區(qū)域供冷負(fù)荷計(jì)算及節(jié)能控制策略分析

區(qū)域供冷負(fù)荷計(jì)算及節(jié)能控制策略分析

0分布式熱泵電聯(lián)供系統(tǒng)建設(shè)形勢(shì)該分布的熱電配置能源系統(tǒng)集成了不同的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，同時(shí)提供了多個(gè)終端能源，如電、熱、冷等，以達(dá)到多個(gè)能源用途。其中,區(qū)域供冷系統(tǒng)包括三個(gè)基本組成部分:能源站、輸送管道和末端設(shè)備。由于分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),具有整體化、集約化及復(fù)雜化,能源使用效率高,能更有效利用建筑空間幾方面特點(diǎn),因此“十二五”期間,國(guó)家擬建設(shè)約1000個(gè)天然氣分布式能源項(xiàng)目(1),其設(shè)計(jì)任務(wù)艱巨,待解決問(wèn)題多。本文以廣西某分布式能源項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例,具體分析末端用戶冷熱負(fù)荷計(jì)算、輸送管網(wǎng)冷量損失計(jì)算與系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和調(diào)節(jié)這類(lèi)重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題,為今后分布式冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目提供工程經(jīng)驗(yàn)參考。1能源站5.2m該分布式能源項(xiàng)目一期規(guī)劃供能面積217萬(wàn)m2,建筑性質(zhì)包含辦公(32.7萬(wàn)m2)、商業(yè)(35.3萬(wàn)m2)、酒店(31.9萬(wàn)m2)、商貿(mào)物流(117.1萬(wàn)m2)。區(qū)域內(nèi)建設(shè)一個(gè)能源站,利用電廠發(fā)電余熱(蒸汽、熱水等)向規(guī)劃區(qū)域提供空調(diào)用冷/熱以及生活熱水。本文重點(diǎn)分析夏季空調(diào)供冷問(wèn)題。2區(qū)域供冷系統(tǒng)負(fù)荷準(zhǔn)確的負(fù)荷計(jì)算不僅可以合理確定裝機(jī)容量,減少不必要的浪費(fèi),還是優(yōu)化機(jī)組控制策略的前提。區(qū)域供冷系統(tǒng)負(fù)荷與單體建筑供冷系統(tǒng)不同,它受建筑物的影響程度更為復(fù)雜。其負(fù)荷計(jì)算并非各建筑設(shè)計(jì)負(fù)荷的簡(jiǎn)單疊加,而應(yīng)在考慮各建筑不同時(shí)刻內(nèi)外擾和圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱特性對(duì)建筑空調(diào)負(fù)荷影響以及同時(shí)使用率基礎(chǔ)上,對(duì)各建筑負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)疊加。2.1實(shí)施建筑熱特性,提取建筑冷負(fù)荷根據(jù)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)年逐時(shí)氣象參數(shù),利用建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析軟件DeST進(jìn)行建筑全年冷負(fù)荷動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算,其具體方法為:1)建立建筑物理模型;2)輸入圍護(hù)結(jié)構(gòu)具體信息、房間空調(diào)參數(shù)、房間相互通風(fēng)系數(shù),定義全年房間內(nèi)的照明、人員、設(shè)備等內(nèi)擾的發(fā)熱量,門(mén)、窗、窗遮陽(yáng)等的開(kāi)啟狀況,房間的使用情況;3)根據(jù)建筑供冷時(shí)間段(見(jiàn)表1)對(duì)建筑熱特性進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算,獲取建筑冷負(fù)荷;4)將區(qū)域內(nèi)所有建筑冷負(fù)荷逐時(shí)匯總,得到總冷負(fù)荷及其分布特征。2.2空調(diào)冷負(fù)荷分析該區(qū)域內(nèi)建筑群的空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果包括逐時(shí)空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷,空調(diào)負(fù)荷率時(shí)間分布,月、全年累計(jì)冷負(fù)荷及設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷。根據(jù)模擬結(jié)果(見(jiàn)圖1),發(fā)現(xiàn)該區(qū)域需要供冷時(shí)間長(zhǎng),有5個(gè)多月之久,且從5月至10月期間冷負(fù)荷較為穩(wěn)定,除在第3500h及6400h左右有明顯降低外,其余大部分時(shí)刻均大于100MW;預(yù)計(jì)整個(gè)項(xiàng)目的峰值負(fù)荷出現(xiàn)在8月6日15:00,為156.53MW,全年累計(jì)冷負(fù)荷為241852.25MW·h,其中月總冷量以8月最高,7月次之。從設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷(見(jiàn)圖2)變化規(guī)律可以看出,22:00—08:00期間由于僅有酒店類(lèi)建筑空調(diào)運(yùn)行,冷負(fù)荷值較低,為14MW,自8:00非酒店類(lèi)建筑開(kāi)始使用后,冷負(fù)荷突增74MW,為88MW;且該日累計(jì)負(fù)荷為1937.87MW·h。表2為空調(diào)季逐時(shí)冷負(fù)荷頻率分布,由表可知,冷負(fù)荷率在70%~100%范圍內(nèi)的時(shí)間僅占16.37%,即運(yùn)行期間大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷狀態(tài);冷負(fù)荷率在40%~70%范圍內(nèi)的時(shí)間占32.6%;但冷負(fù)荷率低于10%的時(shí)間頻率高達(dá)39.29%,這是由于建筑用能時(shí)間不同引起的,即在夜晚僅有酒店需要用冷,而酒店冷負(fù)荷占總負(fù)荷比例較小,因此導(dǎo)致低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間比例較大。將總運(yùn)行時(shí)間4202h折算成滿負(fù)荷運(yùn)行的當(dāng)量時(shí)間,為1555h,滿負(fù)荷折算率為0.37。3優(yōu)化控制策略分析區(qū)域供冷系統(tǒng)中制冷機(jī)組容量大,臺(tái)數(shù)多且大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷狀態(tài),系統(tǒng)能耗高,因此優(yōu)化控制策略分析便成為區(qū)域供冷系統(tǒng)節(jié)能一個(gè)不能缺少的方面。本文通過(guò)引入全年動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷變化規(guī)律,建立冷源模型,確定機(jī)組啟停優(yōu)先原則及輸配運(yùn)行方式,編制適合該項(xiàng)目的系統(tǒng)能耗模擬軟件,以分析最優(yōu)機(jī)組啟停方式及全年能耗變化情況。3.1機(jī)組性能特性根據(jù)前文計(jì)算出的最大負(fù)荷確定裝機(jī)容量為176.4MW,包括10臺(tái)9100kW蒸汽型溴化鋰制冷機(jī)、2臺(tái)3117kW熱水型溴化鋰制冷機(jī)、8臺(tái)8800kW和2臺(tái)4400kW離心式制冷機(jī)。1)電制冷離心機(jī)分析根據(jù)廠家提供的電制冷離心機(jī)性能在不同負(fù)載率和冷卻水進(jìn)水溫度下的變化情況,采用origin8.0對(duì)4400kW和8800kW離心機(jī)性能特性參數(shù)分別進(jìn)行擬合,得出兩種機(jī)組EER與冷卻水進(jìn)水溫度及機(jī)組負(fù)載率的關(guān)系,分別為式(1)和式(2)。式中Qc為機(jī)組制冷量,kW;W為機(jī)組功率,kW;ε為機(jī)組負(fù)載率;tc,i為機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度,℃。2)LiBr吸收式制冷機(jī)分析LiBr吸收式制冷機(jī)的熱力系數(shù)與負(fù)載率無(wú)關(guān)且冷卻水進(jìn)水溫度影響較小,采用origin8.0對(duì)熱水型和蒸汽型溴化鋰制冷機(jī)性能特性參數(shù)分別進(jìn)行擬合,得出蒸汽型機(jī)組和熱水型機(jī)組熱力系數(shù)與冷卻水進(jìn)水溫度tc,i的關(guān)系式。熱水型溴化鋰制冷機(jī)熱力系數(shù)ξrs:蒸汽型溴化鋰制冷機(jī)熱力系數(shù)ξzq:3.2心機(jī)條件優(yōu)選1)機(jī)組啟停原則:在模擬全年能耗時(shí),根據(jù)判定時(shí)刻的負(fù)荷與上一時(shí)刻負(fù)荷之差與該4種類(lèi)型制冷機(jī)容量的比值,確定加減機(jī)組種類(lèi)及臺(tái)數(shù)。2)機(jī)組優(yōu)先開(kāi)啟原則:由于熱水型溴化鋰制冷機(jī)利用燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)中的余熱鍋爐出來(lái)的高溫廢水作為制冷動(dòng)力,蒸汽型溴化鋰制冷機(jī)則需抽取用于發(fā)電的蒸汽作為制冷動(dòng)力,為了避免發(fā)電量受抽氣量的影響,故該項(xiàng)目考慮優(yōu)先開(kāi)啟熱水型溴化鋰制冷機(jī),當(dāng)負(fù)荷超過(guò)2臺(tái)熱水型溴化鋰制冷機(jī)制冷容量時(shí),再開(kāi)啟蒸汽型溴化鋰制冷機(jī),用于調(diào)峰的電制冷離心機(jī)最后開(kāi)啟。其中優(yōu)先考慮開(kāi)啟制冷量4400kW的離心機(jī),當(dāng)4400kW離心機(jī)全部投入制冷運(yùn)行后,再開(kāi)啟8800kW離心機(jī),具體原因?yàn)?8800kW離心機(jī)配置了2臺(tái)離心式壓縮機(jī),當(dāng)機(jī)組負(fù)載率小于等于50%時(shí),8800kW離心機(jī)只啟動(dòng)1臺(tái)壓縮機(jī),其EER等效于2倍負(fù)載率下的單臺(tái)4400kW離心機(jī)EER(見(jiàn)圖3),反映了單臺(tái)壓縮機(jī)在兩種機(jī)型上單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的機(jī)組性能特性。3)冷水系統(tǒng)采用二次泵系統(tǒng),一次泵為機(jī)組側(cè),定流量運(yùn)行;二次泵為用戶側(cè),變流量運(yùn)行,采用定干管溫差控制策略。4)冷卻水系統(tǒng)為定流量運(yùn)行,冷卻水泵采用“一機(jī)對(duì)一泵”的配置方式。3.3電制冷機(jī)啟停時(shí)間根據(jù)機(jī)組優(yōu)先開(kāi)啟原則,在整個(gè)制冷期中,2臺(tái)熱水型溴化鋰機(jī)組均一直開(kāi)啟;蒸汽型溴化鋰機(jī)組在白天約開(kāi)啟10臺(tái),夜晚一般開(kāi)啟3臺(tái);2臺(tái)4400kW電制冷機(jī)在白天多處于開(kāi)啟狀態(tài),夜晚則處于停機(jī)狀態(tài);8800kW電制冷機(jī)用于調(diào)峰,因此啟停較頻繁,大部分時(shí)間開(kāi)啟臺(tái)數(shù)多于5臺(tái)(見(jiàn)圖4)。由圖5可知,經(jīng)過(guò)優(yōu)化控制后,電制冷機(jī)組多數(shù)時(shí)間通過(guò)加減機(jī)組來(lái)向用戶提供冷量,其機(jī)組負(fù)載率較高,有效提高了系統(tǒng)能效。第4700h至第5700h之間,系統(tǒng)能效在4.5~5之間波動(dòng),整個(gè)制冷期系統(tǒng)能效最高可達(dá)5.9。4冷量損失計(jì)算區(qū)域供冷系統(tǒng)二次管網(wǎng)是將能源站生產(chǎn)出來(lái)的冷水輸送至各用戶,經(jīng)過(guò)換冷后的冷水回水由各用戶輸送回能源站,其輸送距離遠(yuǎn),輸送水量大,所造成的冷量損失也大。冷量損失計(jì)算是保證末端進(jìn)水水溫和公平冷量計(jì)量的前提,因此本文對(duì)比分析該項(xiàng)目的1個(gè)環(huán)路(見(jiàn)圖6)直埋管、管溝埋管兩種敷設(shè)方式冷量損失與管路溫升。二次管網(wǎng)的冷量損失應(yīng)主要考慮:1)二次泵所引起的冷量損失;2)能源站至各用戶之間的直埋管道冷量損失。4.1管道溫度計(jì)算法直埋方式冷量損失熱阻計(jì)算內(nèi)容包括:管壁熱阻、保溫?zé)嶙?、土壤熱阻、附加熱阻。直埋敷設(shè)雙根保冷管道示意圖見(jiàn)圖7。直埋敷設(shè)方式冷損失計(jì)算公式如下:式中q為直埋敷設(shè)方式管道冷損失,W/m;ta為土壤表面空氣溫度,℃;t為管道內(nèi)介質(zhì)溫度,℃;Rb為管道保冷層導(dǎo)熱熱阻,m·℃/W;Rt為其中一根管道的計(jì)算土壤熱阻,m·℃/W;Rk為雙管直埋敷設(shè)時(shí)考慮管道相互傳熱的假想附加熱阻,m·℃/W;t′為另一管道內(nèi)介質(zhì)溫度,℃;R′t為另一管道的計(jì)算土壤熱阻,m·℃/W。直埋敷設(shè)方式冷損失引起的溫升計(jì)算公式如下:式中Δt為管內(nèi)冷介質(zhì)沿程溫度升高值,℃;β為管道考慮沿程閥門(mén)、附件等冷損失的附加系數(shù);L為管段計(jì)算長(zhǎng)度,m;G為管段內(nèi)冷介質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s;c為管道內(nèi)冷介質(zhì)比熱容,J/(kg·℃)。4.2雙根保冷管道單位長(zhǎng)度的確定管溝敷設(shè)方式冷損失熱阻計(jì)算內(nèi)容除直埋方式熱阻外還包括:保溫外壁與管溝空氣換熱熱阻、單根管道與管溝空氣換熱熱阻、管溝空氣與溝內(nèi)壁換熱熱阻、地面空氣至管溝空氣傳熱熱阻。管溝敷設(shè)雙根保冷管道示意圖見(jiàn)圖8。當(dāng)管溝內(nèi)有若干根保冷管道時(shí),它們之間相互影響,共同形成溫度場(chǎng)。計(jì)算的關(guān)鍵是求出管溝內(nèi)空氣溫度tgo。式中ta為管溝上方空氣溫度,℃;ti為管溝內(nèi)第i根管道內(nèi)介質(zhì)溫度,℃;Ri為管溝內(nèi)第i根管道從管溝空氣到管內(nèi)冷介質(zhì)的傳熱熱阻,m·℃/W;R0為從管溝上方空氣到管溝內(nèi)空氣的傳熱熱阻,m·℃/W。管溝保冷管道單位長(zhǎng)度冷損失計(jì)算公式如下:式中q′為單位長(zhǎng)度管道冷損失,W/m;t′為環(huán)境(空氣)溫度,℃;Rw為保冷結(jié)構(gòu)與周?chē)諝獾膿Q熱熱阻,m·℃/W。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的保冷管道溫升計(jì)算公式同式(6)。4.3次泵控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)該環(huán)路總共負(fù)擔(dān)3個(gè)用戶,直埋管深或管溝中心距地面3.5m,所有管道保溫材料均為硬質(zhì)聚氨酯泡沫,各管段的管徑、保溫層厚度、長(zhǎng)度及各管段對(duì)應(yīng)見(jiàn)表3。二次管網(wǎng)冷水供/回水設(shè)計(jì)溫度為6℃/13℃。當(dāng)末端用戶所需冷量減少,經(jīng)過(guò)二次泵變頻調(diào)節(jié),管內(nèi)流量減少,即流速減小,冷量損失增大,為此本文計(jì)算最小設(shè)計(jì)流量(10%額定流量)所對(duì)應(yīng)的最大冷量損失及溫升。二次泵設(shè)計(jì)工況運(yùn)行參數(shù)為:水泵流量764.11m3/h;揚(yáng)程43.3m;水泵效率為0.6。冷損失計(jì)算過(guò)程中各參數(shù)參考取值為:土壤導(dǎo)熱系數(shù)2.5W/(m·K);土壤表面換熱系數(shù)18W/(m2·K);埋管導(dǎo)熱系數(shù)52.80W/(m·K);保溫導(dǎo)熱系數(shù)0.033W/(m·K);保溫外壁與管溝空氣換熱系數(shù)(管溝敷設(shè)特有)10W/(m2·K);管溝內(nèi)壁與管溝空氣換熱系數(shù)(管溝敷設(shè)特有)10W/(m2·K)。表4為10%額定流量下二次管網(wǎng)的冷量損失。4.4直埋管冷量損失從表4可以看出:1)該環(huán)路中供水管平均單位長(zhǎng)度冷量損失較回水管高10W/m左右,故引起供水管總冷量損失較回水管最大可高出14.77kW(管溝埋管)。2)無(wú)論是供水管還是回水管,管溝埋管冷量損失總是高于直埋管,最大差值為1.82kW(供水管)。3)雖然該環(huán)路總冷量損失較高,直埋管與管溝埋管敷設(shè)分別為272.45,275.56kW,但引起的溫升并不高,供/回水管、二次泵都不超過(guò)0.2℃,其中直埋方式供水管所引起的溫升為0.1185℃,由此可保證用戶端進(jìn)水水溫不超過(guò)7℃。4)對(duì)比供/回水管、二次泵冷量損失所占比例(見(jiàn)表5)可知,水泵做功引起的冷量損失比例最高,直埋管與管溝埋管分別為54.86%與54.37%,其次為供水管,回水管的冷量損失最低。因此,在管道保溫材料性能達(dá)到要求、施工合格的情況下,合理設(shè)計(jì)二次管網(wǎng)系統(tǒng),降低二次泵功率,不僅可以優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行,而且能有效降低二次管網(wǎng)的冷量損失。5結(jié)論5