區(qū)域供冷系統(tǒng)最佳供應(yīng)半徑的研究
北京建筑工程學(xué)院 姜?jiǎng)P 馮圣紅
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0 引言
本文主要通過區(qū)域供冷的壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用的平均年費(fèi)用和現(xiàn)在公認(rèn)的最節(jié)能的變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用的平均年費(fèi)用的比較得出最優(yōu)的供應(yīng)半徑。
區(qū)域供冷系統(tǒng)主要可以分為兩種形式。第一種區(qū)域供冷系統(tǒng):制冷站位于末端負(fù)荷的中心，可以直接從機(jī)房引出支管以滿足不同位置的負(fù)荷需求。這種系統(tǒng)形式的特點(diǎn)是末端負(fù)荷分布比較均勻，負(fù)荷密度大。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在這里假設(shè)支管完全相同，只是走向不同，各支路采用并聯(lián)的方式。
第二種區(qū)域供冷系統(tǒng):由于地理環(huán)境或其他客觀因素的制約，使得制冷站只能布置在末端負(fù)荷區(qū)的一側(cè)，兩者相距較遠(yuǎn)，需要經(jīng)過較長(zhǎng)的距離才把冷凍水輸送到負(fù)荷中心，然后再通過各支管提供給末端用戶。此種系統(tǒng)與第一種區(qū)域供冷系統(tǒng)相比，末端負(fù)荷特點(diǎn)基本相同，不同之處，僅在于第二種區(qū)域供冷系統(tǒng)的冷凍水需要先經(jīng)過一條比較長(zhǎng)的干管，然后才能抵達(dá)負(fù)荷中心。
1 壽命周期模型的建立
為了科學(xué)、準(zhǔn)確地進(jìn)行壽命周期費(fèi)用分析，必須用一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量資金的價(jià)值，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是資金的現(xiàn)值。將壽命周期中不同年份發(fā)生的等額現(xiàn)金流（年運(yùn)行費(fèi)用）統(tǒng)一折算成現(xiàn)值，然后加上初投資，便是壽命周期費(fèi)用總現(xiàn)值LCC，其計(jì)算公式為：
（1）其中n為系統(tǒng)的使用壽命，i為基準(zhǔn)收益率；
LCC有兩種表達(dá)形式，一種是壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用的總現(xiàn)值，其表達(dá)式如上式；另一種是壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用的平均年費(fèi)用（AAC），實(shí)用于不同使用壽命周期的多個(gè)方案的比較評(píng)價(jià)。若每年的等額運(yùn)行費(fèi)用為A,出投資為Ci,其表達(dá)式為：
（2）2 區(qū)域供冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗
2.1制冷機(jī)組的運(yùn)行能耗
在空調(diào)工程設(shè)計(jì)中，往往根據(jù)空調(diào)峰值負(fù)荷選擇制冷機(jī)容量。而一年之中制冷機(jī)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行。因此，不能用樣本給出的滿負(fù)荷效率來(lái)計(jì)算制冷機(jī)的全年能耗，必須考慮制冷機(jī)在部分負(fù)荷下的效率。影響制冷機(jī)效率的因素是多方面的，如運(yùn)行負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度、冷凍水出水溫度、換熱器傳熱表面的污垢系數(shù)等.其中前三個(gè)因素是影響制冷機(jī)能耗效率的最主要的因素，如果將這三個(gè)因素分離出來(lái)，可以將制冷機(jī)的效率COP值表示成三個(gè)變量的函數(shù)
COP=COPdesign×f1(LT,ET) ×f2(PLR) （3）
式中：COPdesign—設(shè)計(jì)工況下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的COP值;
LT——冷凍水出水溫度;℃
ET——冷卻水進(jìn)水溫度;℃
PLR——部分負(fù)荷率:
由于在實(shí)際工程中冷凍水的出水溫度通常控制在7℃，這樣就可以將部分能耗率簡(jiǎn)化為部分負(fù)荷率和冷卻水進(jìn)水溫度的表達(dá)式，此表達(dá)式可以通過對(duì)樣本給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙二次擬合得出，可簡(jiǎn)化為：
PER=COPdesign×f1(ET) ×f2(PLR) （4）
式中PER為部分能耗率
為了方便起見，在全年負(fù)荷延時(shí)特性曲線上將部分負(fù)荷率以4%為間隔劃分為25個(gè)負(fù)荷段，取中間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率為該負(fù)荷段的代表值，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷得到該負(fù)荷段所對(duì)應(yīng)的開機(jī)方案及各機(jī)組的負(fù)荷率:
求負(fù)荷段所對(duì)應(yīng)的室外溫度段，其計(jì)算公式為：
T=(Q/QD)(TD－TB)+TB （5）
式中：
Q——溫度T下的冷負(fù)荷
QD——設(shè)計(jì)冷負(fù)荷
TB——開始供冷的基準(zhǔn)溫度
TD——夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)溫度
根據(jù)該溫度段所對(duì)應(yīng)的室外平均濕球溫度和負(fù)荷率可以求出平均冷卻水進(jìn)水溫度為Tout，然后由樣本擬合出來(lái)的曲線方程便可計(jì)算出不同負(fù)荷段下制冷機(jī)的能耗.再計(jì)算出不同負(fù)荷段所對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)，將全年25個(gè)負(fù)荷段的能耗值累加便可得出該配置方案下冷水機(jī)組系統(tǒng)的全年能耗。
（6）式中：P——機(jī)組的額定功率
PERi——第i個(gè)負(fù)荷段的部分能耗率
hi——第i個(gè)負(fù)荷段對(duì)應(yīng)得小時(shí)數(shù)
2.2 冷卻塔的能耗
根據(jù)冷卻塔的冷卻水的流量選擇冷卻塔，假設(shè)有m1臺(tái)送風(fēng)機(jī)，每臺(tái)的功率為p.運(yùn)行總時(shí)間為h,則冷卻塔的運(yùn)行能耗為：
W2=m1×p×h (7)
2.3 冷卻水泵的運(yùn)行能耗
按流速推薦值選擇公稱直徑為D的冷水管管徑。其水流速為：
V=(4Q)/(3600πD2) （8）
查水管路計(jì)算圖可得比摩阻為Rt，則管路的沿程阻力為：
Hf=Rt×2L （9）
取局部阻力與沿程阻力的比值為x,則整個(gè)管路的沿程阻力為：
Hd=x× Rt （10）×2L
其他如冷凝器、水處理設(shè)備等阻力合計(jì)為Hm,則冷卻水泵的揚(yáng)程為：
Hp=Hf+Hd+Hm （11）
一般情況下水泵的揚(yáng)程和流量都有10%的余量，則選用水泵的揚(yáng)程和流量分別為：
Hpx=1.1×Hp Qpx=1.1×Qp （12）
則該冷卻水泵的額定功率為：
P=(ρgQpxHpx)/(1000η) （13）
假設(shè)有m2臺(tái)冷水泵使用,運(yùn)行總時(shí)間為h,則能耗為：
W3=m2ph （14）
2.4 一次冷凍水泵的能耗
按流速推薦值選擇公稱直徑為D的冷水管管徑。其水流速為：
V=(4Q)/3600πD2 （15）
查水管路計(jì)算圖可得比摩阻為Rt，則管路的沿程阻力為：
Hf= Rt×2L （16）
取局部阻力與沿程阻力的比值為x,則整個(gè)管路的沿程阻力為：
Hd=x× Rt （17）×2L
其他如分集水器、蒸發(fā)器阻力合計(jì)為Hm,則冷卻水泵的揚(yáng)程為：
Hp=Hf+Hd+Hm （18）
一般情況下水泵的揚(yáng)程和流量都有10%的余量，則選用水泵的揚(yáng)程和流量分別為：
Hpx=1.1×Hp Qpx=1.1×Qp （19）
假設(shè)有m3臺(tái)一次冷凍水泵使用，運(yùn)行總時(shí)間為h,則能耗為：
W4=m3ph （20）
2.5 二次泵的運(yùn)行能耗
假設(shè)輸送管道的長(zhǎng)度為L，任一支路冷凍水流量為Q,按流速推薦值選擇公稱直徑為D的冷水管管徑。其冷凍水流速為：
V=(4Q)/3600πD2 （21）
查水管路計(jì)算圖可得比摩阻為Rt，則管路的沿程阻力為：Hf= Rt×2L （22）
取局部阻力與沿程阻力的比值為x,則整個(gè)管路的沿程阻力為：Hd=x× Rt （23） ×2L
其他如分集水器、動(dòng)態(tài)流量平衡閥、二通閥、末端裝置等阻力合計(jì)為Hm,則冷凍水泵的揚(yáng)程為：
Hp=Hf+Hd+Hm （24）
一般情況下水泵的揚(yáng)程和流量都有10%的余量，則選用水泵的揚(yáng)程和流量分別為：
Hpx=1.1×Hp Qpx=1.1×Qp （25）
則該冷凍水泵的額定功率為：
P=(ρgQpxHpx)/(1000η) （26）
由于二次泵為變頻泵，所以二次泵供冷期的能耗總量的計(jì)算要采用BIN參數(shù)法計(jì)算。主要是要算出二次泵的當(dāng)量滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)，根據(jù)BIN參數(shù)法以2攝氏度為間隔，從理論研究的角度考慮，為了便于計(jì)算，按三次方關(guān)系計(jì)算不同負(fù)荷率下的二次變頻泵功率，得出水泵當(dāng)量滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)公式為：
（27）式中
qTi——溫度Ti下的負(fù)荷率；
mi——溫度Ti下開啟的水泵臺(tái)數(shù)
hi——溫度Tn下的小時(shí)數(shù)
則二次泵的供冷期的運(yùn)行總能耗為：
W5=1.15×Ph （28）
2.6 冷凍水管道輸送能量損失
2.6.1輸送到末端泵流體的管道能量損失
則當(dāng)單臺(tái)變頻泵在額定轉(zhuǎn)數(shù)下運(yùn)行時(shí)，此沿程能量損失為：
∆Ws=QρCpVt （29）
式中Vt為流體通過管道的溫度升高值，得計(jì)算公式如下：
∆t=(ex－1)Vtin （30）
（31）∆tin=tin－ts （32）
式中：d1、d2、d3——管道內(nèi)徑、外徑、保溫層外表面直徑
tin——流體進(jìn)入管道時(shí)的溫度
ts——管道保溫層外表面溫度，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取周圍土壤溫度
ρ——管道內(nèi)流體的平均密度
A——管道的橫截面積
Cp——水的比熱
λ1——管材的導(dǎo)熱系數(shù)
λ2——保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)
2.6.2由末端泵返回機(jī)組流體的管道能量損失
則當(dāng)單臺(tái)變頻泵在額定轉(zhuǎn)數(shù)下運(yùn)行時(shí)，此沿程能量損失為：
∆Wr=QρCpVt （33）
則單臺(tái)水泵引起的流體輸送損失為：
∆W=∆Ws+∆Wr （34）
由于流體的流量是變化的，所以采用BIN參數(shù)法計(jì)算整個(gè)供冷期的流體輸送損失。計(jì)算公式如下：
（35）3 變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗
（36）式中EER(ti)溫度ti下的能效比，計(jì)算公式如下：
EER(ti)= (Q×pi)/(N×PERi) （37）
式中：Q——額定制冷量
N——額定輸入功率
pi——部分負(fù)荷率
PERi——部分能耗率
則變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)間為h時(shí)的能耗
WVRV=P額定出力/SEER×h （38）
4 區(qū)域供冷和變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)的初投資
4.1 區(qū)域供冷的初投資
假設(shè)機(jī)組的投資為A
管道的投資為：B=bLm
式中b為單位管道的綜合價(jià)格；m為管道的數(shù)量
水泵（冷卻水泵和冷凍水泵）的投資為C
末端投資為D
4.2 變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)的投資
假設(shè)總投資為F
5 用AAC分析法優(yōu)化供冷半徑
運(yùn)用BIN參數(shù)法算出全年末端需要的冷量為W
區(qū)域供冷系統(tǒng)的供冷期的運(yùn)行能耗WDLSW為：
WDLS=W1+W2+W3+W4+W5 （39）
假設(shè)輸送管道是絕熱的，則負(fù)荷側(cè)單位冷量能耗為
wDLS=(W1+W2+W3+W4+W5)/W （40）
而實(shí)際情況是管道存在輸送損失，這相當(dāng)于增加了末端需要的冷量。則有效的系統(tǒng)運(yùn)行能耗為：
Wy=WDLS+W×wDLS （41）
則區(qū)域供冷空調(diào)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用的平均年費(fèi)用為：
（42）式中：u—單位能耗的價(jià)格
變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用的平均年費(fèi)用為：
（43）式中：u—單位能耗的價(jià)格
綜上所述可知，區(qū)域供冷比變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能的成立條件為：
AACDLS ≤AACVRV （44）
上式中最后只是關(guān)于管長(zhǎng)L的表達(dá)式，這樣就可以得出區(qū)域供冷系統(tǒng)較變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)更節(jié)能的供冷半徑。
6 總結(jié)
本論文通過對(duì)第一種形式的區(qū)域供冷系統(tǒng)和變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)的比較，總結(jié)得出了計(jì)算供應(yīng)半徑的方法。只有采用合理的供應(yīng)半徑，才能使區(qū)域供冷系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能的效果。通過帶入實(shí)際數(shù)的計(jì)算得出了一些數(shù)據(jù)，當(dāng)變頻集中空調(diào)系統(tǒng)的平均室內(nèi)外機(jī)的距離小于50米時(shí)，區(qū)域供冷的供應(yīng)半徑不能超過650米，對(duì)于一些更大的變頻集中式空調(diào)系統(tǒng)，區(qū)域供冷系統(tǒng)的供冷半徑應(yīng)該控制在950米以內(nèi)。現(xiàn)在還有許多技術(shù)不夠成熟，所以更大的供應(yīng)半徑，可能就達(dá)不到節(jié)能的效果了。
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