区域供冷目前主要存在集中式输配和分布式输配2种形式，总体多数以集中能源站、大管道、长距离输配为特征，导致输配能耗高、低负荷工况经济性差等问题。针对以上问题，本文提出了多源联网式输配供冷系统，各用户端分建能源站（多源），通过管网连接各能源站，实现在中低负荷期各用户能源自给自足，峰值负荷期由其他能源站（多源）补充。通过案例计算了集中式输配系统、分布式输配系统、多源联网式输配系统的输配能耗，结果表明，多源联网式输配系统比集中式输配系统节能41%，比分布式输配系统节能23%。
集中能源站；多源能源站；集中式输配；分布式输配；多源联网式输配；能耗
赵民 1,2 师永霞 1 李杨 2
（1.西安建筑科技大学；2.中国建筑西北设计研究院有限公司）
2020年建筑运行过程中总能耗为10.6亿t标准煤，总碳排放量为21.8亿t CO 2 。建筑领域的节能减碳是我国节能减排工作的重要环节，也是如期实现“双碳”目标的关键，其中供暖空调能耗是建筑能耗的重要组成部分，降低供暖空调能耗是节能减碳的重要途径之一。供冷系统由冷源、管网输配和末端三大环节组成，目前区域供冷主要存在集中式输配和分布式输配2种形式。集中式输配结构形式简单，但在靠近冷源处资用压头过大，近端的节流阀耗能巨大。分布式输配基于变频泵的发展，其核心思想是在冷水输配管网的节点上安装变频泵代替调节阀，主动从管网抽取冷水，变频调节流量，以泵代阀实现精细化调节和节能运行。总体而言，集中式输配系统和分布式输配系统都采用集中能源站、大管网、长距离输配，存在调节灵活性差、输配能耗高、集中能源站和管网初投资高、资金回收期长、中低负荷区间运行能效低等问题。加强输配系统节能的研究既是完善区域供冷系统的重要内容，又是暖通空调节能的重要举措。
针对上述问题，从输配系统节能的角度出发，本文提出了多源联网式输配供冷系统，将区域集中能源站拆分成多个用户能源站，并通过管网连接，形成多用户能源站联网的输配供冷系统。与传统区域集中供冷采用集中式输配系统和分布式输配系统不同，多源联网式输配供冷系统强调在中低负荷时，用户负荷由自己的能源站负担，无需管网输配。由于各用户的负荷峰值出现时间不一样，当某个用户出现高负荷或峰值负荷时，则由其他多源能源站补充冷量。可以看出，多源联网式输配供冷系统的输配管网不是承担所有用户的全部负荷，输配管径要远小于集中能源站供冷系统的输配管径。
区域集中供冷输配能耗大，年输配费用占供冷总运行费用的比例很高，分析输配能耗对节能减排至关重要。
1.1 集中式输配系统
集中式输配系统如图1所示，集中能源泵的扬程根据最远端的最不利用户4来确定，靠近能源站的用户需通过调节阀消耗掉过剩压头。图2显示，只有用户资用压头 H 是必须的，其余压头都由调节阀消耗掉。集中式输配系统还可能出现热力失调、用户不满意等一系列问题，这种无谓的节流损失是集中循环水泵设计方法本身造成的。
1.2 分布式输配系统
分布式输配系统如图3所示，水泵包括集中能源泵和用户泵，集中能源泵承担冷源压降，用户泵承担管路和用户的压降，根据用户的需求设置。分布式输配系统相对集中式输配系统，用用户泵代替节流阀，消除节流阀的无用耗能。从图4可以看出，4个用户的用户泵可根据用户侧的需求运行，每个用户的用户泵压头都等于沿程压力损失和用户资用压头之和，没有因节流引起的能耗损失，也在一定程度上解决了集中式输配系统的水力失调问题。
对集中式输配系统和分布式输配系统进行总结可得到：分布式输配系统解决了集中式输配系统的节流耗能、水力不均和热力不均等问题，但是能源站单一（集中能源站）、远端用户的输配距离长、沿程热损失大、系统响应慢、使用灵活性差、管网投资回收周期长。
多源联网式输配供冷系统将单一的能源站拆分到每个用户，各用户端分建能源站（多源），并将每个用户的能源站通过输配管路互联互通。根据各用户的负荷需求，建立可负担基础负荷的能源站，用户在中低负荷时，可由自身的能源站负担，彻底消除了长距离输配带来的高能耗问题，同时使用灵活性大大提高。每个用户能源站的建设规模小、初投资回收期短，不会因远离集中能源站而产生巨大的输配能耗损失，用户节假日和夜间使用也更加灵活。多源联网式输配系统可以在运行过程中持续并入新用户，峰值负荷由附近互联在一起的多源能源站提供。多源联网式输配供冷系统不是简单地将单个用户连接到一起，而是综合考虑了区域内用户的供冷需求，不仅降低了单个用户的装机容量，同时解决了集中式输配系统和分布式输配系统长距离输送能耗高的问题。多源能源站冷源系统根据用户需求确定，可采取与集中能源站相同的蓄冷、大温差等灵活多变的供冷方式，还可以更加灵活地利用就近的地源和水源等可再生资源，多源能源站同时消除了集中能源站冷却塔堆积散热的难题。多源联网式输配系统需要依靠高度可靠的自动化能源管理系统来实现，这是目前制约其发展的一个重要因素，但这也恰恰是传统的暖通行业需要与互联网、智慧化城市相互融合的地方。
2.1 多源联网式输配供冷系统组成
多源联网式输配供冷系统如图5所示，主要由各用户多源能源站、各用户循环泵、连接各多源能源站为每个用户从系统抽取冷水的各用户调峰泵和管道组成。
1） 用户：多源联网式输配系统中的用户，可以是单栋楼，可以根据使用功能的不同将单栋楼拆分成多用户，也可以将功能相同、相邻的多栋楼视为一个用户。
2） 多源能源站：多源能源站总装机容量与集中能源站装机容量相同，由建筑群总负荷确定，各用户能源站通过互联互通的输配管道来保证单个用户峰值负荷用能需求。如图5所示，多源联网式输配供冷系统把集中能源站拆分成4个多源能源站分别制备冷水，再通过管网相互连通，当某一用户处于峰值负荷时其他用户可向其供冷。
3） 循环泵：多源联网式输配系统存在2组以用途命名的水泵——用户循环泵和用户调峰泵，用户循环泵承担用户能源站、用户环路及用户末端的阻力损失，用户调峰泵在峰值负荷区间承担多源能源站之间相互输配的阻力损失。
2.2 输配理论分析
水泵的有功功率等于流体单位时间从水泵获得的总能量，水泵的轴功率为原动机传递到水泵轴上的输入功率，二者的比值为水泵的效率。
式（1）、（2）中 N e 为有功功率，kW； G 为流量，m 3 /h； η 为水泵效率； N 为水泵轴功率，kW。
供冷系统作为流体网络，其拓朴结构和电网基本一样。电网中的特兰根定理同样适用于供冷系统，管网各支路的功率为管段流量与压降的乘积。循环水泵的电功率之和等于该系统所有管段消耗的水泵功率之和：
式中 G i 为管段 i 的流量，m 3 /h； H i 为管段 i 的压头损失，m。
集中式输配系统、分布式输配系统和多源联网式输配系统均能满足多用户的供冷需求，本文选择一个多用户建筑群对以上3种输配系统的输配能耗进行定量分析。
3.1 案例概况
选择西安某马术小镇多用户供冷项目为案例进行集中式输配系统、分布式输配系统和多源联网式输配系统设计和输配能耗分析，该项目总建筑面积约8.4万m 2 ，包含综合看台楼、马术馆、展览馆和马术看台4栋建筑，主要功能有看台、展览馆、酒店、办公等。
3.2 负荷模拟
采用DesignBuilder对4栋建筑进行负荷模拟，依据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，墙体和屋面的主要材料和传热系数如表1所示，夏季室内参数设置如表2所示。
5月1日至9月30日设定为空调季，共3 762 h，其中6—8月为空调高峰季。综合看台楼包含服务马术比赛区的中心看台和酒店2个主要功能，由于功能和使用情况不同，将综合看台楼分为中心看台和酒店2个用户，而相邻的马术馆和展览馆合为1个用户，马术看台为1个独立用户，共4个用户，如表3所示。
4个用户冷负荷模拟结果分别如图7~10所示，马术小镇4个用户逐时累加综合冷负荷如图11所示。
3.3 典型设计日负荷分析及运行概况
建筑冷负荷除了受室外环境影响外，其功能和用途也决定了冷负荷峰值出现的时间。本案例中，中心看台和展览馆主要为白天使用，其冷负荷峰值出现在白天，酒店的冷负荷峰值出现在晚上，马术馆负荷和表演的时间密切相关。经动态负荷计算，马术小镇冷负荷峰值出现在8月1日（星期六）07：00，为7 845 kW（如图12所示），此峰值负荷作为系统选择装机容量的依据。
区域集中供冷能耗由三部分组成：冷源能耗、输配能耗、末端能耗。多源联网式输配系统将集中能源站拆分到各用户，不改变冷源能耗和末端能耗，只改变输配形式以减少输配能耗，其运行可以简单地分为下面2种情况（以图5和图12为例）。
4个多源能源站通过用户循环泵向各自的用户输送冷水，此时会存在某个用户能源站处于峰值负荷，比如图12中的07：00—15：00，此时用户1、3、4的能源站供冷量不能满足自身负荷需求，运行用户调峰泵，从用户2的能源站抽取冷水，即实现能源互联，由于峰值负荷出现时间相对较短，因此全年所需的输配能耗相对较小。
4个多源能源站通过用户循环泵向各自的用户输送冷水，供冷需求自给自足，比如图12中的16：00—18：00，运行用户循环泵即可满足用户的用冷需求，用户调峰泵不运行。
3.4 输配系统设计
中心看台、酒店、马术馆及展览馆、马术看台4个建筑分别为用户1~4。最近的用户距离集中能源站50 m。通过逐时负荷模拟得到4个用户的峰值负荷为7 845 kW，为各分区峰值负荷总和的73%。当采用集中能源站时，机组的装机容量为7 900 kW；当采用多源能源站时，用户1~4的装机容量分别为2 300、2 200、2 800、600 kW，多源能源站的总装机容量也为7 900 kW。根据最大流量确定管径，多用户供冷集中式输配系统和分布式输配系统见图13，管路参数见表6；多用户供冷多源联网式输配系统见图14，管路参数见表7。
3.5 输配能耗计算
输配系统中循环泵的能耗主要用来克服输配管网的设备阻力、管道阻力及末端用户阻力等。冷水供/回水温度设定为7 ℃/12 ℃，集中能源站及多源能源站内部总阻力均按110 kPa考虑，用户 1~4的内部阻力分别为60、60、60、55 kPa。由于本区域供冷系统较小，分布式输配系统的压力控制点设在集中能源站内。
当负荷率为91%~100%（按冷负荷峰值7 845 kW计算）时，集中式输配系统由集中能源泵承担整个回路的压力损失，如图1所示，所有用户所需的冷量均由集中冷源站提供，由集中能源泵输配，承担最不利环路的压力损失，近端用户多余的流量由调节阀1~3节流。最不利环路为集中冷源站到用户4的环路，供回水管总长度为1 100 m，压力损失为42 m，最不利工况运行时，整个系统的阻力损失为59 m。负荷最大值时需要冷水流量1 349 t/h，运行时间为2 h。结合式（3）计算得到集中能源泵在该负荷率区间的能耗为616 kW·h。
同理，分别统计不同负荷率区间水泵的冷水流量、最不利环路的阻力损失及水泵的运行时间，计算得到各负荷率区间的水泵输配能耗，如表8所示。
当负荷率为91%~100%（按冷负荷峰值7 845 kW计算）时，分布式输配系统由集中能源泵承担机组的阻力，所有用户所需的冷量均由集中冷源站提供，用户1~4所需要的冷量由对应的用户泵抽取冷水提供，克服管道阻力和用户阻力。根据循环水泵克服的阻力和输配的冷水量，计算得到水泵的能耗，如表9所示。
同理，对不同负荷率区间各用户泵的冷水流量、阻力损失和水泵的运行时间进行统计，计算得到输配能耗，如表10所示。
当各用户负荷率低于73%时，各用户能源站为本用户供能，无需多源能源站相互间输配供冷；当负荷率大于73%时，必然有用户能源站无法负担本用户负荷，需要运行用户调峰泵相互输配。假定多源能源站2~4不能满足自身用户的需求，不足的冷量都从距离最远处的多源能源站1抽取，运行调峰泵2~4，分别给用户2~4提供不足的冷水。计算74%~80%、81%~90%、91%~100%负荷率下的用户循环泵及用户调峰泵的能耗，分别如表11~13所示。
对多源联网式输配系统各负荷率区间用户循环泵和调峰泵的冷水流量、阻力损失和水泵的运行时间进行统计，计算得到输配能耗，如表14所示。
3.6 结果
集中式输配系统、分布式输配系统、多源联网式输配系统的全年能耗分别为249 385、191 535、148 079 kW·h，多源联网式输配系统相比集中式输配系统和分布式输配系统分别节能41%、23%。
电力排放因子按0.583 9 t/（MW·h）计算，该项目多源联 网 式输配系统与集中式输配系统相比可以减少CO 2 排放量59 t，与分布式输配系统相比可以减少CO 2 排放量25 t。
本文介绍并分析了一种多源联网式输配系统，该系统从如何解决目前区域供冷输配能耗高的问题出发，分析了多用户供冷集中式输配系统和分布式输配系统存在的问题，并通过一个多用户供冷案例分析了各自的输配能耗。研究表明：多源联网式输配系统与集中式输配系统和分布式输配系统相比，装机容量相同，输配能耗分别下降了41%和23%，碳排放量分别减少了59 t和25 t，节能减排效果明显。
多源联网式输配系统解决了集中式输配系统和分布式输配系统长时间运行管网输配效率低的问题，为降低区域供冷的输配能耗提供了新的有益方式。同时，多源联网式输配系统的建立和节能运行需要依靠高度可靠的智能化能源管理系统来实现，这是目前发展的困难和瓶颈，但随着互联网、智慧城市的快速发展，该系统将具有良好的发展前景和空间。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳感谢分享
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