1、區域供冷系統二次管網的優化設計 3康英姿 華華南理工大學賁摘要分析了區域供冷系統二次管網的優化設計方法 ,建立了管徑非連續變化的區域供冷系統二次管網的優化設計模型 ,并提出了求解方法 。在對某區域供冷系統二次管網工程實 例進行優化的基礎上 ,進一步分析了傳統設計與優化設計方法下二次管網經濟性的差異 。結 果表明 ,優化設計方法通過權衡二次管網的初投資與二次泵的運行費用 ,使得二次管網在整個壽命周期內經濟性較優 ; 相對于經濟流速分別取 0 . 8 ,1 . 8 ,2 . 5 m/ s 時假設流速法的計算結果 ,采用優化設計方法可分別節省壽命周期費用 14 . 3 % ,16 . 2 % ,39

2、 . 9 % 。關鍵詞二次管網優化設計初投資運行費用O p t i m a l d e s i g n of s e c o n d a r y p i p i n g n e t w o r ki n d i s t ri c t c o o l i n g s y s t e m sBy Kang Yingzi and Hua BenA bs t r a c t A n al yses t h e op t i m al desi g n me t h o d , de vel op s t he op t i m al desi g n m o del of t he s e c o n

3、 da r y p ip i ng ne t w o r k , w hic h c o ve rs t he disc o n t i n uo us c h a nge i n p ip e di a me t e r , a n d p r es e n ts t h e s ol vi n g me t h o d . B as e d o n op t i miz a t i o n of a n ac t ual c as e , a nal ys es t h e e c o n o mic dif f e r e nce of c o n ve n t i o n al a n

4、 d op t i m al desi g n me t h o d . I t is c o ncl u de d t h a t t h e lif e c ycle c os t of se c o n da r y p ip i n g ne t w o r k c a n be r e d uc e d b y op t i mal desi g n vi a w ei g hi n g t he i ni t i al i n ves t me n t of t h e s ec o n da r y p ip i ng ne t w o r k a n d t h e p ow

5、e r c o ns u mp t i o n of s e c o n da r y c hille d w a t e r p u mp s . C o mp a ri n g wi t h t he c alc ul a t i n g r es ul ts of c o n ve n t i o nal desi g n me t h o d w i t h e c o n o mic al f l ow vel oci t y of 0 . 8 , 1 . 8 , 2 . 5 m/ s , op t i m al desi g n me t h o d c a n s a ve li

6、f e c ycle c os t b y 14 . 3 % , 16 . 2 % , 39 . 9 % re spectively.Ke yw o r ds s e c o n da r y p ip i n g ne t w o r k , op t i m al desi g n , i ni t i al i n ves t me n t , op e r a t i n g c os t S out h China Unive rsit y of Te c hnology , Gua ngzhou , China1概述區域供冷系統的二次管網是區域供冷站內平 衡管與區域供冷站外各冷用戶

7、之間的冷水管路 ,其 作用為將區域供冷站生產出來的冷水輸送至各用 戶 ,并將經過換熱后的冷水回水由各用戶輸送回制 冷站 。相對于常規的集中空調系統 ,區域供冷系統多 出了從區域供冷站到各用戶的冷水二次管網 。冷 水二次管網投資與二次泵運行能耗對整個區域供冷系統的經濟性影響很大 。目前 ,一些建成的區域供冷項目出現了由于二次管網的投資與二次泵能 耗過大 ,而導致區域供冷系統的供冷成本較高 ,用 戶怨聲載道的現象 。因此 ,在區域供冷系統中 ,二 次管網的設計具有十分重要的地位 。 康英姿 ,女 ,1970 年 11 月生 ,博士 ,講師510641 廣東省廣州市天河區五山路華南理工大學機械與汽車

8、工程學院汽車研究所熱能與動力工程教研室( 020) 87113614E2mail : yzka ng scut . edu . cn收稿日期 :2009 03 233 “十 一 五 ”國 家 科 技 支 撐 計 劃 重 大 項 目 資 助 ( 編 號 :2006BAJ 03A06)修回日期 :2009 08 2734 設計參考暖通空調 HV &A C201 0 年第 4 0 卷第 1 期關于區域供冷系統的冷水輸送系統 ,目前已經有人 進 行 了 相 關 的 研 究 1 7 。文 獻 8 關 于 區直埋式冷水二次管網的投資主要由兩部分組成 :直埋管的價格 ;直埋管的施工費用 。1) 直埋管的價格

9、 單位長度直埋管的價格通常可以表示為其工作鋼管內徑 d 的函數 。一般可以依據廠家的價格擬合成如下公式域供冷 ( 熱) 系 統 優 化 設 計 的 研 究 也 涉 及 冷 水 輸送管網的優化 。對于拓撲結 構 一定 、用 戶冷 負荷 已知的冷 水 二 次 管 網 , 確 定 冷 水 供 回 水 溫 度 后 , 輸送的冷 水 量 將 隨 之 確 定 。二 次 管 網 各 管 段 冷水量一定 的 情 況 下 , 各 管 段 管 徑 越 小 , 管 網 的 投 資越小 ,但 二 次 管 網 總 阻 力 越 大 , 二 次 泵 能 耗 越 高 。因此 ,必然存 在 一 個 最 優 的 二 次 管 網

10、系 統 , 使得二次 管 網 的 初 投 資 與 二 次 泵 運 行 費 用 綜 合 最優 。本文 將 對 冷 水 二 次 管 網 的 優 化 設 計 進 行分析與研究 。2 區域供冷系統二次管網的優化設計對拓撲結構一定 、用戶冷負荷已知 、冷水供回 水溫度確定的區域供冷系統冷水二次管網進行設 計的任務是確定各管段的管徑以及二次泵的流量 、揚程 。區域供冷系統冷水二次管網優化設計的目 標是其經濟性最優 。本文采用壽命周期費用作為 二次管網經濟性的評價指標 。對于冷水二次管網 在整個壽命周期內發生的費用主要考慮二次管網 的投資 、二次泵投資 、二次泵的運行費用 ,其他費用在本文中暫不考慮 。2

11、. 1 二次管網優化設計的數學模型2 . 1 . 1 目標函數 9 對區域供冷系統冷水二次管網進行設計優化 的目標是使其壽命周期費用最小mi n L CCpipe = Cinv ,pipe + Cinv ,p u + Cop ,p u ( 1)a0 + a1 d + a2 d2( 2)Cpipe=式中Cpipe 為單位長度內徑為 d 的直埋管的價格 ,元/ m ; a0 a2 為 系數 , 可 依據 廠 家的 價格 擬 合 得到 。2) 直埋管的施工費用 直埋管施工費用的主要影響因素為直埋管的管徑 ,通常 也 可 以 表 示 為 直 埋 管 內 徑 d 的 函 數 。可依據實際工程中直埋管的施

12、工造價 ,擬合出單位 長度的直埋管的施工費用Cp s = b0 + b1 d + b2 d2( 3)式中Cp s 為單位長度內徑為 d 的直埋管的施工費用 ,元/ m ; b0 b2 為擬合系數 。3) 冷水二次管網的投資 冷水二次 管 網 的 投 資 為 所 有 不 同 規 格 ( 共 p種不同的管徑) 的供 、回水干管的價格與施工費用之和 ,即p ( Cpipe , j + Cp s , j ) l j ( 4)Cinv ,pipe=j = 1式中Cpipe , j , Cp s , j 分別為單位長度內徑為 d j 的直埋管的價格及施工費用 , 元/ m ; l j 為內徑為 d j 的

13、 直埋管總長度 ,m 。2 . 1 . 1 . 2冷水二次泵的投資冷水二次泵的設計流量與揚程分別等于設計 工況下二次管網的總流量與總阻力 。根據設計流量與揚程 ,結合廠家的性能曲線 ,對冷水二次泵進行選型 ,并進一步依據此選型結果選定與二次泵對 應的變頻調速裝置 。冷水二次泵的投資包括水泵與變頻調速裝置 兩部分的費用 ,其計算公式如下式中L CCpipe 為 二 次 管 網 的 壽 命 周 期 費 用 , 元 ;Cinv ,pipe 為二次管網的投資 ,元 ; Cinv ,p u 為二次泵的投資 ,元 ; Cop ,p u 為二次泵的年運行電費 , 元/ a ;為等 額多次分付現值系數 。2

14、. 1 . 1 . 1二次管網的投資 二次管網的投資主要考慮由區域供冷站內冷水系統的平衡管至各用戶建筑入口之間的冷水供 、 回水管道的投資 。區域供冷系統二次管網的供 、回水管道可采用直埋和管溝敷設兩種方式 。直埋敷設占地少 ,投資 低 ,且隨著直埋管道以及管件制造和施工技術的提 高 ,管網發生故障的概率很小 ,因此 ,國內外正在運 行的區域供冷系統的冷水輸配管網大多采用直埋 敷設方式 。本文按直埋敷設方式對二次管網的投資進行分析 。Cinv ,p u = p u Cp u ( i) + CV FD ( i) ( 5)i PUS E式中 p u 為冷水二次泵的投資系數 , 指運輸安裝費用 ;

15、PU S E 為冷水二次泵的集合 ; Cp u ( i) 為第 i 臺 冷水二次泵的價格 ,按式 (6) 計算 ,元 ; CV FD ( i) 為第i 臺冷水二次泵對應的變頻調速裝置的價格 ,按式(7) 計算 ,元 。暖通空調 HV &A C 20 10 年第 40 卷第 1 期設計參考35 Cp u ( i) = c0 W p u0 ( i) + c1( 6)依據文獻 10 的方法確定 ,只是在區域供冷二次管網中用戶不是建筑物內的某一空調末端而是整個 用冷建筑物 。對于圖 1 所示的冷水二次管網 ,實際運行工況式中c0 , c1 為系數 ,可依據水泵生產廠家的價格擬合得到 ; W p u0

16、( i) 為第 i 臺水泵的額定功率 ,k W 。CV FD ( i) = e0 W p u0 ( i) + e1( 7)式中 e0 , e1 為系數 ,可依據變頻調速裝置的價格擬合得到 。2 . 1 . 1 . 3冷水二次泵的運行電費 冷水二次泵在不同的供冷負荷下 ,其實際運行功率是變化的 。本文二次泵變流量采用定末端壓 差控制方式 。定末端壓差控制方式下 ,某一時刻二 次泵的實際流量可通過該時刻的冷負荷 、冷水供回水溫差計算出來 ;二次泵的實際揚程與運行功率可圖 1 冷水二次管網布置圖下 ,最不利環路的總阻力可按下式計算L 1 , k ) 2 + ( S23 + S 23) ( L k -

17、 L 1 , k - L 2 , k ) 2 +pto tal , k = ( S B1 + S A1) L 2k + ( S 12 + S12) ( L k -+( S ( n- 1) C + S ( n- 1) D ) L 2 , kn + H CD( 8)式中pto tal , k 為 k 時刻二次管網的總阻力 , Pa ; S B1 ,式中D 為整個供冷季節的供冷時間 , d ; ce 為電, S ( n - 1) D 為供回水干管上對應管段的阻抗 , kg/價 ,元/ ( k Wh) 。2 . 1 . 2約束條件1) 各管道的內徑應符合鋼管標準管徑系列的 內徑值 ,即m7 ; L 1

18、 , k , L 2 , k , L n , k 為 k 時刻各用戶的流量 ,m3 /s ; L k 為 k 時刻二次管網的總流量 , m3 / s ; H CD 為最不利用戶支路的阻力損失 ,即控制壓差 , Pa 。 各管段 的 局 部 阻 力 按 其 摩 擦 阻 力 的 20 % 考慮 ,則冷水二次管網 供回 水 干管 上各 管 段的 阻抗S j 可按式 (9) 計算 : M( 13)d j式中M 為鋼管的標準管徑系列對應的內徑的集合 。2) 各管段的設計流速 3 . 5 m/ s ( 當冷水的流 速超過 3 m/ s 時 ,將對管道和閥件內部產生嚴重的 沖刷腐蝕 11 。考慮到二次管網大

19、部分時間運行在 部分負荷下 ,其內部各管道的實際流速在絕大部分運行時間低于設計流速 。因此將各管段的最大設 計流速提高到 3 . 5 m/ s) ,即J 0 . 25 l j8j l jS j = 1 . 2 = 1 . 056 ( 9)2 d52 5 . 25 d jj為冷水密度 , kg/ m3 ;j 為內徑為 d j 的直式中埋管的摩擦阻力系數 ; J 為管道的絕對粗糙度 ,m 。定末端壓差控制方式下 ,二次泵的實際運行功 率的計算公式如下4 L p0 , j3 . 5( 14)L k p to t al , kd2( 10)W p u , k =jkL p0 , j 為各管段的設計流量

20、 , m3 / s 。式中式中 k 為 k 時刻二次泵的效率 。冷水二次泵在第 d 天 k 時刻總電功率為2 . 2求解方法區域供冷系統二次管網的優化設計模型為帶 約束的非連續 、多變量非線性優化問題 。本文采用 “窮舉法”對該優化模型進行求解 ,求解框圖如圖 2 所示 。筆者在 MA TL AB 軟件環境中編制了區域 供冷二次管網的優化設計程序 。3實例3 . 1項目概況廣州某區域供冷系統的二次管網 ,其拓撲結構 如圖 3 所示 ,各管段的長度列于表 1 中 ,二次管網 冷水的供回水溫度為 5 / 15 。區域供冷系統的供冷時間為 3 11 月 ,共 9 個月 (275 d) 。電價W p

21、u ( d , k) = z p u ( d , k , i) W p u ( d , k , i)i PUS E( 11) 式中 W p u ( d , k) 為冷水二次泵在第 d 天 k 時刻的 總運行電耗 ,k W ; zp u ( d , k , i ) 為第 i 臺冷水二次泵 在第 d 天 k 時刻的啟停狀態 ,開啟時其值為 1 ,停 機時其值為 0 ; W p u ( d , k , i) 為第 i 臺冷水一次泵在 第 d 天 k 時刻的運行功率 ,k W 。整個供冷季節 ,冷水二次泵的運行電費為D24Cop ,p u = W p u ( d , k) ce( 12)d = 1 k

22、 = 136設計參考暖通空調 HV &A C201 0 年第 4 0 卷第 1 期圖 4 用戶及區域供冷系統夏季平均日逐時冷負荷圖 2求解框圖圖 5 用戶及區域供冷系統過渡季平均日逐時冷負荷圖 3 某區域供冷系統的二次管網的拓撲結構3 . 2二次管網系統相關參數的選定1) 二次泵的臺數與變流量控制方式擬選 1 臺大 泵 , 1 臺 小泵 , 在 50 % , 100 % 設 計流量范圍內僅大泵運行 ,在 25 % ,50 %) 設計流 量范圍內僅小泵運行 。二次泵變流量采用定末端 壓差控制方式 ,2 臺泵運行時的效率均取 0 . 7 。為 了減少二次泵的運行費用 ,在不同的季節 ,末端壓差 H

23、 取值不同 : 夏季 , H = 78 . 4 k Pa ; 過 渡 季 , H = 58 . 8 k Pa 。2) 其他參數 基準折現率取 10 % ,壽命周期為 20 a ,則等 額多次分付現值系數= 8 . 513 6 ; 標準管徑系列如表 3 所示 ,所有規格管道 的絕對粗糙度均取 J = 0 . 000 2 m 。表 1 二次管網各管段長度按 0 . 93 元/ ( k Wh) 計算 。區域供冷系統設計日最大小時冷負荷及該時刻各用戶的冷負荷詳見表 2 。 為了減少計算的工作量 ,將整個供冷季節區域供冷 系統以及各用戶的冷負荷的變化規律簡化為兩個 典型日 :夏季平均日 (5 10 月

24、,共 184 d) 與過渡季 平均日 (3 ,4 , 11 月 , 共 91 d) 。從 De S T 能耗分析軟件計算出的各用戶的全年動態冷負荷數據中統計出各用戶以及區域供冷系統在夏季以及過渡季 平均日逐時冷負荷結果 ,詳見圖 4 ,5 。表 2 區域供冷系統設計日最大冷負荷及同一時刻各用戶的冷負荷表 3 鋼管標準管徑系列mm 冷水二次泵的投資系數 p u = 1 . 1 ,水泵價格 、變頻調速裝置價格 、直埋管價格以及直埋管的注 :最大冷負荷出現時刻為 17 :00 。用戶名冷負荷/ k W用戶名冷負荷/ k W區域供冷系統 40 913 用戶 1 5 064 用戶 2 7 697 用戶

25、3 6 536用戶 4 8 756 用戶 5 5 526 用戶 6 7 333內徑對應外徑內徑對應外徑內徑對應外徑1 196 1 2201 000 1 020900 920800 820704 720614 630515 529464 478412 426363 377311 325261 273207 219150 159131 140106 11480 . 5 88 . 568 75 . 5干管管段長度/ m支管管段長度/ mA 1( 或 B1) 24012( 或 12) 25523( 或 23) 32234( 或 34) 30545( 或 45) 28556( 或 56) 21511 4

26、022 5033 4644 5255 3866 30暖通空調 HV &A C 20 10 年第 40 卷第 1 期設計參考37 施工費用依據當前各廠家的銷售價格及工程造價進行計算 ,擬合后的計算公式如下 :水泵價格 Cp u = 1 700 . 8 W p u0 + 19 861 ,變頻調 速裝置價格 CV FD = 492 . 97 W p u0 + 1 157 . 4 ,單位長二次管網 優 化 設 計 的 主 要 任 務 是 通 過 權 衡 管 網的投資與系統阻力 ,來確定系統 內各 管段 的 最佳 管徑 ,使得二次管網的運行費用 維持 在合 理 的水 平 ,以達 到 二 次 管 網 的

27、壽 命 周 期 費 用 最 小 的 目 的 。3 . 4 區域供冷系統二次管網優化設計結果與傳統設計方法的對比 冷水系統在已知拓撲結構和各管段流量時 ,傳統的設 計 方 法 為 假 設 流 速 法 。假 設 流 速 法 是 依據工程經驗選取一個經濟流速 , 然 后按 此 經濟 流速計算最不利環路上各管段的 管徑 , 并 依 據標準管徑 系 列 的 管 徑 間 隔 , 初 步 確 定 各 管 段 的 管 徑 ; 最后對 整 個 冷 水 系 統 進 行 水 力 計 算 , 對 部 分 管段的管 徑 進 行 調 整 , 最 終 確 定 各 管 道 的 管 徑 ; 同時確定水泵的揚程 、流量 。圖 6

28、 , 7 為經 濟 流速 分別取 0 . 8 ,1 . 8 ,2 . 5 m/ s 時 ,采用假設流速法對實例中的 二 次 管 網 進 行 設 計 的 結 果 與 優 化 設 計 結果的對比 。度 直 埋 管 價 格 Cpipe = 10 . 863 + 1 917 .1 339 . 2 d2 , 單 位 長 度 直 埋 管 施 工 費 用11 . 459 + 208 . 89 d + 717 . 12 d2 。3 dCp s+=3 . 3區域供冷系統二次管網優化設計結果與分析3 . 3 . 1優化設計結果利用 MA TL AB 編制的區域供冷優化設計程 序對該二次管網進行優化設計 ,結果如下

29、 。1) 管道部分各管段的管徑如表 4 所示 。表 4 二次管網各管段管徑優化結果冷水二次管網的投資 Cinv ,pipe = 746 . 06 萬元 。2) 二次泵部分大泵 :設計流量 0 . 977 2 m3 / s ,揚程 21 m ,額 定功率 292 . 91 k W 。小泵 :設計流量 0 . 488 6 m3 / s ,揚程 9 m ,額定功率 63 . 98 k W 。二次泵投資 ( 包括泵及對應的變頻調速裝置)Cinv ,p u = 90 . 75 萬元 。二次泵的年運行費用 Cop ,p u = 42 . 80 萬元 。圖 6兩種設計方法中各管段的管徑壽命周期內二次泵總運行

30、費用現值 := 364 . 41 萬元 。3) 壽命周期總費用Cop ,p u 冷水 二 次 管 網 的 壽 命 周 期 總 費 用 L CCpipe =1 201 . 20萬元 。3 . 3 . 2 優化設計結果分析依據前面的優化結果 ,可計算出二次管網的各 部分費用在壽命周期總費用中所占的比例 ,結果如 下 。冷水二次管網的投資是二次管網系統壽命周期內最主要的費用 ,高達 62 . 11 % ; 其次是二次泵 的總運行費用 ,占 30 . 34 % ; 而二次泵投資所占的 比例最小 , 僅 為 7 . 55 % 。因 此 , 區 域 供 冷 系 統 中圖 7 兩種設計方法中各種費用的對比從

31、圖 6 與圖 7 可知 , 采用假設流速法設計二次管網時 ,經濟流速取較大值 ( 如 2 . 5 m/ s) 時 ,二 次管網的 供 、回 水 干 管 的 管 徑 較 小 , 故 管 網 投 資較小 ,但是 二 次 泵 的 總 運 行 費 用 很 高 ; 相 對 于 優化設計 ,經 濟 流 速 較 大 時 , 管 網 部 分 因 管 徑 減 小 而節省的 投 資 小 于 因 流 速 較 大 導 致 的 二 次 泵 總干管管段內徑/ mm支管管段內徑/ mmA 1( 或 B1) 80012( 或 12) 70423( 或 23) 70434( 或 34) 61445( 或 45) 51556(

32、或 56) 46411 26122 26133 26144 31155 26166 46438 設計參考暖通空調 HV &A C201 0 年第 4 0 卷第 1 期運行費用的增加 ,因此 ,經濟流速為 2 . 5 m/ s 時假設流速法 設 計 的 二 次 管 網 的 壽 命 周 期 費 用 大 于 優化設計 的 二 次 管 網 的 壽 命 周 期 費 用 。而 當 假 設流速法取較 小的 經 濟 流 速 ( 如 0 . 8 m/ s) 時 , 雖 然可以降低二次泵的揚程 ,減少 二次 泵 的總 運行 費用 ,但二次管網的供 、回水干管的 管徑 增大 , 管網投資增 加 ; 相 對 于 優

33、化 設 計 , 二 次 泵 總 運 行 費 用的節省 小 于 管 網 部 分 增 加 的 投 資 , 所 以 , 經 濟 流速為 0 . 8 m/ s 時假設流速法設計的二次管網的 壽命周期 費 用 仍 然 大 于 優 化 設 計 的 二 次 管 網 的 壽命周期費用 。對于同一個區域供冷系統的二次管網 ,采用優 化設計方法要比傳統的假設流速設計方法節省壽 命周期費用 ,經濟上具有優勢 。相對于經濟流速分 別取 0 . 8 ,1 . 8 ,2 . 5 m/ s 時的假設流速法 ,采用優化 設計 方 法 可 分 別 節 省 壽 命 周 期 費 用 14 . 3 % ,16 . 2 % ,39 .

34、 9 % ,通過優化設計 ,二次管網的經濟性 得到很大的提高 。4 二次管網的優化設計對區域供冷系統綜合效率 與經濟性的影響區域供冷系統的綜合效率是其供冷量與總能耗之比 。區域供冷系統的總能耗包括制冷機組 、冷 卻塔 、冷卻水泵 、冷水一次泵 、二次管網的冷水二次 泵的能耗 。其中二次泵的能耗對區域供冷系統的 綜合效率有較大影響 ,也是區域供冷系統是否節能 的關鍵 。二次管網的投資對整個區域供冷系統的投資 影響較大 ,尤其在二次管網設計不當時 ,將會成為 導致區域供冷系統初投資過大的主要因素 。因此 ,二次管網的優化設計不僅能避免二次泵 能耗過大或因二次管網設計的先天不足而導致的初投資過大等問

35、題 ,使區域供冷系統的綜合效率維 持在一個合理的 水平 , 并 能 通過 初投 資 的綜 合權 衡 ,實現其經濟性最優 ,保證區域供冷系統經濟 、節 能 、環保優勢的充分發揮 。5 結論5 . 1 優化設計方法比傳統的假設流速設計 方法 具有經濟優勢 。在本文實例 中 , 相對 于 經濟 流速 分別取 0 . 8 ,1 . 8 ,2 . 5 m/ s 時的假設流速法 ,采用 優化設計方法可分別節省壽命周 期 費用 14 . 3 % ,16 . 2 % ,39 . 9 % , 二 次 管 網 的 經 濟 性 得 到 很 大 的提高 。5 . 2 對于區域供冷系統的二次管網 ,由于其復雜性與輸送距離較 遠 , 應采 用優 化設 計 方法 進行 設 計 ,不能采取常規的設計方法 。二次管網的優化設計能使區域供冷系統的綜 合效率維持在一 個合 理的 水 平 , 最 終 實現 經濟 最 優 。本文提出的區域供冷系統中冷水二次管網優化設計方法 、編制的優化設計