区域供能系统耗电输冷热比计算的分析与探讨

李辉 汤小亮 邹松 陈焰华 金碧辉 邱雅凡

1 武汉市建筑节能办公室

2 中信建筑设计研究总院有限公司

0 引言

近年来，随着我国城镇化的快速发展，单个项目达到五十万平方米乃至一百多万平方米的建筑群不断涌现，为了实现区域能源的高效集约利用，区域供冷供热系统在工程项目中得到了越来越多的应用，大型的供冷供热系统不仅使得空调水管网和输送动力系统变得更复杂，空调冷热水输送系统的能耗也变得越高。据相关项目测试研究，办公大楼的空调水系统能耗占到了空调总能耗的25%以上[1]。可见，如何合理设计一个大型区域空调水系统，并准确计算其耗电输冷热比，使其满足相应设计标准和规范的要求显得尤为重要。

本文结合武汉某示范基地项目的暖通空调设计实例及《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）[2]和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）[3]中有关空调水系统的耗电输冷热比计算方法，研究和分析该计算方法在区域供冷供热空调水系统中存在的疑点和难点，并探讨计算方法的可改进和优化之处，以供类似区域供冷供热系统在空调水系统节能设计时参考和借鉴。

1 耗电输冷热比的定义及计算方法

1.1 耗电输冷热比的定义

根据文献[4]，空调冷热水系统耗电输冷热比的定义是：空调冷热水系统的输送单位能量所需要功耗。

根据文献[2]和文献[3]中的“术语”描述可知，空调冷热水系统的耗电输冷热比即是：在设计工况下，空调冷热水系统循环水泵总功耗（kW）与设计冷热负荷（kW）的比值。

1.2 耗电书冷热比的计算方法

根据文献[2]第4.3.9 条和文献[3]第8.5.12 条可知，在选配空调冷热水系统的循环水泵时，应计算循环水泵的耗电输冷热比EC（H）R，并应标注在施工图的设计说明中。耗电输冷热比应符合下式要求：

EC(H)R=0.003096Σ(G·H/ηb)/ΣQ≤A(B+αΣL)/△T（1）式中：EC (H)R 为循环水泵的耗电输冷热比；G 为每台运行水泵的设计流量，m3/h；H 为每台运行水泵对应的设计扬程，m；ηb为每台运行水泵对应设计工作点的效率；Q 为设计冷（热）负荷，kW；△T 为规定的计算供回水温差，℃；A 为与水泵流量有关的计算系数；B 为与机房及用户的水阻力有关的计算系数；α 为与ΣL 有关的计算系数；ΣL 为从冷热机房至该系统最远用户的供回水管道的总输送长度，m；当管道设于大面积单层或多层建筑时，可按机房出口至最远端空调末端的管道长度减去100 m 确定。

2 区域供冷供热系统的耗电输冷热比计算实例

2.1 项目概况

项目位于武汉市东西湖区，建设范围包括网络学院，培训中心及研究院，总建筑面积约64 万m2。建筑功能以教学，办公及学院公寓为主，项目设计集中能源站进行区域供冷供热，集中能源站设于项目中间的集中公共绿化带范围内，详见图1。夏季空调总冷负荷为70400 kW，冬季空调总热负荷为44800 kW，考虑教学，办公与公寓存在错峰运行的特点，项目夏季供冷总装机容量为45760 kW，冬季供热总装机容量为29120 kW。冷源采用5 台制冷量为7700 kW+2 台3850 kW 的水冷离心式冷水机组，热源采用5 台5600 kW 的燃气热水锅炉（另设有3 台5600 kW 的双盘管燃气热水锅炉供卫生热水和空调供热极端高峰时调剂使用）。

图1 项目平面布局及能源站区位

2.2 空调水系统设计方案

空调冷热水系统水管共用，供冷供热循环水泵分别设置变频水泵，采用二次泵变流量系统，近端（研究院、培训中心一期）采用一次泵直接供水，远端（培训中心二期、网络学院）根据末端阻力情况就近设置二次泵系统。夏季供冷按大温差空调系统设计，夏季空调供回水温度为5/13 ℃。冬季空调供回水温度为62/50 ℃。由于空调水系统输送距离较长，考虑到管路温升（降）因素，空调系统末端夏季供回水温度取5.5/12.5 ℃，冬季供回水温度取61/51 ℃。整个系统一、二次泵的具体设计情况如表1 所示，空调供回水管道的总输送长度为2500 m。

表1 空调水泵设计参数表

2.3 耗电输冷热比计算

根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中有关耗电供冷热比的定义和计算公式，按设计总冷热负荷70400 kW/44800 kW 及夏热冬冷地区规定的供回水温差5 ℃（冷水）/10 ℃（热水）进行计算可得：

项目循环水泵耗电输冷比设计值ECR=0.01665，夏季耗电输冷比限值为0.05246。耗电输热比设计值ECR=0.00626，冬季耗电输热比限值为0.01108。均需要满足规范要求，耗电输冷热比设计值均远小于限值要求。

但根据寿炜炜等关于空调水系统耗电输冷（热）比编制情况介绍一文，计算耗电输冷（热）比应按每小时被输送的冷（热）量的耗电量来进行[4]。笔者也认为按照按此定义来进行计算更为合理。即式1 中的设计冷热负荷按装机负荷45760 kW/29120 kW 进行计算可得：

项目循环水泵耗电输冷比设计值ECR=0.02562，夏季耗电输冷比限值为0.05246。耗电输热比设计值ECR=0.00963，冬季耗电输热比限值为0.01108。均满足规范要求，冬季耗电输热比设计值与限值差值较小，但夏季耗电输冷比设计值仍远小于限值要求，存在限值过大的问题。

3 计算结果分析

3.1 规范计算方法适应区域供冷供热系统耗电输冷热比的计算

《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中的计算方法由于拓展了对多级泵系统，更长管道范围及更自由供回水温差的计算，其适用范围更广泛，能对大规模建筑群的集中区域供冷供热系统进行耗电输冷热比验算及相应的节能设计控制。

3.2 耗电输冷热比及相关参数的定义有待商榷

两项标准/规范中对空调水系统耗电输冷（热）比的定义均为：在设计工况下，空调冷热水系统循环水泵总功耗（kW）与设计冷热负荷（kW）的比值，且式（1）中Q 为设计冷（热）负荷。但对于区域供冷供热系统，通常存在错峰运行和实际装机容量考虑同时使用系数的问题，即冷热源和空调水系统循环水泵的选配规模均会有所缩小，此时，如仍按照设计总冷（热）负荷进行空调水系统耗电输冷（热）比的计算，则式（1）左侧分子与分母不匹配，设计计算值明显偏小。同时，由于水泵在设计选型时会考虑10%～20%的附加安全余量，也会导致式（1）左侧分子与分母不匹配的问题。因此，笔者认为空调冷热水系统耗电输冷热比的定义采用空调冷热水系统输送单位冷（热）量所需要的耗功率更为准确，且式（1）中Q 应定义为空调水系统单位时间输送的冷（热）量，kW。这样，式（1）中左侧的计算值才能真正反映空调水系统的输送能效。

3.3 规定的供回水温差取值有待进一步扩展延伸

《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中对供回水温差的常规取值和热泵供应热水、高温冷水机组提供冷水等特殊情况下的取值做出了说明，《公共建筑节能设计标准》实施指南[5]对相应参数的确定也做了详细说明。但对于区域供冷供热这类存在大温差情况下的取值未做说明，特别是一次供水和二次供水温差不同的情况。根据本项目实例计算可知，如项目供冷采用了7～8 ℃的大温差设计，而温差仍按标准/规范中的5 ℃进行取值，即使空调水泵效率均降低至60%以下，空调水系统耗电输冷热比的设计值仍然满足规范限值的要求。这样容易让设计人员认为：对于大温差系统，水泵的节能设计可以放松要求。因此，笔者认为，对于大温差供水系统，供回水温差应按照实际参数确定，如一次供水和二次供水温差不同，则可取两个温差的算术平均值。本项目实例如按此方法进行夏季供回水温差取值，则夏季耗电输冷比限值会降低至0.03497，将会对水泵效率形成一定的约束。

4 结语

《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）对空调供水半径大、采用多级泵系统的大型复杂工程具备基本的适应性。由于采用区域供冷供热的集中能源系统在进行冷热源配置选型时存在考虑同时使用系数，夏季供冷考虑大温差供水及水泵选型时有考虑附加安全余量等情况，因此，建议对标准/规范中耗电输冷热比及相关参数的定义进行合理修正，以便于真实反映空调水系统的输送能效。进一步扩展延伸关于供回水温差的取值说明（对于大温差供水系统，供回水温差应按照实际参数确定），虽然冷水系统不低于5 ℃的温差是必需和能够实现的，但也应考虑大于5 ℃的温差导致计算出的限值过大，进而可能影响对水泵效率约束的问题。