廈門某鋰電池廠單冷及水蓄冷耦合空調系統全年逐時能耗模擬分析

馬利英 張智權 楊 含

1.上海碳索能源服務股份有限公司

2.中創新航科技股份有限公司

0 引言

鋰電池產業作為我國重點培育和發展的戰略性新興產業之一，隨著新能源汽車、移動互聯網、智能手機等領域的持續增長，進入了快速發展和擴張階段，但鋰電池生產過程由于環境控制要求極為精確，導致生產能耗巨大，在能源利用率上有較大的提升空間。實際生產數據表明，鋰電池制冷機房的能耗占總能耗的30%甚至更高[1］，因此對鋰電池制冷機房空調能耗的研究可以幫助企業在空調選擇上提供實踐性指導。

1 項目概況

項目位于福建省廈門市高新區，制冷機房總制冷量25 500 RT，水蓄冷有效容積15 000 m3。制冷機房包括9 臺離心式制冷機組(定頻、變頻及雙工況)、9 臺冷卻水循環泵、9 臺冷凍水循環泵、2 臺蓄冷循環水泵、2 臺釋冷循環水泵、16 臺模塊式全工況冷卻塔。項目為中低溫一次泵系統，其中系統一為6 ℃/12 ℃的低溫冷凍水系統、系統二為8 ℃/14 ℃的中溫冷凍水系統。制冷機房主要設備詳細參數見表1。

1.1 項目全年逐時氣象參數

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 ℃以內的時間占95%以上。該氣象參數為全年逐時能耗模擬提供了基礎。

圖1 廈門8 760 h全年逐時氣象參數

1.2 項目全年逐月負荷率

圖2為與本項目運行類似的項目全年逐月實際平均負荷率，由于設計時安全系數及各種因素，導致設計負荷與實際負荷相差較大。為保證能耗模擬的準確性，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荷率作為計算的基準。

圖2 類似項目全年逐月實際平均負荷率

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 冷水主機部分負載下的能效值

圖3、圖4為3 000 RT、6 ℃/12 ℃和32 ℃/38 ℃設計工況離心式冷水機組在部分負載下機組的能效情況，其中定頻最大COP 為9.28、變頻13.67，高能效區間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，高能效區間30%~80%。高效區間為空調制冷機房后期評估和優化提供了數據參考和支持。

圖3 3 000 RT 定頻機組部分負載能效(6 ℃/12 ℃)

圖4 3 000 RT 變頻機組部分負載能效(6 ℃/12 ℃)

圖5 3 000 RT 定頻機組部分負載能效(8 ℃/14 ℃)

圖6 3 000 RT 變頻機組部分負載能效(8 ℃/14 ℃)

2 控制策略優化

2.1 分時控制

圖7 為項目冷水機組分時控制流程圖，23:00-07:00 為制冷、蓄冷同時進行；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耗電量最低為目標函數進行冷機負荷的分配。

圖7 項目冷水機組分時控制流程圖

2.2 能耗仿真設計模型

圖8為能耗仿真設計模型，計算公式見式（1）和式（2）：

圖8 能耗仿真設計模型

式中，Ps為制冷機房系統總能耗，kW；P冷卻泵為制冷機房冷卻水泵總能耗，kW；P冷水主機為制冷機房冷水機組總能耗，kW；P冷卻塔為制冷機房冷卻塔風機總能耗，kW；P冷凍泵為制冷機房冷凍水泵總能耗，kW。

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

3 能耗模擬計算

3.1 單冷空調系統能耗模擬

圖9、圖10 為單冷空調系統冷水機組全年平均逐日COP、全年平均逐日EER 的模擬仿真結果。從圖中可看出冷水機組全年平均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-冷機逐日平均COP 值

圖10 單冷-冷機系統平均EER 值

3.2 水蓄冷耦合(混合)空調系統能耗模擬

圖11、圖12 為含水蓄冷的冷水機組全年平均逐日COP、全年平均逐日EER的模擬仿真結果。從圖中可看出冷水機組全年平均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-冷機逐日平均COP 值

圖12 全年含水蓄冷-系統平均EER 值

3.3 單冷和水蓄冷耦合空調系統能耗對比和經濟性分析

3.3.1 能耗對比

圖13 為單冷與水蓄冷耦合空調系統全年能耗對比結果。根據結果可知，在未啟用水蓄冷時，冷水機組全年平均COP 為8.161，全年系統平均綜合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系統全年能耗對比

3.3.2 經濟性分析

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，水蓄冷耦合空調系統的年度運行費用為35 114 813元，水蓄冷耦合空調系統比單冷空調系統年節省運行費用2 929 302 元，節費率為7.7%，水蓄冷系統靜態投資回收期為3.68年[2］。

圖14 全年逐月運行費用對比分析

4 結束語

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