区域供冷系统外管网冷量损失分析

深圳市前海能源科技发展有限公司 旷金国 王朝晖 罗曙光

0 引言

国际上，区域供冷系统已有半个世纪的发展，国内区域供冷系统项目也有近20年的经验，尤其是最近几年，国内区域供冷项目呈现快速增长的态势，区域供冷理念也逐渐得到社会的认可，但是围绕区域供冷系统的一些疑问一直存在，区域供冷系统外管网冷损失就是其中一个痛点。外管网指区域制冷站外的管网，是区别于建筑自建制冷机房，额外增加的管道系统。根据文献[1]，日本新宿新都心区域供冷供热(DHC)系统的冷水管道温升达0.8 ℃，冷量损失达到全年售冷量的10%。对区域供冷系统外管网冷损失的分析报道，多以理论分析为主[2-7]，对运行数据的公开报道并不多。一个可能原因是缺乏可靠可行的测量方法。

本文提出外管网输配系统冷损失分析方法，研究外管网冷损失的影响因素，以及外管网实际冷损失对系统能源效率的影响，并结合深圳前海区域供冷系统实际运行情况，对10号站外管网运行数据进行初步分析，希望能对区域供冷系统规划、设计、建设运行提供参考。

1 项目介绍

深圳前海区域供冷规划10个供冷站，总供冷建筑面积1 900万m2，供冷外管网90 km。其中10号站设计供冷建筑面积110万m2，供冷能力7.7万kW，外管网2.2 km，管网路由见图1。该站1期1标段于2019年6月开始投产运行，装机容量9 144 kW，2020年7月1期2标段投产运行，制冷站装机容量达到2.74万kW。

图1 10号站外管网路由

截至2021年7月，制冷站完成1期外管网建设。接入供冷管网用户6家：A、B、C、D、E1/E2、F用户，如图1所示。截至2021年4月，主要用户为A与B用户，入住率均为100%，C与D用户均在小负荷调试阶段。目前C、D、E1/E2、F等用户均已正式运行，预期2022年负荷率增大。本文主要基于对A和B用户供冷管网部分进行分析，管道参数如表1所示。

表1 10号站外管网参数

2 外管网冷损失分析方法

2.1 外管网冷损失机理

10号站外管网均为预制保温管道，在接入用户地块红线前均采用直埋敷设，进入用户地块后，部分采用架空敷设。由于外管网绝大部分均采用直埋敷设，本文将架空部分管道的单位表面积冷损失近似折算成直埋管道单位表面积冷损失。由此，管网冷损失包括两部分，一部分是管道与土壤之间的传热，另一部分是冷水输运过程中的摩擦生热。

2.1.1管网传热冷损失

预制保温直埋管道由碳钢管、硬质聚氨酯保温层、聚四氟乙烯套管等组成。冷水与土壤间的传热强度取决于预制直埋管的热阻，以及管道内冷水温度与土壤温度的温差。区域供冷外管网分为供水管道与回水管道，供水温度低于回水温度，所以供水管道的冷损失强度要大于回水管道。

直埋管道通常位于地下2 m，土壤温度随着季节发生变化。对于深圳地区，本文假设地下2 m处全年平均土壤温度为22.4 ℃。

对于全年365 d 24 h不间断供冷的区域供冷系统外管网，全年8 760 h都会有管道传热引起的冷损失。如果假设管道埋深的土壤温度变化不大，则可以认为外管网冷损失全年都按照一定的单位管道面积传热冷损失强度发生。

2.1.2管网水阻摩擦生热

外管网冷水输送摩擦生热，实质上由冷水输送泵轴功率提供，这些能量最终以热的形式耗散在冷水中，从而引起冷水温升。包括两部分摩擦：一部分是由于水泵效率引起的，冷水在制冷站输送水泵内部产生局部温升；另一部分是站外管网系统的水阻力摩擦引起的，冷水温度随着管网沿程逐渐升高。

输送水泵运行效率的高低决定了水泵内部冷水温升的大小。由此可以看出，水泵选型合适，以及合理运行在水泵高效区，将会减少水泵带来的冷损失。

2.2 冷损失计算方法

2.2.1管网传热冷损失

区域供冷系统管道内冷水通常根据用户负荷的变化进行流量调节，以满足用户的用冷需求。对于某段时间内用户负荷变化不大的情况，制冷站外网输送水泵经常保持一定频率，供水温度保持稳定，从而管道内水流速保持一定，在足够长的时间段内，沿着外管网长度方向的冷水温度分布保持不变。本文基于实际运行过程中稳定冷水流速和温度的工况进行分析。

对于如图2所示的管道，稳定冷水流速与单元管道热量守恒方程为

图2 冷水管网热量平衡分析图

式中 D为管道公称直径，m；v为管内水流速度，m/s；ρ为水密度，kg/m3；cp为水比定压热容,kJ/(kg·℃)；t为冷水温度，℃；q为单位管道面积(公称直径表面)传热冷损失，kW/m2；l为管道长度，m。

对于管道长度L的管段：

式中Δt为管段温升，℃。

对于由2段管道组成的管道，则：

式中 下标1、2分别表示管段1和管段2。

所以：

假设对于不同管径的直埋保温管道，单位面积传热冷损失保持一定，即

q=q1=q2

(7)

于是，由管段1与管段2组成的管道12的温升为

Δt12=Δt1+Δt2

(8)

即

对于管段12，单位面积传热冷损失为

或者对于任意沿着水流方向由n段管段组成的管道，其单位面积传热冷损失为

全年外管网传热冷损失量Qht为

考虑到外管网冷水供水温度与流量易测量，本文通过测量制冷站供水管出口温度、用户换热站外管网供水温度，以及每段管道管径、长度、流速，计算得出单位供水管道面积传热冷损失。其中每段管道的流速根据相应管段流量测量值获得。于是：

对于回水管道，通过冷水温度的修正，得到

式中 Qht,r为回水管道全年传热冷损失量，kW·h；ts为供水管道内冷水温度，℃；tr为回水管道内冷水温度，℃；tso为管道埋深处土壤温度，℃。

作以下假设：

1) 供水管道与回水管道具有相同的管径分布，鉴于不同管网供回水管径可以不同，需要修正以保证通用性。

2) 供回水管道有相同的冷水流量。

3) 根据实际运行数据，冷水沿管道温升不大，式(15)中冷水供回水温度可认为是常数。

4) 管道埋深处土壤温度取为全年平均温度。

从而得到全年管网传热冷损失Qht为

Qht=Qht,s+Qht,r

(16)

则全年外管网传热引起的冷损失率rht为

式中 Qs为全年售冷量。

2.2.2管网水阻摩擦冷损失

管网水阻摩擦总冷损失Qdist，就是输送水泵的轴功率Pdist,p，即

Qdist=Pdist,p

(18)

水泵轴功率为

式中 V为冷水体积流量，m3/s；H为水泵扬程，kPa；η为水泵效率。

水泵轴功率一部分克服水泵效率引起的机械损失，一部分克服外管网水阻摩擦损失。相应地，冷水输送冷损失也包括两部分：输送水泵内水泵效率引起的摩擦生热、外管网水阻摩擦生热，可分别表示为

Qdist=Qdist,p+Qdist,f

(20)

Qdist,p=Pdist,p(1-η)

(21)

Qdist,f=Pdist,pη

(22)

式中 Qdist,p为水泵内部摩擦生热；Qdist,f为管网水阻摩擦生热。

对于制冷站来说，冷水输送冷量可以表示为

Qs=mcp(tr-ts)

(23)

式中 m为冷水质量流量，kg/s。

m=Vρ

(24)

则冷水输送引起的冷损失率rdist为

即

冷水输配系统中，输送水泵扬程可表示为

H=Δppipe+ΔpETS

(27)

式中Δppipe为管网沿程阻力，kPa；ΔpETS为用户换热站冷水阻力，kPa。

对于最不利压差换热站来说，ΔpETS一般设为120kPa。对于设计工况，有

H0=Δppipe,0+ΔpETS

(28)

式中 下角标0代表设计工况，即最大负荷率工况。

在前海制冷站设计中，管网供/回水温度为3 ℃/12 ℃，温差为9 ℃，水密度为1 000kg/m3，水比热容为4.18kJ/(kg·℃)。

管网沿程阻力Δppipe与水流速成二次幂关系。随着水流速的增大，冷水与管道内壁的摩擦增加，摩擦生热的强度增加。管网设计中，满负荷冷水设计流速一般是2.5m/s，此时管道水阻摩擦产生的热强度最大。根据文献[8]分析，全年绝大部分时间，管网运行负荷率在60%以下，于是外管网内冷水流速常年不高于1.5 m/s。

根据管网水阻力与流速成二次幂关系，则全年绝大部分时间，水泵运行扬程低于60%负荷率工况的扬程，即

H≤0.62(H0-ΔpETS)+ΔpETS

(29)

对于前海10号站来说，输送水泵扬程为460kPa，于是：

H≤240 kPa

(30)

代入式(26),同时取水泵运行效率为80%，则冷水输配冷损失率为

rdist≤1%

(31)

由此得出结论，全年平均管网输配冷损失率可以忽略。这个结论也适用于区域供冷系统输配距离或供冷半径的确定。

需要说明的是，输配水泵选型与数量配置要能在管网负荷率0～100%间连续调节，满足最合理的扬程与流量组合，并保证水泵在不同频率下都在高效区运行[8]。

另外，供回水温差也对式(31)的结论有影响。当负荷率非常大时，大温差有利于降低输配冷损失率；当负荷率较小时，可以适当提高供水温度，在提高制冷站能源效率的同时，还可以忽略输配冷损失率。

2.2.3冷水输配系统管网总冷损失

考虑冷水输送泵效率与外管网系统水阻力引起的冷损失，冷水输配系统管网总冷损失率为

rt=rht+rdist

(32)

根据式(31)，冷水输配全年冷损失可以忽略，于是式(32)变为

rt=rht

(33)

2.3 管网冷损失影响因素

2.3.1工况选取

根据本文假设，单位管道表面冷损失强度全年维持基本不变，由式(5)、(11)可知，流速减小、管道长度增加、管径减小等，都会增加沿程温升。考虑到沿程温升本身不高，以及温度传感器精度的问题，需要选取管网小负荷运行，且离制冷站较远换热站的数据进行分析。本文选取A用户的数据作为分析依据。

2.3.2测量仪表

10号站区域供冷系统制冷站与用户换热站均配置有温度传感器与冷量计，冷量计可以测量温度与流量。其中温度传感器采用Pt1000，精度为0.15 ℃；流量传感器为电磁流量传感器，精度为0.5%。

3 实际运行数据分析

3.1 单位面积冷损失的测量

数据基于10号站区域供冷系统实际供冷运行工况，没有专门设计测试工况获取运行数据。在整个制冷站系统运行过程中，选取能够满足一定温度和流量(流速)的运行时间区间，要保证冷水从制冷站供水出口到达换热站供水入口，且温度与流速稳定运行时间足够长。

分析制冷站到A用户的冷损失情况。以2021年4月19日为例，图3为根据流量测量得到的水流方向各管段流速变化数据。

图3 外管网冷水流速变化

由图3可以看出，冷水从制冷站到A用户，分别经历了3个平均流速：0.2、0.15、0.43 m/s，根据管道1、4～7的长度，得出流过这5段管道的时间分别为63、22、6、4、3 min，合计98 min。也就是说冷水从制冷站供水出口，到达A用户换热站供水入口，需要98 min。根据实时测量的流量数据，得到不同时刻冷水从制冷站到达A用户的预期时间，如图4所示。

图4 冷水从制冷站抵达A用户预计时长变化

从图4可以看出，13：00—15：00期间，冷水流经时间基本维持在98～99 min之间。也就是说，从制冷站冷水出口温度稳定开始，需要保持90 min左右，才能保证这一段管道冷水温度场稳定的冷水输送到A用户换热站。而这些冷水到达换热站后，还需要制冷站冷水出口温度保持稳定一段时间τ，从而保证换热站在后续时间段τ内保持供水温度不变。这样在时间段τ内，可以认为从制冷站到A用户换热站的外管网形成了稳定的温度场。可以利用第2.2节的方法分析外管网冷损失。如图5所示，从12：25到14：50，制冷站供水温度保持3.53 ℃不变，A用户换热站从14：10到14：50保持供水温度3.76 ℃不变，沿程温升0.23 ℃。需要注意的是，这个温升是基于管网内流速非常低，也就是管网负荷率非常低的情况下的运行数据，主管网流速0.2 m/s，相当于设计负荷的8%。负荷率增大时，冷水流速增大，沿程温升会降低，考虑到温度传感器的测量精度，笔者专门选取小负荷率、大沿程温升工况进行分析，以提高分析的可靠性。

图5 冷水温度变化

在建立稳定温度场后，得到不同时刻冷水钢管表面冷损失强度变化，如图6所示。

图6 冷水钢管表面冷损失强度变化

由图6可以看出，单位面积管网冷损失强度平均为27 W/m2。由于10号站外管网还有部分阀井没有完成阀门接头保温，可能会带来较大的冷损失。

3.2 运行结果与分析

根据实际运行情况，选取满足分析条件的工况，对2021年4月单位面积钢管表面传热冷损失强度进行分析计算，结果如图7所示。

图7 单位面积钢管表面传热冷损失强度数据

如图7所示，管网传热冷损失平均为32 W/m2，根据式(12)～(16)，可以算出外管网管段1～8的供水管道全年冷损失为83万kW·h。考虑外管网供/回水温度3 ℃/12 ℃，土壤平均温度22.4 ℃，得到回水管道全年冷损失为44.5万kW·h。对于4个用户供冷的外管网部分，全年冷损失为127.5万kW·h。

根据10号站全年售冷情况，2020年，全年售冷量为1 040万kW·h，则2020年10号站外管网冷损失率为12.3%。需要注意的是，2020年是10号站的第一个完整运行年，只有2个用户开始用冷。随着C、D、E1/E2、F用户的接入使用，供冷负荷率增大，但是管网全年冷损失基本不变。根据对2021—2023年全年售冷量的预测，得到外管网全年冷损失率的预测，见图8。预期在2030年，用户负荷接近满负荷，图1中管道也全部敷设施工完毕，根据测量分析的单位管道冷损失强度，可以得到全年外管网冷损失率为1.6%。

图8 外管网冷损失率变化

图8中数据转换成管网冷损失率对应用户负荷率的变化，结果见图9。随着用户负荷率的增大，管网冷损失率快速降低，接近100%负荷率时，冷损失率为1.6%。

图9 管网冷损失率随用户负荷率变化

由于传感器的精度限制，以及所取管段的代表性，本文冷损失率的数据分析还有一定局限性。比如温度传感器精度为0.15 ℃，但是冷水沿程温升也只有0.23 ℃。本文数据只能作为一个初步结果，供业内专业人士参考。同时，随着10号站管网工程的不断完善，预期外管网冷损失会进一步降低。

4 结语

本文提出了区域供冷系统外管网冷损失分析方法，并通过深圳前海10号站外管网运行实际情况，对制冷站开始运行前几年的数据进行了分析。采用该方法测量管网冷损失强度，需要在非常小的管网冷负荷率条件下对距离制冷站较远的换热站测量。对于距离制冷站1 179 m的换热站，在冷水从制冷站流动到换热站需要98 min的小冷负荷率工况，冷水沿程温升为0.23 ℃。初步结果表明，在制冷站运行初期，由于用户接入较少，外管网冷损失率较大，第1年运行，外管网冷损失率可达12.3%；随着用户接入增多，外管网冷损失率逐渐减少，到满负荷时，外管网冷损失率预计低于2%。由于10号站外管网还有部分管道连接处没有作保温，会造成测量冷损失偏大。另外，作为对区域供冷系统外管网运行数据的初步分析，局限于传感器的精度，以及不同区域供冷系统外管网有不同的设计与施工条件，本文结果仅作为专业人士的参考，随着管网建设工程的完善，以及更多运行数据的积累，将会提供更精确的外管网冷损失分析与结论。