一種新型消防水池蓄冷系統的運行方式及經濟性分析*

陰勇光 周 敏 王晶軒

(中國建筑西北設計研究院有限公司,西安)

0 引言

隨著國家“碳達峰、碳中和”政策的提出,各行各業都開始探索減碳途徑。據《中國建筑節能年度發展研究報告2019》中的數據統計,建筑運行的總能耗約占全國能源消費總量的21%,人均建筑運行碳排放量約占全國人均總碳排放量的20%[1],而在建筑運行碳排放構成中,供冷供熱碳排放占比很大。因此,減少建筑運行供冷供熱過程中的碳排放量極為重要。

消防水池是建筑消防系統的重要設施之一,其主要功能是儲存消防用水,供消防水泵吸水以撲滅事故火災[2]。消防水池的使用屬性決定其使用頻率非常低,而蓄能技術的發展為消防水池的充分利用提供了新的思路。目前有很多實際工程項目都采用了消防水池蓄冷的設計思路。馬立等人介紹了某商場空調工程利用消防水池蓄冷的運行效果,討論了利用消防水池蓄冷的特點和運行方式,蓄冷水池水溫超過10 ℃時,則停止蓄冷系統供冷,改由主機供冷[3]。車丹對北京某項目消防水池蓄冷系統的運行策略及方案效益進行了分析,在假定條件下采用消防水池蓄冷的投資回收期為7.55 a,相對較長[4]。譚志波等人以某商業項目為例,提出了不同冷源配置方案并進行了比較,計算得出消防水池蓄冷系統年運行費用為常規水冷系統的43.56%,靜態投資回收期相對于水冷系統為1.98 a[5]。

目前已有的利用消防水池蓄冷的工程實例中,當消防水池中的水溫超過12 ℃時,就停止對其繼續利用,導致低品位冷源的浪費。針對該現象,提出冷卻塔和消防水池并聯運行的策略,利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度,從而提高冷水機組運行COP,降低運行費用,減少碳排放。

1 工程概況

1.1 項目概述

該項目位于陜西省西咸新區,空調面積約8.2萬m2,建筑類型包括商務寫字樓、商務辦公樓、公寓式酒店及商業配套等,消防水池有效體積約1 000 m3。項目基本信息見表1。

1.2 負荷計算

利用區域能源分析計算軟件進行能耗模擬計算,室內外設計參數按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中的相關參數執行,供冷時間為每年5月15日—9月15日。經計算,該項目設計日空調冷負荷峰值為6 532 kW,設計日逐時冷負荷曲線見圖1。

圖1 設計日逐時冷負荷

2 系統原理及分析方法

2.1 系統原理

本文提出的新型消防水池蓄冷系統的運行方式原理見圖2。

注:t1為冷凝器進水溫度;t2為冷凝器出水溫度;t3為冷卻塔出水溫度;t4為冷卻水與消防水池中的冷水在板式換熱器中換熱后的溫度;t5為消防水池中冷水進板式換熱器的溫度;t6為消防水池側冷水經過換熱升溫后的溫度;V1～V6為電動閥。圖2 新型消防水池蓄冷系統的運行方式原理圖

該系統的4種運行模式具體操作如下。

1) 空氣源熱泵蓄冷:利用夜間谷值電價,使用空氣源熱泵機組將消防水池中的水溫蓄冷至12 ℃。閥門開關情況:V1開,其余閥門關。

2) 低溫冷水機組蓄冷:利用夜間谷值電價,使用低溫冷水機組將消防水池中的水溫從12 ℃蓄冷至5 ℃。閥門開關情況:V3、V5開,其余閥門關。

3) 消防水池供冷:白天用消防水池中的冷水與末端回水在板式換熱器中換熱,直供末端用戶。閥門開關情況:V2開,其余閥門關。

4) 并聯供冷:當白天冷負荷較大時,開啟低溫冷水機組,冷卻塔和消防水池并聯運行,利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度,從而提升冷水機組運行COP。閥門開關情況:V4～V6開,V1～V3關。

2.2 系統分析方法

針對項目的設計工況,對系統的運行情況及經濟性進行分析討論,設計工況參數見表2。

表2 設計工況參數

根據GB/T 50392—2006《機械通風冷卻塔工藝設計規范》可知,相對濕度、干球溫度、濕球溫度、大氣壓力之間的相互關系為

(1)

(2)

式(1)、(2)中p″為飽和水蒸氣分壓力,kPa;t為環境溫度,℃;φ為相對濕度;p為大氣壓力,kPa;θ為干球溫度,℃;τ為濕球溫度,℃;p″τ為空氣溫度為τ時的水蒸氣分壓力,kPa;p″θ為空氣溫度為θ時的水蒸氣分壓力,kPa。

根據式(1)、(2),忽略大氣壓力的影響,用數學分析軟件進行非線性曲面擬合,給出本文求解濕球溫度的數學函數表達式[6]。

(3)

式中τ0=-5.861 54;A01=0.581 74;B01=0.148 5;B02=-0.001 91;B03=1.101 768×10-5;A1=0.003 6;A2=-9.798 22×10-5;A3=9.268 24×10-7;B1=-0.008 99;B2=4.381 11×10-5。

根據式(3)求出設計日工況下的逐時濕球溫度。對于該項目,冷卻塔出水溫度按3 ℃溫差進行計算:

t3=τ+3

(4)

計算結果如表3所示。

表3 設計日濕球溫度及冷卻塔出水溫度計算結果 ℃

根據低溫冷水機組設備選型可知:

t2=t1+5

(5)

以消防水池中的水循環一次進行計算,根據質量守恒及能量守恒定律有:

m(t2-t1)=m1(t2-t3)+m2(t2-t4)

(6)

m=m1+m2

(7)

(8)

式(6)～(8)中m為冷卻水總流量,kg/s,取208 kg/s;m1為冷卻水進冷卻塔側流量,kg/s;m2為與消防水池中的冷水在板式換熱器中換熱的冷卻水流量,kg/s。

計算日m1和m2計算結果見表4。

表4 設計日m1和m2計算結果 kg/s

Qi=Q1,i+Q2,i

(9)

Qi=cpm(t2-t1)H

(10)

Q1,i=cpm1(t2-t3)H

(11)

(12)

(13)

式(9)～(13)中Qi為冷卻水在i時刻的總散熱量,kW·h;Q1,i為冷卻塔側冷卻水在i時刻承擔的散熱量,kW·h;Q2,i為消防水池側冷卻水在i時刻承擔的散熱量,kW·h;cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃),取4.2 kJ/(kg·℃);H為計算時長,h,取1 h;Q1,a為冷卻塔側冷卻水在08:00—20:00時間段的總散熱量,kW·h;Q2,a為消防水池側冷卻水在08:00—20:00時間段的總散熱量,kW·h。

設計日Q1,i和Q2,i計算結果見表5。

表5 設計日Q1,i和Q2,i計算結果 kW·h

消防水池側冷水經過換熱升溫后的溫度:

(14)

式中M為消防水池中水的質量,kg。

經計算,t6=17.2 ℃。

設定不同的t1及t4數值,可計算出不同工況下的Q1,a和Q2,a,計算結果見圖3、4。

圖4 不同冷凝器進水溫度下的冷卻水散熱量

圖4給出了不同冷凝器進水溫度下的冷卻水散熱量變化趨勢。可以看出,當t4保持不變時,冷凝器進水溫度越高,消防水池側承擔的冷卻水散熱量比例越小。由上述計算公式可知,冷凝器進水溫度越高,冷卻水進冷卻塔側的流量越大,導致消防水池側的冷卻水散熱量逐漸減小。

3 系統經濟性分析

本文提出的新型消防水池蓄冷系統的4種運行模式中,空氣源熱泵蓄冷利用夜間谷值電價,使用空氣源熱泵將消防水池中的水溫降低,會增加運行費用;低溫冷水機組蓄冷和消防水池供冷利用峰谷電價差,夜間谷值電價蓄冷,白天供冷,節約運行費用;并聯供冷利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度,從而提升冷水機組運行COP,降低運行費用。

以設計工況為例,分別計算上述4種模式的運行費用,分析設計工況下的運行經濟性。

3.1 夜間蓄冷工況計算

1) 空氣源熱泵蓄冷量。

(15)

(16)

式(15)、(16)中Q3為空氣源熱泵蓄冷量,kW·h;t7為空氣源熱泵蓄冷的最終溫度,℃,取12 ℃;W3為空氣源熱泵蓄冷耗電量,kW·h;Cfr為空氣源熱泵COP。

經計算,Q3=6 017.5 kW·h,W3=925.8 kW·h。

2) 低溫冷水機組蓄冷量。

(17)

(18)

式(17)、(18)中Q4為低溫冷水機組蓄冷量,kW·h;t8為低溫冷水機組蓄冷的最終溫度,℃,取5 ℃;W4為低溫冷水機組蓄冷耗電量,kW·h;Cdl為低溫冷水機組COP。

經計算,Q4=8 166.7 kW·h,W4=1 484.8 kW·h。

3.2 日間供冷工況計算

Q5=Q6-Qxz

(19)

(20)

式(19)、(20)中Q5為低溫冷水機組日間承擔的供冷量,kW·h;Q6為末端用戶日間冷負荷,kW·h;Qxz為消防水池直接供冷量,kW·h,Qxz=Q4;W1為常規冷水機組日間供冷耗電量,kW·h;Ccl為常規冷水機組COP。

經計算,Q6=56 009 kW·h,Q5=47 842.3 kW·h,W1=7 973.7 kW·h。

該系統低溫冷水機組在白天運行時,按照冷凝器進水溫度每降低1 ℃,機組制冷COP平均提高3.3%進行計算[7],即

Cxt=Ccl[1+(t9-t1)×3.3%]

(21)

式中Cxt為系統COP;t9為常規冷水機組冷凝器進水溫度,℃,取32 ℃。

經計算,Cxt=6.6。

該系統低溫冷水機組日間供冷耗電量:

(22)

式中W2為該系統低溫冷水機組日間供冷耗電量,kW·h。

經計算,W2=7 255.4 kW·h。

3.3 運行費用節約部分計算

1) 利用峰谷電價差,夜間谷值電價蓄冷,白天供冷所節約的運行費用計算。

夜間谷值電價蓄冷運行電費:

V1=W4Vgd

(23)

式中V1為谷值電價蓄冷運行電費,元;Vgd為谷值電價,元/(kW·h)。

常規方案(不蓄冷)運行電費:

(24)

式中V2為常規方案(不蓄冷)的運行電費,元;Vfd為峰值電價,元/(kW·h)。

利用峰谷電價差,夜間谷值電價蓄冷,白天供冷所節約的運行費用V3為

V3=V2-V1

(25)

經計算,V3=718.5元。

2) 日間利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度所節約的運行費用計算。

日間供冷節約電量:

W=W1-W2

(26)

式中W為日間供冷節約電量,kW·h。

經計算,W=718.3 kW·h。

因此,日間利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度所節約的運行費用V4為

V4=WVfd

(27)

綜上可得,該系統共節約運行費用V5為

V5=V3+V4

(28)

經計算,V4=517.0元,V5=1 235.5元。

3.4 運行費用增加部分計算

利用夜間谷值電價,使用空氣源熱泵將消防水池中的水溫蓄冷至12 ℃,此模式增加的運行費用V6為

V6=W3Vgd

(29)

經計算,V6=300.9元。

綜上可知,應用本文提出的消防水池蓄冷系統的運行方式可節約的凈運行費用V為

V=V5-V6

(30)

經計算,V=934.6元。

3.5 靜態回收期計算

該系統與常規冷水機組系統相比,增加的主要設備及投資見表6。

表6 增加的主要設備及投資

該系統增加的主要設備投資合計約62萬元。按照該項目供冷季4個月計算,每年節約運行費用約11.21萬元,靜態回收期為5.5 a。

4 結論

本文提出一種新型消防水池蓄冷系統的運行方式,經分析計算,得出以下結論:

1) 當冷凝器進水溫度t1不變時,隨著t4的升高,消防水池側冷卻水的散熱量占比提高。

2)t4保持不變時,冷凝器進水溫度每提高0.5 ℃,消防水池側承擔的冷卻水散熱量占比降低約10%。

3) 與常規冷水機組系統相比,該系統增加的主要設備投資約62萬元,設計工況下平均每年節約運行費用約11.21萬元,靜態回收期為5.5 a。

4) 該系統運行時,應調節冷卻水在冷卻塔側及消防水池側的流量,適當提高冷凝器進水溫度,從而盡可能降低運行費用。