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基于负荷特性的区域供冷系统节能性探讨上海交通大学彭友辉连之伟摘要区域供冷技术在国内多个重大项目中得以应用，但是从实际运行效果来看节能性并不理想，造成这种结果的原因可以很大程度上归结于忽视了区域供冷技术的应用必须建立在良好的区域负荷特性基础上。因此，本文通过理论分析区域负荷特性对区域供冷系统能耗的影响，探讨在已有的“供冷半径”概念上提出了区域负荷特性指标这个综合概念，用于评价区域供冷能效以及实现节能性所需具备的负荷特性条件。关键词区域供冷区域负荷特性EER供冷半径区域供冷DCS（DistrictCoolingSystem）是指对一定区域内的建筑群,由一个或几个制冷站集中制取冷水通过区域管网输配到各单体建筑用户内,为用户提供冷量服务的空调冷热源系统。国内在建和已建成的大型项目包括中关村、广州大学城两个单供冷项目,以及上海世博园、大连小平岛和星海湾、南京鼓楼软件园等区域供冷供热项目[1-5]。但是文献[6]指出目前已建成投入运行的DCS运行情况并不理想,多数项目存在售冷价过高的问题,大部分区域供冷系统销售冷价为0.6～1.0元/(kW·h),绝大部分超过0.7元/(kW·h),按当地参考电价与冷价之比得出参考制冷系数COP（CoefficientofPerformance）值在1.0左右,低于家用空调器2.5左右的COP值。面对这样的实际应用效果,不免让人质疑区域供冷的节能价值和应用前景。在不考虑区域供冷对优化城市能源结构和环保等方面的作用,只分析其能效情况可以发现能效高低主要取决于集中冷源可带来的冷源效率提升,同区域输配系统所带来的循环水泵功耗和冷量损失的增加之间的抵消结果。对此,文献[7-8]分别阐述了各自的观点,认为其不节能的理由主要在于受冷负荷特征和供冷技术的限制,系统输配能耗和冷量损失变得很显著,而认为其节能的理由主要在于冷源集中带来的大型化、规模化,以及废热、未利用低品位能源可以集中利用带来的冷源效率提高。文献[8]从设备效率角度通过对主机能效和输配系统损耗等的分析,认为离心式区域供冷系统能效比EER(EnergyEfficiencyRatio)的合理范围为3.06～3.42,高于分体空调和VRF(VariableRefrigerationFlow)系统。既然不是区域供冷技术本身的缺陷,那么国内不成功的区域供冷项目的原因就只能归结于项目自身特点。文献[7]在对比国内区域供冷项目与日本两个案例时,发现国内项目存在容积率低,管网规模大,以及长时间处于低负荷率等问题。上海某住宅小区采用区域供冷供热技术实测数据也证明了住宅用户太分散导致管道长、负荷密度低以及低负荷率等问题，导致了系统长期处于低效状态[9]。可以发现这些影响因素都与供冷区域自身的负荷情况有关,由于DCS由冷源（冷站）、区域输配系统和末端用户3部分组成，因此，可以认定除了冷源和输配技术设备因素外,区域内的负荷情况不理想也会导致区域输配能耗和冷量损失突出,无法体现冷源集中带来的好处。那么什么区域负荷条件下才适合于采用区域供冷呢？针对这个问题本文提出了“区域负荷特性”这个综合概念,通过对区域供冷系统能耗的分析，在区域负荷特性中找出对能效产生关键影响的参数，用于建立评价区域供冷实现节能性所需具备的区域负荷特性指标。在不同冷源和输配系统配置情况下,这些指标对区域供冷能耗和节能性的影响显著性和定量关系,以及采用区域供冷技术实现节能性的适宜范围等问题将另外撰文讨论。1区域负荷特性1.1区域负荷特性指标的提出区域负荷特性指标包括从供冷区域内各用户的分布位置和各用户动态负荷需求,以及各用户综合作用下的区域动态负荷需求中，提炼出一套与区域供冷能耗和节能性密切相关的负荷特性指标用于区域供冷适用性分析。针对区域负荷特性指标概念,国内的研究很少,一般认为区域供冷系统适用于“高负荷密度、高容积率、高负荷率”区域,但是无定量研究,仅少量文献探讨了区域供冷合理的“供冷半径”范围[10-11]。文献[10-11]的研究针对某个特定区域供冷项目案例，该区域的峰值负荷、负荷率等负荷条件作为隐含条件包含在分析中，讨论主要集中在不同管网长短、保温效果以及设计供回水温差等条件下“供冷半径”对输配能耗和冷量损失的影响，以及该供冷区域适宜的供冷半径。这样得出的结论未考虑区域负荷条件对供冷系统能耗和冷量损失的影响，无法全面准确地评价系统的能效，同时分析对象是特定项目案例，通用参考性不强。从工程实际应用角度考虑,区域供冷项目分析时的负荷预测一般只是建立在规划层面上的预测,受未知不确定性因素太多的影响,即使在建筑负荷模拟技术已比较成熟的情况下要得到较为准确的区域负荷情况也非常困难。在区域负荷不能准确预测情况下,通过把区域负荷情况简化成几个对能效和节能性有关键性影响的指标,可以方便工程分析。1.2区域供冷系统能耗和能效特点在区域供冷系统的3个组成部分中,用户表现为区域负荷特性,冷源和输配系统是区域供冷系统的直接能耗部分,最后的节能效果也是由两者抵消作用的结果。由于区域负荷特性是通过作用在冷源和输配技术设备基础上体现其对能耗和节能的影响,所以它必须建立在系统设备配置条件上,以下只针对冷源采用电压缩制冷,水系统采用一次定流量/二次变流量的区域供冷系统进行讨论。区域供冷系统能效比εEER可以由（1）式表述。chillermeanfrees_losst_lossheatEERsourtransWCOPQQQQQ（1）其中:Q为售冷量，kW·h；W为区域供冷系统总耗电量，kW·h；Wchiller为主机耗电量，kWh；COPmean为平均制冷系数,即主机总的制冷量Qchiller与主机总的电耗Wchiller之比，kW·h/kW·h；Qfree为免费冷量和附加热能（如冷凝余热），kW·h；Qs_loss为冷源内热损失，kW·h;Qt_loss为输配管路散热损失，kW·h；Qheat为水泵散热导致的冷量损失，kW·h；Wsour为冷源总耗电量，kW·h,即为Wchiller与冷源内其他设备（一次定流量泵、冷却塔、冷却水泵等）电耗Wother之和；Wtrans为输配系统总耗电量，kW·h,也即二次变流量循环泵电耗。一般Qheat≈0.8Wtrans,可变换成式（2）:s_losst_losschillerfreetransEERmean()(0.8)QQWQWQCOP（2）从式（2）可以看出，εEER与主机耗电量占总耗电量的比例,平均制冷系数,免费冷能和附加热能与总耗电量的比值,冷源冷量损失与总耗电量的比值,输配系统耗电量占总耗电量的比例,输配管网散热损失与总耗电量的比值有关。在不考虑Qfree和Qt_loss时,按式（2）设COPmean=5.5,在无蓄冷设备时Qs_loss=0.05Wchiller,Wother=0.3Wchiller,当Wchiller,Wtrans,Wother占总耗电的比率分别为50%,35%,15%时,εEER=2.45；当Wchiller,Wtrans,Wother占总耗电的比率分别为60%,22%,18%时,εEER=3.09Qfree可以提高系统能效,Qt_loss/W除与管网配置和保温情况有关,还与负荷率关系密切,一般供冷期内Qt_loss/W可控制在5%以内,保证εEER3.0。从式（2）和上述分析可知,即使是不考虑免费冷量、冷凝热回收和结合热泵区域供热等技术提高区域供冷供热系统整体能效情况,区域供冷系统要具备较高的能效（εEER3.0）也不是不可能。但首先主机具备较高的COPmean或者供冷系统利用大量的天然冷源Qfree,其次区域供冷系统总电耗中主机耗电与二次泵耗电的比值较大,最后控制管网散热和其他设备电耗等。2区域负荷特性对冷源的影响区域供冷系统冷源包括主机（冷水机组或热泵）、蓄冷系统、冷却水系统和一次定流量泵系统。可以从冷源配置的确定和冷源内各耗能设备运行能耗两方面来分析区域负荷特性对COPmean和主机耗电量的影响。冷源配置方面,冷源最大供冷能力受各用户峰值负荷不同步（负荷参差率）和同时使用率的影响,比分散供冷各用户最大供冷能力之和要小。在配置蓄冷装置后,区域冷源装机容量可以在最大供冷能力上进一步减小,而分散供冷各用户装机容量还要考虑1.2左右的安全放大系数,两者的比值变得更小。这样可以提高区域供冷系统的主机利用率和部分负荷率PLR（PartLoadRate）,对COPmean和主机占总耗电的比例都有好处。冷源运行过程中,冷源内各耗能设备中以主机能耗最大,而且其他冷源耗能设备一般与主机存在联动关系,能耗上存在一定的比例关系,所以主要分析主机电耗。主机电耗主要受区域总负荷需求和该工况下COP影响。而某工况下COP一般可以表述为式（3）[12]。chw_spcw_in(,,)COPftt（3）其中:tchw_sp为冷冻水供水温度，℃；tcw_in为冷凝器进水温度，℃；ω为部分负荷率PLR，受该时刻区域负荷率影响下的回水温度影响,由于系统设计阶段机组容量、台数和控制都是充分考虑和优化过的,因此忽略其对PLR的影响。主机总电耗量和COPmean可以表示为式（4）和（5）。meanchillerchillerCOPQW（4）iiiimaxiimeanimaxiiiichw_spcw_ini(,,)iiiiiiQQqRCOPQqRWCOPftt（5）其中:qmax为最大供冷能力，kW；Ri为i工况下区域负荷率；τi为i工况情况下运行时间，h。由式（4）和（5）可以看出，主机总电耗量和COPmean与区域最大供冷能力、区域负荷率,各负荷率下的运行时间以及负荷率影响下的回水温度有关。蓄冷（蓄冰或者蓄水）技术[13]在区域供冷项目中得到广泛采用,它不但可以进一步降低区域供冷冷源主机设备的总装机容量,还可以对电力系统实现“削峰填谷”，利用夜间低谷电价制冷,因此经济和社会价值较大。蓄冷技术主要通过蓄冷工况实际运行COP值、蓄冷量和控制策略等对系统EER产生影响。对能效的影响主要有两方面：一方面由于降低主机出水温度（主要是蓄冰主机出水温度在0℃以下），主机COP会下降,及增加了蓄冷的循环水泵电耗和冷量损失而降低了冷源能效；另一方面蓄冷可以提高主机的运行负荷率,提高主机COP。通过以上分析可以看出，区域负荷特性对冷源部分的影响主要表现在冷源集中可提高单台机组额定制冷量和额定COP,以及降低总装机容量和额定功耗,提高主机的利用率和负荷率。在运行过程中主要通过区域最大供冷能力、区域负荷率、各负荷率下的运行时间来影响冷源运行能耗。在配置蓄冷装置后总装机容量进一步减小,主机利用率和负荷率可进一步提高,但是蓄冷工况COP下降。另外,冷源集中后为满足全体用户的要求,冷源不得不延长供冷时间,有的区域供冷系统甚至需要全年24h运行,而分散供冷各用户可根据需要独立开关,这样带来的问题是区域内各用户实际投入运行的总装机容量（分散供冷的实际总负荷率）某些时段会小于区域冷源装机容量,负荷率也高于区域供冷。因此，为提高冷源规模效应以提高能效,要求区域负荷参差率大、同时使用系数小来减小总装机容量，同时维持区域各用户较高的使用时间一致性来保证实际负荷需求也较高，这样可保证区域负荷率维持在较高水平，系统高效率运行。3区域负荷特性对输配系统的影响区域供冷系统输配系统通过二次循环水泵把冷冻水从冷源输送到各用户,接入方式有多种,一般采用板式换热器间接供冷。从式（2）可知,输配部分的二次泵电耗占总耗电的比例和管网散热冷损与总耗电的比值对EER的影响最大。输配系统采用不同的策略,如采用集中输配或分布输配方式,环状或枝状管网形式都对输配能耗和损失有一定影响,下文只讨论采用枝状管网集中输配方式的情况。各用户负荷特征和分布位置影响管网布置和管径。水泵配置根据最大供冷需求、设计供回水温差和最不利环路压降确定。3.1二次循环水泵运行能耗某工况下水泵运行功率可通过式（6）[14]表示。3pmVFD3.6710GHP（6）其中:P为水泵功率，kW；