的熱量，冷負荷在此時突然增大；隨著時間的推移，冷負荷增加速率逐漸減緩，在16：00左右，由于此時人流密度達到峰值，建筑日照得熱量達到最大值，建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱的延遲導(dǎo)致此時傳熱量達到最大值，新風(fēng)負荷較大等多重原因共同作用，致使此時達到夏季設(shè)計日逐時冷負荷峰值；20：00以后隨著場館陸續(xù)關(guān)閉，人流量減小，負荷逐漸減??；23：00—7：00由于博物館和圖書館要求室內(nèi)處于恒溫恒濕的狀態(tài)，室內(nèi)開啟空調(diào)，有一定負荷存在.

3.2 不同負荷率下系統(tǒng)能效理論計算結(jié)果與分析

在不同的負荷條件下，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.根據(jù)式（4）結(jié)合工程運行的工況情況和控制策略，計算出不同控制策略下的系統(tǒng)逐時能效值，如圖6所示.

圖6 不同設(shè)計日負荷率下的系統(tǒng)逐時能效比

3.2.1 全天能效值分析

以一天為周期，結(jié)合天津電網(wǎng)的峰谷差價，見表2，100%、75%、50%、25%設(shè)計日負荷下，能源站單位時間（h）單位供冷量（kW）所需要的運行費用分別為0.223元、0.212元、0.184元、0.150元；由總負荷和總耗電量，計算出100%、75%、50%、25%設(shè)計日負荷的系統(tǒng)平均能效值分別為 3.69、3.46、3.38、3.01，見表 3.冰蓄冷系統(tǒng)由于蒸發(fā)溫度降低，導(dǎo)致主機制冷系數(shù)比常規(guī)系統(tǒng)低，而且在制冰和融冰的過程中有一定的水泵功耗和融冰板式換熱器在換熱中的冷損失，導(dǎo)致系統(tǒng)的效率比常規(guī)的系統(tǒng)低很多.如本系統(tǒng)中，25%設(shè)計日負荷系統(tǒng)能效值比100%設(shè)計日負荷系統(tǒng)能效值低18%.系統(tǒng)隨著負荷率的降低，冰蓄冷融冰量所占系統(tǒng)比例越來越大，系統(tǒng)能效值越來越低，但運行費用也不斷降低.可見對于冰蓄冷系統(tǒng)為冷源的區(qū)域供冷系統(tǒng)，不能單純以能效作為系統(tǒng)評價指標，須輔助以系統(tǒng)的經(jīng)濟性來評價整個系統(tǒng).

表2 天津地區(qū)峰谷電價

表3 部分負荷運行能效值及費用

3.2.2 不同負荷率下能效值的分析

由上述圖6可以看出：每條曲線的趨勢都是在23：00—7：00這段時間的能效值最高；50%設(shè)計日負荷時最大，能效值為4.65；在25%設(shè)計日負荷時最小，能效值為3.7.這段時間為夜間蓄冰，主機單供冷模式（主機蓄冰的能耗折算在融冰系統(tǒng)中），此期間能效值高的主要原因是：系統(tǒng)主機的效率比較高，基載機的供冷能效比主機制冰的能效高（見圖7），而且由于機組在部分負荷區(qū)間其性能系數(shù)（coefficient of performance，簡稱COP）比滿負荷時高，特別與融冰模式相比，主機的COP高34.4%，而這還不包括系統(tǒng)運行時水泵的能耗，主機的性能系數(shù)為區(qū)域供冷系統(tǒng)能效的核心，基載主機單供冷模式比聯(lián)合供冷運行模式中的系統(tǒng)能效比高.

部分負荷下，基載機單供冷工況的冷量損失如圖8所示.在夜間基載機供冷的過程中，75%設(shè)計日負荷工況到25%設(shè)計日負荷工況，系統(tǒng)管道冷損失從輸配冷量的5%上升到輸配冷量的14%，輸配相對損失大大增加；當夜間負荷再下降，降到10%以下時，系統(tǒng)的冷量損失將達到40%，系統(tǒng)的能效將降低至2.1.如果區(qū)域供冷總負荷比較大，但是負荷不集中，系統(tǒng)的能效將大大降低.

圖7 主機與基載機性能曲線

圖8 部分負荷下基載機單供冷工況冷量損失

基載機系統(tǒng)（包括基載機、基載機地源熱泵、基載機循環(huán)水泵）相對于主機系統(tǒng)容量匹配大為降低，這種情況下，系統(tǒng)的能效才相對比較高.如果不設(shè)置基載機系統(tǒng)，不僅僅主機系統(tǒng)的COP將大為降低，而且輸配系統(tǒng)的損耗也將大大增加，給區(qū)域供冷系統(tǒng)能效造成巨大的影響.在100%設(shè)計日負荷夜間供冷時，若沒有基載機系統(tǒng)，以三工況主機供冷，系統(tǒng)能效比將下降到3.7；在25%設(shè)計日負荷時，夜間的運行能效比下降更為嚴重，能效比僅為2.35，這是由于管道損失太大，主機效率太低的緣故.所以在區(qū)域供冷系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的供冷負荷梯度比較大時（系統(tǒng)的總負荷量比較大，但是仍然有較多時刻的小負荷情況出現(xiàn)，比如夜間有一定的負荷等），需要設(shè)置相應(yīng)的基載機系統(tǒng)，防止這些時刻出現(xiàn)效率低下的情況.

圖9 實測系統(tǒng)負荷

3.3 系統(tǒng)實測結(jié)果與理論計算結(jié)果的對比分析

2012-07-30—09-20的系統(tǒng)實測供冷負荷如圖9所示.由圖9可知：系統(tǒng)負荷范圍主要集中在1 500～7 500 kW之間；日最高冷負荷為10 000 kW左右，處于設(shè)計日負荷的40%左右；而晚間供冷負荷較大，負荷保持在1 400 kW左右，比設(shè)計日晚間負荷還大.白天負荷偏小，晚間負荷偏大，其原因在于原有設(shè)計供冷建筑原博物館（原博物館沿用原有的中央空調(diào)系統(tǒng)）和控制中心沒有供冷，這部分負荷占總負荷的25%左右；文化中心建筑群為第一次投入使用，人流量少，導(dǎo)致室內(nèi)人員負荷和照明負荷降低；機房地下新風(fēng)機組供冷沒有計量，且夏季氣溫與典型年氣象參數(shù)相比偏低，如考慮這些因素，則系統(tǒng)運行負荷率會大大提升.可見，區(qū)域供冷系統(tǒng)負荷預(yù)測的精確性直接決定了系統(tǒng)運行控制策略的準確性，制定更為詳細的系統(tǒng)控制策略對于系統(tǒng)節(jié)能運行和經(jīng)濟運行尤為重要.

南區(qū)能源站夏季系統(tǒng)負荷在25%～40%區(qū)間，根據(jù)測試結(jié)果得出此能源站夏季能效曲線，如圖10所示，其能效測試值在2.92～3.2之間，時間加權(quán)平均值為3.08；理論計算在25%、40%負荷時的理論能效值分別為3.0、3.32，二者時間加權(quán)平均值為3.18.實測結(jié)果低于理論計算結(jié)果，其偏差為3.3%.偏差產(chǎn)生的原因在于：①機房內(nèi)新風(fēng)機組供冷沒有計量；②板式換熱器沒有保溫，造成實際換熱過程中的冷量損失大于計算值.

圖10 南區(qū)能源站夏季能效實測曲線

4 結(jié)論

（1）對于有少量夜間負荷的區(qū)域供冷工程，或者說是在供冷周期中有負荷較小的時段時，需要設(shè)置小容量的基載機系統(tǒng)，保持系統(tǒng)的高效.

（2）區(qū)域供冷工程 100%、75%、50%、25%設(shè)計日負荷的系統(tǒng)能效值分別為 3.69、3.46、3.38、3.01，系統(tǒng)的能效比EER是逐漸降低的，而運行費用也是隨著負荷率的下降而減少，可見對于冰蓄冷系統(tǒng)為冷源的區(qū)域供冷系統(tǒng)，不能單純以能效作為系統(tǒng)評價指標，須輔以經(jīng)濟性指標進行評價.

（3）由于沒有計量機房新風(fēng)機組以及板式換熱器缺少保溫，導(dǎo)致系統(tǒng)能效的實測結(jié)果低于理論計算結(jié)果，其偏差為3.3%，因此應(yīng)完善能耗計量系統(tǒng)，做好各設(shè)備的保溫，提高系統(tǒng)的能效.

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