云計算工業園區CCHP輸配系統優化研究

李倩茹 李永財 黃 鋒 肖勁高 廖 寅

（1.重慶大學 重慶 400044；2.貴州合心慧能 貴陽 550081）

0 引言

能源是人類生存和發展的基礎，是現代經濟社會發展的基礎，是事關國家安全和經濟安全的重要保障，能源嚴重短缺愈來愈成為國內外所關注的焦點[1]。目前，建筑能耗已占據我國社會總能耗的30%，其中，暖通空調系統的消耗量約為建筑能耗的2/3[2]。因此，如何高效率利用能源，降低空調能耗而同時又能滿足人們對暖通空調的需求，是當前暖通空調界所面臨的一個巨大挑戰。而水輸配系統能耗是空調系統能耗的主要組成部分，也是節能研究和應用的重點[3-6]。

本文研究的目的在于為含有數據中心的工業園區冷熱電三聯供輸配系統的優化設計和運行提供具體的分析方法，建立冷熱電聯供輸配系統數學模型，提出云計算工業園區冷熱電聯供輸配系統的優化設計和運行方法，為今后類似項目的系統設計和運行提供技術支撐。

1 工業園區空調負荷特性與能源規劃利用

1.1 項目簡介

重慶市兩江新區是我國內陸地區第一個國家級開發開放新區，規劃面積113km2，其中建設用地總規模為58.94km2；非城市建設用地為54.19km2，規劃人口數量45萬人。案例園區包括居住區、總部研發區、高新技術產業區、數據中心區和行政商務區五大功能區。

1.2 云計算產業園區負荷特性

本文利用DeST-C軟件描述云計算中心數據機房典型建筑模型的圍護結構熱物性以及人員、燈光和設備等內擾的變化情況，利用建筑物分析和模擬程序BAS對建筑物的熱特性進行動態逐時模擬。根據所建立的典型建筑模型，對五家云計算企業數據中心機房的空調負荷進行匯總的基礎上，得到如圖1所示的“云計算”空調季節逐時負荷。

圖1 “云計算服務區”逐時總冷負荷Fig.1 The dynamic air-conditioning load in conditioned season of the project

經計算可得，云計算產業園區五家云計算中心數據機房一期夏季冷負荷峰值為57023kW。

1.3 園區能源規劃

園區內采用可再生能源與常規能源相互協同的技術路線，采用冷熱電三聯供系統[8,9]，根據園區內能源的梯級利用，有以下四個環節：

第一個環節為燃氣-蒸汽聯合循環發電，天然氣在燃氣輪機內燃燒做功后產生的高溫煙氣進入余熱鍋爐加熱循環水，并分別產生高壓、中壓和低壓蒸汽。

第二個環節為抽汽供熱，根據園區內制藥企業和電子企業的需求情況，從低壓汽輪機中抽取低壓蒸汽，由蒸汽管道輸送至各用汽企業。

第三個環節為集中供冷，以蒸汽作為溴化鋰吸收式制冷機的熱源，制取數據機房所需的冷量，并由冷凍水輸配管網輸送至各企業換熱站。

第四個環節為廢熱利用，即利用電廠冷卻水和云計算中心數據機房冬季向外排放的廢熱，作為熱泵機組的優良熱源，制取生活熱水和采暖熱水。

2 數學模型的建立與軟件開發

在工業園區的冷熱電三聯供系統中，輸配系統的能源消耗占能耗的很大一部分，因此本文主要是對輸配系統進行優化。

2.1 冷凍水輸配系統計算模型

“云計算中心集中制冷站”承擔五家云計算企業數據中心機房的冷負荷，冷負荷較大且需要全年供冷。因此，在冷源側，機組與冷凍水泵和冷卻水泵的連接方式采用多泵共用形式，即在保障系統運行穩定性與安全性的前提下，提高冷源側的節能性。

2.1.1 冷凍水一次泵能耗模型

一次泵開啟臺數可通過下式計算：

式中，Qi為第i時刻，空調系統逐時冷負荷，kW；ρ為水的密度，kg/m3；為第i時刻，冷凍水一次側的供回水溫差，℃；為第i時刻，冷凍水一次側流量，m3/h；為單臺冷凍水一次泵的額定流量，m3/h；為第i時刻，冷凍水一次泵的實際運行臺數。

（1）定流量模型

一次泵定流量系統的總循環水量主要取決于水泵的開啟臺數，整個系統的水力工況比較穩定。在部分負荷時，系統根據回水溫度調節制冷機組和水泵運行臺數來滿足用戶側的空調負荷需求。一次泵定流量系統，冷凍水一次泵的能耗可按照下式計算：

（2）變流量模型

一次泵變流量系統，冷凍水一次泵的能耗可按照下式計算：

2.1.2 冷凍水二次泵能耗模型

在空調系統規模較大時，若采用二級泵方式，二級水泵的流量與揚程可以根據不同負荷特性的環路分別配置，對于阻力較小的環路來說可以降低二次泵的設置揚程，避免了能源的浪費。二次泵的逐時能耗可依據下式計算：

式中，Qi,j為第i時刻，第j個支路冷凍水所承擔的空調逐時冷負荷，kW；為第i時刻，第j個支路冷凍水二次側的供回水溫差，℃；為第i時刻，第j個支路冷凍水流量，m3/h；為第j個支路，單臺冷凍水二次泵的額定流量，m3/h；為第i時刻，第j個支路冷凍水二次泵的實際運行臺數。

（1）定流量模型

二次泵定流量系統能耗模型見下式：

（2）變流量模型

二次泵變流量系統，采用溫差控制法，通過調節水泵轉速，改變各支路的水流量以滿足其負荷需求。二次泵變流量系統能耗模型見下式：

2.2 模擬軟件開發

基于前文所敘述的輸配系統的數學模型，采用C#語言開發工業園區能源規劃與評估軟件。C#語言綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，與Web緊密結合，支持絕大多數的Web標準，具有強大的安全機制，可以消除軟件開發中的常見錯誤，成為.NET開發的首選語言。

2.3 軟件功能和模擬流程

模擬軟件主要有模擬計算和結果查詢兩大功能板塊，具體軟件模擬計算流程圖如圖2所示。

圖2 軟件模擬計算流程圖Fig.2 Simulation progress of the sofeware

圖2為軟件模擬計算流程圖，首先導入建筑空調負荷、全年氣象參數、電廠發電量和耗氣量，根據逐時空調負荷確定機組開啟情況，結合逐時氣象參數，分別確定輸配系統各部分水泵的臺數、揚程和流量等設備參數，以及各部分輸配系統的運行策略，對輸配系統能耗進行模擬計算。

3 冷凍水輸配系統優化分析

云計算中心集中冷站以電廠余熱鍋爐低壓蒸汽作為熱源，利用蒸汽雙效型溴化鋰吸收式機制備冷凍水，由輸配系統輸送至各用冷企業，本文針對冷凍水輸配能耗展開分析，利用“工業園區能源規劃與評估軟件”，分別計算5℃、6℃、7℃、8℃、9℃和10℃不同供回水溫差工況下，一次泵及二次泵采用不同運行方式的能耗；并提出輸送能效比(ER)的概念，結合該指標，對各方案進行評價。

3.1 冷凍水輸配能耗

冷凍水輸配能耗為一次泵和二次泵全年運行能耗之和，本文對不同輸配方案冷凍水泵全年運行總能耗進行計算；并總結得出冷凍水輸配總能耗隨供回水設計溫差ΔT以及系統輸配形式的變化規律。

3.1.1 冷凍水一次泵能耗

“云計算中心集中制冷站”冷凍水一次泵采用不同輸配形式及不同供回水溫差時，一次泵全年運行總能耗的變化規律，如圖3所示；不同供回水設計溫差ΔT所對應的冷凍水一次泵參數如表1所示。

由圖3可知，相比于定流量運行而言，采用變流量運行，冷凍水一次泵能耗顯著降低，節能性增強。供回水設計溫差ΔT確定時，冷凍水一次泵變流量運行相比于定流量運行而言，其全年運行總能耗可降低20%以上；供回水設計溫差ΔT越大，系統冷凍水設計流量越小，一次泵變流量運行的節能潛力越不顯著。

表1 冷凍水一次泵參數設定Table 1 Setting of primary chilled waterpump parameters

圖3 不同工況下冷凍水一次泵能耗Fig.3 Energy consumption of primary chilled water pump in different condition

3.1.2 冷凍水二次泵能耗

各環路冷凍水二次泵全年運行能耗的變化規律，如圖4所示；不同供回水設計溫差ΔT所對應的冷凍水二次泵參數如表2所示。

表2 冷凍水二次泵參數設定Table 2 Setting of secondary chilled water pump parameters

圖4 不同工況下冷凍水二次泵能耗Fig.4 Energy consumption ofsecondary chilled water pump in different condition

由圖4可以看出，相比于定流量運行而言，冷凍水二次泵變流量運行，水泵能耗顯著降低，節能性增強。供回水設計溫差ΔT確定時，冷凍水二次泵變流量運行相比于定流量運行而言，其全年運行能耗可降低30%以上；供回水設計溫差ΔT越大，系統冷凍水設計流量越小，二次泵變流量運行的節能潛力越不顯著。

3.2 冷凍水泵總能耗

冷凍水泵總能耗由冷凍水一次泵能耗以及冷凍水二次泵能耗所組成，利用“工業園區能源規劃與評估軟件”，分別計算5℃、6℃、7℃、8℃、9℃和10℃供回水溫差下，采用不同輸配形式時，冷凍水泵的輸配總能耗，如圖5所示。

圖5 冷凍水泵總能耗分析Fig.5 Total energy consumption of chilled water pump analysis

由圖5可知，相比于定流量運行而言，冷凍水泵采用變流量運行，能耗顯著降低，節能性增強。一次泵與二次泵均采用變流量運行，相比于兩者均采取定流量運行而言，冷凍水泵全年運行總能耗可降低28%以上；供回水設計溫差ΔT越大，系統冷凍水設計流量越小，冷凍水泵變流量運行的節能潛力越不顯著。

3.3 輸送能效比（ER）

空調冷熱水系統的輸送能效比（ER），即輸送單位冷（熱）量的水泵能耗。根據《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）相關規定，空調冷熱水系統的輸送能效比ER不可過大，且不應高于表3的要求。

表3 空調冷熱水系統的最大輸送能效比（ER）Table 3 Max energy efficiency ratio of chilled/hot water delivery

“云計算中心集中制冷站”全年累計空調冷負荷420195783.5kWh，由此計算不同方案空調冷水的輸送能效比ER，表4所列六種設計方案，滿足《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）的要求。

表4 滿足冷凍水輸送能效比方案Table 4 Schemes satisfied energy efficiency ratio of chilled water

本文以12℃作為“云計算中心集中制冷站”蒸汽型溴機冷凍水的出水溫度，輸配系統采用以上六種方案，均可滿足要求。然而，由于工業為園區為區域供冷，相比于單體建筑，輸配能耗較大，因此考慮采用12/18℃供回水溫度，此時輸送能效比ER為0.0296。

3.4 輸配系統冷損失分析

本文對“云計算中心集中制冷站”冷凍水管路采用直埋方式敷設，輸配系統冷量損失主要由冷凍水泵冷量損失和管網冷量損失兩部分組成。

3.4.1 冷凍水泵冷量損失

根據冷凍水泵冷量損失計算模型，參照不同供回水溫差及不同輸配形式時，冷凍水泵所引起的冷量損失，得出冷凍水泵所引起的冷損失率如圖6所示。

圖6 冷凍水泵冷損失率Fig.6 Cooling loss ratio of chilled water pump

由圖6可知，相比于定流量運行而言，冷凍水泵采用變流量運行，冷損失量及冷損失率顯著降低。當供回水設計溫差ΔT確定時，冷凍水二次泵變流量運行，相比于定流量運行而言，全年運行期間水泵引起的冷量損失可降低30%；供回水設計溫差ΔT越大，系統冷凍水設計流量越小，通過變流量運行減少冷損失的效果越不明顯。

3.4.2 管網冷量損失

利用“工業園區能源規劃與評估軟件”，計算不同冷水供水溫度（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃）、不同供回水設計溫差ΔT（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃）以及不同輸配形式下，冷凍水管網所引起的冷量損失，得出管網冷量損失隨冷水供水溫度、供回水設計溫差以及輸配形式的變化規律，如圖7-9所示。

圖7 不同工況管網冷損失（1）Fig.7 Cooling loss of pipeline in different condition(1)

圖8 不同工況管網冷損失（2）Fig.8 Cooling loss of pipeline in different condition(2)

圖9 二次泵不同運行方式下管網冷量損失Fig.9 Cooling loss of pipeline under different running mode of secondary chilled water pump

由圖7-9可得結論如下：

（1）當冷水供水溫度和供回水設計溫差ΔT確定時，冷凍水二次泵變流量運行相比于定流量運行而言，由管網路由引起的冷量損失可降低40%，節能效益和經濟效益十分顯著。

（2）當冷水供水溫度和水泵運行方式確定時，增大供回水設計溫差ΔT，可大大減少管網冷量損失。

3.4.3 輸配系統總冷量損失

輸配系統總冷量損失包括冷凍水泵冷量損失和管網冷量損失。參照上文所得結果，計算不同冷水供水溫度、不同供回水設計溫差ΔT以及不同輸配形式下，冷凍水輸配系統的總冷量損失，并進一步總結得出輸配系統總冷量損失隨冷水供水溫度、供回水設計溫差以及輸配形式的變化規律，如圖10-11所示。

圖10 不同工況輸配系統總冷損失（1）Fig.10 Total cooling loss of distribution system in different condition:constantflow primarychilled waterpump(1)

圖11 不同工況輸配系統總冷損失（2）Fig.11 Total cooling loss of distribution system in different condition:constantflowprimarychilled waterpump(2)

由圖10、圖11可得，隨著供回水設計溫差ΔT的增大，系統冷凍水設計流量降低，輸配系統總冷量損失呈下降趨勢，有利于節能；相比于定流量運行而言，冷凍水泵變流量運行，輸配系統總冷量損失顯著降低，有利于提高項目經濟性。

4 結論

本文重點研究了含有數據中心的工業園區冷熱電三聯供輸配系統的優化設計和運行的分析方法，在詳細分析輸配系統分在不同工況下性能特點的基礎上，建立冷熱電三聯供輸配系統數學模型，提出其輸配系統的優化設計和運行方法。主要結論如下：

（1）建立了區域型CCHP輸配系統的數學模型。利用所建立系統的數學模型，采用C#語言編寫了工業園區能源規劃與評估軟件，實現對輸配系統的能耗模擬。

（2）利用“工業園區能源規劃與評估軟件”對冷凍水輸配系統進行了優化。供回水設計溫差ΔT確定時，一次泵與二次泵均采用變流量運行，相比于兩者均采取定流量運行而言，冷凍水泵全年運行總能耗可降低28%以上；供回水設計溫差ΔT越大，系統冷凍水設計流量越小，冷凍水泵變流量運行的節能潛力越不顯著。冷凍水供回水設計溫差ΔT從5℃提高至10℃，采用一次泵定流量+二次泵定流量運行方式，節能效益最為顯著，采用一次泵變流量+二次泵變流量，節能效益最不顯著。

（3）利用“工業園區能源規劃與評估軟件”，對不同冷水供水溫度（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃）、不同供回水設計溫差ΔT（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃）以及不同輸配形式下，冷凍水管網路由所引起的冷量損失進行了計算，得出管網冷量損失隨冷水供水溫度、供回水設計溫差以及輸配形式的變化規律。