上海某工程区域供冷系统的集中、半集中和分布式二级泵系统方案的比较分析

蒋晓杰

（华建集团华东建筑设计研究总院）

随着我国经济的快速发展，国内的能源形势越来越严峻。建筑行业是能源消耗的大户，国家对建筑节能的要求也进一步提高。为做到合理、科学、综合、集成用能，区域能源系统应运而生［1］。我国的区域能源系统发展始于建国初期的北方区域供热系统［2］。由于节能减排形势的紧迫，以及以产业园区为代表的新兴公共建筑群的蓬勃发展，具有经济、节能和环保的优点的区域供冷系统逐渐得到长足发展。但是区域供冷系统由于其系统复杂庞大，存在输配管网投资大、输送能耗高的缺点。因此，为了提升区域供冷系统的经济性，必须合理设计区域供冷系统的输配管网，最大限度地降低冷水输配管网的运行能耗。典型的冷水输配形式有一吉泵系统和二级泵系统。相关规范指出，对于系统作用半径较大、设计水流量较高的大型工程，宜采用二级泵变流量系统［3］。区域供冷系统的作用半径和设计水流量通常都较大，宜采用二级泵变流量系统。传统的二级泵系统中，二级泵组都是集中设置的，称为集中式二级泵系统［2］。结合“以泵代阀”的思想［4］，有学者提出了一种分布式二级泵系统［5］。分布式二级泵系统的二级泵直接设置在各用户支路中，只需克服所属支路阻力和其到能源中心的管路阻力。而根据不同的功能、区块、标段可以设置几组二级泵系统，这种系统介于集中式和分布式之间，称之为“半集中式二级泵系统”。

国外学者对于区域供冷系统的输配管网的研究主要集中在管网布局优化和管径优化上，而对于水泵的研究比较少［2］。例如Soderman从能源站位置和容量及管网布局等方面对于区域供冷系统进行了优化研究［6］。Chan等人主要研究了不同算法对区域供冷系统管网布局优化的影响［7］。Li等人研究了管网管径对系统总成本的影响［8］。国外学者对二级泵变流量系统的研究主要集中在系统形式和控制策略上［9］。例如Paarporn提出在用户末端使用变频加压泵代替调节阀以提高系统的节能潜力［10］。Gustafsson提出一种新的控制方式用于集中供热分布式变频系统以大幅度降低输配系统能耗［11］。Lozano指出变频泵的控制策略对供热系统输配能耗有较大影响，相同条件下，定温差控制的输配能耗低于定压差控制，系统控制稳定性低于定压差控制［12］。

国内学者对区域供冷系统的输配管网的研究主要集中在运行调节方式、二次管网的冷量损失、末端负荷特性、管网设计参数等，对于区域供冷系统的动力形式的研究仍然较少［2］。例如闫军威等人提出采用质调节的方法对区域供冷系统末端用户实现按需供冷［13］。康英姿等人研究了区域供冷系统二次管网的冷量损失主要是由二级泵的冷量损失引起的［14］。谭超毅等人研究发现对于管网经济性的影响顺序从大到小依次为管径、流速、保温层厚度［15］。国内学者对二级泵变流量系统的研究主要集中于实际运行过程中出现的水泵效率低、大流量小温差、水力失调等问题［2］。1997年，江亿首次提出“以泵代阀”的概念［16］，结合工程实例分析结果表明，“以泵代阀”可减小支路阀门阻力，节省运行能耗，同时改善系统的调节品质，并且对初投资的影响不大。常晟等人提出大流量小温差现象会给冷水机组造成不利影响和降低冷水管网的输送效率，同时给出了相关的解决措施［17］。张春光等人针对集中供热系统长期存在的管网调节困难、调节周期长的问题，提出了将原来的集中供热系统改造为分布式变频二级泵供热系统，使得各换热站之间相对独立，大大提高了热网平衡性［18］。王红霞研究分析了分布式变频循环系统对于水力平衡的作用［19］，指出采用分布式变频系统是实现最佳流量的有效手段，尤其适用于热计量之后的系统调节中。

综合国内外研究现状，对于区域供冷的研究主要集中在管网布局和参数的优化、系统形式和控制策略的研究、负荷计算和运行调节的方法以及实际运行过程中出现的水泵效率低、大温差小流量、水力失调等问题，而对区域供冷系统的动力形式（水泵）的研究仍然较少，尤其是缺乏对于不同二级泵形式的经济性探讨。本文将采用动态经济分析的方法，针对上述3种二级泵的形式建立基于目标时间的净现值的二级泵系统经济性分析模型，并以实际的区域供冷工程为例计算分析不同动力分布系统的初投资和运行费用（能耗，由于二级泵系统的运行费用只与运行负荷和电价有关，与能源方案和运行模式无关，所以二级泵系统的运行费用的高低直接反应了二级泵系统的能耗特性），比较得出适用于该工程实例的净现值最低，经济性和节能性最好的二级泵系统形式。

1 经济分析模型

1.1 假设条件

1）因本文讨论的是确定了冷水供回水温差的两管制区域供能系统，示例项目的冷水供回水温度假定为6～13℃。

2）采用某计算软件计算示例项目的全年8760h中的冷负荷，并根据该计算中每小时的负荷统计计算循环冷水泵的年运行费用。

3）采用动态经济分析法建立二级泵系统的净现值计算模型。

4）假定3种二级泵方案的定压差点均设置在主管道，分布式系统的水泵扬程可以无限接近根据负荷变化而产生的水管阻力。而集中式和半集中式系统的水泵扬程无法根据总负荷变化而即时反应。

5）实际工程中常采用定压差法，即供回水主管的压差设定为克服最不利端楼栋的阻力。这会导致水泵的无效能损失很大。本文将增加说明另一种方法，即假设最不利端楼栋满负荷时，计算水泵需要满足的最小扬程（经计算约为63%最大扬程），以此最小扬程作为计算起点，采用五分段法（100%、90%、80%、70%、63%负荷点）限定水泵扬程，从而计算水泵的运行费用。这种计算方法既接近实际工程中的运行情况又可以减少水泵的无效能损失。

1.2 初投资差额

由于本文主要比较不同的二级泵系统的经济性，所以只考虑二级泵系统部分所包含的水泵、阀门和管道的初投资和水泵机房造价，以常规集中式二级泵系统的初投资和运行费用作为分析计算的基准点，计算公式如下：

式（1）、（2）中：

△，I-1、△，I-2分别为半集中式、分布式二级泵系统与集中式二级泵系统的总投资差额，元；

Ic、Im、Id分别为集中式、半集中式、分布式二级泵系统总投资，元；

Puc、Pum、Pud分别为集中式、半集中式、分布式二级泵系统的水泵初投资，元；

Trc、Trm、Trd分别为集中式、半集中式、分布式二级泵系统的水泵变频器初投资，元；

Vac、Vam、Vad分别为集中式、半集中式、分布式二级泵系统的阀门初投资，元；

Fic、Fim、Fid分别为集中式、半集中式、分布式二级泵系统的管件初投资，元；

Pic、Pim、Pid分别为集中式、半集中式、分布式二级泵系统的管道初投资，元；

Prc、Prm、Prd分别为集中式、半集中式、分布式二级泵系统的水泵房初投资，元。

1.3 运行费用

水泵耗功计算公式如下［20］：

式中：

Gr为全年第r小时循环冷水泵的流量，t/h ；

Hr为全年第r小时循环冷水泵的扬程，m,；

ηr为全年第r小时循环冷冻水泵的总效率。

供冷水泵运行费为水泵功耗与实际运行时间的电价乘积之和。循环水泵的运行费计算公式如下［20］：

式中：

Pr为第r小时水泵的好功率，kW；

τr为部分负荷 r下的工作时间，h ；

Cr为电价，元/KWh。

1.4 净现值

由于二级泵系统的初投资比较大，仅考虑静态经济指标会忽略投资资金的时间价值，故本文拟采用净现值（NPV）作为二级泵系统经济分析模型的目标函数。以半集中式和分布式二级泵系统相对常规集中式二级泵系统增加的造价成本作为项目起始的现金流，以半集中式和分布式二级泵系统相对常规集中式二级泵系统的运行费用差额作为每年的现金流，按照现行的折现率可以求取目标期限内半集中式和分布式系统的净现值。

式中：Wi为第i年项目的现金流。

γ为折现率，取10%。

2 案例分析

2.1 项目概况

上海临港松江G60科创云廊二期项目，工程总建筑面积为568965m2，总体分为B地块、C地块标段一和标段二。功能主要为科研办公、科研配套、会议报告及科研实验室。整个项目由11栋18层的塔楼、3栋5层的总部办公楼、1栋4层的综合楼、3层科研配套裙楼及2层地下室车库和设备用房组成。

根据项目建筑类型、围护结构性能、人员新风负荷等参数，利用负荷计算软件计算出项目全年8760h的逐时负荷。经计算，夏季空调尖峰总冷负荷为46670kW，图1为整体工程全年冷负荷统计图。

图1 整体工程全年冷负荷统计图

2.2 二级泵系统的形式

图2 集中式二级泵系统

图3 半集中式二级泵系统

图4 分布式二级泵系统

2.2.2 三种二级泵系统的初投资汇总

根据供回水温差和前述计算的工程冷负荷，可计算出循环冷水变频泵的设计流量和扬程，通过厂商的报价，可得出变频水泵、水泵机房、管网及阀门管件等的初投资见表1～3。

表1 集中式二级泵系统的初投资

表2 半集中式二级泵系统的初投资

表3 分布式二级泵系统的初投资

由表1～3可得出集中式、半集中式和分布式的二级泵系统的初投资分别为418.3万元、447.9万元和505.0万元。由此可见，集中式二级泵系统的初投资最低、半集中式次之、分布式二级泵系统的初投资最高。半集中式二级泵系统和分布式二级泵系统与集中式二级泵系统的初投资差额分别为29.6万元、86.7万元。

2.2.3 二级泵系统的运行费用汇总

计算每个小时在3种不同方案下的耗电量，最后统计出所有供冷小时3种不同方案的耗电量和运行费用见表4。

表4 定压差法不同二级变频水泵方案的年耗电量和运行费用

从表4可以得出，半集中式二级泵系统水泵的年运行费用最高，集中式二级泵系统水泵的年运行费用居中，分布式二级泵系统水泵的年运行费用最低。计算结果和理论上“分布式二级泵系统更节能，集中式系统较不节能”基本吻合。半集中式二级泵系统的水泵运行费用最高主要是因为实际工程中，变频水泵无法根据负荷无限变频。由于电动机散热以及水泵自身结构因素限制，水泵变频频率下限不低于25Hz，所以该工程在计算过程中将需要水泵变频到50%额定频率以下的负荷需要的水泵效率按照50%的频率框定。这个框定会导致在低效率区域运行的水泵负荷被提高到了高效率区域运行。同时低负荷时水泵的流量也被框定在50%水泵额定流量，这时水泵的耗功也会随着流量的增大而增加。而由于半集中式二级泵系统为两个两用一备和一个三用一备，其最小可控流量为1/4和1/6。集中式二级泵系统为五用一备，最小可控流量为1/10。从这个方面考虑，集中式二级泵系统的水泵能耗在工程低负荷时会相对更小。而工程实际中，大部分制冷时间工程负荷都处于部分低负荷区间，这使得最小可控流量越小的系统节能优势越明显。另外，由于水泵规格越大，其运行效率越大。该工程中分布式二级泵系统的水泵台数最多、水泵规格最小；集中式二级泵系统的水泵台数最少、规格最大。分布式二级泵系统、半集中式二级泵系统和集中式二级泵系统的效率分别是78%、82%和83%。从这个方面考虑，集中式二级泵系统更节能。然而，由于分布式二级泵系统可以根据各楼栋的负荷和阻力调整水泵的扬程，而集中式和半集中式必须优先满足各末端的水量和扬程需求，所以不能根据负荷和水流量的降低而同比例降低水泵的扬程，这导致集中式和半集中式的二级泵系统的无效能损失远大于分布式二级泵系统。当水泵细分之后节省的水泵扬程和能耗可以抵消水泵效率降低的影响时，就会出现分布式二级泵系统比集中式和半集中式二级泵系统的能耗和运行费用更低的情况。综上所述，二级泵系统的能耗和运行费用不仅与系统形式有关，还和系统的水泵台数、规格、效率以及工程的负荷分布有关。

从表5可以得出半集中式二级泵系统水泵的年运行费用最高，为29.5万元，集中式二级泵系统水泵的年运行费用居中，为26.4万元，分布式二级泵系统的水泵年运行费用最小，为19.8万元。计算结果和理论上“分布式二级泵系统更节能，集中式系统较不节能”基本吻合。

表5 五分段法不同二级变频水泵方案的年耗电量和运行费用

2.2.4 净现值分析计算

Step 2.Construct the matrixand root the polynomial to obtain the frequency parameter estimatesNote that the roots are inside the unit circle and are closest to the unit circle.

水泵的寿命一般为15a，根据此期限计算分布式二级泵系统和半集中式二级泵系统相对集中式二级泵系统的净现值如表6所示。

表6 定压差法分布式、半集中式和集中式二级泵系统的净现值_____________万元

从表6可以得出分布式和半集中式二级泵的初投资都比集中式大，分布式二级泵系统的年运行费用比集中式和半集中式二级泵系统的小。15a水泵寿命期内，分布式二级泵系统的净现值为正值（107.6万元），半集中式二级泵系统的净现值为负值（-39.4万元），这表明采用分布式二级泵系统在水泵的寿命期内具有一定的经济优势，而采用半集中式二级泵系统在经济上没有优势。

从表7可以得出分布式二级泵系统和半集中式二级泵系统的初投资都比集中式大，分布式二级泵系统的年运行费用比集中式和半集中式二级泵系统的小。15a水泵寿命期的净现值均为负值，这表明采用分布式二级泵系统或者半集中式二级泵系统在经济上没有优势。但是分布式二级泵系统具有节能、产权分割灵活等明显的优点，本文所述工程还是采用的分布式二级泵系统。采用定压差法时，分布式、半集中式二级泵系统的净现值比采用五分段法时的净现值更大。这是由于采用定压差法时，集中式二级泵系统的水泵扬程比采用五分段法时的扬程大，水泵的无效损失更多，所以分布式和半集中式二级泵系统相对集中式系统的优势会更明显。

表7 五分段法分布式、半集中式和集中式二级泵系统的净现值________万元

3 结论

1）分布式二级泵系统的初投资最高，半集中式二级泵系统次之，集中式二级泵系统的初投资最低。

2）分布式二级泵系统的运行费用最低，集中式二级泵系统次之，半集中式二级泵系统的运行费用最高。

3）在水泵寿命期内，采用设定压差法计算集中式和半集中式的水泵扬程时，分布式二级泵系统相对集中式二级泵系统的净现值为正值；半集中式二级泵系统相对集中式二级泵系统的净现值为绝对数不大的负数。分布式二级泵系统相对集中式和半集中式二级泵系统具有较明显的经济优势。

4）在水泵寿命周期内，采用五分段法计算集中式和半集中式的水泵扬程时，分布式和半集中式二级泵系统相对集中式二级泵系统的净现值均为绝对数不大的负数。由于分布式二级泵系统的节能、灵活和增强水力稳定性等特点，在经济允许的条件下，采用分布式二级泵系统具有一定的优势。

5）二级泵系统的能耗和运行费用不仅与系统形式有关，还和系统的水泵台数、规格、效率以及工程的负荷分布有关。