昆山杜克大学区域供冷系统水平衡调试及运行优化

区域供冷供热是指利用集中设置的大型冷冻站及热力站向需要供冷及供热的建筑提供服务的供冷供热方式，冷量或热量由冷冻站或热力站通过埋地保温管道输往各功能建筑。由于集中冷源/热源效率要比分散冷热源如分体机的效率要高，且占地面积小，而且方便集中优化控制及维护管理，目前在我国的中部和南部得到了推广。但是由于用户数量多、冷负荷高、结构复杂，而且在运行过程中由于控制策略不完善及水力失调，容易造成部分负荷及全负荷下区域供冷系统调节困难、目纟效低、控制效果差。因此，对区域供冷系统进行节能优化及水力平衡调试对提高能源利用效率意义重大。

1  昆山杜克大学校园冷热站系统构成

昆山杜克大学校园占地80万m ² ，位于上海与苏州之间的昆山阳澄湖科技园内。校园一期5 栋建筑的总建筑面积约7.5万m ² ，包括1#学术楼、2#会议中心、4#教师宿舍、5#学生宿舍和6#能源中心(如图1 所示）。

         

图1 昆山杜克大学校园总体平面图

整个校园的空调冷热源位于6#能源中心，冷源为2台2800kW及1台4200kW的离心式冷水机组，分别对应3台流量为380m ³ /h，扬程为38m ( 2用1 备），2台流量为570m ³ /h，扬程为38m( 1用1 备）的变频冷冻水泵。热源为市政蒸汽及2台汽-水板式换热器，分别对应3台流量为460m ³ /h，扬程为31m的变频热水泵，此外还有1台过渡季用水-水板式换热器。集中供冷供热系统为两管制，因此只能单独供冷或供热。冷热站系统有3种运行模式：①夏季开启冷水机组供冷，供/回水温度为6℃/13℃；②过渡季开启冷却塔及过渡季板式换热器供冷；③冬季开启汽_水板式换热器供热，供/回水温度为60℃/50℃、能源中心采用一次泵变流量系统(如图2 和图3 所示）。

         

图2 机房水系统图

         

能源中心的空调水通过埋地3m深的DN400直埋式热水预制保温管输送到5个单体建筑共有14个分支，每个分支都装有平衡阀及热量计，每个分支的末端带有数量不等的空调箱及风机盘管机组。由于园区的各个功能建筑使用时间不一致，比如会议中心和学术楼目前主要白天使用，而且使用频率不高，而宿舍楼主要是晚上使用。因此整个园区的供冷及供热负荷变化很大，空调及自控系统需要有适应负荷变化的能力。

         

由于3#教学楼未建，现有最大负荷只需要开启2台2800kW 冷水机组就能够满足。因此，空调水系统水平衡按照此情形进行设计，即开启2台380m ³ /h的水泵（按50Hz运行），冷水机组侧电动阀开启，冷冻水最小流量旁通管上的电动阀关闭，所有末端包括空调箱和风机盘管机组全部开启。

2  空调水系统平衡调试

2.1  水平衡调试方案的确定

由于校园内14个主分支都安装有能量计，能够直接读取流量，因此水平衡的第一步是使用超声波流量计对能量计进行校验比对，然后根据流量计的读数调节平衡阀。此种方法极大地减少了最终调试时间，进而减少了对机组运行的影响。

水系统平衡调式之前的准备工作包括：

1)  试压及冲洗；

2)  末端设备的过滤网全部清洗完毕；

3)  所有末端（空调箱、风机盘管机组）的电阀及隔离阀全开，空调箱的维修旁通阀全关；

4)  空调水主管旁通全关。         

2.2  冷冻水系统平衡测试步骤

水系统的静态调试方法通常有2 种：比例法和补偿法。由于本项目为环状管网，无法使用上述2种方法，但是环状管网的最远端为3#教学楼，还未开始施工，因此将此处的蝶阀及末端旁通关闭，在减小由于管路埋地带来的热量损失的同时，环状管网变成了常规的支路管网，也可以使用比例法进行水平衡调试，具体步骤如下：

① 读取所有14个支路的流量，计算每个支的流量比，见表2。

② 各个末端的流量的总和只有总管流量的80%(其中不包括由于能量计没有安装及无法使用超声波流量计测量的#4分支），水平衡就按照设计流量的80M(以下称目标值）进行等比例乎衡。由表2可以看出，管路最远端1#学术楼的#11分支与2#会议中心的#7分支的流量不足，离能源中心最近的大部分分支严重过流量。

③ 识别最大流量比的支路，即#15分支，将其调节到目标值的90%左右，这是因为在之后调节其他末端时，此末端的流量会稍稍增大。

④ 其次调节第二大流量比的支路即#16分支，将其调节到目标值的90%左右。

⑤依次类推，对于小于目标值的分支，不做任何调整，直至所有的阀门调节完毕。重新读取所有流量计的第二次读数。

⑥如此重复步骤③ ? ⑤，直至所有末端分支 流量达到目标值的±10%以内。

最终测试一共进行了2天，在测试中遇到的以

下几点问题应当注意：

1)  部分平衡阀已经关到了最小开度（0.1圈)还是超出设计流量10%以上，无法继续调节且不应继续调节，否则会带来噪声问题。

2)  部分宿舍房间由于有人使用，无法完全证风机盘管机组水阀全开，如4 # 教师宿舍的#3分支，因此未将其视为最不利分支。

3)  所测量主管的总流量与末端能量计之和匹配，主要是由测量误差及仪表误差所造成的。

4)  需要所有末端完全满足设计值及GB50234—2002《通风与空调工程施工质量验收规范》要求的偏差±10%是很难达到的，考虑到设计中的富裕系数，笔者认为可以在适当时做出一些让步，当然在极端条件下可能需要开启更多的水泵满足此不利区域的负荷。

表2 水平衡调试结果

         

3  冷冻站及热力站运行优化建议

在进行水平衡调试时，冷冻站群控系统尚未完成，以及由多个能量计组成的能量计量系统也尚未启用。但是在上述两系统运行后，建议采取以下的运行及控制方式优化运行达到最佳的节能效果。

1)  合理优化冷冻水出水温度，按照ASHRAE90.1-2010的要求，应该根据不同室外温度调节冷冻水出水设定温度，具体设定点可以在能量计量系统上线后有了一定的历史数据总结。笔者通过分析半年多的冷水机组运行历史数据，建议按照按照表3 模式运行。

         

2)  由于冷水机组的运行能耗受到部分负荷率的影响，冷水机组运行能效最高的部分负荷率通常在70% ? 90%  之间，具体的数值与冷水机组的性能、压缩机形式以及是否为变频机组有关。因此，需要对区域供冷系统冷水机组的开启台数及每台冷水机组的部分负荷进行优化。例如在本项目中，当负荷达到5000kW时是开启2台2800kW 机组还是开启1台2800kW 和1台4200kW机组更节能？这需要在实际运行中进行验证。

3)  合理设置水系统压差设定点。由于园区的负荷随时间变化较大，可考虑在白天的压差设定点主要满足1#学术楼及2#会议中心的需求，夜间及节假日的压差设定点满足4#教师宿舍及5#学生宿舍的需求。

4)  由于本项目的冷却水栗为定频水泵，建议增加冷却水栗变频器。但是应注意的是，冷水机组的运行能效会随着冷却水量的降低而下降。此时，制冷系统总能效的变化取决于冷水机组运行能耗与冷却水栗运行能耗的变化。

5)  优化冷却水出水温度。例如在低负荷情况下，开启2 台冷却塔对应1 台冷水机组，增大换热面积，降低冷却塔出水温度，从而增加冷水机组的能效，但是同时增加了冷却塔风机的能耗 。

6)  在3#教学楼施工结束后应该再次进行水平衡调试，合理分配冷冻水和热水水量，实现优化运行。

7)  在能源系统启用后，根据一段时间的运行规律，可以尝试按照原概念设计的大温差小流量运行冷冻站，避免自从运营以来的长期大流量小温差运行带来的巨大水栗能耗。

8)  由于本项目为二管制，此次水平衡仅对冷冻水系统进行了平衡，未对热水系统进行平衡。建议在能源计量系统上线后运行一个冬季之后，有了实际的末端最大热负荷的历史记录后再对热水系统进行分析和调整。

4  结论

静态水平衡是解决区域供冷及供暖的有效且实用的手段，本项目通过静态水平衡，解决了原系统的水力失衡的问题，并提出了切实可行的平衡及控制建议：

1)  对于区域供冷供暖项目的设计应进行合的设计计算及选型，使各环路阻力基本匹配，而且在材料报审阶段需要进一步核算。

2)  对于区域供冷供暖项目应考虑设置有效平衡手段，很多项目没有在设计计算时对各环路进行水力校核，经常出现不同支路压差悬殊的现象。即使设置了平衡阀，也需要在施工后对整个系统进行水平衡调试，以确保在实际运行中各环路之间达到较好的水力平衡。

3)  区域供冷供暖项目应该从整个系统的能考虑各种设备（冷水机组和水栗）的最佳运行模式，达到最优能耗。

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