江北城CBD區(qū)域江水源熱泵集中供冷供熱項(xiàng)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(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是利用夜間低谷負(fù)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(shí)段空調(diào)用電負(fù)荷及空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)容量，這樣既能平衡電網(wǎng)負(fù)荷，又能削峰填谷[1-2]，同時(shí)能夠利用峰谷電價(jià)差降低運(yùn)行費(fèi)用，在國內(nèi)外得到越來越多的運(yùn)用。電價(jià)政策和蓄冷率是影響冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素，直接關(guān)系到冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行費(fèi)用，每個(gè)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(fèi)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(shí)蓄冷。在工程項(xiàng)目中，選擇何種形式的蓄冷方式主要看其建筑物的負(fù)荷特性、當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)政策、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性等情況而定。

冰蓄冷系統(tǒng)的費(fèi)用包括初投資和運(yùn)行費(fèi)用兩部分，故所采用的冰蓄冷系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)可行，僅考慮設(shè)備的初投資，或者僅考慮蓄冰時(shí)間及設(shè)計(jì)日運(yùn)行控制模式下的運(yùn)行費(fèi)用來確定蓄冷率是不夠的。因?yàn)楸罾湎到y(tǒng)的費(fèi)用包括整個(gè)壽命周期，既有初投資又有供冷季內(nèi)的各個(gè)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(jià)，節(jié)電優(yōu)勢不明顯；若選取的蓄冷率太大，初投資費(fèi)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(yīng)用的經(jīng)濟(jì)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(guān)重要。壽命周期總費(fèi)用，是從整個(gè)設(shè)備使用壽命周期來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析的，它包括系統(tǒng)初投資和系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的年運(yùn)行費(fèi)用，大小綜合反映了初投資及年運(yùn)行費(fèi)用的情況，壽命周期總費(fèi)用越小，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越好（圖1）。

圖1 壽命周期總費(fèi)用與蓄冷率關(guān)系圖

在計(jì)算蓄冷率的時(shí)候，采用考慮限定因子的步長加速法進(jìn)行計(jì)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(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，在參考點(diǎn)的周圍探測搜索到比之更好的點(diǎn)，從而確定一個(gè)有利的前進(jìn)方向；然后以此點(diǎn)為基點(diǎn)沿著之前確定好的有利方向進(jìn)行模式移動，得到新的參考點(diǎn)，繼續(xù)循環(huán)探測移動，使迭代點(diǎn)逐漸靠近極小點(diǎn)。與其他方法相比，采用步長加速法對于不同的計(jì)算初始值，最后得出的最優(yōu)解基本相同，具有較好的實(shí)用性。具體到蓄冰系統(tǒng)，就是以0蓄冷率為起點(diǎn)，逐漸加大蓄冷率，選取在不同蓄冷率下需要的設(shè)備裝置。此外，選擇在該蓄冰裝置下的運(yùn)行模式。由所選的蓄冰裝置和運(yùn)行模式得到設(shè)備的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，進(jìn)而可算出系統(tǒng)的全年運(yùn)行費(fèi)用。繪制冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)壽命周期總費(fèi)用與蓄冷率的曲線，壽命周期總費(fèi)用最小的點(diǎn)所對應(yīng)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(xiàng)目2號能源站為工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)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(xiàng)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(xiàng)目設(shè)置1號能源站與2號能源站，為江北嘴中央商務(wù)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(fù)荷如表1所示。

表1 2號能源站用戶建筑類型及負(fù)荷

在計(jì)算壽命周期總費(fèi)用時(shí)，將全年供冷周期分為100%、75%、50%和25%四種負(fù)荷率，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，蓄冰裝置選用不完全凍結(jié)式的蓄冰盤管，冷機(jī)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(fù)荷率情況下的運(yùn)行負(fù)荷分配圖。

圖2 設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷曲線

圖3 100%負(fù)荷率運(yùn)行負(fù)荷分配

圖4 75%負(fù)荷率運(yùn)行負(fù)荷分配

圖5 50%負(fù)荷率運(yùn)行負(fù)荷分配

圖6 25%負(fù)荷率運(yùn)行負(fù)荷分配

在計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用時(shí)，利用重慶地區(qū)的峰谷電價(jià)，使用優(yōu)化控制[4]的控制策略，盡量做到在電價(jià)的尖峰和高峰時(shí)刻使用融冰供冷，同時(shí)保證主機(jī)高效運(yùn)行，晚間利用低谷電價(jià)蓄冰。

3 電價(jià)政策

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

基準(zhǔn)電價(jià)即為平峰電價(jià)，電價(jià)為0.828元/kWh，全年峰谷電價(jià)實(shí)行浮動，即：7、8、12、1月尖峰電價(jià)在基準(zhǔn)電價(jià)的基礎(chǔ)上浮70%，其他月份上浮50%，高峰電價(jià)在基準(zhǔn)電價(jià)基礎(chǔ)上浮50%，低谷時(shí)段在基準(zhǔn)基礎(chǔ)上下浮50%，平段電價(jià)不浮動。該項(xiàng)目使用蓄能空調(diào)電價(jià)如表2所示。

表2 不同時(shí)段電價(jià)

4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)所做可行性報(bào)告，江水源+冰蓄冷區(qū)域供冷系統(tǒng)的初投資定價(jià)如下：制冷機(jī)組單位容量費(fèi)用為655元/kw，單位蓄冷量需增加的設(shè)備用房面積換算為0.041kwh/m2，蓄冰設(shè)備單位蓄冷量費(fèi)用為17.1元/kwh，單位面積建筑造價(jià)為1800元/m2，配電費(fèi)為800元/kVA，取水設(shè)施費(fèi)單位流量費(fèi)用為7472元/m3。 年供冷周期視為100%負(fù)荷率22天，75%負(fù)荷率82天，50%負(fù)荷率19天，1%負(fù)荷率1天，設(shè)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(fèi)用計(jì)算

進(jìn)行不同蓄冷率方案選擇時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)壽命周期總費(fèi)用分項(xiàng)包括表3所示內(nèi)容。

在計(jì)算系統(tǒng)壽命周期總費(fèi)用時(shí)，有些費(fèi)用所占的比例很小，且難以計(jì)算，如檢查費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用、保全支援費(fèi)等；有些設(shè)備基本相同，如外網(wǎng)循環(huán)泵等，不再一并計(jì)算。這里只計(jì)算初投入費(fèi)用中的配電費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、取水設(shè)施費(fèi)、機(jī)房面積費(fèi)，維持費(fèi)用中的取水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)、系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用、取水設(shè)施維護(hù)費(fèi)[5]。取水設(shè)施維護(hù)費(fèi)按每年約110元/（m3/h）取水量進(jìn)行估算，取水資源費(fèi)按0.01元/m3進(jìn)行估算。

表3 系統(tǒng)壽命周期總費(fèi)用分項(xiàng)

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

表4 不同蓄冷率下的系統(tǒng)壽命周期總費(fèi)用

6 確定最佳蓄冷率

計(jì)算不同蓄冷率下的初投資及運(yùn)行費(fèi)用，繪出蓄冷率與壽命周期總費(fèi)用的關(guān)系曲線，曲線上最低點(diǎn)對應(yīng)的蓄冷率即是最佳蓄冷率。壽命周期總費(fèi)用與蓄冷率的關(guān)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(xiàng)目2號能源站的蓄冷率為20%左右時(shí)，系統(tǒng)壽命周期總費(fèi)用最低。

圖7 壽命周期總費(fèi)用與蓄冷率關(guān)系

7 結(jié)論

蓄冷率是影響冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，文中提出的以壽命周期總費(fèi)用最低的最佳蓄冷率確定方法，對指導(dǎo)以全壽命周期經(jīng)濟(jì)性最好為目標(biāo)的江水源熱泵與冰蓄冷復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)有參考意義。但對于以移峰填谷或減少裝機(jī)容量為目標(biāo)的工程項(xiàng)目，最佳蓄冷率確定方法還需進(jìn)一步的探討。

[1]嚴(yán)德隆，張維君.空調(diào)蓄冷應(yīng)用技術(shù)[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(shù)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(jì)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(fù)荷預(yù)測和系統(tǒng)優(yōu)化控制研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

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