江北城CBD區(qū)域江水源熱泵集中供冷供熱項目2號能源站蓄冷率的確定

王晶，王本棟，張華玲

（1重慶市江北嘴水源空調(diào)有限公司，重慶 400024；2重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 400045）

0 引言

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是利用夜間低谷負荷電力制冰儲存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲存冷量釋放出來，減少電網(wǎng)高峰時段空調(diào)用電負荷及空調(diào)系統(tǒng)裝機容量，這樣既能平衡電網(wǎng)負荷，又能削峰填谷[1-2]，同時能夠利用峰谷電價差降低運行費用，在國內(nèi)外得到越來越多的運用。電價政策和蓄冷率是影響冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性的主要因素，直接關系到冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的初投資及運行費用，每個冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)都存在最佳蓄冷率，在該蓄冷率下空調(diào)系統(tǒng)的壽命周期總費用最低[3]。

1 蓄冷率的確定方法

冰蓄冷的蓄冷方式一般有三種形式，即部分蓄冷、全部蓄冷、分時蓄冷。在工程項目中，選擇何種形式的蓄冷方式主要看其建筑物的負荷特性、當?shù)氐碾妰r政策、運行的經(jīng)濟性等情況而定。

冰蓄冷系統(tǒng)的費用包括初投資和運行費用兩部分，故所采用的冰蓄冷系統(tǒng)是否經(jīng)濟可行，僅考慮設備的初投資，或者僅考慮蓄冰時間及設計日運行控制模式下的運行費用來確定蓄冷率是不夠的。因為冰蓄冷系統(tǒng)的費用包括整個壽命周期，既有初投資又有供冷季內(nèi)的各個蓄冰工況。若選取的蓄冷率較小，初投資較小，但不能充分利用峰谷電價，節(jié)電優(yōu)勢不明顯；若選取的蓄冷率太大，初投資費用太大，系統(tǒng)的回收期過長，甚至超過空調(diào)系統(tǒng)的使用壽命，同樣失去了應用的經(jīng)濟效益。要使空調(diào)系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)獲得最大的效益，蓄冷率的確定至關重要。壽命周期總費用，是從整個設備使用壽命周期來進行經(jīng)濟分析的，它包括系統(tǒng)初投資和系統(tǒng)設計壽命內(nèi)的年運行費用，大小綜合反映了初投資及年運行費用的情況，壽命周期總費用越小，系統(tǒng)的經(jīng)濟性越好（圖1）。

圖1 壽命周期總費用與蓄冷率關系圖

在計算蓄冷率的時候，采用考慮限定因子的步長加速法進行計算。步長加速法是一種直接搜索法，由2類移動組成，一類是探測性移動，另一類是模式移動。探測性移動的目的是探求有利方向，模式移動是按一定模式循著有利方向加速移動。步長加速法的工作過程為：首先選定一個點作為參考點，在參考點的周圍探測搜索到比之更好的點，從而確定一個有利的前進方向；然后以此點為基點沿著之前確定好的有利方向進行模式移動，得到新的參考點，繼續(xù)循環(huán)探測移動，使迭代點逐漸靠近極小點。與其他方法相比，采用步長加速法對于不同的計算初始值，最后得出的最優(yōu)解基本相同，具有較好的實用性。具體到蓄冰系統(tǒng)，就是以0蓄冷率為起點，逐漸加大蓄冷率，選取在不同蓄冷率下需要的設備裝置。此外，選擇在該蓄冰裝置下的運行模式。由所選的蓄冰裝置和運行模式得到設備的初投資和運行費用，進而可算出系統(tǒng)的全年運行費用。繪制冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)壽命周期總費用與蓄冷率的曲線，壽命周期總費用最小的點所對應的蓄冷率即為系統(tǒng)的最佳蓄冷率。下面就以重慶市江北城CBD區(qū)域江水源熱泵集中供冷供熱項目2號能源站為工程實例進行計算。

2 工程概況

重慶市江北城CBD區(qū)域江水源熱泵集中供冷供熱項目采用區(qū)域供能系統(tǒng)，夏季供冷采用電制冷+江水源熱泵+冰蓄冷的形式，冬季供熱采用江水源熱泵的形式，該項目設置1號能源站與2號能源站，為江北嘴中央商務區(qū)內(nèi)約400萬m2的公共建筑提供空調(diào)冷熱源。其中2號能源站供冷供熱面積約為145萬m2，其建筑類型及負荷如表1所示。

表1 2號能源站用戶建筑類型及負荷

在計算壽命周期總費用時，將全年供冷周期分為100%、75%、50%和25%四種負荷率，根據(jù)項目特點，蓄冰裝置選用不完全凍結式的蓄冰盤管，冷機上游的串聯(lián)模式。圖2、圖3、圖4和圖5為2號能源站不同負荷率情況下的運行負荷分配圖。

圖2 設計日逐時冷負荷曲線

圖3 100%負荷率運行負荷分配

圖4 75%負荷率運行負荷分配

圖5 50%負荷率運行負荷分配

圖6 25%負荷率運行負荷分配

在計算運行費用時，利用重慶地區(qū)的峰谷電價，使用優(yōu)化控制[4]的控制策略，盡量做到在電價的尖峰和高峰時刻使用融冰供冷，同時保證主機高效運行，晚間利用低谷電價蓄冰。

3 電價政策

重慶主城區(qū)電價分為四段峰谷電價時段，即：尖峰時段19∶00-20∶00，高峰時段8∶00-11∶00，21∶00-22∶00，平段7∶00，12∶00-18∶00，低谷時段23∶00-次日6∶00。

基準電價即為平峰電價，電價為0.828元/kWh，全年峰谷電價實行浮動，即：7、8、12、1月尖峰電價在基準電價的基礎上浮70%，其他月份上浮50%，高峰電價在基準電價基礎上浮50%，低谷時段在基準基礎上下浮50%，平段電價不浮動。該項目使用蓄能空調(diào)電價如表2所示。

表2 不同時段電價

4 基礎數(shù)據(jù)

根據(jù)所做可行性報告，江水源+冰蓄冷區(qū)域供冷系統(tǒng)的初投資定價如下：制冷機組單位容量費用為655元/kw，單位蓄冷量需增加的設備用房面積換算為0.041kwh/m2，蓄冰設備單位蓄冷量費用為17.1元/kwh，單位面積建筑造價為1800元/m2，配電費為800元/kVA，取水設施費單位流量費用為7472元/m3。 年供冷周期視為100%負荷率22天，75%負荷率82天，50%負荷率19天，1%負荷率1天，設備壽命周期視為20年。

5 不同蓄冷率的系統(tǒng)壽命周期總費用計算

進行不同蓄冷率方案選擇時，計算系統(tǒng)壽命周期總費用分項包括表3所示內(nèi)容。

在計算系統(tǒng)壽命周期總費用時，有些費用所占的比例很小，且難以計算，如檢查費、維護費用、保全支援費等；有些設備基本相同，如外網(wǎng)循環(huán)泵等，不再一并計算。這里只計算初投入費用中的配電費、設備費、取水設施費、機房面積費，維持費用中的取水系統(tǒng)運行費、系統(tǒng)運行費用、取水設施維護費[5]。取水設施維護費按每年約110元/（m3/h）取水量進行估算，取水資源費按0.01元/m3進行估算。

表3 系統(tǒng)壽命周期總費用分項

在計算壽命周期總費用時，包含了冬季供暖的運行費用。但由于供暖不設計蓄冰系統(tǒng)，故對蓄冷率的確定沒有影響。根據(jù)以上基礎數(shù)據(jù)，以0.1為步長，計算了不同蓄冷率下的壽命周期總費用，如表4所示。

表4 不同蓄冷率下的系統(tǒng)壽命周期總費用

6 確定最佳蓄冷率

計算不同蓄冷率下的初投資及運行費用，繪出蓄冷率與壽命周期總費用的關系曲線，曲線上最低點對應的蓄冷率即是最佳蓄冷率。壽命周期總費用與蓄冷率的關系如圖7所示，江北城CBD區(qū)域江水源熱泵集中供冷供熱項目2號能源站的蓄冷率為20%左右時，系統(tǒng)壽命周期總費用最低。

圖7 壽命周期總費用與蓄冷率關系

7 結論

蓄冷率是影響冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性的關鍵因素，文中提出的以壽命周期總費用最低的最佳蓄冷率確定方法，對指導以全壽命周期經(jīng)濟性最好為目標的江水源熱泵與冰蓄冷復合系統(tǒng)設計有參考意義。但對于以移峰填谷或減少裝機容量為目標的工程項目，最佳蓄冷率確定方法還需進一步的探討。

[1]嚴德隆，張維君.空調(diào)蓄冷應用技術[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]葉水泉.蓄能空調(diào)技術及其發(fā)展[J].中國電力，2000，33（9）.

[3]張力君，張萍.蓄冷率對冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響及最佳蓄冷率的確定方法［J］.暖通空調(diào)，1997，27（3）.

[4]吳杰.冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)負荷預測和系統(tǒng)優(yōu)化控制研究[D].杭州：浙江大學，2002.

[5]楊秋麗.空調(diào)冰蓄冷系統(tǒng)經(jīng)濟性分析與優(yōu)化研究[D].西安：西安建筑科技大學，2010.