117冷冻水供水温度对区域供冷系统总能耗的影响

冷冻水供水温度对区域供冷系统总能耗的影响
同济大学/广东海洋大学蒋小强龙惟定
摘要：区域供冷系统的一个特点是输送系统能耗较大，其输送系统能耗取决于输送水流量，而水流量取决于供水温度和供回水温差。

本文从理论上比较分析了区域供冷系统中，制冷机能耗随制冷剂蒸发温度变化而变化的情况和水泵能耗随冷冻水供水温度变化而变化的情况，并得出了不同制冷剂蒸发温度情况对系统总能耗影响的公式。

结果表明，对于无蓄冷的区域供冷系统，将存在一个最佳制冷剂蒸发温度和冷冻水供水温度使系统总能耗达到最小。

关键词：区域供冷供水温度能耗
1 引言
随着全球经济的快速发展，人民生活水平得到了不断提高，城市化建设不断加速，工业化发展趋势不断深入，能源与资源消耗屡创新高。

特别是以建筑业为代表的行业及其相关行业的高速发展，如供热通风与空调行业很大程度上反映着高经济发展速度的现状和趋势，但也带来了一些不利的因素。

根据相关数据统计，建筑能耗已占了全球总能耗的30%-40%，其中大部分能耗来自采暖供冷。

因此，发展既节能、环保又经济可行的制冷技术将成为全球可持续发展伟大目标中的重要一环，区域供冷为我们提供
了一种安全、节能且环保的绿色供冷方案[1]。

区域供冷是指对一定区域内的建筑群，由一个或多个功能站制得冷水等冷媒，通过区域管网提供最终用户，实现用户制冷要求的系统，由于冷量规模生产，因此冷量生产成本得以降低，实现节能。

最早将区域供冷技术商业化的是美国的hartford工程，6年后欧洲国家如法国、瑞典也开始建立一些大型区域供冷工程，法国的La Defense 的区域供冷能力达到220 MW。

我国在2000年开始引入区域供冷概念及技术，并先后建成了北京中关村、广州大学城等一批区域供冷工程[2-3]。

然而，尽管区域供冷具有非常明显的节能优势，但至今有些问题一直未能很好地解决，首先是负荷变化范围大时，能效比如何保证居高不降；其次有输冷过程中，冷量损失和水泵能源消耗的控制问题；最后还存在计量收费管理上的问题[4]。

本文主要针对第二个方面的问题，提出三种输冷方式，并对三种方式的能耗进行比较分析。

区域供冷系统主要由三部分组成：中心冷冻水制造工厂、冷冻水输送系统、用户末端系统。

根据有关文献分析，系统总能耗主要集中在冷冻站和输送系统的输送过程中，值得注意的是，与常规中央空调系统相比，输送系统能耗即水泵能耗所占总能耗的比例更大。

本文主要从降低整个区域供冷系统总能耗出发，采用理论分析的方法，从理论模型上对冷冻站中的制冷机能耗和水泵能耗进行分析。

为了简单起见，这里认为区域供冷系统的能耗仅由制冷机和输送能耗能耗组成，且分别约占总能耗的2/3和1/3。

2 冷冻水三种送水温度的确定
现在区域供冷系统多采用冰蓄冷或水蓄冷系统，但这些附加系统实际上并不节能，且只适于电力供应不足。

考虑到人民生活水平在不断提高，空调的使用可能将是持续24h；电力技术的发展如核电，电
力供求不再是问题时，冰蓄冷系统将失去意义。

因此，本文分析基于无蓄冷的区域供冷，并设制冷机中的压缩机是在标准空调工况（蒸发温度为5℃，冷凝温度为35℃）下工作。

考虑到蒸发器或冷凝器传热温差一般为5-10℃，因此这里，取常规冷冻水供水温度为12℃，回水温度为17℃；同时假设低温送冷温度为2℃，高温送冷温度为14.5℃，回水温度不变，均为17℃。

值得注意的是，低温送冷技术可以和低温送风技术结合起来，而高温送冷技术可以和冷辐射吊顶结合起来。

3 三种送冷温度下区域系统能耗分析
3.1 常规送冷温度下的系统能耗分析
设送冷温度为12℃，制冷机组消耗能耗为W 1a ，输送系统水泵的能耗为W 1b ，总能耗为W 1，则 b a W W W 111+= 其中 11113
1,32W W W W b a == （1） 3.2 低温送冷的系统能耗分析
因为供水温度降低，回水温度不变，故要求制冷机组的蒸发温度也要降低。

而蒸发温度降低将导致制冷系数下降，压缩机能耗增加。

同样为了便于定量分析，如果假设常规供冷时压缩机工作状态为标准空调工况[5]，即蒸发温度o T 为5℃，冷凝温度k T 为35℃，当供水温度从12℃降为2℃，那么蒸发温度也应降低10℃。

对此时压缩机能耗变化，为简单起见，这里只通过考察理想情况下制冷系数的变化来分析。

在标准空调工况下，根据工程热力学知识，可认为理论制冷系数为：
127327310
1-++=T T k ε （2） 当蒸发温度降低10℃，则理论制冷系数变为：
110
273273101--++=T T k ε （3） 如果将蒸发温度为5℃、冷凝温度为35℃代入上式，则可算出制冷系数下降27.7%。

因为： a W Q 101=ε ，a
W Q 202=ε (4) 其中，0Q ——系统冷负荷，W ；a W 2——在低温送冷情况下制冷机组的耗能,W 。

将（3）式代入（4）式，可得：
a W 2=1.38a W 1 （5）
显然，制冷机组消耗能耗与常规送冷情况下比增加38%。

对于输送系统的能耗变化分析如下：
因为： C t q C t q Q 22110∆=∆=
其中 C ——水的比热容, J/(kg·K)；
1q 、2q ——常规送冷、低温送冷情况下输送管道中冷冻水流量, m 3/s ；
1t ∆、2t ∆——常规送冷、低温送冷情况下输送管道中冷冻水供回水温差, ℃；
将1t ∆=17-12=5℃，2t ∆=17-2=15℃代入，得
2q =3
11q (6) 输送系统中泵的功率P 取决于流量q 和阻力f ，即
f q k P ⋅⋅=0 (7) 而流量与流速成正比， 即
v k q ⋅=1； （8）
阻力与阻力系数和流速的平方成正比，即 2
2v k f ⋅= （9） 将（8）、（9）式代入（7）式，得
3'3q k v k P ⋅=⋅= （10） 其中，0k 、1k 、2k 、k 、'k 分别为常系数。

因此可以得出，功率正比于流速的三次方，也即功率正比于流量的三次方。

将（6）式代入（10）式： 312)31(⋅=P P 即 b b W W 1227
1= (11） 其中 b W 2—在低温送冷情况下输送系统的耗能,W 。

根据（5）、（11）式：
111122293.027
138.1W W W W W W W b a b a <=+
=+= （12） 从上式可以看出，采用低温送冷技术，可节省7%的总能耗。

当然，必须补充说明的是：这里没有考虑沿途的冷量损失。

事实上，当送冷温度下降10℃，将导致送水管内外温差增大一倍。

但这种损失，是可以通过加强保温措施来降低的。

3.3 高温送冷的系统能耗分析
因为送冷温度提高了2.5℃，因此制冷机组的蒸发温度也可以提高2.5℃，制冷系数增加，压缩机能耗减少。

计算方法同前。

制冷机消耗能耗为：
a a a W W W 113
13908.0=⨯=
εε （13） 输送部分能耗： b b b W W W 113382=⋅= （14）
其中，a W 3、b W 3—高温送冷情况下制冷机组、输送系统能耗。

总能耗：
11113332.38908.0W W W W W W W b a b a >=+=+=
可以看出，高温送冷情况下的总能耗明显增加，这主要是由于泵的功率增加而引起的。

4 最佳送冷温度的确定
通过对三种送冷温度情况下系统总能耗的比较分析，发现低温送冷技术能在较大程度降低区域供冷系统的能耗。

但是是否温度越低越好？可对低温送冷能耗表达式一般化，并进一步分析。

设蒸发温度每降低1℃，从前面分析可认为制冷机能耗增加3%；送冷温度每降低1℃，泵消耗的功率可变为原来的3)5
5(+n 。

即 311)55(31%)31(32+++=
n W W W n （15） 上式仍是在标准空调工况下进行比较。

n 为蒸发温度与标准工况蒸发温度的下降值。

不难得出，上式右边第一项随n 增加而增加，且增加幅度越来越大，即制冷机消耗能量增加得越来越多；而右边第二项随n 增加而减少，且增加幅度越来越小，即泵功率降低得越来越少。

这就意味着，当送冷温度低到一定程度，泵的节能效果将不明显，甚至反而增加能
耗。

因此应该存在一最佳送冷温度，使总的能耗最小。

经数学处理，可以得出（15）式在n=3.6847时，W 取最小值0.8071W 。

经比较验证，此能耗值确实为系统能耗最小值。

5 结束语
本文从理论上比较分析了区域供冷系统中，通过理论分析得到了制冷机能耗随制冷剂蒸发温度变化而变化规律以及水泵能耗随冷冻水供水温度变化而变化的规律，总结出了系统总能耗随制冷剂蒸发温度变化而变化的公式。

经过对公式数学处理，对于无蓄冷的区域供冷系统，当制冷机中制冷剂蒸发温度为
8.36时，区域供冷系统总能耗达到最小。

参考文献：
[1] 龙惟定. 建筑节能与建筑能效管理[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005
[2] 寿青云,陈汝东. 借鉴国外经验积极发展我国的区域供冷供热[J]. 流体机械 , 2003,(11)47-50
[3] Fu Lin, Jiang Yi, Yuan Weixing, Infuence of supply and return water temperatures on the energy。