區域供冷系統節能研究
深圳市建筑設計研究總院有限公司 吳延奎 朱樹園
【摘 要】分析了目前區域供冷系統的優缺點，針對區域供冷系統的不足給出了合理化的建議，闡述了多源溫濕度解耦智能空調系統運用在區域供冷系統的可行性和經濟性進行。
【關鍵詞】區域供冷 系統節能 大溫差
Abstract: This paper analyzes the advantages and disadvantages of the current district cooling system, gives reasonable suggestions for the shortcomings of the current cooling system, and expounds the feasibility and economy of the application of the multi-source temperature and humidity decoupling intelligent air conditioning system in the districtl cooling system.
Keywords：district cooling system System energy saving Large temperature difference
0 引言
隨著經濟發展和節能政策的推動，區域供冷在國內很多城市（北京、天津、上海、南京、廣州、深圳、珠海、海南、重慶等地）[1~16]得到大規模的推廣和運用，然而區域供冷是否節能，尚未形成統一的認識。支持者認為節能的理由：1）區域供冷可以利用空調同時使用系數降低冷源和配電系統容量；2）可以集中配置更高效、環保的大型制冷設備；3）可以通過專業化的管理逐步實現供冷的產業化、商業化和市場化，利用市場手段調節需求和配置資源，避免傳統福利供冷造成的浪費；4）可以利用低位能源或廢熱；5）可利用蓄冷技術和低溫供冷技術提高供回水差，實現電力的移峰填谷，同時降低空調系統運行費用。反對者的理由包括：1）區域供冷管網的冷水供回水溫差小于集中供熱，輸送功耗和冷量損失相對更高，而大型制冷設備的效率提升有限，不足以彌補輸配管網能耗的增加；2）供冷的部分負荷時段的比例多于供暖，系統長期運行于較低負荷下，降低了系統效率；3）大輸配管網所需的水泵功耗不但減低系統效率，而且水泵散熱還將導致管網水溫升高，減少有效輸冷量[3][7][13][16]。
文獻[6]、[18]認為區域能源系統有一定的節能減排效果，但區域供冷的推廣和運用應結合項目自身情況，在滿足廉價的天然冷源，盡可能短的管線，盡可能大的供回水溫差，盡可能小的流量，配合好的控制系統和能量回收措施，真正做到節能的前提下才適用;文獻[7~8]認為區域供冷較適宜在供冷密度高的商業建筑群或使用交錯的復核建筑群，不適合在居住建筑中使用;文獻[13]認為應針對具體工程條件，綜合進行動態模擬、運行費用預測和全壽命周期評價后確定；文獻[17]不建議大規模推行區域供冷系統。
針對這些問題，筆者發現，供回水溫差是區域供冷系統是否節能最關鍵的因素之一，目前由于空調末端用戶普遍使用的供回水溫度是7/12℃，區域供冷與空調末端用戶采用板換間接連接，此時一次側的回水溫度最大只能是11℃，8~10℃的供回水溫差是目前區域供冷系統設計常采用的參數。那么如何才能進一步提高區域供冷系統的供回水溫差呢？筆者經過大量的分析和研究發現，當用戶空調系統采用溫濕度獨立控制系統并加以改進時[19]（定義為多源溫濕度解耦智能空調系統）,可實現最大供回水溫差18℃供水。
1 系統節能研究
多源溫濕度解耦智能空調系統，是從溫濕度獨立控制出發，利用蓄冷技術，充分挖掘不同梯次冷源的優勢，以保證室內空氣品質為原則，改變傳統空調系統以固定室內設計狀態點不變的設計思路，以控制室內狀態點在舒適區為目的，實現溫濕度解耦的節能動態空調系統。
1.1 系統介紹
多源溫濕度解耦智能空調系統制冷原理圖詳見圖1，制冷系統一次側包括：冷卻塔、冷卻水泵、高溫雙工況主機、常溫雙工況主機、乙二醇泵、蓄冰槽、雙工況板換；二次側包括板換一次泵、二次泵、用戶板換、高溫末端、低溫末端。
一次側供回水溫度：1/19℃，二次側供回水溫度：2/20℃。
白天運行模式：
一次側：經過雙工況板換的乙二醇回水溫度為19℃，先進入高溫雙工況主機降溫至11℃，然后進入常溫雙工況主機繼續降溫至6℃，再進入蓄冰槽降溫至1℃，進入雙工況板換與二次側進行熱交換。
二次側：經過雙工況板換的冷水供水溫度為2℃，先進入用戶低溫板換換熱升溫至8℃左右，再進入用戶高溫換熱升溫至20℃，經過板換一級泵回到雙工況板換與一次側進行熱交換。
低溫末端供回水溫度為3/16℃，高溫末端供回水溫度為16/21℃，具體介紹詳見文獻[19]。
夜間運行模式：
一次側：出蓄冰槽的乙二醇水溶液溫度為-2℃，分別進入高溫雙工況主機和常溫雙工況主機降溫至-5.6℃，再進入蓄冰槽升溫至-2℃循環完成夜間蓄冰。
不考慮夜間供冷。
圖1 系統制冷原理圖
1.2 節能理論分析
以1KW冷量為例，進行制冷能耗和水系統輸送能耗的簡單計算，計算方法詳見文獻[20]。
1.2.1 制冷能耗
(1)
采用公式（1）計算得出常規蓄冰系統和溫濕度解耦系統的制冷能耗詳見表1，主機的COP值為廠家設備選型軟件得到的參數。從表1可以看出，溫濕度解耦系統的制冷能耗與常規蓄冰系統相比節能率為24.15%。
表1 兩種空調系統的制冷能耗
注：1、蓄冰率均取30%。
1.2.2水系統輸送能耗
EC(H)R-a≤A(B+αΣL)/ΔT (2)
常規蓄冰系統，供回水溫差取10℃，溫濕度解耦系統供回水溫差取18℃，A取0.003858，B取28，α取0.0153， ΣL取2000，采用公式（2）計算得出常規蓄冰系統和溫濕度解耦系統的水系統輸送能耗詳見表2，從表2可以看出，溫濕度解耦系統的水系統輸送能耗與常規蓄冰系統相比節能率為44.44%。
表2 兩種空調系統的水系統輸送能耗
注：未計入冷卻塔和冷卻水泵能耗。
1.2.3 機房能耗
W機=W冷+W水 （3）
采用公式（3）計算得出常規蓄冰系統和溫濕度解耦系統的機房能耗詳見表3，從表3可以看出，溫濕度解耦系統的機房能耗與常規蓄冰系統相比節能率為22.17%。
表3 兩種空調系統的機房能耗
注：水系統能耗中未計入冷卻水泵和冷卻塔的能耗，兩種系統的冷卻塔和冷卻水泵能耗相差不大，溫濕度解耦系統略低；如計入冷卻塔和冷卻水泵能耗，溫濕度解耦系統機房能耗節約總量略有增加，節能率略有降低。
2 案例分析
以深圳某冷站為例，對原制冷系統和溫濕度解耦系統進行節能和經濟分析。
2.1 深圳某冷站概況
冷站冷源總設計冷負荷為45740RT。2#冷站采用冰蓄冷、大溫差輸送技術（2.5/12.5℃），總設計裝機容量為31200RT（空調工況），總供冷能力46000RT。項目分兩期建設。
表4 2#冷站裝機容量和供冷能力
一期全年空調冷負荷詳見圖2 和表5.
圖2 一期逐月冷負荷
表5 一期全年冷負荷表
注：1、全年總負荷計算采用鴻業HY-EP5.0軟件計算。2、室內參數全年不變化
2.2 冷站一期原空調系統方案
2.2.1冷站一期原系統原理圖 冷站一期系統原理圖詳見圖3，冷站供回水溫度2/12.5℃，供回水溫差為10℃，采用主機上游串聯系統，融冰方式采用外融冰，二級泵分根設置4組水泵，以應對不同負荷情況。
圖3 一期原系統原理圖
2.2.2 冷站一期原設備表
表6 一期原設備表
2.2.3 冷站一期原空調系統計算能耗（kw）
采用文獻[20]中的計算方法，進行空調系統全年能耗計算，具體值詳見表7。
從表中可以看出，制冷能耗占比為64.69%，水系統輸送能耗占比為35.31%。
表7 一期空調原系統計算能耗值
2.2.4 冷站一期原空調系統運行費用（元）
將表7的空調系統全年能耗乘以各時段的電價可得出空調原系統的運行費用，具體值詳見表8。從表中可以看出，制冷運行費占比約為60%，水系統輸送能耗占比約為40%。
表8 一期空調原系統運行費用
注：1）峰值電價取0.99元/(kW﹒h)，平期電價取0.66元/(kW﹒h)，谷期電價取0.1977元/(kW﹒h)。
2.3 冷站溫濕度解耦空調系統設計方案
2.3.1 冷站一期溫濕度解耦系統原理圖
冷站一期溫濕度解耦系統原理圖詳見圖4，冷站供回水溫度2/20℃，供回水溫差為18℃，采用主機上游三級串聯系統，融冰方式采用內融冰。
圖4 一期溫濕度解耦系統原理圖
2.3.2 冷站一期溫濕度解耦系統設備表
表9 一期溫濕度解耦系統設備表
2.3.3 冷站溫濕度解耦系統空調能耗（kw）----節費模式
表10 一期溫濕度解耦系統計算能耗值
2.3.4 冷站溫濕度解耦系統空調運行費用（元）----節費模式
表11 一期溫濕度解耦系統運行費用
注：1）峰值電價取0.99元/(kW﹒h)，平期電價取0.66元/(kW﹒h)，谷期電價取0.1977元/(kW﹒h)。
2.3.5 冷站溫濕度解耦系統空調能耗（kw）----節能模式
表12 一期溫濕度解耦系統計算能耗值
2.3.6 冷站溫濕度解耦系統空調運行費用（元）----節能模式
表13 一期溫濕度解耦系統運行費用
注：電價按峰:0.99元，平0.66元，谷0.1977元計算。
2.4 節能節費分析
表14 兩種空調系統的節能節費率（節費模式）
注：1）峰值電價取0.99元/(kW﹒h)，平期電價取0.66元/(kW﹒h)，谷期電價取0.1977元/(kW﹒h)。
表15 兩種空調系統的節能節費率（節能模式）
注：1）峰值電價取0.99元/(kW﹒h)，平期電價取0.66元/(kW﹒h)，谷期電價取0.1977元/(kW﹒h)。
2.5 成本分析（萬元）
表16 兩種空調系統的成本估算
注：1、外網長度按2000m估算。2、不包括安裝費、自控系統費用，僅為主要設備和主材費。 3、成本估算標準詳后表，兩個系統的取值標準相同。
表17 估算取值標準（元）
注：1、主機包括單工況主機和雙工況主機。2、水系統包括水泵和冷卻塔。 3、設備管材價格與實際價格可能存在較大差異，成本估算僅供參考。
2.6 結論：
（1）用戶空調系統采用溫濕度解耦智能系統，可實現區域供冷系統18度大溫差供冷。同時為末端提供兩種冷源，為現實溫濕度獨立控制系統創造條件，以提高室內舒適度。
（2）采用溫濕度解耦系統，理論上冷站1期可節能22.17%。
（3）采用溫濕度解耦系統，以節費模式運行時，冷站1期可比原系統節能27.34%，節費17.78%。
（4）采用溫濕度解耦系統，以節能模式運行時，冷站1期可比原系統節能31.28%，節費9.55%。
（5）采用溫濕度解耦系統，冷站1期可比原系統節省成本14.2%，約1530萬。
3 結語
用戶空調系統采用溫濕度解耦智能空調系統，可使區域供冷系統的供回水溫差比常規系統約大一倍，既提高了主機的運行效率，節約制冷能耗，也降低了管網流量，節約水系統輸送能耗，另外，還減少了管網的冷損失，有效解決了區域供冷系統的不足，為區域供冷的推廣和使用提供了更優的系統解決方案。
參考文獻
[1] 張志毅，牛利敏，趙建成. 北京中關村廣場區域供冷技術[J]. 建設科技,2005,（20）:60~61
[2] 劉傳聚，陸瓊文，李偉業等.區域供冷系統經濟運行研究及實踐——浦東國際機場區域供冷系統經濟運行研究總結[J]. 能源技術，2005,（2）:81~83
[3] 惠榮娜，徐奇，李德英等.我國區域供冷的現狀及發展[J].建筑節能，2007，35（3）：47~50
[4] 楊延萍，康素杰，鄭志敏.廣州大學新校區區域供冷現狀調查[J][J].建筑科學，2007,23(4):62~64
[5] 閆軍威，劉飛龍，朱冬生等.廣州大學城區域供冷系統質調節的節能分析[J].建筑科學，2007,23(12):27~29
[6] 朱穎心，王剛，江億.區域供冷系統能耗分析[J].暖通空調，2008，38（1）：36~40
[7] 馬宏權，龍惟定.區域供冷系統的能源效率[J].暖通空調，2008，38（11）：59~64
[8] 馬宏權，龍惟定.區域供冷系統的應用現狀與展望[J].暖通空調，2009，39（10）：52~59
[9] 伍小亭，王硯，王蓬等.廣州大學城區域供冷3#制冷站的設計思考[J].暖通空調，2010，40（6）：23~27
[10] 宋孝春，李娟，夏樹威等.亞龍灣區域供冷系統設計[J].暖通空調，2010，40（6）：57~60
[11] 馬宏權，郁松濤，張巍巍，張建忠.江蘇省最大的江水源熱泵區域供冷供熱項目-南京鼓樓國際服務外包產業園DHC[J].建設科技，2011，（4）：42~43
[12] 孫培勇，王硯，由玉文等.區域供熱供冷系統的現狀與發展[J].煤氣與熱力，2012，32（8）:1~5
[13] 徐偉，孫宗宇，馮曉梅等.區域能源技術的發展現狀與展望[J].建筑科學，2013，29（10）：85~89
[14] 王本棟，張華玲.重慶江北城CBD區域2號能源站運行現狀及分析[J].重慶建筑，2014，13（6）:63~65
[15] 覃承禹，集中供冷系統在夏熱冬暖地區的應用分析[J].發電與空調,2016,37(2):66~71
[16] 馬紅艷.伍小亭：看好區域能源站的未來發展[J].制冷與空調，2016,16（5）:111-113
[17] 江億.大規模區域供冷技術可行嗎[J].環境經濟，2015，（10）：17
[18] 駱靜文，謝慧，郝斌等.區域能源系統應用效果與適用條件[J].煤氣與熱力，2016，36（3）：15~18
[19] 吳延奎，朱樹園.一種有效應對公共衛生安全的空調系統[J].暖通空調，2020，50（6）：96~100
[20] 吳延奎,朱樹園.非供暖季不同末端空調系統綜合能耗的計算分析方法淺析[J].建筑節能,2018,2
備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。