（热能工程专业论文）区域供冷系统经济性和节能性分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 实行区域供冷根据选用的制冷机组不同可有不同的系统形式：冷电分产和热电 冷联产。睾1 对不同形式的制冷机组建立能耗计算模型，以徐州某住宅小区为仞j ，从 初投资和运行费两个方面对区域供冷各系统的经济性进行了分析。为进一步揭示各 系统的节能性，利用火用分析的方法，提出了等效发电火用效率的概念，对常用热 电冷联产系统形式的节能性进行了分析。热电冷联产系统的节能性与系统的具体形 式和比较的对象有关。相对于全国平均供电煤耗而言，热电冷联产系统的节能是有 条件的：相对于当前有些热电厂夏季负荷不足的情况，热电冷联产是节能的，应积 极发展 关键词：区域供冷，经济性，节能性 a b s l r a c i 。 a c c o r d i n gt ot h er e f r i g e r a t i n gu n i tu s e db yt h ed i s t r i c tc o o l i n gs y s t e m ，t h e r ea r e d i f f e r e n tm o d e so fd i s t r i c tc o o l i n gs y s t e m s ：s e p a r a t eg e n e r a t i o no fc o o l i n ga n d p o w e ra n dc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e r t h ec a l c u l a t i o nm o d e l so fe n e r g y c o n s u m p t i o na r ep r o p o s e da n da sae x a m p l eo far e s i d e n t i a ld i s t r i c ti nx u z h o u ， a n a l y s i so ft h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tm o d e so fd i s t r i c tc o o l i n gs y s t e m s i sc a r r i e do ni ni n i t i a li n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t i no r d e rt or e v e a lt h e b e h a v i o r so fe n e r g yc o n s e r v a t i o no fc o m b i n e dc o o l i n g h e a t i n ga n dp o w e ro n e x e r g y ，b e h a v i o r so fe n e r g yc o n s e r v a t i o no ft y p i c a lc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n d p o w e rs y s t e m ( c c h p ) a r em a d eb yd e f i n i t i o n o fe q u i v a l e n t g e n e r a t i n ge x e r g y e f f i c i e n c y b e h a v i o r so fe n e r g yc o n s e r v a t i o no fc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n d p o w e rs y s t e m s a r er e l a t e dt o s p e c i f i cs y s t e m m o d ea n d o b j e c tc o m p a r e d t o c o m p a r e dw i t hc o u n t r y s i d ea v e r a g ec o a lc o n s u m p t i o no fp o w e rs u p p l y ，e n e r g y c o n s e r v a t i o no fc o m b i n e d c o o l i n gh e a t i n g a n d p o w e rs y s t e m i s c o n d i t i o n e d c o m p a r e dt os o m eh e a ta n dp o w e rp l a n t sw h i c ha r ei ns h o r t a g eo f h e a tl o a di n s u m m e r ，c o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e ri se n e r g yc o n s e r v a t i o n ，i ts h o u l db ed e v e l o p e d p o s i t i v e l y k e yw o r d s ：d i s t r i c tc o o l i n gs y s t e m + e c o n o m i c a le f f i c i e n c y b e h a v i o r so fe n e r g y c o n s e r v a t i o n h u a n gj i a n e n ( d e p t o ft h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g u om i n c h e n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 实行区域供冷根据选用的制冷机组不同可有不同的系统形式：冷电分产和热电 冷联产。睾1 对不同形式的制冷机组建立能耗计算模型，以徐州某住宅小区为仞j ，从 初投资和运行费两个方面对区域供冷各系统的经济性进行了分析。为进一步揭示各 系统的节能性，利用火用分析的方法，提出了等效发电火用效率的概念，对常用热 电冷联产系统形式的节能性进行了分析。热电冷联产系统的节能性与系统的具体形 式和比较的对象有关。相对于全国平均供电煤耗而言，热电冷联产系统的节能是有 条件的：相对于当前有些热电厂夏季负荷不足的情况，热电冷联产是节能的，应积 极发展 关键词：区域供冷，经济性，节能性 a b s r r a c i 。 a c c o r d i n gt ot h er e f r i g e r a t i n gu n i tu s e db yt h ed i s t r i c tc o o l i n gs y s t e m ，t h e r ea r e d i f f e r e n tm o d e so fd i s t r i c tc o o l i n gs y s t e m s ：s e p a r a t eg e n e r a t i o no fc o o l i n ga n d p o w e ra n dc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e r t h ec a l c u l a t i o nm o d e l so fe n e r g y c o n s u m p t i o na r ep r o p o s e da n da sae x a m p l eo far e s i d e n t i a ld i s t r i c ti nx u z h o u ， a n a l y s i so ft h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tm o d e so fd i s t r i c tc o o l i n gs y s t e m s i sc a r r i e do ni ni n i t i a li n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t i no r d e rt or e v e a lt h e b e h a v i o r so fe n e r g yc o n s e r v a t i o no fc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e ro n e x e r g y ，b e h a v i o r so fe n e r g yc o n s e r v a t i o no ft y p i c a lc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n d p o w e rs y s t e m ( c c h p ) a r em a d eb yd e f i n i t i o no fe q u i v a l e n t g e n e r a t i n ge x e r g y e f f i c i e n c y b e h a v i o r so fe n e r g yc o n s e r v a t i o no fc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n d p o w e rs y s t e m s a r er e l a t e dt o s p e c i f i cs y s t e m m o d ea n d o b je c tc o m p a r e d t o c o m p a r e dw i t hc o u n t r y s i d ea v e r a g ec o a lc o n s u m p t i o no fp o w e rs u p p l y ，e n e r g y c o n s e r v a t i o no fc o m b i n e d c o o l i n gh e a t i n g a n d p o w e rs y s t e m i s c o n d i t i o n e d c o m p a r e dt os o m eh e a ta n dp o w e rp l a n t sw h i c h a r ei ns h o r t a g eo fh e a tl o a di n s u m m e r ，c o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e ri se n e r g yc o n s e r v a t i o n ，i ts h o u l db ed e v e l o p e d p o s i t i v e l y k e yw o r d s ：d i s t r i c t c o o l i n gs y s t e m 。e c o n o m i c a le f f i c i e n c y tb e h a v i o r so fe n e r g y c o n s e r v a t i o n h u a n gj i a n e n ( d e p t o ft h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g u om i n c h e n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文区域供冷系统经济性和节能性分 析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：燃 日 期：童照蠡! 三：12 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：粗 导师签名： 、 迎 缉 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的逐步提高，对电力的需求越来越大。 近年来，我国电力发展较快，但需求增加更快，供求矛盾突出。到2 0 0 4 年年底， 全国电站装机容量达到4 4 亿千瓦，年发电量2 1 8 7 0 亿千瓦时，同比增长1 4 8 。 继2 0 0 1 年“2 0 0 3 年分别开工电站项目2 1 4 0 万千瓦，2 3 3 7 万千瓦和3 1 1 1 万千瓦， 2 0 0 4 年批准开工建设的电站项目6 1 0 0 刀千瓦，电力发展超过了国民经济增长速 度“1 。但缺电的形势尚未得到根本性的缓解，2 0 0 3 年7 月份，我国1 6 个省市出现的 持续高温引发了公共危机。由于空调的大量使用，全国用电负荷接连创历史新高，有 1 9 个省市拉闸限电。全国各地区累计拉闸限电超过1 4 万余次，累计限电量1 9 亿 kwh 。各电网最大日拉闸限电负荷之和超过4 0 0 0 万kw 。许多地区采取停工厂、 保民用，停生产、保空调的应急措旎”1 。 据报道，2 0 0 3 年夏季，上海最高日用电负荷达1 3 6 2 万k w ，据电力公司估计在 高峰时段，用电负荷中超过5 0 0 万k w 的是空调设备用电”1 。2 0 0 3 年北京地区电力 负荷8 3 3 万k w ，而盛夏季节的总空调负荷约3 0 0 4 0 0 万k w ，由于空调负荷的固有 特性，我国各大电网的峰谷差均以超过最大负荷的3 0 。有的甚至超过5 0 ，电力 供应高峰不足低谷过剩的矛盾日益突出”1 我国建筑空调的发展得益于中国经济和中国城市建设的高速发展。截至2 0 0 2 年 底，全国城镇房屋建筑面积1 3 1 7 8 亿m2 ，其中住宅建筑面积8 1 8 5 亿m “。随着居 住条件的改善和城镇居民收入的增加，城镇居民的空调用量大幅度上升，据国家统 计局调查资料，2 0 0 2 年每百户居民空调拥有量广东1 2 5 5 4 台，上海1 1 7 台，北京 1 0 6 4 6 台，重庆1 0 6 8 9 台，全国平均为5 0 1 0 台”3 。以上海为例，2 0 0 2 年上海每百 户家庭空调拥有量为1 1 7 台，2 0 0 2 年上海家庭总户数4 8 0 万，就是说上海住宅房间空 调器拥有量大约5 0 0 万台( 全部电力空调) 。装机电力需求量约5 0 0 万kw ，占上海 自有发电能力的5 3 8 “3 。再以全国城镇住宅计算，假定全国城市家庭总户数为l _ 2 亿，剥可以估计出痔搁空凋器拥有基约6 0 0 0 万台，装机电力需求量约6 0 0 0 万kw ， 约为全国发电能力的1 6 8 。我国的家用空调产品，无论是窗式、分体壁挂式还是集 中式，全部都是电力驱动。1 。因此，仅家用空调一块，每年形成的装机量至少约2 0 0 0 万kw 。占2 0 0 2 年底全国发电装机量3 5 6 5 7 万kw 的5 6 ”1 。 华北电力大学硕士学位论文 可见，居住建筑中的夏季空调设备用电是造成电力供求矛盾的重要因素之一。 与此同时在我国的采暖地区为了冬季采暖很多住宅都设有采暖设施，这些设施目前 仅为冬季供暖，如果能够找到一。种在居住建筑中能够同时供暖和供冷的系统形式， 从而利用一套系统实现冬季采暖和夏季供冷，同时在居住区内实现区域供热和供 冷。区域供冷供热系统所使用的都是大容量的制冷( 热) 设备，其效率大大高r 小 型机组。因此，实行区域供冷供热后的能耗将低于分散系统。区域供冷供热系统节 能、高效的特点，能有效缓解电力部门对配电容量和用电量的担忧，更为有利的是， 区域供冷系统采用冰蓄冷技术后，利用夜间的低谷电制冰，在白天用冷高峰( 也即 用电高峰) 时段融冰供冷，可极大地降低高峰用电量，有效地调整用电结构，成为 电力需求侧管理的重要支持。而燃气部门也可从区域供冷供热中找到推动燃气应用 特别是天然气应用的空间。更为重要的是，由于区域供冷供热系统的一次能源可灵 活地采用电力或燃气，因此使政府有可能通过一定的手段调节电力和燃气的使用， 平衡城市的整体能源结构。可见实施区域供冷将是一件具有重要意义的事情： 1 、节能意义显著。实现区域供冷可以用能效比较高的大型制冷机组取代现在每 家每户的分散式空调，大型机组的能效比一般可达4 0 以上( 高效的可达5 以上) ， 而现在使用的分散式空调，据调查市场上销售的许多房间空调器产品的能效比连 2 2 都达不到。1 。据此计算节能率高达4 5 $ 。而且，由于采用了高效机组，机组的装 机容量下降，可有效地缓解高峰用电负荷的紧张局面。 2 、可以利用蓄冷装置，进一步减小装机容量，合理配置蓄冷空调系统能使制冷 机主机容量减少3 0 5 0 。“，从而降低制冷设备初投资。利用蓄冷“削峰填谷”，平 衡电网负荷，减小电网峰谷差，改善电厂的负荷特性，提高运行效率，降低发电煤 耗，而且由于高峰用电负荷的减少，可以少建电厂或者推迟某些电厂的建设，为国 民经济的可持续发展作出积极的贡献。 3 、可以利用热电冷联产技术，实现能源的梯级利用，提高能源利用率。 4 、由于采用了高效的机组加之可以利用蓄冷装置充分利用峰谷电价差，可减少 运行费用。 5 、应用于住宅区内可避免由于采用房间空调器夏季降温时室外机安装在建筑物 外墙对小区环境的影响美化小区环境。 1 2 国内外研究动态 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 适合于区域供冷供热联供的用户端室内系统形式 采用区域供冷供热，对大型的商业和公共建筑来说只需将原柬设置于各个建筑 物内的分散的冷热源去掉，直接和区域供冷供热系统相连，夏季由系统提供冷水供 用户使用，冬季由系统提供热水供用户使用。但对占城镇较大比例的居住建筑由于 原来没有集中空调设施，夏季降温采用住户自购的房间空调器调节房间温度，因此 如何找到一种适合的采暖空调共用的室内系统形式，且应该满足分室温度控制和按 户计量收费的原则是在居住区内推广应用区域供冷供热的关键。现住宅建筑内的散 热器采暖系统，显然不适合这一要求，但对近几年越来越受重视的地板辐射供暖有 可能适合这一要求。 低温热水地板辐射供暖在欧洲已有多年的应用和发展历史，至1 9 9 4 年为止，法 国约有2 0 的住宅建筑中装设了该系统，德国为4 1 ，奥地利为2 5 ，瑞士为 4 8 。近年来在我国，尤其是北方地区，使用量日益增加”3 。北京、山东、黑龙江 等还相继出台了相关的地方法规。根据建设部第2 5 7 号公告，2 0 0 4 年1 0 月1 日起正 式实施的地面辐射供暖技术规程( j g j l 4 2 - - 2 0 0 4 ) 必将进一步推动地板辐射低温 供暖的发展。与此同时，政府有关部门、业主、厂家、设计单位等各方面对于使用 地板辐射供冷的兴趣也与日俱增，这意味着将减少供冷、供暖的初投资和运行费， 扩大使用地域，也将进一步推动地板辐射供冷( 暖) 的发展”3 。 在我国北方干燥地区采用地板辐射供冷是可行的。以地面温度与室温温差5 。c 计算，采用地板供冷时室内空气温度低于3 0 。c 的保证率，北京为9 2 ，济南为 8 9 。采用地板辐射供冷系统后，房间围护结构温度降低人体辐射散热量增大， 人体的实际感受温度会比室内实际空气温度降低2 。c ，所以室内空气温度3 0 。c 时相 当于采用传统空调系统时房间温度为2 8 。c 。对于气候比较干燥的北方地区，地板辐 射供冷系统可以在不发生结露的情况下取得比较好的降温效果，如北京、济南；而 对于长江中下游地区、沿海地区城市，由于空气湿度较大，不发生结露的保证率则 较低，如南京。所以在这些地区，要在房间内取得比较好的空调效果，必须增加一 套除湿系统，以降低房间内空气的湿度”。 风机盘管系统、风机盘管与地板辐射联合供冷、吊顶辐射供冷供暖也适合于冷 热联供。黄奕 云、张玲、陈光明等对风机盘管与地板辐射联合供冷进行了分析，风 机盘管和地板辐射供冷联合运行可以实现优势互补“”，但这将会引起初投资的增 加。辐射吊顶国外一般仅用于夏季供冷，冬季供暖又单设一套供暖系统，并且与置 换通风配合1 。对我国而言为简化设备，夏季供冷和冬季供暖用同一套辐射吊顶 系统。这样做，可以大大节省初投资，易于控制，符合我国国情，与传统的散热器 华北电力大学硕士学位论文 相比，辐射吊顶供暖具有热舒适性好、节能等诸多优点并在辐射小室内对吊顶辐射 供冷和供暖进行了实验研究，认为辐射吊顶供暖和供冷能够满足供暖供冷要求和人 体的舒适感要求。 1 22 国内外区域供冷现状 区域供冷在西方发达国家采用较普遍。区域供冷或区域供热供冷系统可以归纳 为两种主要的类型”3 ：一是在中央制冷站制取冷水，而后将冷水沿一条双管系统输 送到用户。此种系统类似于区域供热系统。二是在用户或靠近用户的房屋内使用区 域供热热能来驱动制冷机制取冷水。这种制冷机可以是吸收式，也可以是喷射式的。 能源与区域供热系统所用相同。尤其是在夏季冷负荷高峰期，适合利用此时来源丰 富的工业、垃圾焚烧或热电联产余热以及其它各种“绿色能源“。如日本新宿新 都心区域冷暖房，其供给区域面积3 3 2 万平方米，从1 9 7 1 年到1 9 9 4 年，经一次 规划，分期发展，实现用户建筑面积2 2 0 万平方米，制冷设备总容量59 万冷吨， 区域配管总长8 k m 。采用热电联产方式后节约能源达3 3 5 ”“。 美国将区域供冷和蓄冷技术相结合，取得了良好的效果。如在德州贝当的李氏 学院区域供冷系统( 蓄冷容量1 9 4 7 m i 】h ) 以及约翰霍普金斯大学在马州劳利的应用 物理实验室( 蓄冷容量3 0 m w h ) ，其夜间制冰每年分别节省15 3 0 0 0 美元及2 5 0 0 0 0 美 元：在马州岩石镇的蒙特美学院，考虑低谷电价及减少水泵水量所能带来的费用节 省后，在1 9 9 3 年将传统的冷水系统改为冰蓄冷系统( 蓄冷容量8 5 8 m w h ) 。该学院的 能源工程师威考先生估计，目前供应5 幢教学大楼的冷水系统可节省2 0 的运行费 用，供应1 7 幢大楼的扩充计划完成后当可节省更多的费用；在1 9 9 3 年完成的迈阿 密大学内1 2 9 m w h 冰蓄冷系统是用来代替陈旧的区域供冷站的。供应1 3 幢大楼的 运行费用，目前每年已经能节省6 0 0 0 0 0 美元。w d m e c l o s k e y 认为目前区域供冷 之回归到t h ei c ea g e 即采用冰蓄冷技术，对有意减低空调成本的建筑业主及管理 人员来说，是一件聪明而且现代化的选择。实际上冰蓄冷空调系统已经在世界各 地一一从芝加哥至日本大阪、再至法国里昂一一都普遍被使用。这些系统已证明能 节省投资、减低运行成本并能减少用地。同时冰蓄冷技术节约能源，减少污染而保 护环境，并提供消除c f c 的冷媒选择”3 。芝加哥的区域供冷专家布拉得先生曾设计 过多座冰蓄冷系统，他说：“冰蓄冷就是利用低谷电力制冰来供应日间尖峰冷负荷 要求雨稍足泠_ 源供随者鄂屯力公司韵：翦镌需求，冰蓄冷与压域供冷的联合使用，是 供能者与用户双方都赢的有效的技术结合。” 韩国汉城的区域供冷系统最初只供应韩国区域供热公司( k d h c ) 办公楼的空调用 冷，通过不断发展已形成大规模的区域供冷系统。汉城供燕系统冬季最高供水温度 华北电力大学硕士学位论文 为1 1 5 ，夏季为9 5 4 c 。k d h c 利用供热管网输配热水至用户建筑，用以驱动分散式 吸收式制冷设备。驱动热水温度为9 5 8 04 c ，生产7 1 2 。c 的冷冻水作为空调冷源。 制冷系统设计c o p 值为0 7 2 1 。另外丹麦、瑞典、马来西等国都结合自己国家的 情况发展了区域供冷供热，取得了较好的效果”。“。 区域供冷在我国目前甚少采用，但作为一种先进的供冷模式在我国兴起也指日 可待。”1 。据不完全统计我国建成或拟在建设的区域供冷系统主要有河南省人大服务 楼住宅区( 2 0 0 1 年建成) 。、广州某高档住宅小区”“、上海路易凯旋宫住宅小区 “”( 2 0 0 3 年建成) 、中关村西区区域供冷。“，湖南长沙某住宅小区( 已建成) ”， 上海浦东国际机场区域供冷系统( 己建成) 。“，清华大学区域供冷系统( 已建成) “，张店热电厂区域供冷系统( 1 9 9 2 年建成) “”，济南市顺花玉小区、叉路街小区 “，南京中山东路小区“”等，而且北京正在考虑将一个由两个热电厂和一个大型热 水供热管网改造成一个区域热电冷联供的系统“。 1 2 3 研究动态 1 2 3 1 与热电冷联产相结合，提高能源利用率 区域供冷的冷水可以通过吸收式制冷利用热电冷三联供来提供“。热电冷联产 ( cchp ) 是一种建立在能的梯级利用概念基础上，将制冷、供热( 采暖和供热 水) 及发电过程一体化的多联产总能系统。目的在于提高能源利用效率，减少碳化 物及有害气体的排放。小型热电冷联供系统，它的优点是：总的能源利用率为8 5 9 5 ，节约能源：减少co ：排放量达4 0 ，有利于环保：投资回收期短“。我国节能 法中明确规定推广“能源梯级利用技术，热、电、冷联产技术”；20 00 年8 月，由国家计委、国家经贸委、建设部、国家环保总局联合发出的关于发展热电 联产的规定中也明确指出“鼓励发展热、电、冷联产技术以提高热能综合利 用效率。”“以小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统，适用 于厂矿企业、写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等较分散的公共建筑在 有条件的地区应逐步推广”。 1 2 3 2 与蓄能技术相结合，平衡热电冷负荷 热电冷联产，由于用户侧热、电、冷负荷特性的复杂性，三种负荷很难匹配， 如何在设计过程中勰浃好三种氮萄豹谐肘性以圾按怎样豹原则确定热电冷联产的 规模将直接关系到热电冷联产的经济性和可行性，这方面的问题值得深入探讨，为 热电冷联产的健康发展奠定理论基础。利用蓄能装置也许是一种较好的选择”7 圳， 胡文斌，华贲，郭荷清等研究了蓄冷系统与楼宇热电冷联供系统组成的复合系统的 运行模式，建立了该系统的物理模型和技术经济模型。通过实例，研究了蓄冷比例与 5 华北电力大学硕士学位论文 能源价格的复合关系对热电冷联供系统经济性的影响，指出燃气价格低于2 1 元 m 3 时，蓄冷系统的加入对热电冷三联供系统的经济性没有任何贡献，此时蓄冷比例 取0 ，即不设蓄冷装置，在一定的条件下则有利于系统的经济运行”杜敬三、付林、 江亿等结合清华大学区域供冷工程设计，对采用蓄冷装置的区域供冷系统进行运行 模拟分析，认为在区域供冷系统中，蓄玲装置在夏季空调期可参与电网电力调峰，并 可以大幅度降低空调制冷机组的装机容量，提高区域供冷系统运行稳定性和机组的 运行效率n 。 蓄能技术和热电冷联产相结合对平衡热电冷三者的负荷平衡问题尚需进一步研 究，如怎样结合，蓄能的比例，经济运行的外部条件等。 1 。2 3 ，3 优化运行模式，实现可靠、经济、高效运行 区域供冷是一个大型的复杂系统要实现良好的运行工况，很好的发挥区域供 冷的优势，需要借助良好的控制系统。t k u m a m a r u ，t u t s u n o m i y ay y a m a d a 等提出 了一种故障诊断系统( af a u l td i a g n o s i ss y s t e m ) 来保证区域供热供冷系统稳定 运行“。y ey a o ，z h i w e il i a n ，z h i j i a nh o u 等通过对一个区域供冷系统的测试， 提出了一种优化控制模型，通过优化控制方法可实现节能1 0 。f ut i n ，j i a n gy i ， y u a nw e i x i n g 等研究了供回水温度对c h c p ( c o m b i n e dh e a t i n g ，c o o l i n ga n dp o w e r s y s t e m ) 能源消耗的影响”。e c a r d o n a ，a p i a c e n t i n o 提出了一种应用于c h c p 的控制测量方法( am e a s u r e m e n tm e t h o d o l o g yf o rm o n i t o r i n g ) “。对具体的区 域供冷运行模式应根据具体的条件，综合考虑经济、技术等因素进行确定。 1 2 3 4 优化设计，充分发挥区域供冷优势 区域供冷系统的良好运行是建立在合理设计的基础之上的。国内外许多专家都 对如何设计进行了有益的探讨，为正确的设计区域供冷系统奠定了良好的基础。朱 纪军，刘谨从系统能耗的角度分析了区域供冷适宜的供冷半径，认为当区域供冷半 径不大于1 0 0 0 m 时，通过系统优化设计，其全年运行能效比能达到较高的水平，并且 投资不大，规模效应明显，技术可靠“”。刘金平，杜艳国。陈志勤等提出区域供冷冷 冻水输送管线的优化设计方法，确定了区域供冷系统冷冻水输送管线最优水流速度 和保温层最优厚度的优化模型。“”杜敬三，付林，江亿针对于容量已确定的热电 厂，利用总能耗最小的原则，认为区域供冷系统最佳供冷面积与热电机组性能及供 热参数、供冷建筑物结构、类型和使用功能、当地气象条件等因素有关“。t t c h o w ， a p p l el s c h a n c l ，s o n g 用遗传算法研究了区域供冷范固内的最佳建筑物类型 分布，尽管不同类型的建筑按不同的比例分布会对区域供冷系统的经济性存在着影 响，但很多时候在区域供冷的范围内建筑物的类型是固定的，人为改变的可能性较 小。 华北电力大学硕士学位论文 对区域供冷的冷水由热电冷三联产提供的系统，e c a r d o n a ，a p i a c e n t i n o 研究了热电冷联产工厂容量的确定方法，提出了节能优先原则( t h ep r i m a r ye n e r g y s a v i n gm a n a g e m e n t ( p e s ) ) ，认为p e s 原则比传统的热量优先原则好( t h et h e r m a l d e m a n dm a n a g e m e n t ( t d m ) ) ”。f ul i n ，t ia n gy i 通过对区域供冷系统的分析认 为，存在最佳供回水温差，在最佳供回水温羞下，系统能耗最小。 对于区域供冷在国内应用的尚不太多，总的看来尚未形成成熟的设计理论和方 法，特别是冷源的配置和优化，即在区域供冷中选择怎样的冷源和需要作进一的研 究，为发展区域供冷奠定基础。 1 3 论文的主要内容 本课题主要对居住区实行区域供冷和传统的集中供暖加使用房间空调器分散供 冷方式进行对比，通过建立居住区区域供冷冷源全年运行费用计算模型，对可能采 用的几种区域供冷冷源系统形式进行经济性和节能性分析，为正确的进行区域供冷 的冷源选择提供参考。论文的主要内容： l 、针对居住区的特点，合理的确定居住区冷负荷。 2 、建立冷源全年运行费用计算的数学模型，针对不同的冷源方式计算全年运行 费用。 3 、针对采用不同制冷机组的区域供冷系统从初投资和运行费用两个方面进行经 济性分析和比较。 4 、针对采用不同制冷机组的区域供冷系统，从能量利用的角度，用火用分析的 方法，提出等效发电火用效率的概念，为正确评价热电冷联产作一有意的探讨。 本文所有计算均采用m a t l a b 编程计算。 华北电力大学硕士学位论文 第二章区域供冷冷负荷的确定 21 冷负荷的计算方法 建筑物的冷负荷计算方法主要有指标估算法、由传递函数法和谐波反应法简化 而成的冷负荷系数法和负荷温差法、计算机模拟法等。指标估算法只能粗略的估计 建筑物的冷负荷，冷负荷系数法和负荷温差法是现在常用的冷负荷计算方法，但只 能计算出设计日的逐时冷负荷，计算机模拟法可以针对建筑物的热过程进行动态模 拟，计算出建筑物全年的逐时冷负荷。为便于空调季节空调冷源的能耗计算，本文 选用清华大学开发的建筑环境设计模拟分析软件dest h 对建筑物的逐时冷负 荷进行计算。 dest h 是清华大学专门针对住宅开发的住宅建筑能耗分析软件于2 0 0 2 年发布，2 0 0 3 年通过教育部鉴定，能够完成建筑物全年逐时采暖负荷和空调冷负荷 的计算，并可进行空调系统全年能耗分析。该软件采用图形化的操作界面，晃面简 洁，使用方便。用户可以直接利用dest h 输入建筑模型，针对不同的建筑设置 围护结构的类型( 如墙、窗、门、屋顶、地板等) 。通过定义房间类型将房间的内 扰和系统参数固定在房间类型上，用户可针对不同的房间类型设置内扰，如人员可 通过设置人数和每天不同时刻是否有人或有人的概率( 0 - 1 ) ，灯光、设备内扰可通 过设鼍启停情况、指标类型( 总量指标或平方米指标) 等来实现。在计算时还可方 便的对通风情况，每个房间的空调设备运转情况进行设置。因而dest h 具有建 模方便，计算准确等特点，逐渐受到人们的重视。 2 2 冷负荷计算与分析 以徐州某住宅小区为例，该小区有住户6 9 0 户，总建筑面积7 8 1 0 9 m 2 ，共有1 6 栋单元式住宅楼。从中选择一栋典型的住宅楼用d e s t h 计算空调季节逐时冷负荷， 有关计算参数如下： 2 2 1 围护结构基本情况 住宅的基本围护结构情况如下表2 - 1 。 2 2 ，2 室内热扰量和空调运行基本情况 客厅人数按3 人，设备热扰量9 3 w m 2 ，灯光3 0 w ( 总量指标) ：主卧室人数2 华北电力大学硕士学位论文 人，灯光3 0 w ( 总量指标) ：次卧室按1 人，灯光2 0 w ( 总量指标) ，通风换气次 表2 - 1 同护结构构造 序弓罔护结构名称陶护结构基本构造 1 外墙、内墙 2 4 0 砖墙、两面抹2 0 m m 水泥砂浆、内外粉刷 2户门 单层实体木外门 3 内门 单层实体木内f l 4 阳台门 单层阳台木制外门 5 楼板 8 0 m m 厚钢筋混凝土楼板，上面2 5 m m 厚水泥砂 浆，下面为2 0 m m 水泥砂浆 6 地面 4 0 m m 厚混凝土地面 。 7 屋面 瓦材钉挂型坡屋面( 1 0 0 厚钢筋混凝土+ 3 5 m m 挤 塑聚苯板保温) 8 窗双层铝台金窗 数按1 次小时。 空调运行情况为7 晚1 0 时卧室空调关闭，晚1 1 次日6 时客厅空调关闭：7 1 1 客厅有人的概率为7 0 ，晚1 l 次日6 时卧室有人概率为1 。 2 2 3 室内外气象参数 室外气象参数采用dest h 中内置的徐州地区的室外逐时气象参数，徐州地 区的室外温度分布情况见图2 一l 和表2 2 。夏季室内空调计算温度取2 6 c 。 表2 2徐州地区各天干球温度统计 温度 99 一55 55 “2 62 6 2 82 8 3 03 0 3 53 5 3 73 7 ( ) 小时数 l2 31 2 0 75 6 9 96 185 5 85 8 04 13 3 从图2 - 1 和表2 2 可以看出，室外气象参数分布极不均衡，这必将导致室内冷 负荷分布的不均衡性。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 4 空调季节冷负荷分布规律 1 ) 冷负荷的分布情况 。方谳矧麟粼惫椭。， ，州w 啪i ，i | f f 7 巩j 酗删州i 。l 。蔫 ，v j w 二旦7i ；1 y 啊妖k _ 一 b 蒯够胖。1 1￥婶糕羚 区i h 洲：一 二r r i 习 i 1u| 1l uluj1uj71 日平均温度( ) 日最高温度( ) 日昂低温度( ) 图2 - 1d e s t - h 中徐州室外干球温度图 根据dest h 的计算结果，可以统计出夏季冷负荷的分布情况。夏季空调时 间按每年的6 月1 日九月3 0 目，总空调时间为1 2 2 天，2 9 2 8 小时。图2 - 2 为空调 负荷随室外温度的变化，从图中可以看出，冷负荷主要集中在温度2 7 以上的区域， 且随室外温度的升高有增加的趋势，这主要是由于住宅冷负荷主要由围护结构冷负 荷和新风冷负荷构成所造成的。 图2 3 是夏季冷负荷的分布率图，从图中看出对徐州地区在空调季从6 月1 日 至9 月、3 0 目的整个期间内，有7 0 的时间冷负荷为0 ，不需要空调，也就是真正的 空调时间仅占空调季时间的3 0 ，约8 7 8 h 。在需要空调的时间里负荷率6 5 阱下的 时间占了2 4 6 9 ，其余仅占5 3 1 。可见，住宅区负荷率分布是极不均匀的，在空 调冷源选择的时候应充分考虑负荷的分布情况。 2 2 5 空调设计冷负荷的确定 按现行采暖通风空气调节设计规范的规定夏季空调室外设计干球温度采用 历年平均不保证5 0 小时的干球温度，由于住宅区冷负荷主要与室外温度有关，因 此冷负荷采用计算出的不保证5 0 小时的冷负荷作为夏季空调的设计负荷。根据计 算的结果，经统计确定夏季空调冷负荷指标为3 7 ，4 9 轷m 2 ，空调季节累计冷负荷指 标为1 1 8 9 k w h m 。 小结：本章主要分析了住宅区的冷负荷分布特征，计算出了冷负率的分布并通 过分析确定出冷负荷设计指标。 o 华北电力大学硕士学位论文 寄 ； 一 超 皑 舒 。8 07 0 6 05 塾a o3 0 2 0l o 夏季冷负荷率分布图 0 1 s 旷2 傩3 5 4 0 5 5 旷6 0 7 5 8 0 9 5 1 0 0 l 负荷章 温度( ) 图2 - 2 冷负荷随室外温度的变化 图2 - 3 夏季冷负荷分布直方图 华北电力大学硕士学位论文 第三章区域供冷系统的构成 3 1 区域供冷系统的构成 区域供冷技术是指集中生产并输配冷量，实行区域供冷需要建设专门的冷冻站， 冷冻站主要由制冷机组、冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵、冷却塔、水处理设备、 补水泵等设备构成( 如图3 1 ) 。正确的选择冷冻站内各设备特别是制冷机组的选择， 是保证区域供冷系统经济合理运行的关键。 现在常用的制冷方式有电制冷和吸收式制冷。电制冷又分为活塞式制冷机组、 离心式制冷机组、螺杆式制冷机组等。吸收式制冷又分单效吸收式制冷、双效吸收 式制冷和直燃双效吸收式制冷。活塞式制冷机组主要用于小型制冷，对大中型制冷 则主要采用离心式、螺杆式和吸收式。由于螺杆式制冷压缩机在部分负荷时的效率 比离心式高8 “1 0 “，而且不存在离心式制冷机的喘振问题：双效吸收式制冷效率 比单效吸收式制冷高，单效吸收式制冷一般只用在有余热利用的场合。因此本文结 7 ，6 圈3 - 1 区域供冷系统的构成 l 、制冷蠢| l 组2 、冷却塔3 拎却水循环泵4 、冷冻水循环水泵5 、用户6 、水 处理设备7 、水箱8 、补水泵 合具体的工程项日，对采用螺杆式制冷机组的区域供冷系统、采用蒸汽型双效溴化 锂吸收式制冷机组的区域供冷系统、采用直燃双效溴化锂吸收式制冷机组的区域供 华北电力大学硕士学位论文 冷系统进行经济和节能性比较，即下面三种系统： 系统i ：制冷机组采用螺杆式制冷机组，系统消耗的能源为电能。假设使用的 电来自凝汽式热力发电，一，其实质是冷电分产( 如图3 2 ) 。 l 凝汽式热力发 电 冷 - 螺杆式 o 用户 电厂制冷帆组 图3 - 2 系统i 示意图 系统i i ：制冷机组采用蒸汽型双效溴化锂吸收式制冷机组，系统消耗的能源为 一定压力的蒸汽，蒸汽来自城市热电厂集中供热管网，从能量系统的角度实质为热 电冷联产系统。( 如图3 - 3 ) 。 图3 - 3 系统i i 示意图 系统i i i ：制冷机组采用直燃双效溴化锂吸收式制冷机组，消耗的能源为天然气。 该系统可视为对外界电力输出为零的热电冷联产系统( 如图3 - 4 ) 。 图3 - 4 系统m 示意图 3 2 区域供冷冷冻站冷负荷的确定 制冷机组的容量根据各用户冷负荷、各用户冷负荷峰值同时出现的可能性、冷 华北电力大学硕士学位论文 量损耗系数等因素确定。冷量损耗系数应根据计算确定，一般冷水机组系统为 1 0 5 1 1 。同时由于实行区域供冷需要考虑室外供冷管网的冷损失，该项损失取 10 。 另外，在同一时刻，并不是所有的用户均使用空调，住宅区内的空i j 习同时使用 系数( 同一时间使用空调的户数占区域供冷区域内总户数的比例) 和住宅区内住户 家庭成员的多少、家庭的经济收入情况、年龄结构、受教育程度、工作性质等因素 有关。由于在住宅区内实行集中供冷在我国是新兴事物，尚无可靠的数据。据文献 4 9 在新建小区家庭小型化和核心化的趋势更加明显，3 0 的住户在工作目家中无 人，因此即使在酷热的天气中，空调的使用率也不会超过7 0 。文献 5 0 从居民使 用空调的随机性的本质出发，用概率分析的方法并结合电算程序求出了用冷高峰期 的同时使用系数，计算结果与调研结果基本相符，该文的结论是：当住户数小于1 0 0 时，同时使用系数可取0 7 ；当住户数在1 0 0 1 5 0 时，同时使用系数可取0 6 5 “0 7 ： 当住户数接近2 0 0 户时，可取0 6 ；如果整个小区集中供冷供热的话，可取0 5 。 考虑到在计算冷负荷时己考虑了白天客厅有人的概率为7 0 ，因此在确定区域供冷 冷冻站的制冷机装机容量时同时使用系数取0 8 。 综上所述：冷冻站的