云計(jì)算工業(yè)園區(qū)CCHP輸配系統(tǒng)優(yōu)化研究

李倩茹 李永財(cái) 黃 鋒 肖勁高 廖 寅

（1.重慶大學(xué) 重慶 400044；2.貴州合心慧能 貴陽 550081）

0 引言

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是事關(guān)國家安全和經(jīng)濟(jì)安全的重要保障，能源嚴(yán)重短缺愈來愈成為國內(nèi)外所關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。目前，建筑能耗已占據(jù)我國社會(huì)總能耗的30%，其中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的消耗量約為建筑能耗的2/3[2]。因此，如何高效率利用能源，降低空調(diào)能耗而同時(shí)又能滿足人們對暖通空調(diào)的需求，是當(dāng)前暖通空調(diào)界所面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。而水輸配系統(tǒng)能耗是空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要組成部分，也是節(jié)能研究和應(yīng)用的重點(diǎn)[3-6]。

本文研究的目的在于為含有數(shù)據(jù)中心的工業(yè)園區(qū)冷熱電三聯(lián)供輸配系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供具體的分析方法，建立冷熱電聯(lián)供輸配系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，提出云計(jì)算工業(yè)園區(qū)冷熱電聯(lián)供輸配系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行方法，為今后類似項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 工業(yè)園區(qū)空調(diào)負(fù)荷特性與能源規(guī)劃利用

1.1 項(xiàng)目簡介

重慶市兩江新區(qū)是我國內(nèi)陸地區(qū)第一個(gè)國家級開發(fā)開放新區(qū)，規(guī)劃面積113km2，其中建設(shè)用地總規(guī)模為58.94km2；非城市建設(shè)用地為54.19km2，規(guī)劃人口數(shù)量45萬人。案例園區(qū)包括居住區(qū)、總部研發(fā)區(qū)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)、數(shù)據(jù)中心區(qū)和行政商務(wù)區(qū)五大功能區(qū)。

1.2 云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)負(fù)荷特性

本文利用DeST-C軟件描述云計(jì)算中心數(shù)據(jù)機(jī)房典型建筑模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物性以及人員、燈光和設(shè)備等內(nèi)擾的變化情況，利用建筑物分析和模擬程序BAS對建筑物的熱特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)逐時(shí)模擬。根據(jù)所建立的典型建筑模型，對五家云計(jì)算企業(yè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行匯總的基礎(chǔ)上，得到如圖1所示的“云計(jì)算”空調(diào)季節(jié)逐時(shí)負(fù)荷。

圖1 “云計(jì)算服務(wù)區(qū)”逐時(shí)總冷負(fù)荷Fig.1 The dynamic air-conditioning load in conditioned season of the project

經(jīng)計(jì)算可得，云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)五家云計(jì)算中心數(shù)據(jù)機(jī)房一期夏季冷負(fù)荷峰值為57023kW。

1.3 園區(qū)能源規(guī)劃

園區(qū)內(nèi)采用可再生能源與常規(guī)能源相互協(xié)同的技術(shù)路線，采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)[8,9]，根據(jù)園區(qū)內(nèi)能源的梯級利用，有以下四個(gè)環(huán)節(jié)：

第一個(gè)環(huán)節(jié)為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒做功后產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐加熱循環(huán)水，并分別產(chǎn)生高壓、中壓和低壓蒸汽。

第二個(gè)環(huán)節(jié)為抽汽供熱，根據(jù)園區(qū)內(nèi)制藥企業(yè)和電子企業(yè)的需求情況，從低壓汽輪機(jī)中抽取低壓蒸汽，由蒸汽管道輸送至各用汽企業(yè)。

第三個(gè)環(huán)節(jié)為集中供冷，以蒸汽作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)的熱源，制取數(shù)據(jù)機(jī)房所需的冷量，并由冷凍水輸配管網(wǎng)輸送至各企業(yè)換熱站。

第四個(gè)環(huán)節(jié)為廢熱利用，即利用電廠冷卻水和云計(jì)算中心數(shù)據(jù)機(jī)房冬季向外排放的廢熱，作為熱泵機(jī)組的優(yōu)良熱源，制取生活熱水和采暖熱水。

2 數(shù)學(xué)模型的建立與軟件開發(fā)

在工業(yè)園區(qū)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中，輸配系統(tǒng)的能源消耗占能耗的很大一部分，因此本文主要是對輸配系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 冷凍水輸配系統(tǒng)計(jì)算模型

“云計(jì)算中心集中制冷站”承擔(dān)五家云計(jì)算企業(yè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的冷負(fù)荷，冷負(fù)荷較大且需要全年供冷。因此，在冷源側(cè)，機(jī)組與冷凍水泵和冷卻水泵的連接方式采用多泵共用形式，即在保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性的前提下，提高冷源側(cè)的節(jié)能性。

2.1.1 冷凍水一次泵能耗模型

一次泵開啟臺數(shù)可通過下式計(jì)算：

式中，Qi為第i時(shí)刻，空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)冷負(fù)荷，kW；ρ為水的密度，kg/m3；為第i時(shí)刻，冷凍水一次側(cè)的供回水溫差，℃；為第i時(shí)刻，冷凍水一次側(cè)流量，m3/h；為單臺冷凍水一次泵的額定流量，m3/h；為第i時(shí)刻，冷凍水一次泵的實(shí)際運(yùn)行臺數(shù)。

（1）定流量模型

一次泵定流量系統(tǒng)的總循環(huán)水量主要取決于水泵的開啟臺數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的水力工況比較穩(wěn)定。在部分負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)回水溫度調(diào)節(jié)制冷機(jī)組和水泵運(yùn)行臺數(shù)來滿足用戶側(cè)的空調(diào)負(fù)荷需求。一次泵定流量系統(tǒng)，冷凍水一次泵的能耗可按照下式計(jì)算：

（2）變流量模型

一次泵變流量系統(tǒng)，冷凍水一次泵的能耗可按照下式計(jì)算：

2.1.2 冷凍水二次泵能耗模型

在空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，若采用二級泵方式，二級水泵的流量與揚(yáng)程可以根據(jù)不同負(fù)荷特性的環(huán)路分別配置，對于阻力較小的環(huán)路來說可以降低二次泵的設(shè)置揚(yáng)程，避免了能源的浪費(fèi)。二次泵的逐時(shí)能耗可依據(jù)下式計(jì)算：

式中，Qi,j為第i時(shí)刻，第j個(gè)支路冷凍水所承擔(dān)的空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷，kW；為第i時(shí)刻，第j個(gè)支路冷凍水二次側(cè)的供回水溫差，℃；為第i時(shí)刻，第j個(gè)支路冷凍水流量，m3/h；為第j個(gè)支路，單臺冷凍水二次泵的額定流量，m3/h；為第i時(shí)刻，第j個(gè)支路冷凍水二次泵的實(shí)際運(yùn)行臺數(shù)。

（1）定流量模型

二次泵定流量系統(tǒng)能耗模型見下式：

（2）變流量模型

二次泵變流量系統(tǒng)，采用溫差控制法，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變各支路的水流量以滿足其負(fù)荷需求。二次泵變流量系統(tǒng)能耗模型見下式：

2.2 模擬軟件開發(fā)

基于前文所敘述的輸配系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用C#語言開發(fā)工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃與評估軟件。C#語言綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，與Web緊密結(jié)合，支持絕大多數(shù)的Web標(biāo)準(zhǔn)，具有強(qiáng)大的安全機(jī)制，可以消除軟件開發(fā)中的常見錯(cuò)誤，成為.NET開發(fā)的首選語言。

2.3 軟件功能和模擬流程

模擬軟件主要有模擬計(jì)算和結(jié)果查詢兩大功能板塊，具體軟件模擬計(jì)算流程圖如圖2所示。

圖2 軟件模擬計(jì)算流程圖Fig.2 Simulation progress of the sofeware

圖2為軟件模擬計(jì)算流程圖，首先導(dǎo)入建筑空調(diào)負(fù)荷、全年氣象參數(shù)、電廠發(fā)電量和耗氣量，根據(jù)逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷確定機(jī)組開啟情況，結(jié)合逐時(shí)氣象參數(shù)，分別確定輸配系統(tǒng)各部分水泵的臺數(shù)、揚(yáng)程和流量等設(shè)備參數(shù)，以及各部分輸配系統(tǒng)的運(yùn)行策略，對輸配系統(tǒng)能耗進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 冷凍水輸配系統(tǒng)優(yōu)化分析

云計(jì)算中心集中冷站以電廠余熱鍋爐低壓蒸汽作為熱源，利用蒸汽雙效型溴化鋰吸收式機(jī)制備冷凍水，由輸配系統(tǒng)輸送至各用冷企業(yè)，本文針對冷凍水輸配能耗展開分析，利用“工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃與評估軟件”，分別計(jì)算5℃、6℃、7℃、8℃、9℃和10℃不同供回水溫差工況下，一次泵及二次泵采用不同運(yùn)行方式的能耗；并提出輸送能效比(ER)的概念，結(jié)合該指標(biāo)，對各方案進(jìn)行評價(jià)。

3.1 冷凍水輸配能耗

冷凍水輸配能耗為一次泵和二次泵全年運(yùn)行能耗之和，本文對不同輸配方案冷凍水泵全年運(yùn)行總能耗進(jìn)行計(jì)算；并總結(jié)得出冷凍水輸配總能耗隨供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT以及系統(tǒng)輸配形式的變化規(guī)律。

3.1.1 冷凍水一次泵能耗

“云計(jì)算中心集中制冷站”冷凍水一次泵采用不同輸配形式及不同供回水溫差時(shí)，一次泵全年運(yùn)行總能耗的變化規(guī)律，如圖3所示；不同供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT所對應(yīng)的冷凍水一次泵參數(shù)如表1所示。

由圖3可知，相比于定流量運(yùn)行而言，采用變流量運(yùn)行，冷凍水一次泵能耗顯著降低，節(jié)能性增強(qiáng)。供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT確定時(shí)，冷凍水一次泵變流量運(yùn)行相比于定流量運(yùn)行而言，其全年運(yùn)行總能耗可降低20%以上；供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT越大，系統(tǒng)冷凍水設(shè)計(jì)流量越小，一次泵變流量運(yùn)行的節(jié)能潛力越不顯著。

表1 冷凍水一次泵參數(shù)設(shè)定Table 1 Setting of primary chilled waterpump parameters

圖3 不同工況下冷凍水一次泵能耗Fig.3 Energy consumption of primary chilled water pump in different condition

3.1.2 冷凍水二次泵能耗

各環(huán)路冷凍水二次泵全年運(yùn)行能耗的變化規(guī)律，如圖4所示；不同供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT所對應(yīng)的冷凍水二次泵參數(shù)如表2所示。

表2 冷凍水二次泵參數(shù)設(shè)定Table 2 Setting of secondary chilled water pump parameters

圖4 不同工況下冷凍水二次泵能耗Fig.4 Energy consumption ofsecondary chilled water pump in different condition

由圖4可以看出，相比于定流量運(yùn)行而言，冷凍水二次泵變流量運(yùn)行，水泵能耗顯著降低，節(jié)能性增強(qiáng)。供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT確定時(shí)，冷凍水二次泵變流量運(yùn)行相比于定流量運(yùn)行而言，其全年運(yùn)行能耗可降低30%以上；供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT越大，系統(tǒng)冷凍水設(shè)計(jì)流量越小，二次泵變流量運(yùn)行的節(jié)能潛力越不顯著。

3.2 冷凍水泵總能耗

冷凍水泵總能耗由冷凍水一次泵能耗以及冷凍水二次泵能耗所組成，利用“工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃與評估軟件”，分別計(jì)算5℃、6℃、7℃、8℃、9℃和10℃供回水溫差下，采用不同輸配形式時(shí)，冷凍水泵的輸配總能耗，如圖5所示。

圖5 冷凍水泵總能耗分析Fig.5 Total energy consumption of chilled water pump analysis

由圖5可知，相比于定流量運(yùn)行而言，冷凍水泵采用變流量運(yùn)行，能耗顯著降低，節(jié)能性增強(qiáng)。一次泵與二次泵均采用變流量運(yùn)行，相比于兩者均采取定流量運(yùn)行而言，冷凍水泵全年運(yùn)行總能耗可降低28%以上；供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT越大，系統(tǒng)冷凍水設(shè)計(jì)流量越小，冷凍水泵變流量運(yùn)行的節(jié)能潛力越不顯著。

3.3 輸送能效比（ER）

空調(diào)冷熱水系統(tǒng)的輸送能效比（ER），即輸送單位冷（熱）量的水泵能耗。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）相關(guān)規(guī)定，空調(diào)冷熱水系統(tǒng)的輸送能效比ER不可過大，且不應(yīng)高于表3的要求。

表3 空調(diào)冷熱水系統(tǒng)的最大輸送能效比（ER）Table 3 Max energy efficiency ratio of chilled/hot water delivery

“云計(jì)算中心集中制冷站”全年累計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷420195783.5kWh，由此計(jì)算不同方案空調(diào)冷水的輸送能效比ER，表4所列六種設(shè)計(jì)方案，滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）的要求。

表4 滿足冷凍水輸送能效比方案Table 4 Schemes satisfied energy efficiency ratio of chilled water

本文以12℃作為“云計(jì)算中心集中制冷站”蒸汽型溴機(jī)冷凍水的出水溫度，輸配系統(tǒng)采用以上六種方案，均可滿足要求。然而，由于工業(yè)為園區(qū)為區(qū)域供冷，相比于單體建筑，輸配能耗較大，因此考慮采用12/18℃供回水溫度，此時(shí)輸送能效比ER為0.0296。

3.4 輸配系統(tǒng)冷損失分析

本文對“云計(jì)算中心集中制冷站”冷凍水管路采用直埋方式敷設(shè)，輸配系統(tǒng)冷量損失主要由冷凍水泵冷量損失和管網(wǎng)冷量損失兩部分組成。

3.4.1 冷凍水泵冷量損失

根據(jù)冷凍水泵冷量損失計(jì)算模型，參照不同供回水溫差及不同輸配形式時(shí)，冷凍水泵所引起的冷量損失，得出冷凍水泵所引起的冷損失率如圖6所示。

圖6 冷凍水泵冷損失率Fig.6 Cooling loss ratio of chilled water pump

由圖6可知，相比于定流量運(yùn)行而言，冷凍水泵采用變流量運(yùn)行，冷損失量及冷損失率顯著降低。當(dāng)供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT確定時(shí)，冷凍水二次泵變流量運(yùn)行，相比于定流量運(yùn)行而言，全年運(yùn)行期間水泵引起的冷量損失可降低30%；供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT越大，系統(tǒng)冷凍水設(shè)計(jì)流量越小，通過變流量運(yùn)行減少冷損失的效果越不明顯。

3.4.2 管網(wǎng)冷量損失

利用“工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃與評估軟件”，計(jì)算不同冷水供水溫度（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃）、不同供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃）以及不同輸配形式下，冷凍水管網(wǎng)所引起的冷量損失，得出管網(wǎng)冷量損失隨冷水供水溫度、供回水設(shè)計(jì)溫差以及輸配形式的變化規(guī)律，如圖7-9所示。

圖7 不同工況管網(wǎng)冷損失（1）Fig.7 Cooling loss of pipeline in different condition(1)

圖8 不同工況管網(wǎng)冷損失（2）Fig.8 Cooling loss of pipeline in different condition(2)

圖9 二次泵不同運(yùn)行方式下管網(wǎng)冷量損失Fig.9 Cooling loss of pipeline under different running mode of secondary chilled water pump

由圖7-9可得結(jié)論如下：

（1）當(dāng)冷水供水溫度和供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT確定時(shí)，冷凍水二次泵變流量運(yùn)行相比于定流量運(yùn)行而言，由管網(wǎng)路由引起的冷量損失可降低40%，節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

（2）當(dāng)冷水供水溫度和水泵運(yùn)行方式確定時(shí)，增大供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT，可大大減少管網(wǎng)冷量損失。

3.4.3 輸配系統(tǒng)總冷量損失

輸配系統(tǒng)總冷量損失包括冷凍水泵冷量損失和管網(wǎng)冷量損失。參照上文所得結(jié)果，計(jì)算不同冷水供水溫度、不同供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT以及不同輸配形式下，冷凍水輸配系統(tǒng)的總冷量損失，并進(jìn)一步總結(jié)得出輸配系統(tǒng)總冷量損失隨冷水供水溫度、供回水設(shè)計(jì)溫差以及輸配形式的變化規(guī)律，如圖10-11所示。

圖10 不同工況輸配系統(tǒng)總冷損失（1）Fig.10 Total cooling loss of distribution system in different condition:constantflow primarychilled waterpump(1)

圖11 不同工況輸配系統(tǒng)總冷損失（2）Fig.11 Total cooling loss of distribution system in different condition:constantflowprimarychilled waterpump(2)

由圖10、圖11可得，隨著供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT的增大，系統(tǒng)冷凍水設(shè)計(jì)流量降低，輸配系統(tǒng)總冷量損失呈下降趨勢，有利于節(jié)能；相比于定流量運(yùn)行而言，冷凍水泵變流量運(yùn)行，輸配系統(tǒng)總冷量損失顯著降低，有利于提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了含有數(shù)據(jù)中心的工業(yè)園區(qū)冷熱電三聯(lián)供輸配系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行的分析方法，在詳細(xì)分析輸配系統(tǒng)分在不同工況下性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立冷熱電三聯(lián)供輸配系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，提出其輸配系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行方法。主要結(jié)論如下：

（1）建立了區(qū)域型CCHP輸配系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。利用所建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用C#語言編寫了工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃與評估軟件，實(shí)現(xiàn)對輸配系統(tǒng)的能耗模擬。

（2）利用“工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃與評估軟件”對冷凍水輸配系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT確定時(shí)，一次泵與二次泵均采用變流量運(yùn)行，相比于兩者均采取定流量運(yùn)行而言，冷凍水泵全年運(yùn)行總能耗可降低28%以上；供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT越大，系統(tǒng)冷凍水設(shè)計(jì)流量越小，冷凍水泵變流量運(yùn)行的節(jié)能潛力越不顯著。冷凍水供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT從5℃提高至10℃，采用一次泵定流量+二次泵定流量運(yùn)行方式，節(jié)能效益最為顯著，采用一次泵變流量+二次泵變流量，節(jié)能效益最不顯著。

（3）利用“工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃與評估軟件”，對不同冷水供水溫度（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃）、不同供回水設(shè)計(jì)溫差ΔT（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃）以及不同輸配形式下，冷凍水管網(wǎng)路由所引起的冷量損失進(jìn)行了計(jì)算，得出管網(wǎng)冷量損失隨冷水供水溫度、供回水設(shè)計(jì)溫差以及輸配形式的變化規(guī)律。