几种集中供冷水系统形式的能耗分析与比较.pdf

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1、第 3 卷第 1 期 2003 年 2月 制 冷 与 空 调 REF RI GERATI ON AND AI R一C ONDI TI ONI NG V o l . 3 , N o . 1 F e b r u a r y 2 0 0 3 几种集中供冷水系统形式的能耗分析与比较 陈晓 ( 湖南工程学院) 文进希 ( 深圳市住宅局) 张国强周军莉 ( 湖南大学) 摘要本文指出了变流量水系统能耗分析方法， 对某住宅区集中供冷系统在采用不同水系统形式时的 全年能耗进行了分析， 结果表明， 变频二次泵分散设置的变流量系统节能效果非常好， 建议集中供冷系统 采用类似的水系统形式。 关健词集中供冷水系统能耗分

2、析 ANAL YS I S AND C OMP ARI S ON OF E NE RGY CONS UMP T I ON F OR S OME S CHEME S OF DI S T RI BUT I ON S YS TEM I N DI S T RI CT COOLI NG S YS T EM C H E N X i a o l Z H A N G G u o q ia n 梦 Z H O U J u n l i2 WE N J i n x i3 ( 1 . D e p a r t m e n t o f A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i

3、 n g ， H u n a n I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g ， X i a n g t a n , C h i n a 2 . C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g , H u n a n U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a , C h i n a 3 . S e n z h e n R e s i d e n t i a l B u r e a u , S h e n z h e n , C h i n a ) A B S T R

4、 A C T T h i s p a p e r p o i n t s o u t t h e m e t h o d f o r a n a l y s i s o f e n e r g y c o n s u m p t i o n i n v a r i a b l e w a t e r v o l u me ( V WV) s y s t e m, a n d c a l c u l a t e s a n n u a l e n e r g y c o n s u m p t i o n o f d i f f e r e n t s c h e m e s f o r d i

5、 s t r i b u t i o n s y s t e m o f a d i s t r i c t c o o l i n g s y s t e m i n r e s i d e n t i a l a r e a . T h e r e s u l t s s h o w t h a t s y s t e m w i t h d i s t r i b u t e d v a r i a b l e s p e e d p u m p s c a n s a v e m o r e e n e r g y . I t i s s u g g e s t e d t h a t

6、 s i m i l a r s y s t e m b e a p p l i e d i n d i s t r i c t c o o l i n g s y s t e m. K E Y WO R D S d i s t r i c t c o o l i n g , d i s t r i b u t i o n s y s t e m， a n a l y s i s o f e n e r g y c o n s u m p t i o n 近年来， 随着我国城市建设的迅速发展， 出现 了许多高密度的建筑群( 如住宅小区、 商用楼群) ， 适合于实施集中供冷。集中供冷供热( D

7、is t r i c t H e a t i n g a n d C o o l i n g ， 简称D H C ) 系统作为现代化 城市能源系统的一部分， 在提高能源利用效率、 防 止大气污染、 有效利用建筑空间及美化城市形象方 面具有十分突出的优点， 在欧美、 日本等国家获得 了普遍的发展。在日本和欧洲， 6 0 %以上的住宅区 和商用楼群都采用集中供冷供热的形式。集中供 冷系统的水系统较为庞大， 冷水输配能耗大， 寻找 最佳的水系统形式成为集中供冷技术研究中的一 项重要内容。 1 水系统形式概述 1 . 1 一级泵定流量系统 这种系统采用一级泵定速运行的方式， 用户侧 采用二通调节阀调节

8、流量。旁通管上的二通阀根 据供回水管之间的压差变化来调节旁通水量的大 小。 1 . 2 变速二次泵集中设置的变流量二级泵系统 这是一种常见的二级泵形式， 包含一次环路和 二次环路。在一次环路中， 由于蒸发器冷水流量的 迅速减少会使冷水流速不均匀， 尤其是在一些转弯 处更容易使流速减慢甚至形成不流动的“ 死水” ， 这 很容易使局部的冷水产生结冻。因此， 一般采用一 国家自然科学基金( 项目 编号: 7 0 0 4 2 0 1 2 ) 和深圳市科技局资助项目 第 1 期陈晓等: 几种集中供冷水系统形式的能耗分析与比较 台定流量泵对一台制冷机的方式， 定流量泵的扬程 主要用来克服蒸发器的阻力。二次

9、环路的变速二 次泵一般置于制冷站内。如果旁通管的阻力非常 小的话， 一次环路与二次环路之间几乎不会相互干 扰。 1 . 3 变速二次泵分散设置的变流量二级泵系统 当系统所服务的各区域或各建筑物的水环路 阻力相差较大时， 可将上一种形式中的二次泵分散 到各个区域或各栋建筑物内， 这使得各用户的回水 压力比供水压力还要高。各区域的二次泵既要克 服制冷站到该区域的干管阻力， 又要克服各区域内 部的阻力， 其工作扬程是两者之和， 因此， 下游建筑 所用水泵的扬程比上游建筑的要高。各区域的二 次泵一般也采用变速水泵。 2 变流f水系统能耗的分析方法 根据水泵定律可知， 水泵的功率与水泵转速的 三次方成正

10、比， 即转速下降至原来的5 0 %时， 水泵 的功率下降至原来的 1 2 . 5 %。这一结论的前提 是: 水泵调速前后工作点必须为相似工况点， 其管 道特性曲线为一条通过原点的等效率曲线， 且调速 前后不发生变化( 如图1 中的A点与B点) 。在实 际运行中， 由于管道特性曲线的变化， 水泵调速后 的工作点往往不会与调速前工作点处在同一条等 效率曲线上， 而是变化到D点， 这使得变流量水泵 在实际运行中的节能效果不如理论上那么显著， 在 分析变流量水系统能耗时也不能一味地套用水泵 定律。 总压头。因此， 要正确分析变流量水系统的能耗， 应首先模拟计算出水系统在不同负荷状态下所需 的流量及在此

11、流量下系统所需的总压头( 即水泵 出、 人口的压差) 。对于风机盘管， 某负荷下所需的 冷水流量可用文献【 4 所提出的公式来计算: C L= 3 0 6 2 7 X A x B x W 0 .4 2 4 x t W 一 0 .4 5 4 ( 1 ) 式中: C L , W, t , ,分别为使用工况下的产冷 量、 冷 水 流 量、 冷 水 进 水 温 度， k c a l / h , k g / h , C; A 风机盘管型号及运转档次的修正系 数; B 室内温湿度条件的修正系数， 与室内 的湿球温度有关。 计算某一流量下水泵出、 人口的压差可以采用文献 仁 5 3 中的方法来求解。该方法将

12、管网分解成供水管 网与回水管网， 然后对供、 回水管网分别应用基尔 霍夫定律。其数学模型在这里不再复述。 另外， 对空调水系统而言， 调速前后的工作点 一般不是在同一条等效率曲线上的相似工况点， 因 此， 还要求出调速后工作点的效率及转速。如图1 所示， 转速为n 1 时， 水泵的( W - - H ) 曲线可拟合为 H = a + b W + C W 2 ， 水泵的( W- 1 ) 曲 线可拟合为 I = d 十 e W+ f W 2 。 应用文 献 5 中 的 方 法模拟计算 出调速后水泵的工作点为D ( WD , H D ) ， 求出通过D 点的等效率曲线。结合通过 D点的等效率曲线和

13、( W - - - H ) 曲线， 解方程组: HD二 , , 月=二万 一 育 w 一 WD H = a+b W +C W2 ( 2 ) An / 门 、 、 一等效率曲线 求出两者的交点C ( Wc , H c ) 。由于D与C是相似 工况点， 水 W e ) 等于D点的 效率。 根据水泵定律还 可求出D点时水泵的转速n 2 0 利用下式便可求出不同工况下水泵的功率: H x W 3 6 7 x -q ( k W)( 3 ) 图1 水泵转速的调整过程 水泵能稳定运行在性能特性曲线与管道特性 曲线的交点上， 变流量水泵也不例外。变流量水泵 转速的改变及管道特性曲线的改变使得其运行工 况不断变

14、化， 但在任何时候， 水泵所提供的流量总 是刚好等于此时管道系统所需的流量， 水泵所提供 的扬程总是刚好满足管道系统在该流量下所需的 式中， H, W 水泵的工作扬程和流量， m , m 3 / h ; 刀 水泵及其电 机的 综合效率。 由于系统负荷在全年是不断变化的， 因此， 要 全面评价变流量水系统的能耗应计算其全年能耗， 不能只计算某负荷时系统的能耗。 3 实例分析与比较 3 . 1 情况介绍 制冷与空调第 3 卷 为了分析的方便， 考虑一个位于深圳的有四栋 住宅的小型住宅区集中供冷系统。每栋住宅有 F P -8 . 0 的风机盘管 1 2 0 台， 共计4 8 0台。设计负 荷为 1

15、7 2 8 k W， 选用单台制冷量为 8 8 7 k W 的螺杆 机 2台。将要比较的三种形式分别描述如下: 工一级泵定流量系统。采用两台定流量一次 泵供冷水。 II变速二次泵集中设置的变流量二级泵系 统。设置两台定流量一次泵为一次环路服务; 采用 两台变速主循环泵供应二次水， 变速泵的控制采用 压差控制， 根据最不利环路两端压差的变化改变水 泵的转速， 使该压差维持恒定。该例中最远端用户 人口处压差控制在 1 8 0 k P a o m变速二次泵分散设置的变流量二级泵系 统。在制冷站设置两台定流量一次泵为一次环路 服务， 其型号与形式n相同; 各栋住宅内单独设置 变速二次泵供应二次水， 住

16、宅 C , D泵的扬程要高 一些。变速泵的控制也采用压差控制， 最远处末端 的压差控制在9 0 k P a . 该系统的年供冷时间: 5 月1日一1 0 月3 1 日; 日 供冷时间: 8 : 0 0 一2 4 : 0 0 ， 全年共计 2 9 4 4小时。 假设每栋住宅的同时使用系数都相同， 且各台风机 盘管的负荷率相同。假设变频器及电机的效率恒 定， 分别为0 . 9 6和0 . 9 4 。由于负荷在全年不均匀 分布， 要计算全年能耗， 必须知道不同负荷率在全 年的分布情况。住宅建筑的负荷以围护结构负荷 和新风负荷为主， 如果假设其冷负荷与室外温度成 线性关系， 可将变基准温度度日 法(

17、V a r i a b l e B a s e D e g r e e D a y M e t h o d ) 应用于计算其全年冷负荷。 文献 7 指出: 对于住宅建筑应用变基础温度度 日 法计算的结果非常接近用 D O E -2计算的结果。 根据深圳市的全年气象条件， 利用变基准温度度日 法( V a r i a b le B a s e D e g r e e D a y Me t h o d ) 绘制出全年 负荷延时特性曲线。为了简化计算， 将该系统的全 年负荷延时特性曲线划分为 1 0 个区间。取每个区 间的中点为代表， 利用式( 1 ) 计算每栋住宅的需水 量。负荷分布情况见表 t

18、o 对于形式II和形式II I ， 负荷侧采用二通阀调节 流量。当二通调节阀前后压差恒定时， 其理想可调 比R ( 调节阀所能控制的最大流量与最小流量之 比) 一般为3 0 ， 但当二通阀与盘管、 管路相连接时， 由于受工作流量特性的影响、 最大开度和最小开度 表 1 负荷分布情况 负荷区间时间百分比小时数单栋住宅需水量( k g / h ) 0 -1 0 %1 . 5%4 45 8 1 0%-2 0%4. 7%1 3 87 7 6 2 0%-3 0%8%2 3 72 5 8 7 3 0%-4 0%1 1 . 6%3 4 05 7 2 0 4 0%-5 0%1 4. 2%4 1 81 0 3

19、4 7 5 0%-6 0%1 6. 8%4 9 51 6 6 0 9 6 0%-7 0%1 4. 5%4 2 72 4 6 3 0 7 0%-8 0%1 2. 3%3 6 13 4 5 1 8 8 0%-9 0%9. 6%2 8 24 6 3 7 1 9 0%-1 0 0%6. 8%2 0 26 0 2 7 9 的限制、 选用调节阀口径时的圆整和放大， 理想可 调比一般只能达到R=1 0左右。与盘管串联的二 通阀的实际可调比R S 计算公式为: R S 、R I 瓦尸 ( 4 ) 式中， P v 表示阀权度， 即调节阀全开时阀上压差与 串联管路总压差的比值。二通阀与风机盘管串联 时， 阀权度P

20、 v 一般在0 . 5 左右， 将 R=1 0 代人上 式， 实际可调比R S 在7 左右。也就是说， 实际可调 最小流量约为最大流量的 1 5 %， 本文计算时取 1 5 %。由式( 1 ) 可知， 盘管的流量降低到 1 5 %时， 其所承担的负荷约为 4 5 %。因此， 当负荷减小到 4 5 %时， 系统流量便不会再减小， 水泵转速也不会 再下降。 3 . 2 全年能耗的计算与比较 变水量系统中常见的水泵转速控制方法有: 最 远端用户定压差控制法、 水泵出口压力控制法、 供 回水压差控制法。采用不同的控制方法时系统能 耗的计算方法不相同。根据国外类似工程的经验， 大、 甲型集中 供冷变流量

21、水系统一般采用最末端用 户定压差的方式控制水泵转速， 下文的讨论便是基 于此方法进行的。 对于以上三种水系统， 当该系统的负荷减小到 5 0 %时， 只开一台冷水机组及其对应的冷水泵。形 式 I 水系统与形式II . II I 水系统定流量泵的全年能 耗计算过程见表2 0 形式II水系统变流量二次泵全年能耗的计算 过程见表 3 。取 4 5 %为 4 0 % -5 0 %区间的代表 点， 根据前文的分析， 对于形式1 1 的形式ul， 当负荷 降低到5 0 %后， 系统水量达到调节阀所能控制的 最小流量， 不能随负荷的降低而继续降低。因此， 当 负荷为满负荷的0 %一5 0 %时， 系统的水量

22、是不变 的。 第 1 期陈晓等: 几种集中供冷水系统形式的能耗分析与比较 表2 定流量水泵能耗的计算 流量( m 3 / h )扬程( m)功率( k W)运行小时数 1 1 7 7+2 9 4 4 1 1 7 7+2 9 4 4 耗电量( k Wh ) 形式 工 形式II与班的一次泵 1 5 1 . 2 1 5 1 . 2 4 5 1 ( 1 1 0 8 7 9 4 2 5 5 5 0 表 3 形式 II水系统二次泵全年能耗的计算 系统总流量 ( k g / h ) 二次泵运行情况 小时数耗电量 ( k Wh )运行台数工作扬程( m)转速( r p m )效率功率( k W) 4 1 3

23、8 812 1 . 82 1 2 46 6%4. 11 1 7 74 8 2 5. 7 6 6 4 3 612 2. 52 1 9 87 6%5. 94 9 52 9 2 0. 5 9 8 5 2 012 4. 62 3 7 17 8%9. 44 2 74 0 1 3 . 8 1 3 8 0 7 212 72 6 0 47 7, 8%1 4. 43 6 15 1 9 8 . 4 1 8 5 4 8 423 0 . 22 2 7 97 8%1 0 . 8X22 8 26 0 9 1 . 2 2 4 1 1 1 623 8 . 62 9 6 08 0%1 7 . 5 X 22 0 27 0 7 0

24、 形式II 水系统水泵的总耗电量: 2 5 5 5 0 + 3 0 1 1 9 . 6 = 5 5 6 6 9 . 6 k Wh 从表3与表2 计算结果的对比可知: 采用集中 的变速二次泵比采用定流量一级泵要节能4 8 . 8 %, 效果相当显著。 对于形式n水系统而言， 由于流量的调节会使 管网特性曲线发生变化， 如果二次泵仅仅采用变速 的调节方式， 有可能使水泵的工作点偏离高效区。 如表3 中所示， 采用变速调节与水泵台数控制的协 同调节方式， 便能保证水泵大部分时间在高效工作 区内工作。当流量减小到一定的值时， 运行两台泵 时水泵的效率低于运行一台泵时水泵的效率， 此时 便应该运行一台水

25、泵。 在理论上， 一个变频范围为 5 : 1 ( 5 0 H z 1 O H z ) 的变频器能将水泵的转速变到 2 0 %附近。 事实上， 根据文献 1 0 的介绍: 变速水泵的变速范 围一般为4 5 %一1 0 0 %， 当水泵转速低于额定转速 的4 5 %时， 水泵的运行性能就会变得不稳定( 因为 一般的水泵都是按照定转速工况来设计的) 。从表 全年总耗电量: 3 0 1 1 9 . 6 3 的计算可以看出: 在这个实例中， 水泵转速最低 只能降到 7 0 %左右， 距 4 5 %的下限还有不少的下 降空间。调速范围不大会使变流量系统的节能效 果不是那么显著。调速范围的大小与最远端用户

26、处压差的设定值有关( 该例中设定为 1 8 0 k P a ) ， 设 定值越低， 调速后工作点的扬程越低( 该工作点的 流量与高设定值时相同) ， 其效率越高， 转速越低， 调速范围也越大， 节能效果越显著。但设定值过低 很有可能会导致最远端用户的资用压头不够。因 此， 在设计变流量系统时， 应根据系统的具体情况 恰当选择设定值。为了保证节能效果， 设定值不能 取得过大; 但是， 为了保证系统的正常运行， 设定值 也不宜取得过小。 形式m水系统二次泵全年能耗的计算过程见 表4 。由于四台水泵的扬程相差不大， 规格也比较 接近， 在计算时假设在每个负荷段四台水泵的效率 相同。 表4 形式皿水系

27、统二次泵全年能耗的计算 单台泵流量 ( k g / h ) 各台二次泵的工作扬程( m ) 泵效率 各台泵的 功率之和( k W) 小时数耗电量 ( k Wh ) ABCD 1 0 3 4 71 3 . 3 1 3. 4 71 3. 61 3. 86 0%2. 81 1 7 73 2 9 5 . 6 1 6 6 0 91 4. 91 5. 11 5 . 4 1 5. 66 5%4. 74 9 52 3 2 6. 5 2 4 6 3 01 6. 71 7. 2 1 7. 81 8. 36 8 %7. 64 2 73 2 4 5 . 2 3 4 5 1 81 91 9 . 72 0. 5 2 1

28、. 27 2%1 1 . 63 6 14 1 8 7 . 6 4 6 3 7 12 3. 7 2 4. 82 5 . 62 6 . 57 4%1 92 8 25 3 5 8 6 0 2 7 92 7 . 82 7. 8 3 3. 43 3. 48 0 %2 7. 82 0 25 6 1 5 . 6 形式m水系统水泵的总耗电量: 2 5 5 5 0 + 2 4 0 2 8 . 5 = 4 9 5 7 8 . 5 k Wh 由表 3 与表 4 计算结果的对比可知， 分散设置的变 速二次泵比集中设置的变速二次泵要节能2 0 . 2 %. 这是因为， 变速二次泵集中设置时， 由于要保证最 远建筑的人口

29、处有足够的压头， 使得靠近制冷站的 全年总耗电量: 2 4 0 2 8 . 5 建筑在大多数时间内压头过剩。图2 表示的是形 式n 水系统的水压分布示意图。从图中可以看出， 住宅A , B , C均有不同程度的压头过剩( 向上的箭 头以上的部分表示剩余的压头) ， 压头过剩的用户 3 6 制冷与空调第 3卷 不得不采用调节阀将大量的剩余压头消耗掉。而 变频二次泵分散设置时则不存在这个问题， 靠近制 冷站的建筑所用水泵的压头刚好克服其内部阻力 和制冷站与该建筑之间的管道阻力。 二 万 三 三 _ _ _ _ J 二几万二札- - - - 图2 形式II水系统的水压分布示意图 取电价为0 . 8

30、5 元/ k Wh ， 则变速二次泵分散设 置的变流量系统相对于定流量一级泵系统每年要 节约电费 5 1 1 0 6元; 若变频器的价格以 1 0 0 0元/ k W计， 水泵的价格以7 0 元/ ( m 3 / h ) 计， 所增加的 变频器及 4台二次泵的投资只需 1 . 5年左右便能 得到回收。由此可见， 变频二次泵分散设置的变流 量系统是一种值得推广的变流量系统形式， 特别是 对集中供冷这样的规模较大的水系统而言。 4 结论 应用本文指出的变流量水系统能耗分析 方法对几种变流量水系统全年能耗进行的分析表 明: ( 1 )由于二通阀调节特性的变化， 变流量系统 的流量并不能在0到 1 0

31、 0 %范围内任意变化， 而是 存在一个流量的下限值。 ( 2 ) 在实际中， 变流量系统的节能效果并不如 水泵定律所示那么显著， 最不利用户处压差设定值 越小， 节能效果越显著。 ( 3 ) 变频二次泵分散设置的变流量系统具有 非常好的节能效果， 建议集中供冷系统采用类似的 水系统形式。需要指出的是， 本文对负荷分布情况 进行了简化， 目的在于使能耗计算更加方便， 通过 定量的能耗分析来说明不同变流量水系统的节能 效果。 参 考 文 献 1 文进希. 关于智能住宅小区的技术. 见: 2 0 0 0 年全国暖通空调计算机应用研讨会论文集. 2 0 0 0 2 潘云钢. 高层民用建筑空调设计.

32、北京: 中国建筑工业出版社， 1 9 9 9 3 陈晓. 住宅小区集中供冷系统的技术及经济性分析: 硕士学位论文 . 长沙: 湖南大学， 2 0 0 2 4 马树连. 风机盘管机组冷、 热量综合表达式与应用. 暖通空调， 1 9 8 8 , 1 8 ( 3 ) . 5 付林， 江亿. 承担冷负荷的热水网水力工况模拟计算及应用. 热能动力工程, 1 9 9 9 , 1 4 ( 5 ) . 6 A S HR A E 1 9 9 7 . A S H R A E Ha n d b o o k -F u n d a me n t a l s . At l a n t a : A S H R A E I

33、n c 7 T a m a m i K u s u d a I I s u S u d , T a g h i A l e r e z a . C o m p a r i s o n o f D O E - 2 - g e n e r a t e d r e s i d e n t i a l d e s i g n e n e r g y b u d g e t s w i t h t h o s e c a l c u - l a t e d b y t h e d e g r e e - d a y a n d B I N m e t h o d s . A S H R A E T r a n s , C H - 8 1 - 3 . 8 施俊良. 调节阀的选择. 北京: 中国建筑工业出版社， 1 9 8 6 9 秦绪忠， 江亿. 区域供热供冷输配系统的能耗分析与评价. 第十一届全国暖通空调技术信息网大会论文集. 北京: 中国 建筑工业出版社， 2 0 0 1 1 0 J a me s B . R i s h e l . HV A C p u mp h a n d b o o k . Mc G r a w - Hi l l I n c , 1 9 8 8 .