區域供冷系統外管網冷量損失分析

深圳市前海能源科技發展有限公司 曠金國 王朝暉 羅曙光

0 引言

國際上，區域供冷系統已有半個世紀的發展，國內區域供冷系統項目也有近20年的經驗，尤其是最近幾年，國內區域供冷項目呈現快速增長的態勢，區域供冷理念也逐漸得到社會的認可，但是圍繞區域供冷系統的一些疑問一直存在，區域供冷系統外管網冷損失就是其中一個痛點。外管網指區域制冷站外的管網，是區別于建筑自建制冷機房，額外增加的管道系統。根據文獻[1]，日本新宿新都心區域供冷供熱(DHC)系統的冷水管道溫升達0.8 ℃，冷量損失達到全年售冷量的10%。對區域供冷系統外管網冷損失的分析報道，多以理論分析為主[2-7]，對運行數據的公開報道并不多。一個可能原因是缺乏可靠可行的測量方法。

本文提出外管網輸配系統冷損失分析方法，研究外管網冷損失的影響因素，以及外管網實際冷損失對系統能源效率的影響，并結合深圳前海區域供冷系統實際運行情況，對10號站外管網運行數據進行初步分析，希望能對區域供冷系統規劃、設計、建設運行提供參考。

1 項目介紹

深圳前海區域供冷規劃10個供冷站，總供冷建筑面積1 900萬m2，供冷外管網90 km。其中10號站設計供冷建筑面積110萬m2，供冷能力7.7萬kW，外管網2.2 km，管網路由見圖1。該站1期1標段于2019年6月開始投產運行，裝機容量9 144 kW，2020年7月1期2標段投產運行，制冷站裝機容量達到2.74萬kW。

圖1 10號站外管網路由

截至2021年7月，制冷站完成1期外管網建設。接入供冷管網用戶6家：A、B、C、D、E1/E2、F用戶，如圖1所示。截至2021年4月，主要用戶為A與B用戶，入住率均為100%，C與D用戶均在小負荷調試階段。目前C、D、E1/E2、F等用戶均已正式運行，預期2022年負荷率增大。本文主要基于對A和B用戶供冷管網部分進行分析，管道參數如表1所示。

表1 10號站外管網參數

2 外管網冷損失分析方法

2.1 外管網冷損失機理

10號站外管網均為預制保溫管道，在接入用戶地塊紅線前均采用直埋敷設，進入用戶地塊后，部分采用架空敷設。由于外管網絕大部分均采用直埋敷設，本文將架空部分管道的單位表面積冷損失近似折算成直埋管道單位表面積冷損失。由此，管網冷損失包括兩部分，一部分是管道與土壤之間的傳熱，另一部分是冷水輸運過程中的摩擦生熱。

2.1.1管網傳熱冷損失

預制保溫直埋管道由碳鋼管、硬質聚氨酯保溫層、聚四氟乙烯套管等組成。冷水與土壤間的傳熱強度取決于預制直埋管的熱阻，以及管道內冷水溫度與土壤溫度的溫差。區域供冷外管網分為供水管道與回水管道，供水溫度低于回水溫度，所以供水管道的冷損失強度要大于回水管道。

直埋管道通常位于地下2 m，土壤溫度隨著季節發生變化。對于深圳地區，本文假設地下2 m處全年平均土壤溫度為22.4 ℃。

對于全年365 d 24 h不間斷供冷的區域供冷系統外管網，全年8 760 h都會有管道傳熱引起的冷損失。如果假設管道埋深的土壤溫度變化不大，則可以認為外管網冷損失全年都按照一定的單位管道面積傳熱冷損失強度發生。

2.1.2管網水阻摩擦生熱

外管網冷水輸送摩擦生熱，實質上由冷水輸送泵軸功率提供，這些能量最終以熱的形式耗散在冷水中，從而引起冷水溫升。包括兩部分摩擦：一部分是由于水泵效率引起的，冷水在制冷站輸送水泵內部產生局部溫升；另一部分是站外管網系統的水阻力摩擦引起的，冷水溫度隨著管網沿程逐漸升高。

輸送水泵運行效率的高低決定了水泵內部冷水溫升的大小。由此可以看出，水泵選型合適，以及合理運行在水泵高效區，將會減少水泵帶來的冷損失。

2.2 冷損失計算方法

2.2.1管網傳熱冷損失

區域供冷系統管道內冷水通常根據用戶負荷的變化進行流量調節，以滿足用戶的用冷需求。對于某段時間內用戶負荷變化不大的情況，制冷站外網輸送水泵經常保持一定頻率，供水溫度保持穩定，從而管道內水流速保持一定，在足夠長的時間段內，沿著外管網長度方向的冷水溫度分布保持不變。本文基于實際運行過程中穩定冷水流速和溫度的工況進行分析。

對于如圖2所示的管道，穩定冷水流速與單元管道熱量守恒方程為

圖2 冷水管網熱量平衡分析圖

式中 D為管道公稱直徑，m；v為管內水流速度，m/s；ρ為水密度，kg/m3；cp為水比定壓熱容,kJ/(kg·℃)；t為冷水溫度，℃；q為單位管道面積(公稱直徑表面)傳熱冷損失，kW/m2；l為管道長度，m。

對于管道長度L的管段：

式中Δt為管段溫升，℃。

對于由2段管道組成的管道，則：

式中 下標1、2分別表示管段1和管段2。

所以：

假設對于不同管徑的直埋保溫管道，單位面積傳熱冷損失保持一定，即

q=q1=q2

(7)

于是，由管段1與管段2組成的管道12的溫升為

Δt12=Δt1+Δt2

(8)

即

對于管段12，單位面積傳熱冷損失為

或者對于任意沿著水流方向由n段管段組成的管道，其單位面積傳熱冷損失為

全年外管網傳熱冷損失量Qht為

考慮到外管網冷水供水溫度與流量易測量，本文通過測量制冷站供水管出口溫度、用戶換熱站外管網供水溫度，以及每段管道管徑、長度、流速，計算得出單位供水管道面積傳熱冷損失。其中每段管道的流速根據相應管段流量測量值獲得。于是：

對于回水管道，通過冷水溫度的修正，得到

式中 Qht,r為回水管道全年傳熱冷損失量，kW·h；ts為供水管道內冷水溫度，℃；tr為回水管道內冷水溫度，℃；tso為管道埋深處土壤溫度，℃。

作以下假設：

1) 供水管道與回水管道具有相同的管徑分布，鑒于不同管網供回水管徑可以不同，需要修正以保證通用性。

2) 供回水管道有相同的冷水流量。

3) 根據實際運行數據，冷水沿管道溫升不大，式(15)中冷水供回水溫度可認為是常數。

4) 管道埋深處土壤溫度取為全年平均溫度。

從而得到全年管網傳熱冷損失Qht為

Qht=Qht,s+Qht,r

(16)

則全年外管網傳熱引起的冷損失率rht為

式中 Qs為全年售冷量。

2.2.2管網水阻摩擦冷損失

管網水阻摩擦總冷損失Qdist，就是輸送水泵的軸功率Pdist,p，即

Qdist=Pdist,p

(18)

水泵軸功率為

式中 V為冷水體積流量，m3/s；H為水泵揚程，kPa；η為水泵效率。

水泵軸功率一部分克服水泵效率引起的機械損失，一部分克服外管網水阻摩擦損失。相應地，冷水輸送冷損失也包括兩部分：輸送水泵內水泵效率引起的摩擦生熱、外管網水阻摩擦生熱，可分別表示為

Qdist=Qdist,p+Qdist,f

(20)

Qdist,p=Pdist,p(1-η)

(21)

Qdist,f=Pdist,pη

(22)

式中 Qdist,p為水泵內部摩擦生熱；Qdist,f為管網水阻摩擦生熱。

對于制冷站來說，冷水輸送冷量可以表示為

Qs=mcp(tr-ts)

(23)

式中 m為冷水質量流量，kg/s。

m=Vρ

(24)

則冷水輸送引起的冷損失率rdist為

即

冷水輸配系統中，輸送水泵揚程可表示為

H=Δppipe+ΔpETS

(27)

式中Δppipe為管網沿程阻力，kPa；ΔpETS為用戶換熱站冷水阻力，kPa。

對于最不利壓差換熱站來說，ΔpETS一般設為120kPa。對于設計工況，有

H0=Δppipe,0+ΔpETS

(28)

式中 下角標0代表設計工況，即最大負荷率工況。

在前海制冷站設計中，管網供/回水溫度為3 ℃/12 ℃，溫差為9 ℃，水密度為1 000kg/m3，水比熱容為4.18kJ/(kg·℃)。

管網沿程阻力Δppipe與水流速成二次冪關系。隨著水流速的增大，冷水與管道內壁的摩擦增加，摩擦生熱的強度增加。管網設計中，滿負荷冷水設計流速一般是2.5m/s，此時管道水阻摩擦產生的熱強度最大。根據文獻[8]分析，全年絕大部分時間，管網運行負荷率在60%以下，于是外管網內冷水流速常年不高于1.5 m/s。

根據管網水阻力與流速成二次冪關系，則全年絕大部分時間，水泵運行揚程低于60%負荷率工況的揚程，即

H≤0.62(H0-ΔpETS)+ΔpETS

(29)

對于前海10號站來說，輸送水泵揚程為460kPa，于是：

H≤240 kPa

(30)

代入式(26),同時取水泵運行效率為80%，則冷水輸配冷損失率為

rdist≤1%

(31)

由此得出結論，全年平均管網輸配冷損失率可以忽略。這個結論也適用于區域供冷系統輸配距離或供冷半徑的確定。

需要說明的是，輸配水泵選型與數量配置要能在管網負荷率0～100%間連續調節，滿足最合理的揚程與流量組合，并保證水泵在不同頻率下都在高效區運行[8]。

另外，供回水溫差也對式(31)的結論有影響。當負荷率非常大時，大溫差有利于降低輸配冷損失率；當負荷率較小時，可以適當提高供水溫度，在提高制冷站能源效率的同時，還可以忽略輸配冷損失率。

2.2.3冷水輸配系統管網總冷損失

考慮冷水輸送泵效率與外管網系統水阻力引起的冷損失，冷水輸配系統管網總冷損失率為

rt=rht+rdist

(32)

根據式(31)，冷水輸配全年冷損失可以忽略，于是式(32)變為

rt=rht

(33)

2.3 管網冷損失影響因素

2.3.1工況選取

根據本文假設，單位管道表面冷損失強度全年維持基本不變，由式(5)、(11)可知，流速減小、管道長度增加、管徑減小等，都會增加沿程溫升。考慮到沿程溫升本身不高，以及溫度傳感器精度的問題，需要選取管網小負荷運行，且離制冷站較遠換熱站的數據進行分析。本文選取A用戶的數據作為分析依據。

2.3.2測量儀表

10號站區域供冷系統制冷站與用戶換熱站均配置有溫度傳感器與冷量計，冷量計可以測量溫度與流量。其中溫度傳感器采用Pt1000，精度為0.15 ℃；流量傳感器為電磁流量傳感器，精度為0.5%。

3 實際運行數據分析

3.1 單位面積冷損失的測量

數據基于10號站區域供冷系統實際供冷運行工況，沒有專門設計測試工況獲取運行數據。在整個制冷站系統運行過程中，選取能夠滿足一定溫度和流量(流速)的運行時間區間，要保證冷水從制冷站供水出口到達換熱站供水入口，且溫度與流速穩定運行時間足夠長。

分析制冷站到A用戶的冷損失情況。以2021年4月19日為例，圖3為根據流量測量得到的水流方向各管段流速變化數據。

圖3 外管網冷水流速變化

由圖3可以看出，冷水從制冷站到A用戶，分別經歷了3個平均流速：0.2、0.15、0.43 m/s，根據管道1、4～7的長度，得出流過這5段管道的時間分別為63、22、6、4、3 min，合計98 min。也就是說冷水從制冷站供水出口，到達A用戶換熱站供水入口，需要98 min。根據實時測量的流量數據，得到不同時刻冷水從制冷站到達A用戶的預期時間，如圖4所示。

圖4 冷水從制冷站抵達A用戶預計時長變化

從圖4可以看出，13：00—15：00期間，冷水流經時間基本維持在98～99 min之間。也就是說，從制冷站冷水出口溫度穩定開始，需要保持90 min左右，才能保證這一段管道冷水溫度場穩定的冷水輸送到A用戶換熱站。而這些冷水到達換熱站后，還需要制冷站冷水出口溫度保持穩定一段時間τ，從而保證換熱站在后續時間段τ內保持供水溫度不變。這樣在時間段τ內，可以認為從制冷站到A用戶換熱站的外管網形成了穩定的溫度場。可以利用第2.2節的方法分析外管網冷損失。如圖5所示，從12：25到14：50，制冷站供水溫度保持3.53 ℃不變，A用戶換熱站從14：10到14：50保持供水溫度3.76 ℃不變，沿程溫升0.23 ℃。需要注意的是，這個溫升是基于管網內流速非常低，也就是管網負荷率非常低的情況下的運行數據，主管網流速0.2 m/s，相當于設計負荷的8%。負荷率增大時，冷水流速增大，沿程溫升會降低，考慮到溫度傳感器的測量精度，筆者專門選取小負荷率、大沿程溫升工況進行分析，以提高分析的可靠性。

圖5 冷水溫度變化

在建立穩定溫度場后，得到不同時刻冷水鋼管表面冷損失強度變化，如圖6所示。

圖6 冷水鋼管表面冷損失強度變化

由圖6可以看出，單位面積管網冷損失強度平均為27 W/m2。由于10號站外管網還有部分閥井沒有完成閥門接頭保溫，可能會帶來較大的冷損失。

3.2 運行結果與分析

根據實際運行情況，選取滿足分析條件的工況，對2021年4月單位面積鋼管表面傳熱冷損失強度進行分析計算，結果如圖7所示。

圖7 單位面積鋼管表面傳熱冷損失強度數據

如圖7所示，管網傳熱冷損失平均為32 W/m2，根據式(12)～(16)，可以算出外管網管段1～8的供水管道全年冷損失為83萬kW·h。考慮外管網供/回水溫度3 ℃/12 ℃，土壤平均溫度22.4 ℃，得到回水管道全年冷損失為44.5萬kW·h。對于4個用戶供冷的外管網部分，全年冷損失為127.5萬kW·h。

根據10號站全年售冷情況，2020年，全年售冷量為1 040萬kW·h，則2020年10號站外管網冷損失率為12.3%。需要注意的是，2020年是10號站的第一個完整運行年，只有2個用戶開始用冷。隨著C、D、E1/E2、F用戶的接入使用，供冷負荷率增大，但是管網全年冷損失基本不變。根據對2021—2023年全年售冷量的預測，得到外管網全年冷損失率的預測，見圖8。預期在2030年，用戶負荷接近滿負荷，圖1中管道也全部敷設施工完畢，根據測量分析的單位管道冷損失強度，可以得到全年外管網冷損失率為1.6%。

圖8 外管網冷損失率變化

圖8中數據轉換成管網冷損失率對應用戶負荷率的變化，結果見圖9。隨著用戶負荷率的增大，管網冷損失率快速降低，接近100%負荷率時，冷損失率為1.6%。

圖9 管網冷損失率隨用戶負荷率變化

由于傳感器的精度限制，以及所取管段的代表性，本文冷損失率的數據分析還有一定局限性。比如溫度傳感器精度為0.15 ℃，但是冷水沿程溫升也只有0.23 ℃。本文數據只能作為一個初步結果，供業內專業人士參考。同時，隨著10號站管網工程的不斷完善，預期外管網冷損失會進一步降低。

4 結語

本文提出了區域供冷系統外管網冷損失分析方法，并通過深圳前海10號站外管網運行實際情況，對制冷站開始運行前幾年的數據進行了分析。采用該方法測量管網冷損失強度，需要在非常小的管網冷負荷率條件下對距離制冷站較遠的換熱站測量。對于距離制冷站1 179 m的換熱站，在冷水從制冷站流動到換熱站需要98 min的小冷負荷率工況，冷水沿程溫升為0.23 ℃。初步結果表明，在制冷站運行初期，由于用戶接入較少，外管網冷損失率較大，第1年運行，外管網冷損失率可達12.3%；隨著用戶接入增多，外管網冷損失率逐漸減少，到滿負荷時，外管網冷損失率預計低于2%。由于10號站外管網還有部分管道連接處沒有作保溫，會造成測量冷損失偏大。另外，作為對區域供冷系統外管網運行數據的初步分析，局限于傳感器的精度，以及不同區域供冷系統外管網有不同的設計與施工條件，本文結果僅作為專業人士的參考，隨著管網建設工程的完善，以及更多運行數據的積累，將會提供更精確的外管網冷損失分析與結論。