冰蓄冷冷源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析與設(shè)計(jì)

(華東都市建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200010)

0 引 言

目前，我國很多省市均已實(shí)行峰谷電價，鼓勵用電部門低谷用電，緩解高峰時段用電緊張，減少電力建設(shè)投資。空調(diào)冰蓄冷技術(shù)的應(yīng)用已成為電力負(fù)荷“削峰調(diào)谷”的重要手段。冰蓄冷系統(tǒng)較普通電制冷系統(tǒng)初投資提高，但是利用峰谷電價及當(dāng)?shù)仉娏?yōu)惠政策可以減少運(yùn)行費(fèi)用，因此選擇合適的冰蓄冷系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要介紹冰蓄冷系統(tǒng)形式和部分負(fù)荷蓄冷控制策略，結(jié)合初投資、運(yùn)行費(fèi)用及投資回收期進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比分析，選擇適合本工程的蓄冷率，并介紹本工程冰蓄冷系統(tǒng)不同工況下的工作模式。

1 工程概況

本項(xiàng)目為廈門某辦公超高層，主要功能為辦公，配套用房為零售、餐飲、車庫、服務(wù)用房等。由負(fù)荷軟件計(jì)算設(shè)計(jì)日最大冷負(fù)荷為11 340 kW，全天總冷負(fù)荷為117 050 kWh。根據(jù)當(dāng)?shù)貎?yōu)惠政策，冰蓄冷空調(diào)用電實(shí)行特殊的峰谷電價，高峰時段執(zhí)行用戶對應(yīng)用電類別的目錄電價，低谷時段下浮50%。

2 冰蓄冷冷源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 冷源系統(tǒng)的確定

冰蓄冷系統(tǒng)可以采取蓄冷、釋冷、釋冷+制冷機(jī)供冷等多種運(yùn)行方式。全負(fù)荷蓄冷[1]是指在非電力谷段，總冷負(fù)荷全部由蓄冰裝置提供，制冷機(jī)和蓄冰裝置的容量較部分負(fù)荷蓄冰方式大，初投資增多；部分負(fù)荷蓄冷[1]，蓄冰裝置和制冷機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，制冷機(jī)配置較普通電制冷系統(tǒng)小，投資回收期較全負(fù)荷蓄冰系統(tǒng)短，故本項(xiàng)目采用部分負(fù)荷蓄冷。

部分負(fù)荷蓄冰控制策略主要分為融冰優(yōu)先和主機(jī)優(yōu)先。融冰優(yōu)先系統(tǒng)，融冰速率需按負(fù)荷預(yù)測確定各時刻的融冰量，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。主機(jī)優(yōu)先是指在100%負(fù)荷率條件下，制冷機(jī)組盡量滿負(fù)荷運(yùn)行，其余由融冰量補(bǔ)充，系統(tǒng)較為簡單且運(yùn)行可靠，故本項(xiàng)目采用主機(jī)優(yōu)先的運(yùn)行模式。

2.2 蓄冷率及制冷機(jī)容量的確定

部分負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)配置與蓄冷率有關(guān)。參考文獻(xiàn)[2-3]并考慮本項(xiàng)目土建機(jī)房面積約束，蓄冷率范圍為20%～30%。為擴(kuò)大比較范圍，全負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)的理想方案也列為分析對象。現(xiàn)分別計(jì)算蓄冷率為20%、25%、30%三種部分負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)、常規(guī)電制冷系統(tǒng)以及全負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)的制冷機(jī)容量。

2.2.1 蓄冷率為20%時制冷機(jī)容量的確定

根據(jù)主機(jī)優(yōu)先運(yùn)行模式的特點(diǎn)，選取100%負(fù)荷率時蓄冰量、融冰量及冷機(jī)制冷量與逐時負(fù)荷的關(guān)系確定制冷機(jī)容量。

根據(jù)全天總冷負(fù)荷的20%配置雙工況制冷機(jī)組，但雙工況制冷機(jī)組不能滿足設(shè)計(jì)日最大冷負(fù)荷要求，故設(shè)置基載制冷機(jī)組。利用公式(1)反復(fù)迭代試算，直至蓄冰、融冰、基載制冷機(jī)組和雙工況制冷機(jī)組滿足峰值時段負(fù)荷要求。

雙工況制冷機(jī)組容量計(jì)算如下：

(1)

式中，qc為雙工況機(jī)組空調(diào)工況下制冷量，kW；qi為設(shè)計(jì)日逐時冷負(fù)荷，kW；qj為基載制冷機(jī)組制冷量，24小時累計(jì)制冷量為39 700 kWh；n2為白天制冷機(jī)組在空調(diào)工況下運(yùn)行小時數(shù)，10.5 h；ni為夜間制冷機(jī)組在制冰工況下運(yùn)行小時數(shù)，8 h；cf為制冷機(jī)制冰時制冷能力的變化率，0.65。

根據(jù)容量計(jì)算結(jié)果，選用兩臺制冷量為2 700 kW的雙工況制冷機(jī)組及一臺制冷量為2 700 kW的基載制冷機(jī)組。如圖1所示，晚間電價低谷時段(晚23時至次日7時，共8小時)，兩臺雙工況制冷機(jī)組制冰，冰槽蓄冰。白天電價平時時段(早7時至22時，共15小時)，制冷機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行，剩余部分由融冰補(bǔ)充，如制冷需求較大，基載制冷機(jī)組應(yīng)優(yōu)先于雙工況制冷機(jī)組運(yùn)行，減少乙二醇泵的功耗。負(fù)荷峰值時段(早10時至18時，共8小時)，雙工況制冷機(jī)組及基載制冷機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

圖1 20%蓄冷率100%負(fù)荷率運(yùn)行條件下，蓄冰量、融冰量及冷機(jī)制冷量柱狀分布圖

2.2.2 蓄冷率為25%時制冷機(jī)容量的確定

根據(jù)全天總冷負(fù)荷的25%配置制冷機(jī)組，設(shè)計(jì)情況與蓄冷率20%相似，如圖2所示，選用兩臺制冷量為3 300 kW的雙工況制冷機(jī)組和一臺制冷量為1900kW的基載制冷機(jī)組。

圖2 25%蓄冷率100%負(fù)荷率運(yùn)行條件下，蓄冰量、融冰量及冷機(jī)制冷量柱狀分布圖

2.2.3 蓄冷率為30%時制冷機(jī)容量的確定

根據(jù)全天總冷負(fù)荷的30%配置雙工況制冷機(jī)組，機(jī)組容量計(jì)算如下：

(2)

式中，n2為11 h；ni為8 h。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用三臺制冷量為2 650 kW的雙工況制冷機(jī)組。如圖3所示，晚間電價低谷時段，三臺雙工況制冷機(jī)組制冰，冰槽蓄冰。白天電價平時時段，制冷機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行，剩余部分由融冰補(bǔ)充。

圖3 30%蓄冷率100%負(fù)荷率運(yùn)行條件下，蓄冰量、融冰量及冷機(jī)制冷量分布柱狀圖

2.2.4 常規(guī)電制冷系統(tǒng)和全負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)制冷機(jī)容量的確定

常規(guī)電制冷系統(tǒng)制冷機(jī)容量按照滿足設(shè)計(jì)日最大冷負(fù)荷確定，選擇3臺制冷量為4 100 kW制冷機(jī)組；全負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)制冷機(jī)容量按照晚間電價低谷時段蓄冰量滿足全天總冷負(fù)荷的需求來確定，選用5臺制冷量為3 200 kW的雙工況制冷機(jī)組。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

以常規(guī)電制冷系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行費(fèi)用為基準(zhǔn)，分別計(jì)算三種蓄冷率(20%、25%、30%)的部分負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)以及全負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)的初投資比例、運(yùn)行費(fèi)用比例、投資回收期，綜合分析后確定本工程的蓄冷率。

計(jì)算初始參數(shù)：基載制冷機(jī)組COP=6.3，雙工況制冷機(jī)組COP=6.3(制冰時，COP=4)，循環(huán)泵效率不低于75%，滿足綠建及公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求[4-5]。制冷機(jī)組、冷卻塔、板換、循環(huán)泵、蓄冰設(shè)備等按單位制冷量或功率的市場單價估算，管道安裝費(fèi)用按冷源系統(tǒng)主要設(shè)備初投資總價20%估算，與常規(guī)電制冷系統(tǒng)相比增加的冷源機(jī)房投資估算費(fèi)用按3 000元/m2計(jì)算，建筑工程其他費(fèi)用按設(shè)備初投資總價、設(shè)備安裝費(fèi)、冷源機(jī)房費(fèi)用、電力設(shè)備及自動控制系統(tǒng)費(fèi)用之和的20%估算。系統(tǒng)全天運(yùn)行費(fèi)用按照制冷機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、乙二醇泵、冷卻水泵逐時耗功乘以電價累計(jì)計(jì)算。

全年空調(diào)供冷期約210天，根據(jù)綜合負(fù)荷頻率分布權(quán)重(100%負(fù)荷率21天，75%負(fù)荷率63天，50%負(fù)荷率105天，25%負(fù)荷率21天)計(jì)算全年系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，并結(jié)合初投資費(fèi)用，計(jì)算投資回收期。計(jì)算結(jié)果見表1。

計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)：(1)與普通電制冷系統(tǒng)相比，部分負(fù)荷冰蓄冷降低了冷機(jī)初投資，增加了蓄冰槽等初投資費(fèi)用，總初投資比例隨著蓄冷率提高而增大。(2)全負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)的投資回收期長，超過空調(diào)一般使用壽命。(3)30%蓄冷率與20%蓄冷率相比，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用接近，分析原因?yàn)榉秦?fù)荷峰值時段30%蓄冷率系統(tǒng)的融冰過程和雙工況機(jī)組運(yùn)行過程，相比基載制冷機(jī)組直接供冷時，增加乙二醇板換一次側(cè)乙二醇泵的耗電功率，故30%蓄冷率的系統(tǒng)投資回收期較長，約9.3年。(4)與20%蓄冷率系統(tǒng)相比，25%蓄冷率系統(tǒng)的初投資提高比例大于運(yùn)行費(fèi)用降低比例，投資回收期約6.2年。

結(jié)果表明：100%負(fù)荷率條件下，負(fù)荷峰值時段雙工況機(jī)組及基載制冷機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，本工程冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷率選用20%，投資期較短，約4.2年。

表1不同冷源系統(tǒng)主要部件、初投資比例、運(yùn)行費(fèi)用比例、投資回收期比較

3 冷源系統(tǒng)工作模式介紹

本工程冰蓄冷系統(tǒng)采用制冷機(jī)上游方式的串聯(lián)系統(tǒng)，較高的制冷機(jī)進(jìn)水溫度有利于制冷機(jī)的高效率與節(jié)電運(yùn)行，且可以提供更低的供水溫度。通過上節(jié)分析，蓄冷率采用20%，本工程系統(tǒng)部件為：2臺雙工況制冷機(jī)組配置3臺乙二醇循環(huán)泵，2用1備，并設(shè)置乙二醇系統(tǒng)補(bǔ)液脫氣定壓裝置，另設(shè)置2臺換熱量為4 435 kW的乙二醇換熱器，板換一次側(cè)為乙二醇溶液，二次側(cè)為空調(diào)冷凍水，換熱后二次側(cè)設(shè)有3臺冷凍水變頻循環(huán)泵，2用1備；基載制冷機(jī)組配置2臺冷凍水變頻循環(huán)泵，1用1備。同時，配置1臺板換，作為過渡季免費(fèi)制冷。系統(tǒng)原理如圖4所示。

系統(tǒng)設(shè)置五種工作模式：(1)主機(jī)制冰；(2)冰槽供冷；(3)主機(jī)供冷；(4)聯(lián)合主機(jī)供冷；(5)過渡季免費(fèi)供冷。不同工作模式主要部件開關(guān)狀態(tài)，見表2。設(shè)置冰蓄冷系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并接入樓宇BA系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)荷變化切換不同工作模式。

圖4 冷源系統(tǒng)原理圖

表2五種工作模式下，主要部件開關(guān)狀態(tài)

4 結(jié)束語

隨著工作環(huán)境品質(zhì)的不斷提高，空調(diào)能耗急劇上升，合理使用冰蓄冷系統(tǒng)，緩解電力峰段的壓力，是暖通工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向之一。在實(shí)際工程中，需根據(jù)項(xiàng)目自身特點(diǎn)選擇冰蓄冷系統(tǒng)形式，綜合初投資、運(yùn)行費(fèi)用、投資回收期以及土建條件等選擇蓄冷率，設(shè)計(jì)冷源系統(tǒng)，設(shè)置適應(yīng)逐時負(fù)荷變化的不同工作模式及可靠的控制系統(tǒng)，提高冰蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。