大温差供冷系统设计分析及应用

魏汝华，王一枫

（1.广州大学城华电新能源有限公司，广州 511400；2.中国华电科工集团有限公司，北京 100070）

0 引言

我国“十四五”规划和2035 年远景目标纲要指出，为实现碳达峰、碳中和目标，“十四五”期间要保证能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高，单位国内生产总值能源消耗和CO2排放分别降低13.5%和18.0%。这就需要推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力，坚决遏制高耗能、高排放项目盲目发展，推动绿色转型实现积极发展。分布式能源、热电联供、区域供冷/供热系统将迎来新的发展机遇，而大温差供冷系统在分布式能源中节能减排的作用，使其成为助力实现“双碳”目标的关键技术手段之一。

为实现节能减排目标，国内外开始发展大温差供冷系统，通过优化制冷系统各设备之间的能效配比，在适度提升冷水机组能耗的基础上大幅降低水泵、冷却塔等设备的能耗，从而达到降低投资和系统运行总能耗的目的。文献［1−5］针对大温差中央供冷系统控制策略进行了研究，提出了分布式能源供冷系统的性能评估方法。孙钦等［6］针对超高层建筑大温差温湿度独立控制动态冰蓄冷系统进行了分析，指出该系统大温差供冷的重要作用。宣晨晨等［7］重点分析了冷冻水大温差对常规空调机组产生的影响，通过算例结合实际工程得出，对于空调系统半径较大的大型公共建筑或高层建筑适宜使用冷冻水大温差供冷，可以取得良好的节能运行效果。文献［8−13］分别对影响区域供冷系统负荷的关键因素进行了研究，阐明大温差系统主要应用于冷冻水、冷却水和送风系统侧，提出冷冻水冷量梯级利用的节能方案，建立了供冷温差、供冷距离的经济模型，得出了负荷密度对区域供冷系统单位冷量费用的影响大于供/回水温差，经济温差随供冷距离、空调负载增大而增大等结论。文献［14−19］针对大温差供冷系统对末端设备（冷冻水泵、盘管风机等）的影响进行了分析，计算得出大温差供冷系统能够大幅降低冷冻水泵的能耗，水泵消耗功率可减少68.8%～78.1%，盘管风机为保证正常工况运行需要采取防冻等措施。

目前国内外学者主要针对区域式大温差供冷系统的负荷预测、控制策略、系统经济性进行分析，或针对系统单一设备进行变化趋势研究。本文在此基础上对应用于楼宇式分布式能源站的大温差供冷系统作进一步研究，对冷冻水供/回水温度、温差变化对冷水机组和末端设备、系统整体的能耗影响作定量分析，针对广州某楼宇式分布式能源站项目的供冷系统进行年负荷特性分析及能耗计算，探讨大温差供冷系统在节能减排和运行经济性上的具体优势，为同类项目应用提供参考。

1 大温差供冷对冷水机组性能的影响

根据文献［9−11］对区域供冷系统大温差设计的研究，大温差供冷系统对于冷水机组的影响主要分为2 方面：蒸发温度和对冷水机组能耗。在保证末端设备能够正常供冷的前提下尽量降低冷水机组能耗，同时提升系统整体运行效率是大温差供冷系统的最终目的。

1.1 大温差供冷对蒸发温度的影响

蒸发温度是指制冷剂在冷水机组蒸发器中达到沸点所需温度，与蒸发压力成正比。蒸发温度是制冷设备满足需求的关键参数，蒸发温度过高无法满足被冷却对象的低温要求；蒸发温度过低则会使制冷装置的运行经济性下降，同时导致管道冻裂、末端设备能耗增加。根据传热学理论可知［10］

式中：Qt为蒸发器传热量，kW；r为负荷率；Q0为设计负荷，kW；c为水的比热容，c=4.186 8 kJ/（kg·℃）；qm为蒸发器冷冻水的质量流量，t/h；th为蒸发器回水温度，℃；tg为蒸发器供水温度，℃；tzf为蒸发温度，℃；Δtm为平均对数传热温差，℃；Δt为蒸发器侧进出水温差，℃；K为冷水机组蒸发器传热系数，kW/（m2·℃）；K1，K2，K3为传热系数计算值，由最小二乘法计算得出，kW/（m2·℃）；A为换热面积，m2。

由式（1）—（5）可得：

各品牌设备的K值不同，但大温差供冷对蒸发温度的影响趋势相同。取广州某项目电制冷机组传热系数K=4 kW/（m2·℃），可计算得到K1=0.153 2，K2=−0.062 5，K3=0.000 1，负荷率r=1，项目9 台大温差离心机组设计负荷Q0=7 384 kW。取供水温度3～10 ℃、供/回水温差5～10 ℃，计算不同条件下蒸发温度，结果见表1。

表1 不同温差及供水温度下的蒸发温度Tab.1 Evaporation temperature under different temperature difference and water supply temperature ℃

图1 为不同供/回水温差、供水温度下蒸发温度变化。由图1 和表1 中不同供/回水温差、不同供水温度下蒸发温度计算值可得出以下结论。

（1）蒸发温度与供/回水温差呈负相关关系。供水温度不变时，随着供/回水温差不断增大（5～10 ℃），蒸发温度不断降低，供/回水温差每增大1.0 ℃，蒸发温度降低约0.2 ℃。

（2）蒸发温度与供水温度呈正相关关系。供/回水温差不变时，随着供水温度提高，蒸发温度不断提高。供水温度每提高1 ℃，蒸发温度提高约1 ℃。

（3）当大温差供冷系统的供/回水温度达到10 ℃，供水温度低至3 ℃时，冷水机组达到极限工况，蒸发温度降至0.17 ℃，对于以水为载冷剂的情况，需要做好防冻措施。根据公式

保证供冷量Q不变的情况下，供/回水温差Δt增大，冷冻水质量流量qm随之减少，可以大幅降低末端设备（二次管网冷冻水泵）的能耗，同时降低冷量输送过程中的冷量损耗，但要确保避免冷水机组的蒸发温度在临界点时机组铜管破损、水管冻裂等问题，项目设计初期需要冷水机组厂家针对大温差应用场景进行优化。

1.2 大温差供冷对冷水机组COP的影响

广州某项目冷水机组采用R134a 作为制冷剂，在不同供水温度及供/回水温差情况下性能系数（Coefficient of Performance，COP）变化如图2所示。

图2 不同供/回水温差和供水温度下冷水机组COP变化Fig.2 COP of the chiller under different supply and return water temperature difference and water supply temperature

由图2 可见：（1）冷水机组COP 与供/回水温差成负相关关系。供水温度不变时，随着供/回水温差不断增大（5～10 ℃），冷水机组COP 逐渐降低，但影响程度有限。（2）冷水机组COP 与供水温度成正相关关系。供/回水温差不变时，随着供水温度提高，冷水机组COP不断提高。

综上所述，大温差供冷系统的应用对冷水机组COP 及蒸发器载冷剂的蒸发温度提出了较为严苛的要求，在少量增加冷水机组能耗及做好保温防冻措施的基础上，可以大幅减少冷量损耗和末端设备能耗，提升供冷系统整体的经济性和节能性。

2 大温差供冷对末端设备性能的影响

根据文献［14−16］对水泵及盘管风机所作的研究，大温差供冷系统能够大幅降低冷冻水泵的能耗，水泵消耗功率可减少68.8%～78.1%，但对风机盘管空调系统的影响是多方面且有利有弊的。

取广州某项目大温差电制冷冷冻水供/回水温度3/13 ℃，与常规设计冷冻水温度7/12 ℃进行比较，根据相似理论，水泵功率的关系为［16］

式中：P'为冷冻水供/回水温度3/13 ℃时的水泵功率，kW；P为常规设计冷冻水供/回水温度为7/12 ℃时的水泵功率，kW；qm'为冷冻水供/回水温度为3/13 ℃时的水泵流量，kg/s；qm为冷冻水供/回水温度为7/12 ℃时的水泵流量，kg/s；Δt为冷冻水温差，℃；Q0为设计负荷（制冷量），kW。当供应相同的冷量Q0时，大温差供冷系统（3/13 ℃）温差为10 ℃，常规供冷系统（7/12 ℃）温差为5.00 ℃。根据式（9）可得出

由此计算得大温差供冷系统功率相对常规供冷系统的比例关系为

大温差供冷系统（冷冻水供/回水温度3/13 ℃，温差10 ℃）与常规供冷系统（冷冻水供/回水温度7/12 ℃，温差5 ℃）相比，冷冻水泵能耗降低68.5%。

通过风机盘管性能参数趋势的分析可以得出规律：随着冷冻水温差增大，风机盘管全热、显热、潜热冷量及析湿系数均有不同程度降低，其对潜热影响最大，导致去湿能力降低。但冷冻水供水温度降低能在一定程度上减小供/回水大温差的影响。

因此，为中和大温差供冷系统对风机盘管去湿能力的影响，要求大温差系统在保证冷水机组性能、供冷管道保温、防冻措施到位的前提下尽量降低冷冻水供水温度，同时对风机盘管采取相应的改进措施，如通过加大盘管数、增大传热面积等方式降低风机盘管的流速，从而维持正常制冷性能［17−19］。

综合1.1，1.2 节分析可知，大温差供冷系统在降低水泵能耗、减少流量从而大幅降低冷量传输过程损耗的同时，必须考虑到冷水机组、风机盘管正常工作的工况要求，在适度增加冷水机组能耗的同时保证蒸发器铜管在较低的蒸发温度下仍能正常传热，避免管道冻裂、载冷剂结冰等情况，同时通过降低冷冻水供冷温度的方式优化风机盘管的性能。

3 大温差供冷系统的项目应用

3.1 项目概况

该楼宇式能源站位于广州某中心商务区，为周边提供冷、热、电能源。为满足周边写字楼、办公楼、酒店等用户超高层供冷需求（最大高度266 m，地上57层），同时起到节能减排的供冷效果，项目设计采用大温差供冷系统，供/回水温度为3/13 ℃。

能源站冷源设备由烟气热水型溴化锂机组和离心式冷水机组组成。15 台大温差离心式冷水机组（3台串联离心机与溴化锂机组联合供冷，12台大温差离心机单独供冷）冷冻水额定进出口13/3 ℃，载冷剂为纯水。下文针对该项目大温差供冷系统进行计算分析。

3.2 负荷分析

100%，75%，50%，25%冷负荷设计日工况运行情况分别如图3—6 所示。由图3—6 可见，4 种冷负荷情况下，设计日大温差电制冷机组供冷量分别为1 003 565 kW，684 034 kW，370 023 kW，174 186 kW，占全天供冷量的比例分别为73.7%，67.0%，54.0%，51.0%。

图4 75%冷负荷设计日工况运行模式Fig.4 Operation mode of a 75%cold load design day

图5 50%冷负荷设计日工况运行模式Fig.5 Operation mode of a 50%cold load design day

图6 25%冷负荷设计日工况运行模式Fig.6 Operation mode of a 25%cold load design day

广州地区供冷季较长，全年主要冷负荷集中在4—10 月，全天冷负荷主要集中在07：00—20：00，其中21：00 至次日06：00 酒店存在部分冷负荷，典型日中最大负荷为124 kW。全年制冷设备运行期为180 d，其中100%负荷运行天数为25 d，75%负荷运行天数为55 d，50%负荷运行天数为70 d，25%负荷运行天数为30 d。

3.3 运行节能性分析

表2 为冷水机组配套水泵参数，根据表2 可计算出100%冷负荷工况下冷冻水泵日能耗为10 140 kW·h，75%工况水泵日能耗为7 605 kW·h，50%工况水泵日能耗为5 070 kW·h，25%工况水泵日能耗为2 535 kW·h。

表2 冷水机组配套水泵参数Tab.2 Parameter of the water pump for the chiller

根据前文对大温差供冷系统末端设备的水泵能耗分析计算可知，与常规供冷系统设计（冷冻水温差为7/12 ℃，供/回水温差5 ℃）相比，冷冻水泵能耗降低68.5%，由此可以计算常规制冷系统冷冻水泵能耗。

冷水机组设备厂家提供数据，在大温差供冷模式（3/13 ℃）冷水机组COP为5.02，常规供冷模式（7/12 ℃）冷水机组COP 为5.20。由负荷分析、冷水机组配套冷冻水泵性能参数、水泵日功耗可以计算出大温差供冷系统与常规供冷系统的年能耗对比，计算结果见表3。

表3 大温差供冷系统与常规供冷系统运行能耗分析Tab.3 Operational energy consumption of the large temperature difference cooling system and conventional cooling system

由表3可见，常规供冷系统（简化为冷水机组及配套水泵）年能耗约为21.54 GW·h，大温差供冷系统尽管冷水机组本身能耗稍有增加，但整体年能耗更低，约为19.79 GW·h。使用大温差供冷系统全年可以节约运行能耗约1.75 GW·h，在满足超高层建筑正常供冷需求的基础上做到了节能、环保。

4 结束语

大温差供冷系统除了考虑供冷设备的影响之外，由于冷量远距离、高层级输送能耗较高，需要对外供冷冻水二次泵进行变频控制，同时采取温差控制方法使系统达到动态水力平衡，对空调末端采取压差控制，最终达到大温差供冷系统的全面水力平衡。

同时由于大温差供冷系统输送距离远、输送高度较大，调节存在滞后性。为保证小流量、大温差、低温输出的节能运行模式，须采取自动控制系统根据负荷实时响应、即时调节，达到系统供冷平衡，保证大温差供冷的最佳节能效果，取得预期的经济效益。

对大温差供冷系统设计阶段的影响因素进行了计算分析，得出了冷水机组冷冻水供/回水温差、供水温度与蒸发器中制冷剂的蒸发温度、冷水机组COP 的定量关系，阐明了大温差供冷系统对末端设备的性能影响。研究表明，为确保大温差供冷系统最大限度发挥节能优势，在提升供/回水温差、降低供冷温度的同时要保证冷水机组制冷剂蒸发温度高于0 ℃（水为载冷剂时的临界值），COP 满足系统正常运行需求，同时针对盘管风机采取增加盘管数、增大传热面积等方式进行优化，做好末端设备的相关防冻措施。

在对大温差供冷系统设计中的影响因素进行明确的基础上，本文针对广州某中央商务区分布式能源站项目的大温差供冷系统实际应用进行了负荷分析及运行节能性计算，分析得出相比常规温差（7/12 ℃）供冷系统，采用3/13 ℃的供冷设计在满足周边超高层建筑正常供冷需求的同时年节约1.75 GW·h的系统能耗，达到了经济节能的目的。

供冷系统针对不同用户群、不同供冷距离、不同温度需求均须作相应调整，本文仅对主要供冷设备及影响因素略作分析，为后续同类项目提供参考，后期应用还需具体考量。