云计算工业园区CCHP输配系统优化研究

李倩茹 李永财 黄 锋 肖劲高 廖 寅

（1.重庆大学 重庆 400044；2.贵州合心慧能 贵阳 550081）

0 引言

能源是人类生存和发展的基础，是现代经济社会发展的基础，是事关国家安全和经济安全的重要保障，能源严重短缺愈来愈成为国内外所关注的焦点[1]。目前，建筑能耗已占据我国社会总能耗的30%，其中，暖通空调系统的消耗量约为建筑能耗的2/3[2]。因此，如何高效率利用能源，降低空调能耗而同时又能满足人们对暖通空调的需求，是当前暖通空调界所面临的一个巨大挑战。而水输配系统能耗是空调系统能耗的主要组成部分，也是节能研究和应用的重点[3-6]。

本文研究的目的在于为含有数据中心的工业园区冷热电三联供输配系统的优化设计和运行提供具体的分析方法，建立冷热电联供输配系统数学模型，提出云计算工业园区冷热电联供输配系统的优化设计和运行方法，为今后类似项目的系统设计和运行提供技术支撑。

1 工业园区空调负荷特性与能源规划利用

1.1 项目简介

重庆市两江新区是我国内陆地区第一个国家级开发开放新区，规划面积113km2，其中建设用地总规模为58.94km2；非城市建设用地为54.19km2，规划人口数量45万人。案例园区包括居住区、总部研发区、高新技术产业区、数据中心区和行政商务区五大功能区。

1.2 云计算产业园区负荷特性

本文利用DeST-C软件描述云计算中心数据机房典型建筑模型的围护结构热物性以及人员、灯光和设备等内扰的变化情况，利用建筑物分析和模拟程序BAS对建筑物的热特性进行动态逐时模拟。根据所建立的典型建筑模型，对五家云计算企业数据中心机房的空调负荷进行汇总的基础上，得到如图1所示的“云计算”空调季节逐时负荷。

图1 “云计算服务区”逐时总冷负荷Fig.1 The dynamic air-conditioning load in conditioned season of the project

经计算可得，云计算产业园区五家云计算中心数据机房一期夏季冷负荷峰值为57023kW。

1.3 园区能源规划

园区内采用可再生能源与常规能源相互协同的技术路线，采用冷热电三联供系统[8,9]，根据园区内能源的梯级利用，有以下四个环节：

第一个环节为燃气-蒸汽联合循环发电，天然气在燃气轮机内燃烧做功后产生的高温烟气进入余热锅炉加热循环水，并分别产生高压、中压和低压蒸汽。

第二个环节为抽汽供热，根据园区内制药企业和电子企业的需求情况，从低压汽轮机中抽取低压蒸汽，由蒸汽管道输送至各用汽企业。

第三个环节为集中供冷，以蒸汽作为溴化锂吸收式制冷机的热源，制取数据机房所需的冷量，并由冷冻水输配管网输送至各企业换热站。

第四个环节为废热利用，即利用电厂冷却水和云计算中心数据机房冬季向外排放的废热，作为热泵机组的优良热源，制取生活热水和采暖热水。

2 数学模型的建立与软件开发

在工业园区的冷热电三联供系统中，输配系统的能源消耗占能耗的很大一部分，因此本文主要是对输配系统进行优化。

2.1 冷冻水输配系统计算模型

“云计算中心集中制冷站”承担五家云计算企业数据中心机房的冷负荷，冷负荷较大且需要全年供冷。因此，在冷源侧，机组与冷冻水泵和冷却水泵的连接方式采用多泵共用形式，即在保障系统运行稳定性与安全性的前提下，提高冷源侧的节能性。

2.1.1 冷冻水一次泵能耗模型

一次泵开启台数可通过下式计算：

式中，Qi为第i时刻，空调系统逐时冷负荷，kW；ρ为水的密度，kg/m3；为第i时刻，冷冻水一次侧的供回水温差，℃；为第i时刻，冷冻水一次侧流量，m3/h；为单台冷冻水一次泵的额定流量，m3/h；为第i时刻，冷冻水一次泵的实际运行台数。

（1）定流量模型

一次泵定流量系统的总循环水量主要取决于水泵的开启台数，整个系统的水力工况比较稳定。在部分负荷时，系统根据回水温度调节制冷机组和水泵运行台数来满足用户侧的空调负荷需求。一次泵定流量系统，冷冻水一次泵的能耗可按照下式计算：

（2）变流量模型

一次泵变流量系统，冷冻水一次泵的能耗可按照下式计算：

2.1.2 冷冻水二次泵能耗模型

在空调系统规模较大时，若采用二级泵方式，二级水泵的流量与扬程可以根据不同负荷特性的环路分别配置，对于阻力较小的环路来说可以降低二次泵的设置扬程，避免了能源的浪费。二次泵的逐时能耗可依据下式计算：

式中，Qi,j为第i时刻，第j个支路冷冻水所承担的空调逐时冷负荷，kW；为第i时刻，第j个支路冷冻水二次侧的供回水温差，℃；为第i时刻，第j个支路冷冻水流量，m3/h；为第j个支路，单台冷冻水二次泵的额定流量，m3/h；为第i时刻，第j个支路冷冻水二次泵的实际运行台数。

（1）定流量模型

二次泵定流量系统能耗模型见下式：

（2）变流量模型

二次泵变流量系统，采用温差控制法，通过调节水泵转速，改变各支路的水流量以满足其负荷需求。二次泵变流量系统能耗模型见下式：

2.2 模拟软件开发

基于前文所叙述的输配系统的数学模型，采用C#语言开发工业园区能源规划与评估软件。C#语言综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率，与Web紧密结合，支持绝大多数的Web标准，具有强大的安全机制，可以消除软件开发中的常见错误，成为.NET开发的首选语言。

2.3 软件功能和模拟流程

模拟软件主要有模拟计算和结果查询两大功能板块，具体软件模拟计算流程图如图2所示。

图2 软件模拟计算流程图Fig.2 Simulation progress of the sofeware

图2为软件模拟计算流程图，首先导入建筑空调负荷、全年气象参数、电厂发电量和耗气量，根据逐时空调负荷确定机组开启情况，结合逐时气象参数，分别确定输配系统各部分水泵的台数、扬程和流量等设备参数，以及各部分输配系统的运行策略，对输配系统能耗进行模拟计算。

3 冷冻水输配系统优化分析

云计算中心集中冷站以电厂余热锅炉低压蒸汽作为热源，利用蒸汽双效型溴化锂吸收式机制备冷冻水，由输配系统输送至各用冷企业，本文针对冷冻水输配能耗展开分析，利用“工业园区能源规划与评估软件”，分别计算5℃、6℃、7℃、8℃、9℃和10℃不同供回水温差工况下，一次泵及二次泵采用不同运行方式的能耗；并提出输送能效比(ER)的概念，结合该指标，对各方案进行评价。

3.1 冷冻水输配能耗

冷冻水输配能耗为一次泵和二次泵全年运行能耗之和，本文对不同输配方案冷冻水泵全年运行总能耗进行计算；并总结得出冷冻水输配总能耗随供回水设计温差ΔT以及系统输配形式的变化规律。

3.1.1 冷冻水一次泵能耗

“云计算中心集中制冷站”冷冻水一次泵采用不同输配形式及不同供回水温差时，一次泵全年运行总能耗的变化规律，如图3所示；不同供回水设计温差ΔT所对应的冷冻水一次泵参数如表1所示。

由图3可知，相比于定流量运行而言，采用变流量运行，冷冻水一次泵能耗显著降低，节能性增强。供回水设计温差ΔT确定时，冷冻水一次泵变流量运行相比于定流量运行而言，其全年运行总能耗可降低20%以上；供回水设计温差ΔT越大，系统冷冻水设计流量越小，一次泵变流量运行的节能潜力越不显著。

表1 冷冻水一次泵参数设定Table 1 Setting of primary chilled waterpump parameters

图3 不同工况下冷冻水一次泵能耗Fig.3 Energy consumption of primary chilled water pump in different condition

3.1.2 冷冻水二次泵能耗

各环路冷冻水二次泵全年运行能耗的变化规律，如图4所示；不同供回水设计温差ΔT所对应的冷冻水二次泵参数如表2所示。

表2 冷冻水二次泵参数设定Table 2 Setting of secondary chilled water pump parameters

图4 不同工况下冷冻水二次泵能耗Fig.4 Energy consumption ofsecondary chilled water pump in different condition

由图4可以看出，相比于定流量运行而言，冷冻水二次泵变流量运行，水泵能耗显著降低，节能性增强。供回水设计温差ΔT确定时，冷冻水二次泵变流量运行相比于定流量运行而言，其全年运行能耗可降低30%以上；供回水设计温差ΔT越大，系统冷冻水设计流量越小，二次泵变流量运行的节能潜力越不显著。

3.2 冷冻水泵总能耗

冷冻水泵总能耗由冷冻水一次泵能耗以及冷冻水二次泵能耗所组成，利用“工业园区能源规划与评估软件”，分别计算5℃、6℃、7℃、8℃、9℃和10℃供回水温差下，采用不同输配形式时，冷冻水泵的输配总能耗，如图5所示。

图5 冷冻水泵总能耗分析Fig.5 Total energy consumption of chilled water pump analysis

由图5可知，相比于定流量运行而言，冷冻水泵采用变流量运行，能耗显著降低，节能性增强。一次泵与二次泵均采用变流量运行，相比于两者均采取定流量运行而言，冷冻水泵全年运行总能耗可降低28%以上；供回水设计温差ΔT越大，系统冷冻水设计流量越小，冷冻水泵变流量运行的节能潜力越不显著。

3.3 输送能效比（ER）

空调冷热水系统的输送能效比（ER），即输送单位冷（热）量的水泵能耗。根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）相关规定，空调冷热水系统的输送能效比ER不可过大，且不应高于表3的要求。

表3 空调冷热水系统的最大输送能效比（ER）Table 3 Max energy efficiency ratio of chilled/hot water delivery

“云计算中心集中制冷站”全年累计空调冷负荷420195783.5kWh，由此计算不同方案空调冷水的输送能效比ER，表4所列六种设计方案，满足《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）的要求。

表4 满足冷冻水输送能效比方案Table 4 Schemes satisfied energy efficiency ratio of chilled water

本文以12℃作为“云计算中心集中制冷站”蒸汽型溴机冷冻水的出水温度，输配系统采用以上六种方案，均可满足要求。然而，由于工业为园区为区域供冷，相比于单体建筑，输配能耗较大，因此考虑采用12/18℃供回水温度，此时输送能效比ER为0.0296。

3.4 输配系统冷损失分析

本文对“云计算中心集中制冷站”冷冻水管路采用直埋方式敷设，输配系统冷量损失主要由冷冻水泵冷量损失和管网冷量损失两部分组成。

3.4.1 冷冻水泵冷量损失

根据冷冻水泵冷量损失计算模型，参照不同供回水温差及不同输配形式时，冷冻水泵所引起的冷量损失，得出冷冻水泵所引起的冷损失率如图6所示。

图6 冷冻水泵冷损失率Fig.6 Cooling loss ratio of chilled water pump

由图6可知，相比于定流量运行而言，冷冻水泵采用变流量运行，冷损失量及冷损失率显著降低。当供回水设计温差ΔT确定时，冷冻水二次泵变流量运行，相比于定流量运行而言，全年运行期间水泵引起的冷量损失可降低30%；供回水设计温差ΔT越大，系统冷冻水设计流量越小，通过变流量运行减少冷损失的效果越不明显。

3.4.2 管网冷量损失

利用“工业园区能源规划与评估软件”，计算不同冷水供水温度（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃）、不同供回水设计温差ΔT（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃）以及不同输配形式下，冷冻水管网所引起的冷量损失，得出管网冷量损失随冷水供水温度、供回水设计温差以及输配形式的变化规律，如图7-9所示。

图7 不同工况管网冷损失（1）Fig.7 Cooling loss of pipeline in different condition(1)

图8 不同工况管网冷损失（2）Fig.8 Cooling loss of pipeline in different condition(2)

图9 二次泵不同运行方式下管网冷量损失Fig.9 Cooling loss of pipeline under different running mode of secondary chilled water pump

由图7-9可得结论如下：

（1）当冷水供水温度和供回水设计温差ΔT确定时，冷冻水二次泵变流量运行相比于定流量运行而言，由管网路由引起的冷量损失可降低40%，节能效益和经济效益十分显著。

（2）当冷水供水温度和水泵运行方式确定时，增大供回水设计温差ΔT，可大大减少管网冷量损失。

3.4.3 输配系统总冷量损失

输配系统总冷量损失包括冷冻水泵冷量损失和管网冷量损失。参照上文所得结果，计算不同冷水供水温度、不同供回水设计温差ΔT以及不同输配形式下，冷冻水输配系统的总冷量损失，并进一步总结得出输配系统总冷量损失随冷水供水温度、供回水设计温差以及输配形式的变化规律，如图10-11所示。

图10 不同工况输配系统总冷损失（1）Fig.10 Total cooling loss of distribution system in different condition:constantflow primarychilled waterpump(1)

图11 不同工况输配系统总冷损失（2）Fig.11 Total cooling loss of distribution system in different condition:constantflowprimarychilled waterpump(2)

由图10、图11可得，随着供回水设计温差ΔT的增大，系统冷冻水设计流量降低，输配系统总冷量损失呈下降趋势，有利于节能；相比于定流量运行而言，冷冻水泵变流量运行，输配系统总冷量损失显著降低，有利于提高项目经济性。

4 结论

本文重点研究了含有数据中心的工业园区冷热电三联供输配系统的优化设计和运行的分析方法，在详细分析输配系统分在不同工况下性能特点的基础上，建立冷热电三联供输配系统数学模型，提出其输配系统的优化设计和运行方法。主要结论如下：

（1）建立了区域型CCHP输配系统的数学模型。利用所建立系统的数学模型，采用C#语言编写了工业园区能源规划与评估软件，实现对输配系统的能耗模拟。

（2）利用“工业园区能源规划与评估软件”对冷冻水输配系统进行了优化。供回水设计温差ΔT确定时，一次泵与二次泵均采用变流量运行，相比于两者均采取定流量运行而言，冷冻水泵全年运行总能耗可降低28%以上；供回水设计温差ΔT越大，系统冷冻水设计流量越小，冷冻水泵变流量运行的节能潜力越不显著。冷冻水供回水设计温差ΔT从5℃提高至10℃，采用一次泵定流量+二次泵定流量运行方式，节能效益最为显著，采用一次泵变流量+二次泵变流量，节能效益最不显著。

（3）利用“工业园区能源规划与评估软件”，对不同冷水供水温度（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃）、不同供回水设计温差ΔT（5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃）以及不同输配形式下，冷冻水管网路由所引起的冷量损失进行了计算，得出管网冷量损失随冷水供水温度、供回水设计温差以及输配形式的变化规律。