区域空调分散二次泵系统的输配节能研究

霍怡佳 蔡亮

东南大学能源与环境学院

0 引言

近年来，由于迅速发展的城市化进程，各种产业园区、大型建筑群和小城镇得以建成，为满足这些公共建筑群的用冷需求，大多采用区域供冷技术[1]。区域供冷系统在降低区域内总的空调装机容量和相应配电系统容量方面有着较大优势，能够减少设备冗余，减少机房占地面积，减少系统初投资。但是，区域供冷系统也存在一个明显的劣势，即冷冻水输送距离大大增加，从而导致区域供冷系统的输送能耗高、输配管网投资大、管网的冷损失大。因此，必须合理设计区域供冷系统的输配管网，最大限度降低冷冻水输配管网的运行能耗，从而提升区域供冷系统整体的经济性。

区域供冷系统作为一种综合用能、集成用能的大型区域空调系统已经得到了学者们的广泛关注。国内外学者对区域供冷系统输配能耗影响因素的研究主要集中于运行调节方式、二次管网冷量损失、管网设计参数等[2-6]，对于管网动力形式的研究仍然较少。此外，对于输配系统节能运行研究往往局限于设计负荷分布条件下，往往忽略了实际负荷分布在空间上的不确定性和不均匀性，极少研究基于负荷非均匀分布情况下的水泵运行能耗以及管网水力特性。因此，本文基于一种分散式二次泵系统[7]，从改变管网动力形式的角度，分析区域空调系统的输配节能潜力，并从研究该系统在不同负荷工况下的节能效果。

1 物理模型

由于系统规模较大、管网阻力较高且各环路负荷特性或阻力相差悬殊，区域空调系统一般采用二次泵变流量系统。以分集水器为界，一次泵用于克服源侧机房内的管路阻力与设备阻力，常采用定流量运行。二次泵用于克服用户侧与能源站机房之间的管网阻力，一般采用变频调节。

在传统的二次泵系统中，二次泵往往组集中设置于机房内或者机房下游管路上，称为集中式二次泵系统，其简化示意图如图1。其二次泵选型根据最不利环路阻力来确定扬程，其他用户支路需要通过调节阀增加支路阻力消耗掉多余压力从而使得支路流量满足用户的需求，这种方法大大增加了水泵能耗，其水压图如图2。

图1 集中式二次泵系统示意图

图2 集中式二次泵系统水压图

分散式二次泵系统中将二次泵分散设置在用户支路中，系统示意图如图3，水压图如图4。分散二次泵仅需克服所属建筑物与中心机房之间的阻力，降低了二次泵的扬程，管网运行压力也随之降低，有利于系统安全运行。利用变频调速泵代替阀门来实现对各个用户流量的调节作用，减少了在阀门上消耗的多余压头，减少了无效电耗，有利于系统运行节能。

图3 分散式二次泵系统示意图

图4 分散式二次泵系统水压图

2 计算结果及分析

2.1 设计工况

本文研究的系统包含5 个用户换热站，每个用户的设计流量均为300 m3/h，用户侧设计供回水温差为6 ℃，每个用户站需用压头为8 m。源侧冷水机组蒸发器的供水温度恒定为5.5 ℃，考虑管网冷量损失，源侧设计供回水温差为7 ℃，机房内设备阻力为10 m。整个管网的设计比摩阻为200 Pa/m。每个用户站的间距为200 m，机房内管网总长250 m。根据以上管网设计参数，采用基本回路分析法进行管网解算。分散二次泵系统和集中二次泵系统水压图分别如图5 和图6，其中Pg，Ph，Pn分别表示供水压力、回水压力、用户需用压力，n 表示用户，n=1，2，3，4，5。

可以看出，在分散式二次泵系统中，供水压力线总是在回水压力线下方，各分散二次泵的扬程为用户需用压力与供水压力的差值。而在集中式二次泵系统中，除了最不利环路以外，供水压力总是大于用户需用压力，因此，在用户1～用户4 支路中需要用调节阀消除多余压头。

图5 分散式二次泵系统设计工况水压图

图6 集中式二次泵系统设计工况水压图

系统中水泵运行参数如表1。由表中数据可知，在满足用户流量需求的情况下，分散二次泵系统中总泵耗Nchp为434.5 kW，相较于集中二次泵系统的555.3 kW，可节约泵耗120.8 kW，节能率达到21.8%。

表1 设计工况水泵运行参数

2.2 负荷率对水泵节能运行的影响

当系统处于部分负荷时，源侧定流量运行，机组和一次泵根据分集水器间的盈亏管中的流量进行台数控制，当二次侧管网流量大于一次侧管网流量且盈亏管内的水流量达到一台机组额定流量的110%时，关闭一台机组和对应一次泵。用户侧变流量运行：在分散式二次泵系统中，每个用户支路内的变频二次泵会根据用户侧供回水压差调节转速，从而调节支路流量；而在集中式二次泵系统中，集中二次泵根据末端用户压差来进行转速和台数调节，用户支路入口则用电动调节阀消耗多余压头。

当每个用户负荷率RL同时从100%降至10%时，系统总泵耗情况如图7，分散二次泵系统节能情况如图8。从中可以看出，当负荷率处于100%至70%时，分散二次泵系统节能效果明显，并且泵耗节能率Rs随着负荷率的降低而增加，当负荷率为70%时，系统节能率达到最大值50.8%。当负荷率处于60%至40%时，集中二次泵系统中关闭一台二次泵，总泵耗明显降低，但是依旧高于分散二次泵系统泵耗，分散二次泵系统节能率同样随着负荷率的降低而增加，节能率为17.7%～40.0%。当负荷率处于30%至10%时，系统处于低负荷工况，集中二次泵系统中只有一台二次泵运行，而分散二次泵系统中依旧需要5 台泵同时运行，此时泵开启台数的影响要大于单台泵容量大小的影响，使得分散二次泵系统节能率不再明显，甚至在30%负荷率时，分散式系统泵耗要大于集中式系统。

图7 部分负荷下系统总泵耗

图8 分散二次泵系统节能率

2.3 负荷非均匀分布对水泵节能运行的影响

在实际工程中，用户负荷在空间上一般都是非均匀分布，近端用户和远端用户的负荷往往存在差异。为了研究负荷非均匀分布对水泵节能运行的影响，分别针对分散式二次泵系统和集中式二次泵系统的4 中较为典型的空间非均匀分布的水泵运行能耗进行计算。4 种典型的负荷非均匀分布形式如图9。管网支路负荷率同步等比例下降，图9 中反映的是负荷率为100%时的用户流量分布。

2.3.1 负荷非均匀分布方案一

图9 典型的非均匀负荷分布形式

负荷非均匀分布方案一，用户侧总负荷不变，用户1 到用户5 的负荷分别占总负荷的13%、17%、20%、23%、27%，负荷集中于管网最远端。图10 和图11 分别为分散式二次泵系统在不同负荷率下的二次泵能耗以及各二次泵的效率。方案一中用户5 的需用流量所对应的水泵转速大于二次泵5 的额定转速，因此，在负荷率为100%到70%区间内，二次泵5 以额定转速运行。负荷率低于70%时，二次泵5 降低转速以满足用户流量需求。可以看出，在不同负荷率下，二次泵5 的功率和整体效率均为最高，二次泵4 至二次泵1 的功率和效率分别依次降低。

图10 方案一的分散二次泵能耗

图11 方案一的分散二次泵效率

2.3.2 负荷非均匀分布方案二

负荷非均匀分布方案二，用户侧总负荷不变，用户1 到用户5 的负荷分别占总负荷的27%、23%、20%、17%、13%，负荷集中于管网最近端。图12 和图13 分别为分散式二次泵系统在不同负荷率下的二次泵能耗以及各二次泵的效率。方案二中用户1 的需用流量所对应的水泵转速大于二次泵1 的额定转速，因此，在负荷率为100%到80%区间内，二次泵1 以额定转速运行。负荷率低于80%时，二次泵1 降低转速以满足用户流量需求。可以看出，在不同负荷率下，各二次泵的功率较为接近，当负荷率为40%～100%时，二次泵3 和二次泵4 的功率较高。当负荷率为10%～30%时，二次泵1 的功率最高。就效率而言，二次泵1 的整体效率最高，二次泵2 至二次泵4 的效率依次降低。

图12 方案二的分散二次泵能耗

图13 方案二的分散二次泵效率

2.3.3 负荷非均匀分布方案三

负荷非均匀分布方案三，用户侧总负荷不变，用户1 到用户5 的负荷分别占总负荷的27%、17%、13%、17%、27%，负荷集中于管网两端。图14 和图15 分别为分散式二次泵系统在不同负荷率下的二次泵能耗以及各二次泵的效率。方案三中用户1 和用户5 的需用流量所对应的水泵转速大于二次泵1 和二次泵5 的额定转速，因此，在负荷率为100%到80%区间内，二次泵1 和二次泵5 以额定转速运行。负荷率低于80%时，二次泵1 和二次泵5 降低转速以满足用户流量需求。可以看出，在不同负荷率下，二次泵5 的功率为最高。当负荷率为60%～100%时，二次泵1 的效率最高，当负荷率为10%～50%时，二次泵5 的效率最高。

图14 方案三的分散二次泵能耗

图15 方案三的分散二次泵效率

2.3.4 负荷非均匀分布方案四

负荷非均匀分布方案四，用户侧总负荷不变，用户1 到用户5 的负荷分别占总负荷的13%、23%、27%、23%、13%，负荷集中于管网中部。图16 和图17分别为分散式二次泵系统在不同负荷率下的二次泵能耗以及各二次泵的效率。方案四中，当负荷率为100%时，用户2 和用户3 的需用流量所对应的水泵转速大于二次泵2 和二次泵3 的额定转速，二次泵2 和二次泵3 以额定转速运行。负荷率低于90%时，二次泵2 和二次泵3 降低转速以满足用户流量需求。可以看出，在不同负荷率下，二次泵3 的功率和整体效率均为最高。

图16 方案四的分散二次泵能耗

图17 方案四的分散二次泵效率

2.3.5 汇总

针对4 种典型的空间负荷非均匀分布方案，分散式二次泵系统的水泵总功率和集中式二次泵系统的水泵总功率如图18。图中可以看出，集中式二次泵系统的水泵总功率与负荷在空间上的分布形式无关。集中式二次泵系统都是调节阀门开度来调节用户侧流量，其本质上是增加阻抗，任一种空间负荷分布形式，用户侧总负荷相同，总流量相同，那么，用户侧总阻抗也相同，因此集中二次泵系统水泵总功率相同。

图18 不同负荷分布下的系统总泵耗

由图19 可知，4 种分均匀负荷分布下的分散二次泵系统相较于集中二次泵系统而言，其节能率呈现的规律是一致的。在这些典型的负荷空间非均匀分布方案和均匀分布方案中，方案二即负荷集中于管网最近端的分散二次泵系统节能率最高，而方案一负荷集中于管网最远端的分散二次泵系统节能率最低，也就是说，能源站机房应设立在负荷集中处，这与实际工程经验相符合。

图19 不同负荷分布下的分散系统节能率

3 结论

本文建立了区域分散式二次泵系统空调管网模型，主要研究了动力形式，负荷率和负荷空间分布形式等方面对于冷冻水输配能耗的影响。得到了以下结论：

1）在设计工况下，相较于集中式二次泵系统，分散二次泵系统的节能率达到21.8%，输配节能效果明显。

2）在部分负荷情况下，分散二次泵系统的水泵节能效果与负荷率有关。当负荷率处于40%-90%时，分散式系统输送节能效果显著，负荷率为70%时最高节能率可达50.8%。当负荷率低于30%时，由于二次泵运行台数的差异，分散式系统节能效果降低。

3）负荷在空间上的分布形式会影响分散式二次泵系统的输送能耗，而对集中式系统则基本无影响。通过对四种典型的空间负荷非均匀分布方案中分散式二次泵系统的水泵总功率的计算，发现方案二即负荷集中于管网最近端的分散二次泵系统节能率最高，说明能源站机房应设立在负荷集中处。