区域供冷系统节能研究
深圳市建筑设计研究总院有限公司 吴延奎 朱树园
【摘 要】分析了目前区域供冷系统的优缺点，针对区域供冷系统的不足给出了合理化的建议，阐述了多源温湿度解耦智能空调系统运用在区域供冷系统的可行性和经济性进行。
【关键词】区域供冷 系统节能 大温差
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
随着经济发展和节能政策的推动，区域供冷在国内很多城市（北京、天津、上海、南京、广州、深圳、珠海、海南、重庆等地）[1~16]得到大规模的推广和运用，然而区域供冷是否节能，尚未形成统一的认识。支持者认为节能的理由：1）区域供冷可以利用空调同时使用系数降低冷源和配电系统容量；2）可以集中配置更高效、环保的大型制冷设备；3）可以通过专业化的管理逐步实现供冷的产业化、商业化和市场化，利用市场手段调节需求和配置资源，避免传统福利供冷造成的浪费；4）可以利用低位能源或废热；5）可利用蓄冷技术和低温供冷技术提高供回水差，实现电力的移峰填谷，同时降低空调系统运行费用。反对者的理由包括：1）区域供冷管网的冷水供回水温差小于集中供热，输送功耗和冷量损失相对更高，而大型制冷设备的效率提升有限，不足以弥补输配管网能耗的增加；2）供冷的部分负荷时段的比例多于供暖，系统长期运行于较低负荷下，降低了系统效率；3）大输配管网所需的水泵功耗不但减低系统效率，而且水泵散热还将导致管网水温升高，减少有效输冷量[3][7][13][16]。
文献[6]、[18]认为区域能源系统有一定的节能减排效果，但区域供冷的推广和运用应结合项目自身情况，在满足廉价的天然冷源，尽可能短的管线，尽可能大的供回水温差，尽可能小的流量，配合好的控制系统和能量回收措施，真正做到节能的前提下才适用;文献[7~8]认为区域供冷较适宜在供冷密度高的商业建筑群或使用交错的复核建筑群，不适合在居住建筑中使用;文献[13]认为应针对具体工程条件，综合进行动态模拟、运行费用预测和全寿命周期评价后确定；文献[17]不建议大规模推行区域供冷系统。
针对这些问题，笔者发现，供回水温差是区域供冷系统是否节能最关键的因素之一，目前由于空调末端用户普遍使用的供回水温度是7/12℃，区域供冷与空调末端用户采用板换间接连接，此时一次侧的回水温度最大只能是11℃，8~10℃的供回水温差是目前区域供冷系统设计常采用的参数。那么如何才能进一步提高区域供冷系统的供回水温差呢？笔者经过大量的分析和研究发现，当用户空调系统采用温湿度独立控制系统并加以改进时[19]（定义为多源温湿度解耦智能空调系统）,可实现最大供回水温差18℃供水。
1 系统节能研究
多源温湿度解耦智能空调系统，是从温湿度独立控制出发，利用蓄冷技术，充分挖掘不同梯次冷源的优势，以保证室内空气品质为原则，改变传统空调系统以固定室内设计状态点不变的设计思路，以控制室内状态点在舒适区为目的，实现温湿度解耦的节能动态空调系统。
1.1 系统介绍
多源温湿度解耦智能空调系统制冷原理图详见图1，制冷系统一次侧包括：冷却塔、冷却水泵、高温双工况主机、常温双工况主机、乙二醇泵、蓄冰槽、双工况板换；二次侧包括板换一次泵、二次泵、用户板换、高温末端、低温末端。
一次侧供回水温度：1/19℃，二次侧供回水温度：2/20℃。
白天运行模式：
一次侧：经过双工况板换的乙二醇回水温度为19℃，先进入高温双工况主机降温至11℃，然后进入常温双工况主机继续降温至6℃，再进入蓄冰槽降温至1℃，进入双工况板换与二次侧进行热交换。
二次侧：经过双工况板换的冷水供水温度为2℃，先进入用户低温板换换热升温至8℃左右，再进入用户高温换热升温至20℃，经过板换一级泵回到双工况板换与一次侧进行热交换。
低温末端供回水温度为3/16℃，高温末端供回水温度为16/21℃，具体介绍详见文献[19]。
夜间运行模式：
一次侧：出蓄冰槽的乙二醇水溶液温度为-2℃，分别进入高温双工况主机和常温双工况主机降温至-5.6℃，再进入蓄冰槽升温至-2℃循环完成夜间蓄冰。
不考虑夜间供冷。
图1 系统制冷原理图
1.2 节能理论分析
以1KW冷量为例，进行制冷能耗和水系统输送能耗的简单计算，计算方法详见文献[20]。
1.2.1 制冷能耗
(1)
采用公式（1）计算得出常规蓄冰系统和温湿度解耦系统的制冷能耗详见表1，主机的COP值为厂家设备选型软件得到的参数。从表1可以看出，温湿度解耦系统的制冷能耗与常规蓄冰系统相比节能率为24.15%。
表1 两种空调系统的制冷能耗
注：1、蓄冰率均取30%。
1.2.2水系统输送能耗
EC(H)R-a≤A(B+αΣL)/ΔT (2)
常规蓄冰系统，供回水温差取10℃，温湿度解耦系统供回水温差取18℃，A取0.003858，B取28，α取0.0153， ΣL取2000，采用公式（2）计算得出常规蓄冰系统和温湿度解耦系统的水系统输送能耗详见表2，从表2可以看出，温湿度解耦系统的水系统输送能耗与常规蓄冰系统相比节能率为44.44%。
表2 两种空调系统的水系统输送能耗
注：未计入冷却塔和冷却水泵能耗。
1.2.3 机房能耗
W机=W冷+W水 （3）
采用公式（3）计算得出常规蓄冰系统和温湿度解耦系统的机房能耗详见表3，从表3可以看出，温湿度解耦系统的机房能耗与常规蓄冰系统相比节能率为22.17%。
表3 两种空调系统的机房能耗
注：水系统能耗中未计入冷却水泵和冷却塔的能耗，两种系统的冷却塔和冷却水泵能耗相差不大，温湿度解耦系统略低；如计入冷却塔和冷却水泵能耗，温湿度解耦系统机房能耗节约总量略有增加，节能率略有降低。
2 案例分析
以深圳某冷站为例，对原制冷系统和温湿度解耦系统进行节能和经济分析。
2.1 深圳某冷站概况
冷站冷源总设计冷负荷为45740RT。2#冷站采用冰蓄冷、大温差输送技术（2.5/12.5℃），总设计装机容量为31200RT（空调工况），总供冷能力46000RT。项目分两期建设。
表4 2#冷站装机容量和供冷能力
一期全年空调冷负荷详见图2 和表5.
图2 一期逐月冷负荷
表5 一期全年冷负荷表
注：1、全年总负荷计算采用鸿业HY-EP5.0软件计算。2、室内参数全年不变化
2.2 冷站一期原空调系统方案
2.2.1冷站一期原系统原理图 冷站一期系统原理图详见图3，冷站供回水温度2/12.5℃，供回水温差为10℃，采用主机上游串联系统，融冰方式采用外融冰，二级泵分根设置4组水泵，以应对不同负荷情况。
图3 一期原系统原理图
2.2.2 冷站一期原设备表
表6 一期原设备表
2.2.3 冷站一期原空调系统计算能耗（kw）
采用文献[20]中的计算方法，进行空调系统全年能耗计算，具体值详见表7。
从表中可以看出，制冷能耗占比为64.69%，水系统输送能耗占比为35.31%。
表7 一期空调原系统计算能耗值
2.2.4 冷站一期原空调系统运行费用（元）
将表7的空调系统全年能耗乘以各时段的电价可得出空调原系统的运行费用，具体值详见表8。从表中可以看出，制冷运行费占比约为60%，水系统输送能耗占比约为40%。
表8 一期空调原系统运行费用
注：1）峰值电价取0.99元/(kW﹒h)，平期电价取0.66元/(kW﹒h)，谷期电价取0.1977元/(kW﹒h)。
2.3 冷站温湿度解耦空调系统设计方案
2.3.1 冷站一期温湿度解耦系统原理图
冷站一期温湿度解耦系统原理图详见图4，冷站供回水温度2/20℃，供回水温差为18℃，采用主机上游三级串联系统，融冰方式采用内融冰。
图4 一期温湿度解耦系统原理图
2.3.2 冷站一期温湿度解耦系统设备表
表9 一期温湿度解耦系统设备表
2.3.3 冷站温湿度解耦系统空调能耗（kw）----节费模式
表10 一期温湿度解耦系统计算能耗值
2.3.4 冷站温湿度解耦系统空调运行费用（元）----节费模式
表11 一期温湿度解耦系统运行费用
注：1）峰值电价取0.99元/(kW﹒h)，平期电价取0.66元/(kW﹒h)，谷期电价取0.1977元/(kW﹒h)。
2.3.5 冷站温湿度解耦系统空调能耗（kw）----节能模式
表12 一期温湿度解耦系统计算能耗值
2.3.6 冷站温湿度解耦系统空调运行费用（元）----节能模式
表13 一期温湿度解耦系统运行费用
注：电价按峰:0.99元，平0.66元，谷0.1977元计算。
2.4 节能节费分析
表14 两种空调系统的节能节费率（节费模式）
注：1）峰值电价取0.99元/(kW﹒h)，平期电价取0.66元/(kW﹒h)，谷期电价取0.1977元/(kW﹒h)。
表15 两种空调系统的节能节费率（节能模式）
注：1）峰值电价取0.99元/(kW﹒h)，平期电价取0.66元/(kW﹒h)，谷期电价取0.1977元/(kW﹒h)。
2.5 成本分析（万元）
表16 两种空调系统的成本估算
注：1、外网长度按2000m估算。2、不包括安装费、自控系统费用，仅为主要设备和主材费。 3、成本估算标准详后表，两个系统的取值标准相同。
表17 估算取值标准（元）
注：1、主机包括单工况主机和双工况主机。2、水系统包括水泵和冷却塔。 3、设备管材价格与实际价格可能存在较大差异，成本估算仅供参考。
2.6 结论：
（1）用户空调系统采用温湿度解耦智能系统，可实现区域供冷系统18度大温差供冷。同时为末端提供两种冷源，为现实温湿度独立控制系统创造条件，以提高室内舒适度。
（2）采用温湿度解耦系统，理论上冷站1期可节能22.17%。
（3）采用温湿度解耦系统，以节费模式运行时，冷站1期可比原系统节能27.34%，节费17.78%。
（4）采用温湿度解耦系统，以节能模式运行时，冷站1期可比原系统节能31.28%，节费9.55%。
（5）采用温湿度解耦系统，冷站1期可比原系统节省成本14.2%，约1530万。
3 结语
用户空调系统采用温湿度解耦智能空调系统，可使区域供冷系统的供回水温差比常规系统约大一倍，既提高了主机的运行效率，节约制冷能耗，也降低了管网流量，节约水系统输送能耗，另外，还减少了管网的冷损失，有效解决了区域供冷系统的不足，为区域供冷的推广和使用提供了更优的系统解决方案。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。