区域供能系统耗电输冷热比计算的分析与探讨
区域供能系统耗电输冷热比计算的分析与探讨
李辉1汤小亮*2邹松1陈焰华2金碧辉2邱雅凡2
1武汉市建筑节能办公室2中信建筑设计研究总院有限公司
摘要：随着民用建筑规模越来越大，空调供冷供热系统的输送系统越来越复杂，能耗越来越高，其节能设计备受
设计人员关注，相关规范也均规定了空调供冷供热水系统的耗电输冷热比计算方法及限值。本文结合工程实例，分析了规范计算方法在区域供冷供热系统耗电输冷热比计算中适应性和存在的问题，探讨了规范中计算方法的调整完善之处。
关键词：区域供冷供热耗电输冷热比水泵效率
Analysis and Discussion on the Calculation of
EC(H)R in District Power Supply System
LI hui 1,TANG Xiao-liang*2,ZOU Song 1,CHEN Yan-hua 2,JIN Bi-hui 2,QIU Ya-fan 2
1Wuhan Building Energy Conservation Office
2CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co.,Ltd.
Abstract:With the increasing scale of civil buildings,the transmission and distribution system of cooling and heating system is more and more complex,and the energy consumption is higher and higher.The energy-saving design has attracted the attention of designers,relevant standard also given the calculation method and limit value of EC(H)R.Based on an engineering example,this paper analyzes the adaptability and existing problems of the standard calculation method in the calculation of EC(H)R in the district cooling and heating system,and discusses the adjustment and improvement of the calculation method in the standard.
Keywords:district cooling and heating,EC(H)R,pump efficiency
收稿日期：2019-7-15
通讯作者：汤小亮（1983~），男，硕士，高工；武汉市江岸区四唯路8号（430014）；E-mail:*****************
0引言
近年来，随着我国城镇化的快速发展，单个项目
达到五十万平方米乃至一百多万平方米的建筑不断涌现，为了实现区域能源的高效集约利用，区域供冷供热系统在工程项目中得到了越来越多的应用，大型的供冷供热系统不仅使得空调水管网和输送动力系统变得更复杂，空调冷热水输送系统的能耗也变得越高。据相关项目测试研究，
办公大楼的空调水系统能耗占到了空调总能耗的25%以上[1]。可见，
如何合理设计一个大型区域空调水系统，并准确计算其耗电输冷热比，使其满足相应设计标准和规范的要求显得尤为重要。
本文结合武汉某示范基地项目的暖通空调设计
实例及《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）[2]
和
《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》
（GB 50736-2012）[3]
中有关空调水系统的耗电输冷热比计算
方法，研究和分析该计算方法在区域供冷供热空调水系统中存在的疑点和难点，
并探讨计算方法的可改进和优化之处，以供类似区域供冷供热系统在空调水系
第39卷第7期2020年7月
建筑热能通风空调
Building Energy &Environment Vol.39No.7Jul.2020.60~62
文章编号：1003-0344（2020）7-060-4
统节能设计时参考和借鉴。
1耗电输冷热比的定义及计算方法
1.1耗电输冷热比的定义
根据文献[4]，空调冷热水系统耗电输冷热比的定义是：空调冷热水系统的输送单位能量所需要功耗。
根据文献[2]和文献[3]中的“术语”描述可知，空调冷热水系统的耗电输冷热比即是：在设计工况下，空调冷热水系统循环水泵总功耗（kW）与设计冷热负荷（kW）的比值。
1.2耗电书冷热比的计算方法
根据文献[2]第4.3.9条和文献[3]第8.5.12条可知，在选配空调冷热水系统的循环水泵时，应计算循环水泵的耗电输冷热比EC（H）R，并应标注在施工图的设计说明中。耗电输冷热比应符合下式要求：
EC(H)R=0.003096Σ(G·H/ηb)/ΣQ≤A(B+αΣL)/△T（1）式中：EC(H)R为循环水泵的耗电输冷热比；G为每台运行水泵的设计流量，m3/h；H为每台运行水泵对应的设计扬程，m；ηb为每台运行水泵对应设计工作点的效率；Q为设计冷（热）负荷，kW；△T为规定的计算供回水温差，℃；A为与水泵流量有关的计算系数；B为与机房及用户的水阻力有关的计算系数；α为与ΣL有关的计算系数；ΣL为从冷热机房至该系统最远用户的供回水管道的总输送长度，m；当管道设于大面积单层或多层建筑时，可按机房出口至最远端空调末端的管道长度减去100m确定。
2区域供冷供热系统的耗电输冷热比计算实例
2.1项目概况
项目位于武汉市东西湖区，建设范围包括网络学院，培训中心及研究院，总建筑面积约64万m2。建筑
功能以教学，办公及学院公寓为主，项目设计集中能源站进行区域供冷供热，集中能源站设于项目中间的集中公共绿化带范围内，详见图1。夏季空调总冷负荷为70400kW，冬季空调总热负荷为44800kW，考虑教学，办公与公寓存在错峰运行的特点，项目夏季供冷总装机容量为45760kW，冬季供热总装机容量为29120kW。冷源采用5台制冷量为7700kW+2台3850kW的水冷离心式冷水机组，热源采用5台5600kW的燃气热水锅炉（另设有3台5600kW的双盘管燃气热水锅炉供卫生热水和空调供热极端高峰时调剂使用）。
图1项目平面布局及能源站区位
2.2空调水系统设计方案
空调冷热水系统水管共用，供冷供热循环水泵分别设置变频水泵，采用二次泵变流量系统，近端（研究院、培训中心一期）采用一次泵直接供水，远端（培训中心二期、网络学院）根据末端阻力情况就近设置二次泵系统。夏季供冷按大温差空调系统设计，夏季空调供回水温度为5/13℃。冬季空调供回水温度为62/50℃。由于空调水系统输送距离较长，考虑到管路温升（降）因素，空调系统末端夏季供回水温度取5.5/12.5℃，冬季供回水温度取61/51℃。整个系统一、二次泵的具体设计情况如表1所示，空调供回水管道的总输送长度为2500m。
表1空调水泵设计参数表
注：培训中心二期和网安学院空调供水二次循环水泵冷热水共用，且根据冬季负荷及温差计算，冬季供热水二次泵均仅需运行一台，且均部分负荷变频运行。
2.3耗电输冷热比计算
根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）
中有关耗电供冷热比的定义和计算公式，编号用途流量/m3/h 扬程/m 效率/% 数量
CHP01-03 供冷一次泵455 40 ≥82 3（2用1备）
CHP04-08 供冷一次泵900 40 ≥80    5
HWP01-08 供热一次泵450 26 ≥77 8（5用3备）
CHP-1 教学楼1冷热二次泵265 18.5 ≥83.6 4（3用1备）
CHP-2 教学楼2冷热二次泵265 25.5 ≥83.6 4（3用1备）
CHP-3 宿舍1冷热二次泵223 13 ≥83.1 3（2用1备）
CHP-4 宿舍2冷热二次泵223 12 ≥83.1 3（2用1备）
CHP-5 宿舍3冷热二次泵223 14 ≥83.1 3（2用1备）
CHP-6 图书馆冷热二次泵145 16 ≥80 3（2用1备）
CHP-7 风雨操场冷热二次泵91 19 ≥80 3（2用1备）
CHP-8 信息楼冷热二次泵190 16 ≥83.6 4（3用1备）
CHP-9 教学楼3冷热二次泵255 18 ≥83.6 4（3用1备）
CHP-10 宿舍C冷热二次泵223 12 ≥83.1 3（2用1备）
李辉等：区域供能系统耗电输冷热比计算的分析与探讨
第39卷第7期·61·
按设计总冷热负荷70400kW/44800kW及夏热冬冷地区规定的供回水温差5℃（冷水）/10℃（热水）进行计算可得：
项目循环水泵耗电输冷比设计值ECR=0.01665，夏季耗电输冷比限值为0.05246。耗电输热比设计值ECR=0.00626，冬季耗电输热比限值为0.01108。均需要满足规范要求，耗电输冷热比设计值均远小于限值要求。
但根据寿炜炜等关于空调水系统耗电输冷（热）比编制情况介绍一文，计算耗电输冷（热）比应按每小时被输送的冷（热）量的耗电量来进行[4]。笔者也认为按照按此定义来进行计算更为合理。即式1中的设计冷热负荷按装机负荷45760kW/29120kW进行计算可得：
项目循环水泵耗电输冷比设计值ECR=0.02562，夏季耗电输冷比限值为0.05246。耗电输热比设计值EC
R=0.00963，冬季耗电输热比限值为0.01108。均满足规范要求，冬季耗电输热比设计值与限值差值较小，但夏季耗电输冷比设计值仍远小于限值要求，存在限值过大的问题。
3计算结果分析
3.1规范计算方法适应区域供冷供热系统耗电输冷热比的计算
《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中的计算方法由于拓展了对多级泵系统，更长管道范围及更自由供回水温差的计算，其适用范围更广泛，能对大规模建筑的集中区域供冷供热系统进行耗电输冷热比验算及相应的节能设计控制。
3.2耗电输冷热比及相关参数的定义有待商榷
两项标准/规范中对空调水系统耗电输冷（热）比的定义均为：在设计工况下，空调冷热水系统循环水泵总功耗（kW）与设计冷热负荷（kW）的比值，且式（1）中Q为设计冷（热）负荷。但对于区域供冷供热系统，通常存在错峰运行和实际装机容量考虑同时使用系数的问题，即冷热源和空调水系统循环水泵的选配规模均会有所缩小，此时，如仍按照设计总冷（热）负荷进行空调水系统耗电输冷（热）比的计算，则式（1）左侧分子与分母不匹配，设计计算值明显偏小。同时，由于水泵在设计选型时会考虑10
%~20%的附加安全余量，也会导致式（1）左侧分子与分母不匹配的问题。因此，笔者认为空调冷热水系统耗电输冷热比的定义采用空调冷热水系统输送单位冷（热）量所需要的耗功率更为准确，且式（1）中Q应定义为空调水系统单位时间输送的冷（热）量，kW。这样，式（1）中左侧的计算值才能真正反映空调水系统的输送能效。
3.3规定的供回水温差取值有待进一步扩展延伸
《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中对供回水温差的常规取值和热泵供应热水、高温冷水机组提供冷水等特殊情况下的取值做出了说明，《公共建筑节能设计标准》实施指南[5]对相应参数的确定也做了详细说明。但对于区域供冷供热这类存在大温差情况下的取值未做说明，特别是一次供水和二次供水温差不同的情况。根据本项目实例计算可知，如项目供冷采用了7~8℃的大温差设计，而温差仍按标准/规范中的5℃进行取值，即使空调水泵效率均降低至60%以下，空调水系统耗电输冷热比的设计值仍然满足规范限值的要求。这样容易让设计人员认为：对于大温差系统，水泵的节能设计可以放松要求。因此，笔者认为，对于大温差供水系统，供回水温差应按照实际参数确定，如一次供水和二次供水温差不同，则可取两个温差的算术平均值。本项目实例如按此方法进行夏季供回水温差取值，则夏季耗电输冷比限值会降低至0.03497，将会对水泵效率形成一定的约束。
4结语
《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）对空调供水半径大、采用多级泵系统的大型复杂工程具备基本的适应性。由于采用区域供冷供热的集中能源系统在进行冷热源配置选型时存在考虑同时使用系数，夏季供冷考虑大温差供水及水泵选型时有考虑附加安全余量等情况，因此，建议对标准/规范中耗电输冷热比及相关参数的定义进行合理修正，以便于真实反映空调水系统的输送能效。进一步扩展延伸关于供回水温差的取值说明（对于大温差供水系统，供回水温差应按照实际参数确定），虽然冷水系统不低于5℃的温差是必需和能够实现的，但也应考虑大于5℃的温差导致计算出的限值过大，进而可能影响对水泵效率约束的问题。
（下转90页）
式中：K为系统的变形系数，N/m。
如果要求ΔS=0，则ΣF=0，因为K不可能为零。
安装软连接的管道，管内介质的压力会通过软连接传到管外作用到与之相连接的管道上，再加上软连接的刚力度等，均是由于安装软连接而引出的力。合并统一用F介质表示。因此，安装软连接的管道系统自身存在的轴向作用F介质包含轴向内压力（盲板力）F X P、设备不平衡压差F XΔP、软连接的刚度力F X T。
F介质=F X P+F XΔP+F X T（12）
F X P为轴向内压力（盲板力），由管内介质压力形成轴向力，通过管道传递作用在支架或设备上，对于波纹管软连接数值大小等于管内介质压力P与波纹管有效面积A*的乘积。A*可以在波纹管的产品样本或技术资料中查到，对于橡胶软接头A*可采用软接头隆起部分断面积。
F X P=P·A*（13）
F XΔP—设备两侧受到不平衡压差引起的不平衡力。如进出口在一条直线上水泵受到的不平衡力。
F XΔP=ΔP·A=(P1-P2)·A（14）
式中:P1、P2为水泵进口或出口压力，Pa；A为管道的流通断面积，m2。
F X T为软连接的刚度力，N：
F X T=k·ΔS软连接（15）
式中：k为软连接的刚度系数，N/m。
安装软连接的管道系统自身的轴向作用力F介质必然存在的也不可能为零，即F介质≠0：因此，要使软连接系统轴向作用合力ΣF=0，必须在管道系统外施加一个对抗F介质反向轴向力，才使ΣF=0，并处于平衡状态。施加的这个外力就是固定支架对管道的约束反力F固定支架，则
ΣF=F固定支架+F介质=0（16）
F固定支架=-F介质（17）
由此，再一次说明，安装软连接的管道系统，固定支架是必须设置的。并且必须能够抵抗管道系统自身存在的轴向力。是实现软连接系统ΔS=0的必要条件。
在工程中固定支架的设计还应考虑一定的安全余量，保证在绝对值上|F固定支架|>|-F介质|或|F固定支架|>|F X P+F XΔP+F X T|，同时前面讨论中，设备安装也应等同固定支架的要求，能够抵抗管道系统自身存在的轴向力。
3结论
对于管道系统设置安装软连接时，应从以下三方面着手解决由此带来的安全问题：
1）检验产品质量，正确选型。
2）应设置固定支架，固定支架约束力应能够抵抗管道系统自身存在的轴向力。
3）安装设备应安装牢固，能够抵抗管道系统自身存在的轴向力。
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