某产业园区分布式供冷输配系统设计

西安市建筑设计研究院有限公司 徐 瑞 吕砚昭 唐 燕

陕西泽华实业有限公司 徐 哲

0 引言

早在20世纪90年代，Green通过测试发现，在空调冷水系统中用户末端处以变频泵或三速泵代替流量调节阀有较好的节能效果[1]。进入21世纪以后，Paarpon利用算例验证了用户处使用变频泵进行调节的新系统相较于传统使用调节阀的系统具有节能性[2]。Taylor通过对比一二级变频泵系统与一级泵系统的运行特性和运行费用，发现一二级变频泵系统两方面都具有优异的表现[3]。这些关于分布式输配系统概念的提出及应用和研究，主要集中在空调冷水系统方面。

分布式供热输配系统在国内的研究和应用已相当广泛，而有关供冷系统的应用则寥寥无几，本文以某产业园分布式供冷输配系统为例，介绍空调水系统中分布式供冷输配系统最优温差的选取，冷源泵、沿程泵、用户泵的设置，供同行参考。

1 工程概述

该工程位于陕西省西咸新区，项目总用地12.3万m2，总建筑面积35万m2，整个园区分为5个功能区，分别为高层办公区、低密度多层办公区、综合配套区、酒店区及厂房区，定位为以人为本、资源开放、人人创客的生态智慧型产业园区。

该项目的分布式供冷输配系统是在原设计的基础上，结合项目具体的销售情况及用户需求，根据能源需求侧(即末端系统分区)对能源供给侧进行需求量的二次计算校核及在末端系统的功能分区确定后的系统深化配置。园区要求系统24 h供冷供热，根据需求侧实施对管网的冷热量量化分配及输送，以降低系统运行能耗，并且对能源实施集约化管理。

2 输配系统设计

2.1 冷源设计

冷源机房位于7号楼地下室，靠近负荷中心(见图1)，集中供冷半径约为370 m，供冷半径较大；原设计采用集中式输配系统，循环泵设置在热源处，其扬程按最远端环路的阻力损失确定，在运行中必然会出现管网近端用户资用压力过大、远端用户资用压力过小，管网系统水力失调，导致系统前端用户过度供冷、系统后端用户欠供冷的情况。而采用各种调节阀节流的方式来消除近端用户的多余资用压力，会产生无功电耗，不仅使管网输送效率降低，而且用户的舒适性无法得到满足，直接影响供冷效果。

图1 冷源机房位置示意图

冷源选用3台水冷离心式冷水机组，4台冷水泵(三用一备)，另外单独配置1台冷水低载泵，与冷负荷变化相适应，满足低负荷的使用需求；选用3台冷却塔与冷水机组一一匹配，4台冷却水泵(三用一备)，设于7号楼屋面;冷源机房主要设备参数见表1。

表1 冷源机房主要设备

采用分布式供冷输配系统(见图2)，在冷源机房处设置冷水泵，借用每一个建筑单体的热计量间分别设置与冷源串联的用户泵房，冷源机房外设置平衡管；冷水泵承担冷源内的循环和零压差点以前的管网循环；沿程泵承担零压差点以后管网的循环，用户泵承担用户内循环。以泵代阀，无功电耗极少，可获得更高的输送效率，从本质上解决了水力平衡问题，保证了系统的水力稳定性。

图2 分布式供冷输配系统流程示意图

2.2 输配管网系统设计

该工程输配管网采用合理大温差，在各建筑单体的用户泵房处分别设置沿程泵和用户泵，沿程泵承担零压差点以后的管网循环；水泵变频运行，减少系统的无功电耗，获得更高的输送效率；系统大温差、小流量运行，大量减少管网投资，节省了输送费用，真正达到了节能、高效的目的。

2.3 用户泵房设计

用户泵设于各单体原有热计量间内，不用额外增加建筑面积；与室外供冷管网混水连接，承担单体建筑内的循环；每个用户按需从管网提取冷量，即通过调节分布式用户变频水泵的转速来改变管网的流通率从而改变管网阻力来完成。

用户泵房主要设备参数见表2。

表2 各建筑单体用户泵房主要设备参数

2.4 自动控制系统设计

由冷源机房群控部分和若干个用户泵房分控站部分构成分散控制集中管理(DCS)系统，实现系统的最大节能运行控制。

根据室外气象参数，通过配合管网供水温度设定点调节用户侧温度设定点，改变冷水泵的转速，达到改变管网水流量的目的；通过支管供回水温差设定点调节，并配合沿程泵的转速控制，合理配置用户侧冷量输送，最终实现按需取能，达到降低能源消耗的控制目的。

3 确定最优工况

在分布式供冷输配系统中，随着冷源侧冷水温差的增大，输配系统的功耗显著降低，随之带来了制冷机功耗的相应增加，因此，通过对多种工况下的制冷机、输配管网、用户装置功耗综合对比分析，以确定全系统的最优运行工况。

该工程分布式供冷输配系统工况的建立与分析相对于原设计(冷源侧、用户侧供/回水温度均为7 ℃/12 ℃的集中式供冷输配系统)，其管网的布置与管径完全相同。分布式供冷输配系统冷源侧冷水供/回水温度分别采用7 ℃/12 ℃、6 ℃/12 ℃、5 ℃/12 ℃、5 ℃/13 ℃、5 ℃/14 ℃、5 ℃/15 ℃、5 ℃/16 ℃、5 ℃/17 ℃，用户侧冷水供/回水温度分别采用7 ℃/12 ℃、7 ℃/12 ℃、6 ℃/12 ℃、7 ℃/13 ℃、8 ℃/14 ℃、9 ℃/15 ℃、10 ℃/16 ℃、11 ℃/17 ℃模型进行计算分析。原设计的集中式供冷输配系统功耗见表3，不同工况的分布式供冷输配系统功耗和节电率见表4、5。

表3 原设计集中式供冷输配系统功耗

表4 分布式供冷输配系统功耗对比

表5 分布式供冷输配系统节电率

从表4可以看出：采用分布式供冷输配系统，输配系统的功耗随着冷水温差的增大而降低；回水温度为12 ℃时，制冷机的功耗随着冷水温差增大而增大；供水温度为5 ℃时，制冷机的功耗随着冷水温差增大而减小。因此，该工程冷源侧冷水供/回水温度采用5 ℃/14 ℃、温差为9 ℃的合理大温差，用户侧风机盘管系统冷水供/回水温度采用8 ℃/14 ℃，温差为6 ℃[4]，可以达到制冷机和输配系统全系统综合功耗最低的效果。

4 结语

1) 在空调系统设计中，分布式供冷输配系统的功耗随着管网冷水温差的增大而降低，而制冷机的功耗相应增加。因此，分布式输配系统的节能性采用输配系统和制冷机的全系统综合功耗来评价。

2) 采用分布式供冷输配系统，以泵代阀的方式有效地解决了水力平衡问题，保证了系统的水力稳定性，达到了节能的目的。

3) 基于全空调系统的功耗，分布式供冷输配系统适用于6 ℃及以上温差的末端用户，不适用于6 ℃以下小温差辐射供冷系统。