某住宅小區(qū)集中供冷方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

宮樹娟

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某住宅小區(qū)集中供冷方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

宮樹娟

（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司 武漢 420100）

采用BIN參數(shù)法對某住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)進(jìn)行了能耗分析，并在三種方案下進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，得出第三種方案的投資回收期最短。然后針對該住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)運行情況，分析了其中存在的問題及原因，提出優(yōu)化運行策略、增大供回水溫差、改變供能方式及增加水蓄冷系統(tǒng)等優(yōu)化措施。

住宅小區(qū)；集中供冷；能耗分析；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

?集中供冷供熱（DHC）系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市能源系統(tǒng)的一部分，在提高能源利用效率、保護(hù)環(huán)境、管理維護(hù)方便、有效利用建筑空間及改善建筑外觀方面具有十分突出的優(yōu)點，在歐美、日本等國家獲得了普遍的發(fā)展[1,2]。近年來集中供冷（DC）系統(tǒng)在我國南方地區(qū)被作為節(jié)能、先進(jìn)的空調(diào)解決方案得到推廣，在大型住宅[3]、地鐵車站[4,5]、高密度商業(yè)建筑區(qū)等得到了廣發(fā)應(yīng)用。但在應(yīng)用中出現(xiàn)了初投資高、運行費用高等問題，用戶難以接受[6,7]。

本文采用BIN參數(shù)法對某住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)進(jìn)行了能耗分析，并在三種方案下進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，得出第三種方案的投資回收期最短。針對某住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的運行情況，分析了其中存在的問題及原因，并對該住宅小區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)方案提出一些優(yōu)化措施。

1 工程概況

該住宅小區(qū)位于夏熱冬冷地區(qū)，外墻采用了EPS保溫，外窗采用帶隔熱構(gòu)造的復(fù)合窗框型材和雙層低輻射中空輻射玻璃，窗的內(nèi)外兩側(cè)都采用遮陽技術(shù)。目前建成使用的住宅建筑面積46萬m2，設(shè)計冷負(fù)荷16MW；規(guī)劃公共建筑面積11萬m2，設(shè)計冷負(fù)荷8MW，規(guī)劃住宅面積約為51萬m2，設(shè)計冷負(fù)荷18MW。夏季采用集中供冷，集中供冷中心已建有2臺6000kW制冷機(jī)，冷量經(jīng)管網(wǎng)輸送到每個樓棟設(shè)置的換熱站，冷水經(jīng)板式換熱器換熱后，輸送到每個用戶的風(fēng)機(jī)盤管，向用戶室內(nèi)提供冷量。該住宅小區(qū)用冷量占供冷量的50%左右，熱損失過大，整個集中供冷系統(tǒng)運行效果不理想。

2 方案分析

下面對已建住宅、已建住宅+規(guī)劃住宅、已建住宅+規(guī)劃住宅+規(guī)劃公建三種方案進(jìn)行分析。

2.1 運行成本分析

集中供冷系統(tǒng)的運行效果與系統(tǒng)負(fù)荷率息息相關(guān)，系統(tǒng)負(fù)荷率包括三個方面：（1）用戶側(cè)負(fù)荷率影響著機(jī)組容量、運行費用；（2）管網(wǎng)負(fù)荷率影響著系統(tǒng)初投資；（3）機(jī)組負(fù)荷率影響著系統(tǒng)能效比。考慮到住宅及公建的實際負(fù)荷率不同，假設(shè)公建的負(fù)荷率為100%，住宅的負(fù)荷率為100%、50%、30%時分別對應(yīng)高負(fù)荷率、中負(fù)荷率、低負(fù)荷率三種情況。

根據(jù)該地區(qū)BIN氣象參數(shù)來計算制冷機(jī)在整個供冷季的制冷量。由于7、8、9月與5、6、10月的各時段電價不同，所以根據(jù)該地區(qū)全年氣象參數(shù)[8]對各時段內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，這里假設(shè)住宅和公建空調(diào)運行時間為24小時。

表1 5月至10月BIN參數(shù)

表2 三種方案下設(shè)備配置表

三種負(fù)荷率下三種方案的運行成本比較見圖1。

圖1 三種方案的運行成本比較（元/kWh）

從圖1中可以看出用戶側(cè)高負(fù)荷率情況下的運行成本最低，且規(guī)劃住宅和公建的投入使用可增加用戶數(shù)，降低運行成本。

2.2 回收年限分析

表3 集中供冷系統(tǒng)初投資估算[9]

表4 三種方案下各項費用比較（萬元）

注：收費按0.5元/kWh（冷）

從表4可以看出，第三種方案的回收年限最短，方案三較方案一回收年限減少了8年。

3 存在問題及優(yōu)化措施

目前使用的集中供冷系統(tǒng)運行效果不理想，集中供冷成本較高，筆者分析主要的原因包括以下幾個方面，并提出相應(yīng)的解決方法。

3.1 用戶側(cè)負(fù)荷率低

從圖1中可以看出，方案一高負(fù)荷率較低負(fù)荷率的理論運行成本低20%左右。實際運行過程中，住宅的負(fù)荷率較公建的負(fù)荷率要低，而且相對不穩(wěn)定，公建其冷量需求穩(wěn)定，呈正態(tài)分布，而且隨著室外溫度變化其冷負(fù)荷波動較小。因此，當(dāng)公建投入使用后，可為集中供冷中心帶來8MW的穩(wěn)定負(fù)荷，極大的提高用戶側(cè)負(fù)荷率。

3.2 供回水溫差較小

根據(jù)對實際運行情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該住宅小區(qū)供冷系統(tǒng)的供回水溫差最低僅有2℃。這種小溫差大流量的運行工況與供回水溫差8℃的設(shè)計工況相比，其輸送能耗會有成倍的增加。以高負(fù)荷率為例，供回水溫差為6℃和8℃時的運行成本分別為0.347、0.235元/kWh，相差0.132元/kWh，因此建議采用大溫差、小流量技術(shù)，在制冷系統(tǒng)實際運行中，應(yīng)盡量提高供回水溫差至設(shè)計工況，水泵變頻運轉(zhuǎn)。

3.3 運行方式不合理

以某年7月份為例，管網(wǎng)損耗計算如下。

表5 管網(wǎng)實際運行熱量損失表

由表5可知，管網(wǎng)熱損失16160kWh，相當(dāng)于產(chǎn)冷量（33406kWh）的48.4%。上述計算充分說明了，在如此低下的負(fù)荷率下，二次泵、板換機(jī)組循環(huán)泵的非變頻運行是管網(wǎng)效率低下的主要原因，所以建議嚴(yán)格按照水泵變頻運轉(zhuǎn)、1機(jī)1塔1泵對應(yīng)運轉(zhuǎn)，提高管網(wǎng)效率，減少管網(wǎng)熱損失。以高負(fù)荷率為例，運行方式優(yōu)化后與目前方式的運行成本分別為0.235、0.26元/kWh，優(yōu)化后運行成本可降低11%。

3.4 供能方式的改變

考慮水管埋地敷設(shè)對水質(zhì)有較高要求，故末端與冷凍機(jī)房采用板換進(jìn)行水路隔斷，冷水機(jī)組供回水溫度6/14℃，板換供回水溫度9/16℃，若取消熱交換站對末端風(fēng)機(jī)盤管直接供冷，在保證相同末端供水溫度9℃不變的情況下，制冷機(jī)供水溫度可提高3℃，以高負(fù)荷率為例，制冷機(jī)的cop可提高約9%，運行成本由0.235降低到0.222元/kWh，所以如果有安裝可能，可以考慮采用直供的方式。

3.5 運行策略的不合理

由于在相同的用戶負(fù)荷率下，運行機(jī)組的組合方式可以不同，而冷水機(jī)組在部分負(fù)荷率下的cop是不同的，所以，機(jī)組的組合方式直接影響著系統(tǒng)的耗電量，從而影響系統(tǒng)的運行成本。下面以高負(fù)荷率為例，簡單計算一下兩種組合方式下的運行成本：方式1為兩臺機(jī)組同時運行，平均分擔(dān)負(fù)荷；方式2為50%負(fù)荷率下運行一臺機(jī)組，60%以上運行兩臺機(jī)組，并使一臺機(jī)組在滿負(fù)荷狀態(tài)下運行。方式1和方式2下的運行成本分別為0.255、0.235元/kWh，所以應(yīng)采用方式2的組合運行方式。

3.6 增加水蓄冷系統(tǒng)

3.6.1 水蓄冷方案設(shè)計

目前集中供冷中心制冷機(jī)房內(nèi)配置總裝機(jī)容量為12MW，擴(kuò)容后整個住宅小區(qū)包括住宅和公建，這里與方案3的場景設(shè)置相同，則設(shè)計日尖峰負(fù)荷為36MW左右，夜間低谷時期基載負(fù)荷約24MW。根據(jù)冷負(fù)荷情況及制冷機(jī)房設(shè)備，新建4個6000m3蓄冷水槽，水槽蓄冷溫差為8℃時，系統(tǒng)最大蓄冷能力為223MWh，設(shè)計日總負(fù)荷為637MWh，蓄冷率為35％。典型設(shè)計日的冷負(fù)荷逐時變化見圖2。

圖2 冷負(fù)荷逐時變化（MW）

圖3 100%負(fù)荷運行策略圖

由于電價政策在蓄冷后分為高峰、平段和谷段，運行方式按最大限度節(jié)約電費來進(jìn)行，即：晚上低谷時段利用2～4臺6MW冷水機(jī)組充冷，白天平段先利用蓄水槽的冷量進(jìn)行供冷，蓄冷水槽的冷量釋放完畢時，然后開啟主機(jī)進(jìn)行供冷。在不同的季節(jié)，天氣發(fā)生變化，日負(fù)荷變小時，系統(tǒng)將依據(jù)實際的冷負(fù)荷需求，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)運行模式，自動調(diào)整每一時段內(nèi)蓄冷裝置蓄冷、供冷及主機(jī)供冷的相對比例，以實現(xiàn)分量蓄冷模式逐步向全量蓄冷模式的運行轉(zhuǎn)化，按照蓄冷裝置優(yōu)先供冷的原則，最大限度地節(jié)省運行費用。圖3～圖6分別給出100%、70%、50%、30%設(shè)計日負(fù)荷下水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運行策略。

圖4 70%負(fù)荷運行策略圖

圖5 50%負(fù)荷運行策略圖

圖6 30%負(fù)荷運行策略圖

3.6.2 初投資比較

水蓄冷系統(tǒng)與方案3常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，前者比后者多一套水蓄冷系統(tǒng)，后者比前者多一臺主機(jī)及相應(yīng)設(shè)備。所以可以對增加水蓄冷系統(tǒng)和購置一臺主機(jī)的投資進(jìn)行比較。

表6 水蓄冷系統(tǒng)投資估算表（萬元）

表7 購置一臺主機(jī)投資估算表（萬元）

3.6.3 運行費用比較

表8 水蓄冷系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)運行費用比較（萬元）

從表8可以看出，就整個住宅小區(qū)來說，水蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)每年節(jié)約運行費用302萬元。水蓄冷系統(tǒng)比另上1臺冷水機(jī)組初投資增加1908萬元，多出的投資6年即可收回成本。

4 結(jié)論

（1）通過計算可知，規(guī)劃公建及東住宅的投入使用可以提高用戶側(cè)負(fù)荷率，降低運行成本，且第三種方案的回收年限最短。

（2）供回水溫差相差2℃時運行成本相差30%左右，所以應(yīng)盡量提高供回水溫差至設(shè)計工況。

（3）運行方式的優(yōu)化可使運行成本降低11%，所以應(yīng)嚴(yán)格按照水泵變頻運轉(zhuǎn)、1機(jī)1塔1泵對應(yīng)運轉(zhuǎn)，并選擇合理的運行策略。

（4）供能方式方面，采用直供的方式，運行成本可降低5%左右。

（5）就整個住宅小區(qū)來說，水蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)每年節(jié)約運行費用302萬元，多出的投資6年即可收回成本，建議增加水蓄冷系統(tǒng)。

[1] 蘇生,壽青云.區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)冷熱源方案經(jīng)濟(jì)性分析與比較[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2003,22(3):43-45.

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[8] 清華大學(xué).中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

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Technical and Economic Analysis of District Cooling in residential area

Gong Shujuan

( CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, WuHan, 420100 )

This paper analyzes the energy consumption of district cooling system in residential area using the Bin method. By economic analyzing, the payback period of the third case is the shortest. Then it analyzes existing problems and reasons of system operational aspects in the first phase, and optimization measures about the air conditioning system are proposed, such as optimizing operation strategy, increasing supply and return water temperature, changing the energy supply way, and adding a water storage system.

residential area; district cooling; energy consumption analysis; economic analysis

1671-6612（2017）05-487-05

TU822

A

2017-01-05

作者（通訊作者）簡介：宮樹娟（1985.02-），女，碩士研究生，工程師，E-mail：gsj219@126.com