廈門某鋰電池廠單冷及水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)全年逐時能耗模擬分析

馬利英 張智權(quán) 楊 含

1.上海碳索能源服務(wù)股份有限公司

2.中創(chuàng)新航科技股份有限公司

0 引言

鋰電池產(chǎn)業(yè)作為我國重點培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，隨著新能源汽車、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)等領(lǐng)域的持續(xù)增長，進(jìn)入了快速發(fā)展和擴(kuò)張階段，但鋰電池生產(chǎn)過程由于環(huán)境控制要求極為精確，導(dǎo)致生產(chǎn)能耗巨大，在能源利用率上有較大的提升空間。實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，鋰電池制冷機(jī)房的能耗占總能耗的30%甚至更高[1］，因此對鋰電池制冷機(jī)房空調(diào)能耗的研究可以幫助企業(yè)在空調(diào)選擇上提供實踐性指導(dǎo)。

1 項目概況

項目位于福建省廈門市高新區(qū)，制冷機(jī)房總制冷量25 500 RT，水蓄冷有效容積15 000 m3。制冷機(jī)房包括9 臺離心式制冷機(jī)組(定頻、變頻及雙工況)、9 臺冷卻水循環(huán)泵、9 臺冷凍水循環(huán)泵、2 臺蓄冷循環(huán)水泵、2 臺釋冷循環(huán)水泵、16 臺模塊式全工況冷卻塔。項目為中低溫一次泵系統(tǒng)，其中系統(tǒng)一為6 ℃/12 ℃的低溫冷凍水系統(tǒng)、系統(tǒng)二為8 ℃/14 ℃的中溫冷凍水系統(tǒng)。制冷機(jī)房主要設(shè)備詳細(xì)參數(shù)見表1。

1.1 項目全年逐時氣象參數(shù)

圖1 為廈門全年8 760 h 逐時干球溫度和濕球溫度，干球溫度在1.9~37.4 ℃之間，濕球溫度在27.5 ℃以內(nèi)的時間占95%以上。該氣象參數(shù)為全年逐時能耗模擬提供了基礎(chǔ)。

圖1 廈門8 760 h全年逐時氣象參數(shù)

1.2 項目全年逐月負(fù)荷率

圖2為與本項目運行類似的項目全年逐月實際平均負(fù)荷率，由于設(shè)計時安全系數(shù)及各種因素，導(dǎo)致設(shè)計負(fù)荷與實際負(fù)荷相差較大。為保證能耗模擬的準(zhǔn)確性，本項目在仿真模擬時采用了與該項目在地址、工藝條件等運行情況類似的實際項目的全年逐月平均負(fù)荷率作為計算的基準(zhǔn)。

圖2 類似項目全年逐月實際平均負(fù)荷率

1.3 項目電力單價

表2 為項目電力單價情況，峰谷電價差為0.537 3元/kWh。

表2 項目電力單價情況

1.4 冷水主機(jī)部分負(fù)載下的能效值

圖3、圖4為3 000 RT、6 ℃/12 ℃和32 ℃/38 ℃設(shè)計工況離心式冷水機(jī)組在部分負(fù)載下機(jī)組的能效情況，其中定頻最大COP 為9.28、變頻13.67，高能效區(qū)間30%~80%；圖5、圖6 為8 ℃/14 ℃和32 ℃/38 ℃能效情況，定頻最大COP 為10.2、變頻15.86，高能效區(qū)間30%~80%。高效區(qū)間為空調(diào)制冷機(jī)房后期評估和優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考和支持。

圖3 3 000 RT 定頻機(jī)組部分負(fù)載能效(6 ℃/12 ℃)

圖4 3 000 RT 變頻機(jī)組部分負(fù)載能效(6 ℃/12 ℃)

圖5 3 000 RT 定頻機(jī)組部分負(fù)載能效(8 ℃/14 ℃)

圖6 3 000 RT 變頻機(jī)組部分負(fù)載能效(8 ℃/14 ℃)

2 控制策略優(yōu)化

2.1 分時控制

圖7 為項目冷水機(jī)組分時控制流程圖，23:00-07:00 為制冷、蓄冷同時進(jìn)行；平時時段，7:00-8:30、即11:30-14:30、17:30-19:00、21:00-23:00，僅開啟制冷；高峰時段，開啟制冷和釋冷罐。峰谷平時段均以冷機(jī)耗電量最低為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行冷機(jī)負(fù)荷的分配。

圖7 項目冷水機(jī)組分時控制流程圖

2.2 能耗仿真設(shè)計模型

圖8為能耗仿真設(shè)計模型，計算公式見式（1）和式（2）：

圖8 能耗仿真設(shè)計模型

式中，Ps為制冷機(jī)房系統(tǒng)總能耗，kW；P冷卻泵為制冷機(jī)房冷卻水泵總能耗，kW；P冷水主機(jī)為制冷機(jī)房冷水機(jī)組總能耗，kW；P冷卻塔為制冷機(jī)房冷卻塔風(fēng)機(jī)總能耗，kW；P冷凍泵為制冷機(jī)房冷凍水泵總能耗，kW。

式中，EER 為制冷系統(tǒng)逐日(逐年)平均能效；Qs為制冷系統(tǒng)總制冷量，kW；Ps為制冷系統(tǒng)總耗電量，kW。

3 能耗模擬計算

3.1 單冷空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬

圖9、圖10 為單冷空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組全年平均逐日COP、全年平均逐日EER 的模擬仿真結(jié)果。從圖中可看出冷水機(jī)組全年平均COP 為8.161，全年平均EER為5.950，其中：8～14 ℃時，定頻3 000 RT 全年平均COP 為7.99，變頻3 000 RT為9.35；6～12 ℃時，定頻3 000 RT 為7.31，變頻3 000 RT為8.39，變頻1 500 RT為8.19。

圖9 單冷-冷機(jī)逐日平均COP 值

圖10 單冷-冷機(jī)系統(tǒng)平均EER 值

3.2 水蓄冷耦合(混合)空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬

圖11、圖12 為含水蓄冷的冷水機(jī)組全年平均逐日COP、全年平均逐日EER的模擬仿真結(jié)果。從圖中可看出冷水機(jī)組全年平均COP 為7.884，全年平均EER 為5.750，其中：4～11 ℃時，蓄冷變頻冷水機(jī)組全年平均COP 為7.29；8～14 ℃時，定頻3 000 RT 全年平均COP 為7.98，變頻3 000 RT為9.41；6～12 ℃時，定頻3 000 RT 為7.29，變頻3 000 RT 為8.43，變頻1 500RT為8.17。

圖11 全年含水蓄冷-冷機(jī)逐日平均COP 值

圖12 全年含水蓄冷-系統(tǒng)平均EER 值

3.3 單冷和水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)能耗對比和經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 能耗對比

圖13 為單冷與水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)全年能耗對比結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可知，在未啟用水蓄冷時，冷水機(jī)組全年平均COP 為8.161，全年系統(tǒng)平均綜合EER 為5.95；啟用水蓄冷后，平均COP 為7.884，平均綜合EER為5.75。

圖13 單冷與水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)全年能耗對比

3.3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

圖14為全年逐月運行費用對比分析圖。從圖中可看出，單冷的年度運行費用為38 044 115元，水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)的年度運行費用為35 114 813元，水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)比單冷空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)省運行費用2 929 302 元，節(jié)費率為7.7%，水蓄冷系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期為3.68年[2］。

圖14 全年逐月運行費用對比分析

4 結(jié)束語

綜上所述，啟動水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)的年平均EER 為5.75、未啟用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的年平均EER為5.95，兩者相比啟用水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)能效下降了3.37%，但考慮峰谷電價差[3］，啟用水蓄冷耦合空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)省運行費用2 929 302 元，靜態(tài)投資回收期3.68 年，此外水蓄冷通過負(fù)荷預(yù)測來調(diào)節(jié)用戶用電量，在利用峰谷電價的基礎(chǔ)上考慮用戶最大需求量，實現(xiàn)了用戶的平滑用電。