摘要：以某区域供冷系统为研究对象，建立冷源、输配系统(冷水、冷却水输配系统)、冷却塔的能耗模型，用于模拟区域供冷系统的能耗。在确定制冷机组运行策略、输配系统运行方式的基础上，分别对冷水供水温度为6、7℃，冷水二级泵定流量、变流量运行时区域供冷系统的能耗及当量热力系数进行模拟计算。当冷水供水温度为
关键词：区域供冷系统； 能耗模拟； 能耗模型； 运行策略； 当量热力系数
Energy Consumption Model and Energy Efficiency Analysis of District Cooling System
Abstract: Taking a district cooling system as research object, the energy consumption models for cold source，transmission and distribution systems(chilled water system and cooling water system)and cooling tower are established to simulate the energy consumption of the system. Based on determination of the operation strategy of refrigerating units and the operation mode of the transmission and distribution systems，the energy consumption and the equivalent energy thermodynamic coefficient of the district cooling system are simulated and calculated when the chilled water temperatures are
Key words: district cooling system；energy consumption simulation；energy consumption model；operation strategy；equivalent thermodynamic coefficient
区域供冷系统(District Cooling System，DCS)指为了满足某一特定区域内多座建筑物的冷负荷需求，由专门的冷源集中制备冷水，通过冷水管网向各用冷建筑物输送，提供制冷服务的系统[1-6]。区域供冷作为一种空调冷源的解决方案，与区域供热相比，它的成功需要更多的特殊适用条件和更多的技术保障，例如需要适应负荷变化的制冷机组运行策略、输配系统运行方式来提高整体的系统能效[7]。此外，集中供冷系统的经济性也取决于合理的设备配置(包括主要设备的容量和数量)[8]。
本文结合工程实例，建立区域供冷系统能耗模型，基于确定的制冷机组运行策略对不同输配系统运行方式下的区域供冷系统的能效进行分析。
1 区域供冷系统能耗模型
1.1 冷源设备配置
本文研究的区域供冷系统建立在某冷热电联供项目基础上，该冷热电联供系统采用燃气轮机发电机组+余热锅炉+汽轮机发电机组+蒸汽型溴化锂吸收式机组(以下简称蒸汽型吸收式机组)+热水型溴化锂吸收式机组(以下简称热水型吸收式机组)+离心式冷水机组。利用燃气轮机驱动发电机发电，高温烟气通过余热锅炉回收制取蒸汽和热水。热水可用于制备生活热水及空调冷水(利用热水型吸收式机组制备)，蒸汽用于推动汽轮机发电机组发电，中间抽汽用于制备空调冷水(利用蒸汽型吸收式机组制备)。离心式冷水机组用电为联供系统自发电。
将联供系统的蒸汽型吸收式机组、热水型吸收式机组、离心式冷水机组作为区域供冷系统的制冷机组，配置情况为：9台制冷能力为9 100 kW的蒸汽型吸收式机组，3台制冷能力为4 536 kW的热水型吸收式机组，2台制冷能力为4 400 kW、7台制冷能力为8 800 kW的离心式冷水机组。
冷水系统的泵系统分为两级，一级泵系统保持制冷机组侧定流量运行，采用1台机组对应1台一级泵的方式。二级泵系统分为4个环路，分别对应4个地块，每个环路采用3台二级泵，3台二级泵流量分配为环路总流量的50％、50％、l0％，以适应部分负荷工况。冷却塔配置情况：l4台额定处理量为1
1.2 制冷机组模型
①离心式冷水机组
在冷却水定流量及冷水定流量条件下，根据厂家提供的离心式冷水机组制冷性能系数随负载率、冷却水进水温度的变化特性，采用Origin8.0对两种制冷能力离心式冷水机组的制冷性能系数与负载率、冷却水进水温度进行拟合。
拟合式分别为：
式中 ICOP,1、ICOP,2——制冷能力分别为4 400、8800kW的离心式冷水机组制冷性能系数
ε——机组负载率，0.1＜ε＜1
tin——机组冷却水进水温度，℃，
②吸收式机组
通过拟合，得出蒸汽型、热水型吸收式机组热力系数与冷却水进水温度的关系式：
式中 ηs、ηw——蒸汽型、热水型吸收式机组热力系数
1.3 输配系统模型
①冷水输配系统
a.一级泵
当一级泵定流量运行时，一级泵总电功率Pc,1的计算式为：
式中Pc,1——一级泵总电功率，kW
n——一级泵的运行数量
Pc,1，i——第i台一级泵的电功率，kW
b.二级泵
当二级泵定流量运行时，二级泵总电功率Pc,2,s的计算式为：
式中Pc,2,s——二级泵定流量运行时二级泵总电功率，kW
Pc,2,j,1——流量为环路总流量50％的二级泵电功率，kW
Pc,2,j,2——流量为环路总流量10％的二级泵电功率，kW
当二级泵变流量运行时，采用定干管温差控制策略。此时，应计算各环路逐时总流量，再根据环路逐时总流量，判定二级泵的开启类型及数量，最后根据二级泵变频规律计算二次泵总电功率。
②冷却水输配系统
冷却水循环泵总电功率Pch的计算式为：
式中Pch——冷却水循环泵总电功率，kW
m——制冷机组运行数量
Pch,j——第j台制冷机组对应的冷却水循环泵电功率，kW
1.4 冷却塔模型
采用Merkel焓差法模拟冷却塔逐时进出水温度，使得冷却塔特征数N＇与冷却数N相等或非常接近，此时的冷却塔出水温度即为所求。N＇、N的计算式分别为：
式中N＇——冷却塔特征数
Kdv——冷却塔容积传质系数，kg／(m3·s)
V——填料体积，m3
qm,ch——冷却水质量流量，kg／s
N——冷却数
K——考虑水蒸发带走的热量系数
tch,in——冷却塔进水温度，℃
tch,out——冷却塔出水温度，℃
tch——冷却水温度，℃
he——对应冷却水温度下的饱和空气比焓，J／kg
h——与冷却水接触的空气比焓，J／kg
冷却塔出水温度计算流程：已知冷却塔风量、冷却水质量流量、填料体积、容积传质系数、冷却塔进水温度等，由式(8)计算得到冷却塔特征数N＇。设定冷却塔出水温度，根据已知冷却塔进水温度，按式(9)计算得到冷却数N。循环设定冷却塔出水温度，当N- N＇的绝对值小于设定误差时，停止计算，输出冷却塔出水温度，迭代步长为0.
1.5 区域供冷系统当量热力系统
区域供冷系统当量热力系数是指冷源输出的冷量与冷源能耗(折算成一次能源的热量)之比，以评价冷源对一次能源的利用率。区域供冷系统能耗包括两部分：一是耗热量，包括蒸汽型、热水型吸收式机组的耗热量；二是耗电功率，包括离心式冷水机组、溶液泵、冷却水循环泵、冷水循环泵、冷却塔等设备的耗电功率。区域供冷系统当量热力系数，的计算式为：
式中 I——区域供冷系统当量热力系数
Фc——区域供冷系统制冷量，kW
Фh——区域供冷系统耗热量，kW
μ——单位质量燃料燃烧产生的高品位热量与汽轮机抽汽的低品位热量的折算系数，取2.65
ηh——供热效率，取0.215[9]
P——区域供冷系统耗电功率，kw
ηe——联合循环发电效率，取全国平均水平发电效率0.48
ηn——电网输送效率，取0.9[9]
1.6 能耗模拟计算流程
采用C语言进行程序开发，设计区域供冷能耗模拟软件。模拟冷却水循环泵、一级泵定流量运行下，二级泵分别采用定流量、变流量运行，冷水供水温度分别为6、7℃时的区域供冷系统能耗。
区域供冷系统能耗模拟计算流程见图l。先选择输配系统运行方式(二次泵定流量、变流量运行)，然后导入逐时冷负荷、逐时气象参数，根据逐时冷负荷及制冷机组类型确定制冷机组运行策略，计算制冷机组运行参数(冷水供水温度、冷却塔出水温度)。结合逐时气象参数及输配系统运行方式确定冷却塔出水温度，计算得出制冷机组、冷水循环泵、冷却水循环泵等设备能耗，最后计算确定区域供冷系统当量热力系数。
制冷机组运行策略指根据某时刻的冷负荷与上一时刻冷负荷之差，判定该时刻是否开启或关闭某类型制冷机组及数量。由于热水型吸收式机组以热水作为制冷动力，而蒸汽型吸收式机组依靠汽轮机中间抽汽制冷，为了避免发电效率受抽气量的影响，优先开启热水型吸收式机组，当负荷超过3台热水型吸收式机组制冷能力时，再开启蒸汽型吸收式机组。为了使余热利用最大化，离心式水冷机组最后开启。输配系统运行方式分为：冷却水循环泵、一级泵定流量运行，二级泵定流量运行；冷却水循环泵、一级泵定流量运行，二级泵变流量运行。
2 模拟结果及分析
2.1 制冷机组组合开启方式
根据制冷机组运行策略及对逐时冷负荷的分析，在整个制冷期中，3台热水型吸收式机组均一直开启；蒸汽型吸收式机组在白天约开启9台，夜晚一般开启6台；2台4 400 kW的离心式冷水机组在白天多处于开启状态，夜晚则处于停机状态；8 800 kW离心式冷水机组用于调峰，因此启停较频繁，大部分时间开启数量大于5台。
2.2 系统能耗分析
①热水型吸收式机组耗热量
由制冷机组组合开启方式可知，在整个制冷期中，3台热水型吸收式机组均一直开启，由于一级泵定流量运行，只要出水温度不变，无论二级泵是定流量还是变流量运行，热水型吸收式机组耗热量都相同，因此仅对比不同冷水供水温度下的耗热量即可。由模拟结果可知，当冷水供水温度为
②蒸汽型吸收式机组耗热量
由制冷机组组合开启方式可知，在整个制冷期中，蒸汽型吸收式机组在白天开启9台，夜晚开启6台。由于一级泵定流量运行，因此仅对比不同冷水供水温度下的蒸汽型吸收式机组的耗热量即可。
由模拟结果可知，当冷水供水温度为
③耗电功率
不同输配系统运行方式、冷水供水温度下冷源耗电功率见表l。当冷水供水温度为
2.3系统能效分析
由模拟结果计算得到区域供冷系统当量热力系数。在二级泵定流量运行条件下，当冷水供水温度为6 ℃时，平均当量热力系数为0.658；当冷水供水温度为
3 结论及建议
对于该区域供冷项目，适当提高冷水供水温度，二级泵采取变流量运行，可降低区域供冷系统能耗，提高系统能效。
在区域供冷系统工程设计与运行管理中，除了注意制冷机组的运行策略外，还应该着重降低输配系统能耗，提高区域供冷系统整体能源利用率。
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本文作者：张歆晖 卢军 李春蝶 黄光勤 马钧
作者单位：重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室 中国电力工程顾问集团西南电力设计院
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