以江水為冷源的THICS節能及經濟性分析

趙運超 李德飛 金輝 許艷 費華

1 江西理工大學建筑與測繪工程學院

2 武漢理工大學土木工程與建筑學院

溫濕度獨立控制空調系統（Temperature and Humidity Independent Control air-conditioning System，THICS）為降低建筑能耗提供了一種行之有效的技術方法。在充分研究分析前人研究的基礎上[1-7]，筆者結合江南地區水資源豐富的特點，提出一種以江水為冷源的溫濕度獨立控制空調系統，并以南昌為例，對其進行了詳細的方案設計及理論分析，通過數值模擬驗證了該方案在江南水源充足地區應用的可行性。在此基礎上，筆者將進一步分析以江水為冷源的THICS的節能性和經濟性。

1 以江水為冷源的THICS方案介紹

一定溫度的江水在循環水泵1的動力作用下，進入管路后通過過濾裝置3和水處理裝置4，達到水質要求后送入一定深度的埋管換熱器6中，利用土壤在一定深度下常年保持恒溫的特點，通過熱量交換進一步降低江水溫度，使經過熱交換后的江水溫度滿足THISC中所需高溫冷水的溫度要求。制備出來的高溫冷水在冷凍水泵5的作用下，被輸送至室內的末端裝置7，對室內進行溫度的控制。換熱后的回水再沿管路經埋管換熱器6排至江中，如此循環工作。在THICS中，高溫冷水被輸送到末端裝置后與室內空氣進行熱量交換，從而實現對室內溫度的控制。設計方案如圖1所示。

圖1 以江水為冷源的THICS原理圖

2 節能性分析

筆者以THICS為分析基礎，探討以高溫冷水機組為冷源的傳統THICS與以江水為冷源的THICS在溫度控制過程中的能耗和工程概預算情況，分析兩種方案下系統的節能性和經濟性。

當僅考慮熱量排除需求時，空調系統中需要的冷凍水的溫度就不再受空氣露點溫度的限制，只要冷凍水溫度低于空氣干球溫度即可實現顯熱熱量的排除。對于THICS，風機盤管內流過的冷凍水通過表冷器直接與室內空氣進行對流換熱。由于經過盤管的冷凍水的溫度高于室內空氣的露點溫度，因此盤管處于干工況下運行。工作過程的焓濕圖見圖2。

圖2 盤管干工況運行的焓濕圖

室外新風W在新風機組中減濕冷卻至W，點，而室內空氣N經風機盤管內的表冷器干冷至N'點，最后兩者混合至送風點S，再送入室內。室外新風經減濕冷卻后完全承擔室內的所有濕負荷與部分顯熱負荷，而室內空氣經風機盤管干冷處理后承擔室內絕大部分的顯熱負荷，完成對室內的溫度控制。

2.1 以高溫冷水機組為冷源的THICS能耗分析

圖3為THICS中一種常用的溫度控制系統原理圖，從圖3可以看出，溫濕度獨立控制的空調系統能耗主要由三部分組成：高溫冷水機組的能耗，冷媒（高溫冷水）輸送系統的能耗和空調末端裝置的能耗。由于筆者用于對比的兩套系統主要在于冷媒的獲取的方式不同，導致產生的能耗不同，為便于分析，認為兩種THICS方案中除冷凍水獲取部分的能耗外的其他能耗大小相同。

圖3 以高溫冷水機組為冷源的THICS系統圖

以南昌地區某辦公建筑為例，計算該建筑的空調負荷。該辦公樓的建筑面積為2000 m2，地上三層，建筑層高11.4 m（一層4.2 m，二、三層均為3.6 m），人員密度為4 m2/人，建筑冷負荷為340 kW，人均新風量為30 m3/h，人員體力活動性質為極輕勞動，不考慮群集系數的影響。

1）送風參數的確定

建筑物以人體散濕為主，單個人體散濕量為109 g/h，則濕負荷 W=(2000/4)×109=54500 g/h=15.14 g/s。

室內、外設計參數見表1。

表1 室內、外設計參數

則計算建筑新風量Gw=30×2000/4=15000 m3/h=5 kg/s。

計算室內熱濕比ε=Q/W=340/0.01514=22457。

根據以上參數，將其繪制在焓濕圖上，可以得到空氣處理過程中各狀態點的參數（表2）。

表2 空氣處理過程各狀態點參數

2）總送風量G的確定

G=Q/(hN-hS)=340/(59.3-50.9)=40.5 kg/s

3）風機盤管風量GF的確定

GF=G-GW=40.5-5=35.5 kg/s

4）風機盤管冷量QF的確定

QF=GF×(hN-hN’)=35.5×(59.3-52.4)=244.95 kW

由此可知，風機盤管處理的冷量由高溫冷水機組制取的高溫冷水決定，由于蒸發溫度的提高，高溫冷水機組制冷工況的COP相對于常規的冷水機組明顯提高，這里選用格力CT系列高溫離心式冷水機組，其COP約為8.2。

則冷水機組電耗E1=QF/COPc=244.95/8.2=29.87 kW。

綜上所述，利用高溫冷水機組制取高溫冷水的電耗為29.87 kW。

2.2 以江水為冷源的THICS能耗分析

當該辦公建筑采用以江水為冷源的THICS時，系統的工作原理如圖4所示。

圖4 以江水為冷源的THICS系統圖

以江水為冷源的THICS不存在制取高溫冷水的能耗，需要依靠循環水泵抽取江水，因此存在水泵的能耗。根據風機盤管處理的冷量可計算出冷凍水的流量，所以當風機盤管空氣側換熱量為244.95 kW時，水側的換熱量同樣為244.95 kW，則可計算出流經風機盤管水流量Fw：

式中：Cp為水的比熱，kJ/(kg·℃)；Qw為換熱量，kW；To為盤管的出水溫度，℃；Ti為進水溫度，℃。

代入參數，經計算得Fw=244.85/[4.184×(23.5-18.5)=11.7 kg/s=42152 kg/h=42.152 m3/h。

水泵的揚程需要根據最不利環路總的阻力來確定。由于該系統中的管路系統比較簡單，故采用當量長度法進行管路總阻力的計算，所謂當量長度法就是將局部阻力折算成沿程阻力的一種簡化計算方法，計算公式如下：

式中：Δp1為管路總阻力，Pa；Δpy為管路沿程阻力，Pa；l為管路實際長度，m；Δpj為管路局部阻力，Pa；R為比摩阻，Pa/m，一般取40～80 Pa/m；ld為當量長度，查局部阻力構件的類型確定，m；lzh為折算長度，m。

已知埋管換熱器的總長度為100 m，比摩阻取65 Pa/m，最不利環路上的局部阻力構件有漸擴管、漸縮管、截止閥、彎頭等，局部阻力設備有過濾器，水處理器，風機盤管、水泵等，以上管件和設備均可以查《實用暖通空調設計手冊》（第二版）獲得相關數據資料。將已知數據代入上式后，經計算，可以得到以江水為冷源的THICS最不利環路的總阻力為52 kPa。

根據管路內水流量和總阻力的大小，并考慮10%的富裕量后，擬選用ISW80-250B臥式離心泵，該型號的型臥式離心泵適用于工業和城市給排水，高層建筑增壓送水，遠距離輸送，暖通制冷循環等冷暖水循環增壓。其基本參數見表3。

表3 ISW80-250B臥式離心泵參數表

由ISW80-250B臥式離心泵基本參數知，其滿載流量大于系統內所需的水的流量，所以應根據實際情況求解其實際電機耗功率E2：

式中：γ為水的容重，kN/m3；η 為水泵效率，%；H 為水泵揚程，m；FW,M為水的質量流量，m3/s。

經計算 E2=9.807×11.7×60/(0.58×1000)=11.87 kW。

2.3 節能比較

通過以上對兩種系統能耗的計算結果，可以看出以江水為冷源的THICS的能耗低于利用高溫冷水機組制取冷凍水的THICS的能耗。其中，利用高溫冷水機組制取冷源的THICS的能耗為E1=29.87 kW。而以江水為冷源的THICS的能耗為E2=11.87 kW。

節能率 ψ=(E1-E2)/E1×100%=(29.87-11.87)/29.87×100%=60.3%。

3 經濟性評價

由于以高溫冷水機組和以江水為冷源的THICS兩種系統獲取的冷凍水均由冷凍水泵送入建筑物內進行使用，即認為冷凍水泵和室內空調系統的初投資和運行費相同，故在對系統進行經濟性評價時為方便計算，只對冷源部分的費用進行比較。以江水為冷源的THICS，由于涉及水平埋管，需要對土方進行開挖并支付土建費用。根據《江西省建筑安裝工程費用定額（2004）》，筆者選用水平螺旋，埋管埋深為5 m，鋪設占地面積為80 m2，埋管長度為100 m，開挖土方體積約400 m3，開挖費用約4.05元/m3，回填夯實費用為17.32元/m3。PE管造價為7元/m。

筆者采用綜合能源價格法中的全壽命周期成本投資凈現值法來分析兩種系統的經濟性。

所謂綜合能源價格法是指系統的初投資費用和系統在有效的使用壽命內其運行費用的累計綜合值與在此期間系統所能提供的能量總和的比值。考慮到貨幣市場的動態性，即不同時期貨幣的購買力是不同的，因此綜合能源價格法就是將系統使用壽命內不同時期投入的資金統一折算為成本投資凈現值的方法。綜合能源價格的成本投資凈現值表達式如下：

式中：M為綜合能源價格現值，元/MJ；V為初投資，元；n為系統有效使用年限；Zt為第t年使用費用，元；i為銀行存款年利率，2017年銀行存款年利率為3%；Et為第t年提供能量總計，MJ。

初投資年現值P是按照系統的使用壽命攤銷到各年費用中，計算公式如下：

3.1 初投資和運行費用

根據已經計算出的兩種系統的能耗，取當地電價為0.8元/(kW·h)，可以計算兩種系統整個夏季的空調運行能耗及費用。系統初投資及運行費用的計算結果見表4。

表4 兩種THICS系統初投資和運行費用比較

由表4可以看出，以江水為冷源的THICS的初投資比以高溫冷水機組為冷源的THICS高出約10.72萬元。以江水為冷源的THICS在整個空調季節的運行費用低于以高溫冷水機組為冷源的THICS，兩者相差5.28萬元/年，約占高溫冷水機組的THICS整個夏季空調運行費用的60.2%。

3.2 全壽命周期成本凈現值

將以上數據帶入全壽命周期成本的凈現值計算公式，計算年限取15年，可以計算出以江水為冷源的THICS的全壽命周期成本凈現值P為91.85萬元，其中初投資占54.7%，以高溫冷水機組為冷源的THICS的全壽命周期成本凈現值P為140.7萬元，其中初投資占28.1%。兩種系統的全壽命周期成本凈現值相差48.85萬元。

計算并繪制15年內各年的投資成本凈現值（圖5），可以看出在考慮了當年銀行存款年利率的時間價值后，只需3年就可收回多投資的部分。

圖5 全壽命周期內投資成本凈現值比較

4 總結

筆者對以江水為冷源的THICS設計方案和工作原理做了詳細的介紹，并以此為基礎對比分析了以江水為冷源和以高溫冷水機組為冷源的THICS的能耗和經濟性，通過計算可知，以江水為冷源的THICS比以高溫冷水機組為冷源的THICS節能60.3%。利用全壽命周期投資成本凈現值法對兩種系統形式進行經濟性分析后得到，以江水為冷源的THICS雖然其初投資較高，但其年運行費用可以節省60.2%，運行3年即可收回多投資的部分，因而長遠來看，江水為冷源的THICS經濟性更好。