某辦公樓空調水蓄冷系統設計

羅志焱，盧海江

（廣州華森建筑與工程顧問有限公司，廣州 510000）

隨著我國經濟的高速發展，對能源的消耗日益劇增。城市的能源架構中，電力占據主導地位。而水蓄冷技術是將夜間電網多余的谷段電力與水的顯熱相結合來蓄冷，并在白天用電高峰時段使用蓄藏的低溫冷凍水提供空調用冷。一方面可以平衡城市電力負荷，移峰填谷；另一方面電力管理部門實施分時電價措施，企業可以利用峰谷電價降低空調系統的運行費用，達到雙贏的效果。

1 工程概況

1.1 建筑概況

本項目位于中國廣東省廣州市高新技術產業開發區，項目總建筑面積約14萬平方米，地上有6棟建筑，均為5層辦公樓，屬多層公共建筑。各棟建筑面積分別為：1#棟建筑面積28372.5平方米，2#棟建筑面積17698.3平方米，3#棟建筑面積13245平方米，4#棟建筑面積10331.8平方米，5#棟建筑面積11246.0平方米，6#棟建筑面積11328.2平方米。

1.2 設計背景

本項目位于廣州市，廣州1~10kv類商業電價為0.9128元/度，可申請峰谷電價的能源政策。申請峰谷電價，一方面相應國家號召錯峰用電，節省能源；另一方面可以降低空調系統的運行費用，給業主帶來較大的經濟效益。廣州市能源費率見表1，下文中建筑全年能耗費用計算以此為依據。

表1 廣州市峰谷電價

本項目存在數據中心，為保障數據中心正常工作，需要保證24小時不間斷供冷。其余辦公建

區域僅要求工作日上班時間供冷，晝夜負荷懸殊，工作日空調運行時間表見表2。

表2 工作日空調運行表

2 設計參數

2.1 氣象參數

設計室外氣象參數采用《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）中廣州［4］市參數 ，同時采用廣州市BIN格式的典型氣象年（TMY2-中國）的氣象參數作為能耗分析模型的氣象參數，見表3。

表 廣州氣象參數3

2.2 空調房間室內設計參數

設計功能房間、人員密度、辦公設備負荷、照明負荷等參數根據本項目施工圖室內設計參數，具體參數見表4［5］：

表 4 室內設計參數表

2.3 建筑圍護結構

本項目為新建建筑，通過綠建斯維爾節能設計軟件，從建筑節能報告書中獲取建筑的圍護結構設計參數，具體參數見表5：

表5 30.6棟建筑圍護結構參數

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3 空調負荷計算

通過計算建筑空調逐時負荷可知，建筑的負荷峰值時段為9:00-17:00，基本與辦公時間一致，最大負荷出現在16:00，總冷負荷10888.57KW，如圖1所示。

圖1 空調逐時負荷

4 冷源系統設計

4.1 水蓄冷空調系統

根據計算建筑的最大逐時冷負荷為10888.57KW，本項目采用部分負荷水蓄冷技術，白天采用蓄冷水池與主機同時供冷，夜間主機蓄冷。按照大小容量搭配配置冷水機組，選用900USRT高效離心式冷水機組2臺，400USRT磁懸浮冷高效離心式冷水機組2臺，400USRT磁懸浮冷水機組1臺，及采用兩臺5400KW的板式換熱器，蓄冷水池體積為8400立方米。蓄冷系統開式蓄冷，閉式供冷；蓄冷水池進、出水溫度5~12℃，蓄冷溫差7℃；空調供、回水溫度6~13℃，供回水溫差7℃，水蓄冷制冷系統原理圖見圖2。

圖2 水蓄冷制冷系統原理圖

4.2 常規空調系統

為方便對比分析，同時設置常規空調系統作為參照系統。常規冷源系統設計按照大小機配置原則，選用1200USRT離心式冷水機組2臺，600USRT磁懸浮冷水機組1臺，空調供、回水溫度6~13℃，供回水溫差7℃。

5 eQUES能耗模擬與分析

5.1 建筑幾何模型建立

eQUEST是一款基于DOE-2.2基礎上開發的建筑能耗分析軟件，這款軟件的主要特點是為DOE-2.2輸入文件的寫入提供了向導，用戶可以根據向導的指引寫入建筑描述的輸入文件。同時，軟件還提供了結果的圖形化顯示功能，用戶可以非常直觀的看到輸入文件生成的二維或三維的建筑模型。

在eQUEST界面內按照建筑的實際尺寸、形狀建筑結構、圍護結構材料、室內人員活動規律、照明情況和室內外設定溫度值的要求等輸入建筑信息。辦公建筑共6棟建筑，以6#棟為基準建立建筑幾何模型，根據其功能性質與建筑特點對建筑外立面裝飾性結構以及內部的一些建筑細節進行簡化，減少模型容量以及模擬時間，模型如圖3所示：

圖3 6#棟建筑信息模型

5.2 模擬計算與對比分析

模型設定完成后，采用能耗分析軟件eQUEST對設計模型與參照模型進行全年8760小時動態模擬。對模擬結果進行對比后，我們對模型進行校正，扣去多余能耗項，確保兩個模型僅空調系統存在差異，使對比結果更加準確。設計模型與參照模型的能耗分析數據如圖4~5所示：

圖4 設計模型空調系統全年能耗

圖5 參照模型全年能耗

通過動態能耗計算軟件eQUEST的能耗計算，從模擬結果可以看出，6#棟空調系統采用了水蓄冷空調系統后，建筑運行能耗得到有效控制。參照模型全年能耗為808，470kWh，設計模型全年能耗為695，770kWh。設計模型全年能耗比參照模型全年能耗節能13.94%。

6 經濟性分析

6.1 水蓄冷空調系統與常規空調系統的初投資對比

水蓄冷空調系統與常規空調系統的初投資主要對比對象為冷源端設備、蓄冷水池以及水蓄冷配套的控制系統。空調系統末端一致，在此不做比較。水蓄冷系統與常規空調系統詳細材料表見表6~7。

表6 水蓄冷空調系統主要材料表

表7 常規空調系統主要材料表

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由上表可知，建設水蓄冷中央空調系統后，配置主機容量可以減少800RT，節省裝機容量及其相關附屬設備投資237萬元。由于建造蓄冷水池后可以作為消防水池用，則原設計消防水池投資可節省，根據項目情況，按消防水池容積500m3計算，節省這部分投資約58萬元。

實際整個水蓄冷系統投資額為1143萬元，由下文的經濟性分析可知，本項目投資回收期大約5.5年。

6.2 水蓄冷空調系統運行策略

水蓄冷空調系統放冷策略遵循高峰時段放冷的原則，達到轉移高峰時段的電量的目的，充分應用“峰谷電價”，獲得實際效益。

100%負荷運行工況下，其最大空調負荷為3150RT，逐時負荷以及制冷設備供冷、蓄冷水池蓄冷與放冷詳見圖8。此時采用2臺900RT和1臺400RT的主機蓄冷8小時，可以移除14:00~17:00、19:00~21:00峰谷電價時間段的全部空調負荷,并補充7個小時白天空調負荷， 9:00~14:00、17:00~18:00主機全部啟動，18:00~19:00開啟2臺900RT或開啟1臺900RT和1臺400RT的主機。這種條件下，逐時電量以及逐時電價如圖6~8所示。

圖6 100%逐時負荷以及制冷設備供冷、蓄冷水池蓄

圖7 空調系統逐時電量

圖8 空調系統逐時運行費用

100%負荷運行工況下，電價峰值時的水蓄冷系統控制策略如圖9所示：

圖9 水蓄冷系統峰值控制策略

6.3 水蓄冷空調系統與常規空調系統的運行費用 對比

在水蓄冷空調系統運行策略下，基于保證良好的供冷環境下得到設計日（100%設計日負荷）運行策略理論分析值，如表8所示：對水蓄冷空調系統與常規空調系統的年運行費用進行經濟性對比，如表9所示：

由模擬結果可以得到，常規空調系統預計年運行費用約493.6萬，建設水蓄冷系統后，預計年運行費用約為284.2萬，年節省運行電費額度為：209.5萬元，30年節能效益可達6285萬元，節省率=209.5/493.6×100%≈42.44%。

7 結論

影響辦公建筑運行能耗的因素很多，其中空調系統能耗占建筑總能耗的比重巨大，節能潛力大，本文僅對空調系統這一點進行了分析。借用模型模擬不同的空調系統的運行情況，最終目的是借助能耗分析以及經濟性分析驗證水蓄冷空調系統在辦公建筑的可行性與適用性。

1）通過對空調系統進行能耗分析，辦公建筑夜間末端沒有負荷，有主機空閑，則系統在電價低谷期有充分的能力實施蓄冷，白天放冷，采用水蓄冷系統可以減少冷水機組裝機容量。夜間氣溫相比白天較低，可以改善主機工作條件，提高制冷機效率，同時充分利用蓄冷裝置的優勢，充冷時制冷機滿負荷地高效運行，從而降低系統的能耗。

2）通過對空調系統進行經濟性分析，水蓄冷系統相比常規空調系統，水蓄冷空調系統具有可觀的經濟效益，隨著國家對峰谷電價政策的推廣，水蓄冷應在辦公類建筑中得到普及應用。