区域供冷系统能效理论与实测研究

郭春梅，楚尚玲，由玉文

（天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384）

伴随着城市区域内建筑密度和负荷的增大，产生了对于区域能源设备和能源供应实现集约化管理的需求，因而许多学者对其进行了大量研究.日本东京晴海Triton广场工程[1]是采用热泵结合蓄能与常规空调系统联合为建筑供冷供热，年平均电力能效COP值约为3.13，一次能源效率达到1.19；日本调布市市政厅办公楼[2]是采用风冷热泵+冰蓄冷系统，用高效的热泵代替燃气为热源的吸收式冷水机组，热源部分的改造实现了40%的CO2减排量；北京中关村西区制冷站[3]是采用带蓄冰的电力压缩式制冷机组作为冷源，该项目的名义满负荷系统COP为4.08；南京鼓楼高新技术产业园区[4]区域内，采用以长江水为冷热源的地表水地源热泵空调系统，预计系统满负荷COP为4.03；北京大红门服装城[5]及果品仓储用房、配送中心[6]空调均采用水源热泵+冰蓄冷系统，系统设计配置三工况热泵机组，对复合式系统运行费用和一次能节约率进行研究，表明采用该系统经济性良好.鱼晟睿等[7]基于对区域供冷系统的实测性能数据曲线，分析了不同类别的冷水机组在各个影响因素及变工况下的能效比；周欣等[8]通过实测数据，结合模拟手段，研究发现用户的空调使用方式将极大地影响区域供冷系统的能耗及能效情况；樊瑛等[9]在对上海某商业中心区域供冷系统能效模拟分析的基础上，结合了对系统效的分析，对不同形式的区域供冷系统进行研究.在上海世博园[10～12]也建有区域能源站，目前还未见该项目的运行情况的报道.

目前的研究中大多都是给出名义满负荷下的区域供冷系统的能效比，但是在实际工程的运行中，大部分时间段是在部分负荷情况下运行的，其他均以运行费用的高低来判断系统的节能性和经济性，缺乏对系统能效直观的表示方式.本文以天津某区域能源站及其所服务的建筑群为研究对象，对系统逐时能效进行理论计算，并对该系统在运行初期进行能效实测，以期为区域供冷系统节能运行打下基础，也为其他区域供冷系统设计提供参考和借鉴.

1 实测案例概况

天津文化中心区域供冷工程位于天津市河西区，按照区域地址分为三个能源站：北区能源站、西区能源站和南区能源站.本文研究的区域供冷系统针对南区能源站，南区能源站的建筑群包括天津博物馆、天津大剧院、天津老博物馆、天津图书馆与控制中心，总建筑面积253 490 m2，最大供冷半径为500 m.其冷源采用的是冰蓄冷+地源热泵系统，该系统有2台螺杆地源热泵机组，作为基载机；4台三工况离心式地源热泵机组作为制冷主机，在制冷空调季电力高峰时段制冷，在电力低谷时段主机蓄冰.整个系统在一个工作日周期内分为 4 个时段：①23：00—7：00，主机蓄冷，当夜间建筑有少量冷负荷时，开启基载机供冷；②7：00—8：00，基载机单独运行，主机不制冰；③8：00—18：00，采用负荷预测的融冰优先控制策略，根据负荷预测的结果，制冷机组和融冰装置联合供冷，制冷机组运行有两种方式，开启运行即保持满负荷运行，或者关闭；④18：00—23：00，根据当天负荷情况以及剩余冰量情况，决定最后5小时的运行工况，在满足负荷需求的情况下，冰蓄冷系统须融冰完全.

主机、基载机系统运行流程见图1-2.

图1 三工况主机系统流程

图2 双工况基载机系统流程

2 系统负荷数值模型的建立与能效计算

2.1 系统负荷数值模拟模型的建立

负荷数值模型的建立以建筑模型TRNbuilt为基础，在建立建筑模型之后，把建筑模型导入到Simulation studio之中，可以和气象参数模块以及干、湿球计算温度模块等连接，建筑负荷模型中输入默认的为外界给定的各种气象参数条件，如果需要对建筑负荷模块进行控制，则需要人为地再进行输入模块的设定.冷负荷计算模型如图3所示.

图3 冷负荷计算模型

2.2 系统能效与部分负荷能效的计算

2.2.1 系统能效计算

EER指制冷系统运行时供给的冷量与整个系统运行时功耗的比值，为评价系统运行是否高效和节能的标准.一般认为，区域供冷系统中能耗包括了制冷站内部和输配系统的能耗，并不考虑用户末端能耗，则以地源热泵与冰蓄冷为冷源的区域供冷系统的能效比为

式中：EER为整个系统的能效比；Q为系统的制冷量；W为系统总耗电量.

2.2.2 部分负荷能效计算

区域供冷系统和其他空调系统一样，大部分时间段均处在部分负荷下运行.部分负荷的系统能效是指系统在部分时段输送的冷量与系统在部分负荷时所使用的设备（制冷设备和输配设备，包括制冷主机、冷冻水泵、地源侧水泵、溶液泵、融冰泵、冷却塔等）的用电量之间的比值.区域供冷系统在部分负荷下运行是否高效是整个系统在运行的周期内是否节能的关键因素.

系统运行时部分负荷率为系统运行的逐时冷负荷与设计日最大负荷的比值

式中：QX为运行时系统的部分负荷；Q为设计日最大负荷.区域供冷部分负荷下，系统设备功耗和系统的能效分别为

式中：W为部分负荷率X时，整个系统的总耗电量；WX1、WX2、WX3、WX4分别为部分负荷率 X 时制冷机组、冷冻水泵、地源侧水泵以及溶液泵和融冰泵的耗电量；EERX为部分负荷率X时的系统能效；Q1、Q2分别为部分负荷率X时冷冻水温升造成的冷量损失和冷冻水管道在部分负荷下的冷量损失.

3 区域供冷系统能效理论与实测结果分析

3.1 系统冷负荷数值模拟结果与分析

利用TRNSYS模拟建筑群全年、设计日逐时冷负荷见图4-5，以此为系统能效分析奠定基础，进而为系统运行状态及设备的选择提供相应的依据.

图4 能源站建筑群年逐时冷负荷

图5 设计日逐时冷负荷分布

从图4可以看出：在供冷季节，随着室外气象参数的变化，冷负荷的波动较大，且绝大部分时刻处于部分负荷，各部分负荷率区间所占时间比例如表1所示.由表1可知，部分负荷率区间40%～60%占时间比例最大，为46.52%；部分负荷率区间80%～100%占时间比例最小，只占4.48%.

表1 负荷率分布表%

图5是根据设计日气象参数得出的设计日逐时冷负荷.由图5可见：早上8：00人员开始进入，为了消除夜间积蓄的热量，冷负荷在此时突然增大；随着时间的推移，冷负荷增加速率逐渐减缓，在16：00左右，由于此时人流密度达到峰值，建筑日照得热量达到最大值，建筑围护结构传热的延迟导致此时传热量达到最大值，新风负荷较大等多重原因共同作用，致使此时达到夏季设计日逐时冷负荷峰值；20：00以后随着场馆陆续关闭，人流量减小，负荷逐渐减小；23：00—7：00由于博物馆和图书馆要求室内处于恒温恒湿的状态，室内开启空调，有一定负荷存在.

3.2 不同负荷率下系统能效理论计算结果与分析

在不同的负荷条件下，系统的运行工况不同，其融冰策略和机组配置不同，系统的能效也有明显的不同.根据式（4）结合工程运行的工况情况和控制策略，计算出不同控制策略下的系统逐时能效值，如图6所示.

图6 不同设计日负荷率下的系统逐时能效比

3.2.1 全天能效值分析

以一天为周期，结合天津电网的峰谷差价，见表2，100%、75%、50%、25%设计日负荷下，能源站单位时间（h）单位供冷量（kW）所需要的运行费用分别为0.223元、0.212元、0.184元、0.150元；由总负荷和总耗电量，计算出100%、75%、50%、25%设计日负荷的系统平均能效值分别为 3.69、3.46、3.38、3.01，见表 3.冰蓄冷系统由于蒸发温度降低，导致主机制冷系数比常规系统低，而且在制冰和融冰的过程中有一定的水泵功耗和融冰板式换热器在换热中的冷损失，导致系统的效率比常规的系统低很多.如本系统中，25%设计日负荷系统能效值比100%设计日负荷系统能效值低18%.系统随着负荷率的降低，冰蓄冷融冰量所占系统比例越来越大，系统能效值越来越低，但运行费用也不断降低.可见对于冰蓄冷系统为冷源的区域供冷系统，不能单纯以能效作为系统评价指标，须辅助以系统的经济性来评价整个系统.

表2 天津地区峰谷电价

表3 部分负荷运行能效值及费用

3.2.2 不同负荷率下能效值的分析

由上述图6可以看出：每条曲线的趋势都是在23：00—7：00这段时间的能效值最高；50%设计日负荷时最大，能效值为4.65；在25%设计日负荷时最小，能效值为3.7.这段时间为夜间蓄冰，主机单供冷模式（主机蓄冰的能耗折算在融冰系统中），此期间能效值高的主要原因是：系统主机的效率比较高，基载机的供冷能效比主机制冰的能效高（见图7），而且由于机组在部分负荷区间其性能系数（coefficient of performance，简称COP）比满负荷时高，特别与融冰模式相比，主机的COP高34.4%，而这还不包括系统运行时水泵的能耗，主机的性能系数为区域供冷系统能效的核心，基载主机单供冷模式比联合供冷运行模式中的系统能效比高.

部分负荷下，基载机单供冷工况的冷量损失如图8所示.在夜间基载机供冷的过程中，75%设计日负荷工况到25%设计日负荷工况，系统管道冷损失从输配冷量的5%上升到输配冷量的14%，输配相对损失大大增加；当夜间负荷再下降，降到10%以下时，系统的冷量损失将达到40%，系统的能效将降低至2.1.如果区域供冷总负荷比较大，但是负荷不集中，系统的能效将大大降低.

图7 主机与基载机性能曲线

图8 部分负荷下基载机单供冷工况冷量损失

基载机系统（包括基载机、基载机地源热泵、基载机循环水泵）相对于主机系统容量匹配大为降低，这种情况下，系统的能效才相对比较高.如果不设置基载机系统，不仅仅主机系统的COP将大为降低，而且输配系统的损耗也将大大增加，给区域供冷系统能效造成巨大的影响.在100%设计日负荷夜间供冷时，若没有基载机系统，以三工况主机供冷，系统能效比将下降到3.7；在25%设计日负荷时，夜间的运行能效比下降更为严重，能效比仅为2.35，这是由于管道损失太大，主机效率太低的缘故.所以在区域供冷系统中，如果系统的供冷负荷梯度比较大时（系统的总负荷量比较大，但是仍然有较多时刻的小负荷情况出现，比如夜间有一定的负荷等），需要设置相应的基载机系统，防止这些时刻出现效率低下的情况.

图9 实测系统负荷

3.3 系统实测结果与理论计算结果的对比分析

2012-07-30—09-20的系统实测供冷负荷如图9所示.由图9可知：系统负荷范围主要集中在1 500～7 500 kW之间；日最高冷负荷为10 000 kW左右，处于设计日负荷的40%左右；而晚间供冷负荷较大，负荷保持在1 400 kW左右，比设计日晚间负荷还大.白天负荷偏小，晚间负荷偏大，其原因在于原有设计供冷建筑原博物馆（原博物馆沿用原有的中央空调系统）和控制中心没有供冷，这部分负荷占总负荷的25%左右；文化中心建筑群为第一次投入使用，人流量少，导致室内人员负荷和照明负荷降低；机房地下新风机组供冷没有计量，且夏季气温与典型年气象参数相比偏低，如考虑这些因素，则系统运行负荷率会大大提升.可见，区域供冷系统负荷预测的精确性直接决定了系统运行控制策略的准确性，制定更为详细的系统控制策略对于系统节能运行和经济运行尤为重要.

南区能源站夏季系统负荷在25%～40%区间，根据测试结果得出此能源站夏季能效曲线，如图10所示，其能效测试值在2.92～3.2之间，时间加权平均值为3.08；理论计算在25%、40%负荷时的理论能效值分别为3.0、3.32，二者时间加权平均值为3.18.实测结果低于理论计算结果，其偏差为3.3%.偏差产生的原因在于：①机房内新风机组供冷没有计量；②板式换热器没有保温，造成实际换热过程中的冷量损失大于计算值.

图10 南区能源站夏季能效实测曲线

4 结论

（1）对于有少量夜间负荷的区域供冷工程，或者说是在供冷周期中有负荷较小的时段时，需要设置小容量的基载机系统，保持系统的高效.

（2）区域供冷工程 100%、75%、50%、25%设计日负荷的系统能效值分别为 3.69、3.46、3.38、3.01，系统的能效比EER是逐渐降低的，而运行费用也是随着负荷率的下降而减少，可见对于冰蓄冷系统为冷源的区域供冷系统，不能单纯以能效作为系统评价指标，须辅以经济性指标进行评价.

（3）由于没有计量机房新风机组以及板式换热器缺少保温，导致系统能效的实测结果低于理论计算结果，其偏差为3.3%，因此应完善能耗计量系统，做好各设备的保温，提高系统的能效.

参考文献：

[1]MURAKAMI S，LEVINE M D，YOSHINO H，et al.Energy consumption，efficiency，conserveation，and greenhouse gas，mitigation in Japanese building sector[D].[S.l.]：Lawrence Berkeley National Laboratory，2006：39-51.

[2]射场本忠彦，百田真史.日本蓄冷（热）空调系统的发展与最新业绩[J].暖通空调，2010，40（6）：13-22.

[3]许文发，赵建成，蔺 洁.区域供冷系统在中关村西区的实际应用[J].建筑科学，2004，20（1）：27-29.

[4]王宇剡，张建忠，黄 虎.南京鼓楼软件园区域供冷供热系统优化[J].暖通空调，2009，39（7）：95-98.

[5]关海霞.冰蓄冷与水源热泵系统设计实例[J].低温工程，2006（4）：59-62.

[6]刘 伟.水源热泵+冰蓄冷技术在项目中的集成应用[J].中国住宅设施，2008（1）：53-55.

[7]鱼晟睿，李安桂，高 然，等.区域供冷系统冷水机组的最佳运行工况区间和性能研究[J].暖通空调，2015，45（8）：84-89.

[8]周 欣，燕 达，邓光蔚，等.区域供冷系统中人员用能行为的影响[J].建筑科学，2015，31（10）：85-93.

[10]冯小平.上海世博园区域供冷系统管网优化设计研究[D].上海：同济大学，2007.

[11]张 思，柱龙惟，定杨俊.上海世博园蓄冰式区域供冷系统技术经济性研究[C]//中国制冷学会.上海市制冷学会2007年学术年会论文集.上海：中国制冷学会，2007：212-214.

[12]龙惟定，马宏权，梁 浩，等.上海世博区能源规划：回顾与反思[J].暖通空调，2010，40（8）：61-70.