冰蓄冷冷源系統(tǒng)經(jīng)濟性分析與設計

(華東都市建筑設計研究總院，上海 200010)

0 引 言

目前，我國很多省市均已實行峰谷電價，鼓勵用電部門低谷用電，緩解高峰時段用電緊張，減少電力建設投資。空調(diào)冰蓄冷技術的應用已成為電力負荷“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?shù)仉娏?yōu)惠政策可以減少運行費用，因此選擇合適的冰蓄冷系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟效益。本文主要介紹冰蓄冷系統(tǒng)形式和部分負荷蓄冷控制策略，結(jié)合初投資、運行費用及投資回收期進行經(jīng)濟對比分析，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、服務用房等。由負荷軟件計算設計日最大冷負荷為11 340 kW，全天總冷負荷為117 050 kWh。根據(jù)當?shù)貎?yōu)惠政策，冰蓄冷空調(diào)用電實行特殊的峰谷電價，高峰時段執(zhí)行用戶對應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)的設計

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

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

2.2 蓄冷率及制冷機容量的確定

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

2.2.1 蓄冷率為20%時制冷機容量的確定

根據(jù)主機優(yōu)先運行模式的特點，選取100%負荷率時蓄冰量、融冰量及冷機制冷量與逐時負荷的關系確定制冷機容量。

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

雙工況制冷機組容量計算如下：

(1)

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

根據(jù)容量計算結(jié)果，選用兩臺制冷量為2 700 kW的雙工況制冷機組及一臺制冷量為2 700 kW的基載制冷機組。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)，制冷機組優(yōu)先運行，剩余部分由融冰補充，如制冷需求較大，基載制冷機組應優(yōu)先于雙工況制冷機組運行，減少乙二醇泵的功耗。負荷峰值時段(早10時至18時，共8小時)，雙工況制冷機組及基載制冷機組滿負荷運行。

圖1 20%蓄冷率100%負荷率運行條件下，蓄冰量、融冰量及冷機制冷量柱狀分布圖

2.2.2 蓄冷率為25%時制冷機容量的確定

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

圖2 25%蓄冷率100%負荷率運行條件下，蓄冰量、融冰量及冷機制冷量柱狀分布圖

2.2.3 蓄冷率為30%時制冷機容量的確定

根據(jù)全天總冷負荷的30%配置雙工況制冷機組，機組容量計算如下：

(2)

式中，n2為11 h；ni為8 h。

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

圖3 30%蓄冷率100%負荷率運行條件下，蓄冰量、融冰量及冷機制冷量分布柱狀圖

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

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

2.3 經(jīng)濟性分析

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

計算初始參數(shù)：基載制冷機組COP=6.3，雙工況制冷機組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)能設計要求[4-5]。制冷機組、冷卻塔、板換、循環(huán)泵、蓄冰設備等按單位制冷量或功率的市場單價估算，管道安裝費用按冷源系統(tǒng)主要設備初投資總價20%估算，與常規(guī)電制冷系統(tǒng)相比增加的冷源機房投資估算費用按3 000元/m2計算，建筑工程其他費用按設備初投資總價、設備安裝費、冷源機房費用、電力設備及自動控制系統(tǒng)費用之和的20%估算。系統(tǒng)全天運行費用按照制冷機組、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計算。

全年空調(diào)供冷期約210天，根據(jù)綜合負荷頻率分布權重(100%負荷率21天，75%負荷率63天，50%負荷率105天，25%負荷率21天)計算全年系統(tǒng)運行費用，并結(jié)合初投資費用，計算投資回收期。計算結(jié)果見表1。

計算過程中發(fā)現(xiàn)：(1)與普通電制冷系統(tǒng)相比，部分負荷冰蓄冷降低了冷機初投資，增加了蓄冰槽等初投資費用，總初投資比例隨著蓄冷率提高而增大。(2)全負荷冰蓄冷系統(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)的運行費用接近，分析原因為非負荷峰值時段30%蓄冷率系統(tǒng)的融冰過程和雙工況機組運行過程，相比基載制冷機組直接供冷時，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行費用降低比例，投資回收期約6.2年。

結(jié)果表明：100%負荷率條件下，負荷峰值時段雙工況機組及基載制冷機組滿負荷運行時經(jīng)濟性最優(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、運行費用比例、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)采用制冷機上游方式的串聯(lián)系統(tǒng)，較高的制冷機進水溫度有利于制冷機的高效率與節(jié)電運行，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臺雙工況制冷機組配置3臺乙二醇循環(huán)泵，2用1備，并設置乙二醇系統(tǒng)補液脫氣定壓裝置，另設置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)設有3臺冷凍水變頻循環(huán)泵，2用1備；基載制冷機組配置2臺冷凍水變頻循環(huán)泵，1用1備。同時，配置1臺板換，作為過渡季免費制冷。系統(tǒng)原理如圖4所示。

系統(tǒng)設置五種工作模式：(1)主機制冰；(2)冰槽供冷；(3)主機供冷；(4)聯(lián)合主機供冷；(5)過渡季免費供冷。不同工作模式主要部件開關狀態(tài)，見表2。設置冰蓄冷系統(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，是暖通工程設計的發(fā)展方向之一。在實際工程中，需根據(jù)項目自身特點選擇冰蓄冷系統(tǒng)形式，綜合初投資、運行費用、投資回收期以及土建條件等選擇蓄冷率，設計冷源系統(tǒng)，設置適應逐時負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)濟效益。