大溫差供冷系統(tǒng)設(shè)計分析及應(yīng)用

魏汝華，王一楓

（1.廣州大學(xué)城華電新能源有限公司，廣州 511400；2.中國華電科工集團有限公司，北京 100070）

0 引言

我國“十四五”規(guī)劃和2035 年遠景目標(biāo)綱要指出，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)，“十四五”期間要保證能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和CO2排放分別降低13.5%和18.0%。這就需要推進能源革命，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，提高能源供給保障能力，堅決遏制高耗能、高排放項目盲目發(fā)展，推動綠色轉(zhuǎn)型實現(xiàn)積極發(fā)展。分布式能源、熱電聯(lián)供、區(qū)域供冷/供熱系統(tǒng)將迎來新的發(fā)展機遇，而大溫差供冷系統(tǒng)在分布式能源中節(jié)能減排的作用，使其成為助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。

為實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，國內(nèi)外開始發(fā)展大溫差供冷系統(tǒng)，通過優(yōu)化制冷系統(tǒng)各設(shè)備之間的能效配比，在適度提升冷水機組能耗的基礎(chǔ)上大幅降低水泵、冷卻塔等設(shè)備的能耗，從而達到降低投資和系統(tǒng)運行總能耗的目的。文獻［1?5］針對大溫差中央供冷系統(tǒng)控制策略進行了研究，提出了分布式能源供冷系統(tǒng)的性能評估方法。孫欽等［6］針對超高層建筑大溫差溫濕度獨立控制動態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)進行了分析，指出該系統(tǒng)大溫差供冷的重要作用。宣晨晨等［7］重點分析了冷凍水大溫差對常規(guī)空調(diào)機組產(chǎn)生的影響，通過算例結(jié)合實際工程得出，對于空調(diào)系統(tǒng)半徑較大的大型公共建筑或高層建筑適宜使用冷凍水大溫差供冷，可以取得良好的節(jié)能運行效果。文獻［8?13］分別對影響區(qū)域供冷系統(tǒng)負荷的關(guān)鍵因素進行了研究，闡明大溫差系統(tǒng)主要應(yīng)用于冷凍水、冷卻水和送風(fēng)系統(tǒng)側(cè)，提出冷凍水冷量梯級利用的節(jié)能方案，建立了供冷溫差、供冷距離的經(jīng)濟模型，得出了負荷密度對區(qū)域供冷系統(tǒng)單位冷量費用的影響大于供/回水溫差，經(jīng)濟溫差隨供冷距離、空調(diào)負載增大而增大等結(jié)論。文獻［14?19］針對大溫差供冷系統(tǒng)對末端設(shè)備（冷凍水泵、盤管風(fēng)機等）的影響進行了分析，計算得出大溫差供冷系統(tǒng)能夠大幅降低冷凍水泵的能耗，水泵消耗功率可減少68.8%～78.1%，盤管風(fēng)機為保證正常工況運行需要采取防凍等措施。

目前國內(nèi)外學(xué)者主要針對區(qū)域式大溫差供冷系統(tǒng)的負荷預(yù)測、控制策略、系統(tǒng)經(jīng)濟性進行分析，或針對系統(tǒng)單一設(shè)備進行變化趨勢研究。本文在此基礎(chǔ)上對應(yīng)用于樓宇式分布式能源站的大溫差供冷系統(tǒng)作進一步研究，對冷凍水供/回水溫度、溫差變化對冷水機組和末端設(shè)備、系統(tǒng)整體的能耗影響作定量分析，針對廣州某樓宇式分布式能源站項目的供冷系統(tǒng)進行年負荷特性分析及能耗計算，探討大溫差供冷系統(tǒng)在節(jié)能減排和運行經(jīng)濟性上的具體優(yōu)勢，為同類項目應(yīng)用提供參考。

1 大溫差供冷對冷水機組性能的影響

根據(jù)文獻［9?11］對區(qū)域供冷系統(tǒng)大溫差設(shè)計的研究，大溫差供冷系統(tǒng)對于冷水機組的影響主要分為2 方面：蒸發(fā)溫度和對冷水機組能耗。在保證末端設(shè)備能夠正常供冷的前提下盡量降低冷水機組能耗，同時提升系統(tǒng)整體運行效率是大溫差供冷系統(tǒng)的最終目的。

1.1 大溫差供冷對蒸發(fā)溫度的影響

蒸發(fā)溫度是指制冷劑在冷水機組蒸發(fā)器中達到沸點所需溫度，與蒸發(fā)壓力成正比。蒸發(fā)溫度是制冷設(shè)備滿足需求的關(guān)鍵參數(shù)，蒸發(fā)溫度過高無法滿足被冷卻對象的低溫要求；蒸發(fā)溫度過低則會使制冷裝置的運行經(jīng)濟性下降，同時導(dǎo)致管道凍裂、末端設(shè)備能耗增加。根據(jù)傳熱學(xué)理論可知［10］

式中：Qt為蒸發(fā)器傳熱量，kW；r為負荷率；Q0為設(shè)計負荷，kW；c為水的比熱容，c=4.186 8 kJ/（kg·℃）；qm為蒸發(fā)器冷凍水的質(zhì)量流量，t/h；th為蒸發(fā)器回水溫度，℃；tg為蒸發(fā)器供水溫度，℃；tzf為蒸發(fā)溫度，℃；Δtm為平均對數(shù)傳熱溫差，℃；Δt為蒸發(fā)器側(cè)進出水溫差，℃；K為冷水機組蒸發(fā)器傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；K1，K2，K3為傳熱系數(shù)計算值，由最小二乘法計算得出，kW/（m2·℃）；A為換熱面積，m2。

由式（1）—（5）可得：

各品牌設(shè)備的K值不同，但大溫差供冷對蒸發(fā)溫度的影響趨勢相同。取廣州某項目電制冷機組傳熱系數(shù)K=4 kW/（m2·℃），可計算得到K1=0.153 2，K2=?0.062 5，K3=0.000 1，負荷率r=1，項目9 臺大溫差離心機組設(shè)計負荷Q0=7 384 kW。取供水溫度3～10 ℃、供/回水溫差5～10 ℃，計算不同條件下蒸發(fā)溫度，結(jié)果見表1。

表1 不同溫差及供水溫度下的蒸發(fā)溫度Tab.1 Evaporation temperature under different temperature difference and water supply temperature ℃

圖1 為不同供/回水溫差、供水溫度下蒸發(fā)溫度變化。由圖1 和表1 中不同供/回水溫差、不同供水溫度下蒸發(fā)溫度計算值可得出以下結(jié)論。

（1）蒸發(fā)溫度與供/回水溫差呈負相關(guān)關(guān)系。供水溫度不變時，隨著供/回水溫差不斷增大（5～10 ℃），蒸發(fā)溫度不斷降低，供/回水溫差每增大1.0 ℃，蒸發(fā)溫度降低約0.2 ℃。

（2）蒸發(fā)溫度與供水溫度呈正相關(guān)關(guān)系。供/回水溫差不變時，隨著供水溫度提高，蒸發(fā)溫度不斷提高。供水溫度每提高1 ℃，蒸發(fā)溫度提高約1 ℃。

（3）當(dāng)大溫差供冷系統(tǒng)的供/回水溫度達到10 ℃，供水溫度低至3 ℃時，冷水機組達到極限工況，蒸發(fā)溫度降至0.17 ℃，對于以水為載冷劑的情況，需要做好防凍措施。根據(jù)公式

保證供冷量Q不變的情況下，供/回水溫差Δt增大，冷凍水質(zhì)量流量qm隨之減少，可以大幅降低末端設(shè)備（二次管網(wǎng)冷凍水泵）的能耗，同時降低冷量輸送過程中的冷量損耗，但要確保避免冷水機組的蒸發(fā)溫度在臨界點時機組銅管破損、水管凍裂等問題，項目設(shè)計初期需要冷水機組廠家針對大溫差應(yīng)用場景進行優(yōu)化。

1.2 大溫差供冷對冷水機組COP的影響

廣州某項目冷水機組采用R134a 作為制冷劑，在不同供水溫度及供/回水溫差情況下性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）變化如圖2所示。

圖2 不同供/回水溫差和供水溫度下冷水機組COP變化Fig.2 COP of the chiller under different supply and return water temperature difference and water supply temperature

由圖2 可見：（1）冷水機組COP 與供/回水溫差成負相關(guān)關(guān)系。供水溫度不變時，隨著供/回水溫差不斷增大（5～10 ℃），冷水機組COP 逐漸降低，但影響程度有限。（2）冷水機組COP 與供水溫度成正相關(guān)關(guān)系。供/回水溫差不變時，隨著供水溫度提高，冷水機組COP不斷提高。

綜上所述，大溫差供冷系統(tǒng)的應(yīng)用對冷水機組COP 及蒸發(fā)器載冷劑的蒸發(fā)溫度提出了較為嚴苛的要求，在少量增加冷水機組能耗及做好保溫防凍措施的基礎(chǔ)上，可以大幅減少冷量損耗和末端設(shè)備能耗，提升供冷系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性和節(jié)能性。

2 大溫差供冷對末端設(shè)備性能的影響

根據(jù)文獻［14?16］對水泵及盤管風(fēng)機所作的研究，大溫差供冷系統(tǒng)能夠大幅降低冷凍水泵的能耗，水泵消耗功率可減少68.8%～78.1%，但對風(fēng)機盤管空調(diào)系統(tǒng)的影響是多方面且有利有弊的。

取廣州某項目大溫差電制冷冷凍水供/回水溫度3/13 ℃，與常規(guī)設(shè)計冷凍水溫度7/12 ℃進行比較，根據(jù)相似理論，水泵功率的關(guān)系為［16］

式中：P'為冷凍水供/回水溫度3/13 ℃時的水泵功率，kW；P為常規(guī)設(shè)計冷凍水供/回水溫度為7/12 ℃時的水泵功率，kW；qm'為冷凍水供/回水溫度為3/13 ℃時的水泵流量，kg/s；qm為冷凍水供/回水溫度為7/12 ℃時的水泵流量，kg/s；Δt為冷凍水溫差，℃；Q0為設(shè)計負荷（制冷量），kW。當(dāng)供應(yīng)相同的冷量Q0時，大溫差供冷系統(tǒng)（3/13 ℃）溫差為10 ℃，常規(guī)供冷系統(tǒng)（7/12 ℃）溫差為5.00 ℃。根據(jù)式（9）可得出

由此計算得大溫差供冷系統(tǒng)功率相對常規(guī)供冷系統(tǒng)的比例關(guān)系為

大溫差供冷系統(tǒng)（冷凍水供/回水溫度3/13 ℃，溫差10 ℃）與常規(guī)供冷系統(tǒng)（冷凍水供/回水溫度7/12 ℃，溫差5 ℃）相比，冷凍水泵能耗降低68.5%。

通過風(fēng)機盤管性能參數(shù)趨勢的分析可以得出規(guī)律：隨著冷凍水溫差增大，風(fēng)機盤管全熱、顯熱、潛熱冷量及析濕系數(shù)均有不同程度降低，其對潛熱影響最大，導(dǎo)致去濕能力降低。但冷凍水供水溫度降低能在一定程度上減小供/回水大溫差的影響。

因此，為中和大溫差供冷系統(tǒng)對風(fēng)機盤管去濕能力的影響，要求大溫差系統(tǒng)在保證冷水機組性能、供冷管道保溫、防凍措施到位的前提下盡量降低冷凍水供水溫度，同時對風(fēng)機盤管采取相應(yīng)的改進措施，如通過加大盤管數(shù)、增大傳熱面積等方式降低風(fēng)機盤管的流速，從而維持正常制冷性能［17?19］。

綜合1.1，1.2 節(jié)分析可知，大溫差供冷系統(tǒng)在降低水泵能耗、減少流量從而大幅降低冷量傳輸過程損耗的同時，必須考慮到冷水機組、風(fēng)機盤管正常工作的工況要求，在適度增加冷水機組能耗的同時保證蒸發(fā)器銅管在較低的蒸發(fā)溫度下仍能正常傳熱，避免管道凍裂、載冷劑結(jié)冰等情況，同時通過降低冷凍水供冷溫度的方式優(yōu)化風(fēng)機盤管的性能。

3 大溫差供冷系統(tǒng)的項目應(yīng)用

3.1 項目概況

該樓宇式能源站位于廣州某中心商務(wù)區(qū)，為周邊提供冷、熱、電能源。為滿足周邊寫字樓、辦公樓、酒店等用戶超高層供冷需求（最大高度266 m，地上57層），同時起到節(jié)能減排的供冷效果，項目設(shè)計采用大溫差供冷系統(tǒng)，供/回水溫度為3/13 ℃。

能源站冷源設(shè)備由煙氣熱水型溴化鋰機組和離心式冷水機組組成。15 臺大溫差離心式冷水機組（3臺串聯(lián)離心機與溴化鋰機組聯(lián)合供冷，12臺大溫差離心機單獨供冷）冷凍水額定進出口13/3 ℃，載冷劑為純水。下文針對該項目大溫差供冷系統(tǒng)進行計算分析。

3.2 負荷分析

100%，75%，50%，25%冷負荷設(shè)計日工況運行情況分別如圖3—6 所示。由圖3—6 可見，4 種冷負荷情況下，設(shè)計日大溫差電制冷機組供冷量分別為1 003 565 kW，684 034 kW，370 023 kW，174 186 kW，占全天供冷量的比例分別為73.7%，67.0%，54.0%，51.0%。

圖4 75%冷負荷設(shè)計日工況運行模式Fig.4 Operation mode of a 75%cold load design day

圖5 50%冷負荷設(shè)計日工況運行模式Fig.5 Operation mode of a 50%cold load design day

圖6 25%冷負荷設(shè)計日工況運行模式Fig.6 Operation mode of a 25%cold load design day

廣州地區(qū)供冷季較長，全年主要冷負荷集中在4—10 月，全天冷負荷主要集中在07：00—20：00，其中21：00 至次日06：00 酒店存在部分冷負荷，典型日中最大負荷為124 kW。全年制冷設(shè)備運行期為180 d，其中100%負荷運行天數(shù)為25 d，75%負荷運行天數(shù)為55 d，50%負荷運行天數(shù)為70 d，25%負荷運行天數(shù)為30 d。

3.3 運行節(jié)能性分析

表2 為冷水機組配套水泵參數(shù)，根據(jù)表2 可計算出100%冷負荷工況下冷凍水泵日能耗為10 140 kW·h，75%工況水泵日能耗為7 605 kW·h，50%工況水泵日能耗為5 070 kW·h，25%工況水泵日能耗為2 535 kW·h。

表2 冷水機組配套水泵參數(shù)Tab.2 Parameter of the water pump for the chiller

根據(jù)前文對大溫差供冷系統(tǒng)末端設(shè)備的水泵能耗分析計算可知，與常規(guī)供冷系統(tǒng)設(shè)計（冷凍水溫差為7/12 ℃，供/回水溫差5 ℃）相比，冷凍水泵能耗降低68.5%，由此可以計算常規(guī)制冷系統(tǒng)冷凍水泵能耗。

冷水機組設(shè)備廠家提供數(shù)據(jù)，在大溫差供冷模式（3/13 ℃）冷水機組COP為5.02，常規(guī)供冷模式（7/12 ℃）冷水機組COP 為5.20。由負荷分析、冷水機組配套冷凍水泵性能參數(shù)、水泵日功耗可以計算出大溫差供冷系統(tǒng)與常規(guī)供冷系統(tǒng)的年能耗對比，計算結(jié)果見表3。

表3 大溫差供冷系統(tǒng)與常規(guī)供冷系統(tǒng)運行能耗分析Tab.3 Operational energy consumption of the large temperature difference cooling system and conventional cooling system

由表3可見，常規(guī)供冷系統(tǒng)（簡化為冷水機組及配套水泵）年能耗約為21.54 GW·h，大溫差供冷系統(tǒng)盡管冷水機組本身能耗稍有增加，但整體年能耗更低，約為19.79 GW·h。使用大溫差供冷系統(tǒng)全年可以節(jié)約運行能耗約1.75 GW·h，在滿足超高層建筑正常供冷需求的基礎(chǔ)上做到了節(jié)能、環(huán)保。

4 結(jié)束語

大溫差供冷系統(tǒng)除了考慮供冷設(shè)備的影響之外，由于冷量遠距離、高層級輸送能耗較高，需要對外供冷凍水二次泵進行變頻控制，同時采取溫差控制方法使系統(tǒng)達到動態(tài)水力平衡，對空調(diào)末端采取壓差控制，最終達到大溫差供冷系統(tǒng)的全面水力平衡。

同時由于大溫差供冷系統(tǒng)輸送距離遠、輸送高度較大，調(diào)節(jié)存在滯后性。為保證小流量、大溫差、低溫輸出的節(jié)能運行模式，須采取自動控制系統(tǒng)根據(jù)負荷實時響應(yīng)、即時調(diào)節(jié)，達到系統(tǒng)供冷平衡，保證大溫差供冷的最佳節(jié)能效果，取得預(yù)期的經(jīng)濟效益。

對大溫差供冷系統(tǒng)設(shè)計階段的影響因素進行了計算分析，得出了冷水機組冷凍水供/回水溫差、供水溫度與蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)溫度、冷水機組COP 的定量關(guān)系，闡明了大溫差供冷系統(tǒng)對末端設(shè)備的性能影響。研究表明，為確保大溫差供冷系統(tǒng)最大限度發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢，在提升供/回水溫差、降低供冷溫度的同時要保證冷水機組制冷劑蒸發(fā)溫度高于0 ℃（水為載冷劑時的臨界值），COP 滿足系統(tǒng)正常運行需求，同時針對盤管風(fēng)機采取增加盤管數(shù)、增大傳熱面積等方式進行優(yōu)化，做好末端設(shè)備的相關(guān)防凍措施。

在對大溫差供冷系統(tǒng)設(shè)計中的影響因素進行明確的基礎(chǔ)上，本文針對廣州某中央商務(wù)區(qū)分布式能源站項目的大溫差供冷系統(tǒng)實際應(yīng)用進行了負荷分析及運行節(jié)能性計算，分析得出相比常規(guī)溫差（7/12 ℃）供冷系統(tǒng)，采用3/13 ℃的供冷設(shè)計在滿足周邊超高層建筑正常供冷需求的同時年節(jié)約1.75 GW·h的系統(tǒng)能耗，達到了經(jīng)濟節(jié)能的目的。

供冷系統(tǒng)針對不同用戶群、不同供冷距離、不同溫度需求均須作相應(yīng)調(diào)整，本文僅對主要供冷設(shè)備及影響因素略作分析，為后續(xù)同類項目提供參考，后期應(yīng)用還需具體考量。