某水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析

胡 濤 管海鳳 董凱軍 周 群

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某水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析

胡 濤1管海鳳2董凱軍2周 群3

（1.三峽大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院 宜昌 443002；2.中國科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640；3.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

介紹了一種應(yīng)用于廣東地區(qū)某大型工業(yè)廠房工藝用冷的水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該工程竣工后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算，結(jié)果表明：相比常規(guī)空調(diào)水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的月節(jié)費(fèi)率為34.8%～78.2%，總平均節(jié)費(fèi)率為65.1%，實(shí)際運(yùn)行4個(gè)月為企業(yè)節(jié)省用電費(fèi)用74.3萬元。

大工業(yè)廠房；工藝?yán)鋮s；水蓄冷；節(jié)費(fèi)率；運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

水蓄冷技術(shù)一般是在夜間電網(wǎng)低谷時(shí)運(yùn)行制冷機(jī)，把電能轉(zhuǎn)換為冷量并以低溫冷水形式儲存在蓄冷結(jié)構(gòu)或容器中，在白天電網(wǎng)峰電時(shí)再將儲存的冷量取出釋放出來供末端用戶使用，在峰谷電價(jià)政策的前提下，既能達(dá)到電力移峰填谷，又能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用降低的目的[1]。水蓄冷技術(shù)不僅可移峰填谷降低夏季空調(diào)用電對電網(wǎng)高峰負(fù)荷的沖擊，同時(shí)降低運(yùn)行費(fèi)用，而且其初投資低，還可以利用建筑物消防水池改造成蓄冷槽節(jié)省占地面積與投資成本，因此水蓄冷技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用和推廣[2-8]。

1 工程概述

為了直觀展現(xiàn)水蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，下面結(jié)合廣東地區(qū)某大型工業(yè)廠房新建水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析。該水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)總裝機(jī)容量4000Rt。空調(diào)系統(tǒng)的主要負(fù)荷為生產(chǎn)工藝?yán)鋮s，全年且24小時(shí)不間斷供冷，其中尖峰負(fù)荷一般出現(xiàn)在11:00-12:00，14:00-15:00兩個(gè)時(shí)段，尖峰負(fù)荷為3468RT，約12200kW；設(shè)計(jì)日總冷負(fù)荷為44054RT·h，約154940kWh。空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的供回水溫度7/12℃，蓄冷罐的有效利用溫差7.0℃（蓄水溫度4.0℃，供冷回水11℃。）

1.1 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示，該廠房工藝?yán)鋮s用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)由1臺2000RT（CH-1）及2臺各1000RT（CH-2、CH-3）約克離心式冷水主機(jī)組成，其中CH-1機(jī)組僅常規(guī)供冷使用，CH-2機(jī)組既可用于常規(guī)供冷也可作為蓄冷主機(jī)運(yùn)行，CH-3機(jī)組夜間蓄冷專用其余時(shí)間可用于常規(guī)供冷的補(bǔ)充，主要技術(shù)參數(shù)見表1?？照{(diào)水系統(tǒng)包括4個(gè)循環(huán)回路：由冷水主機(jī)、冷凍水泵和末端釋冷裝置構(gòu)成的冷凍水循環(huán)回路，為閉式回路；由冷水主機(jī)、冷卻水泵和室外冷卻塔構(gòu)成的冷卻水循環(huán)回路，為開式回路；由蓄冷罐、蓄冷水泵和冷水主機(jī)構(gòu)成的蓄冷循環(huán)回路，為開式回路；由蓄冷罐、放冷水泵和冷水主機(jī)構(gòu)成的放冷循環(huán)回路，為開式回路。

圖1 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)圖

表1 主要設(shè)備和技術(shù)參數(shù)

該系統(tǒng)的水蓄冷罐為冷水專用型，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際條件，蓄冷水罐的外形尺寸為R24m×H17m，現(xiàn)場安裝采取分層整體焊接方式完成，外部進(jìn)行防水保溫，竣工后完整外形見圖2，考慮布管及水膨脹空間，蓄水罐容積按7500m3，設(shè)計(jì)蓄冷量約17415RT·h，約占設(shè)計(jì)全日總負(fù)荷的39.5%。蓄冷罐內(nèi)部采用“平行流”布水技術(shù)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，根據(jù)運(yùn)行實(shí)測其斜溫層厚度約為0.9m，分層效果良好。所蓄的冷量優(yōu)先在電價(jià)高峰期利用，根據(jù)平段負(fù)荷的情況，保證機(jī)組滿負(fù)荷的情況下，輔助進(jìn)行部分釋冷運(yùn)行，從而節(jié)省整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

圖2 水蓄冷罐竣工外觀圖

圖3 水蓄冷罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式

該工程中，水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式有四種：冷水主機(jī)獨(dú)立供冷模式、蓄冷罐獨(dú)立供冷模式，蓄冷管與冷水主機(jī)聯(lián)合供冷模式、蓄冷模式；其中00:00-08:00期間為蓄冷模式運(yùn)行時(shí)段，期間末端仍有負(fù)荷需求由常規(guī)供冷主機(jī)供給；8:00-24:00根據(jù)當(dāng)日負(fù)荷率進(jìn)行冷水主機(jī)獨(dú)立供冷模式、蓄冷罐獨(dú)立供冷模式，蓄冷管與冷水主機(jī)聯(lián)合供冷模式三種模式的合理切換，實(shí)際各負(fù)荷日采取的運(yùn)行模式由下文運(yùn)行策略確定。

1.3 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略

水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷根據(jù)國家現(xiàn)行《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)規(guī)范》[9]（GB50019-2003）的有關(guān)規(guī)定以及實(shí)際用戶的需求特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并求得蓄冷—放冷周期內(nèi)逐時(shí)負(fù)荷和總負(fù)荷，再結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際峰谷電價(jià)確定系統(tǒng)在不同負(fù)荷下的運(yùn)行策略，其中該地區(qū)峰谷電價(jià)見表2。

表2 峰谷電價(jià)表

設(shè)計(jì)時(shí)，將各負(fù)荷日按照當(dāng)日負(fù)荷率情況分為四個(gè)區(qū)段，分別為：100%（當(dāng)日負(fù)荷率70%～100%）、75%（當(dāng)日負(fù)荷率50%～75%）、50%（當(dāng)日負(fù)荷率25%～50%）、25%（當(dāng)日負(fù)荷率0～25%）；這四個(gè)區(qū)段又對應(yīng)于四種不同的運(yùn)行策略，其區(qū)別見圖4-圖7。

圖4 設(shè)計(jì)負(fù)荷率100%運(yùn)行策略

圖5 設(shè)計(jì)負(fù)荷率75%運(yùn)行策略

圖6 設(shè)計(jì)負(fù)荷率50%運(yùn)行策略

圖7 設(shè)計(jì)負(fù)荷率25%運(yùn)行策略

2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

為了比較該水蓄冷系統(tǒng)竣工后實(shí)際為企業(yè)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算時(shí)以實(shí)際運(yùn)行情況為依據(jù)，將水蓄冷轉(zhuǎn)移負(fù)荷使用常規(guī)供冷等量替換，同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)行的峰谷電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，真實(shí)計(jì)算出采用該水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)后企業(yè)所節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用。詳細(xì)計(jì)算方案如下所述：

（1）制冷站總用電量=制冷站低谷用電量+制冷站平段用電量+制冷站高峰用電量；

注：各電量數(shù)據(jù)由相關(guān)設(shè)備供電側(cè)智能電表直接數(shù)據(jù)采集獲得。

（2）常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量=主機(jī)蓄冷時(shí)段總用電量×主機(jī)電量轉(zhuǎn)移系數(shù)94%+（蓄冷主機(jī)配套冷卻水泵用電量+冷卻塔用電量）×蓄冷系統(tǒng)冷卻水泵及冷卻塔電量轉(zhuǎn)移系數(shù)97%；

常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量（高峰）=高峰時(shí)段放冷量÷板換總放冷量×常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量；

常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量（平段）=平段時(shí)段放冷量÷板換總放冷量×常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量；

注：①蓄冷泵是蓄冷系統(tǒng)設(shè)備，對于常規(guī)系統(tǒng)是額外設(shè)備，常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量不包括此電量；②主機(jī)電量轉(zhuǎn)移系數(shù)：蓄冷時(shí)，主機(jī)蓄冷工況出口溫度為4℃，相比常規(guī)工況出口溫度7℃時(shí)工作效率下降約6%（出口溫度每下降1℃，效率降低2%～3%），故計(jì)算常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量時(shí)，主機(jī)電量應(yīng)進(jìn)行折算，此折算系數(shù)定為主機(jī)電量轉(zhuǎn)移系數(shù)。本系統(tǒng)主機(jī)電量轉(zhuǎn)移系數(shù)約定為94%；③蓄冷系統(tǒng)冷卻水泵及冷卻塔電量轉(zhuǎn)移系數(shù)：蓄冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量在儲存、板換過程中有冷量損失，儲存損失1%，板換損失2%，計(jì)算時(shí)總損失取3%，故用常規(guī)系統(tǒng)時(shí)提供相同冷量給末端時(shí)，冷卻水泵及冷卻塔耗電量只有蓄冷系統(tǒng)的97%，即可取蓄冷系統(tǒng)冷卻水泵及冷卻塔電量轉(zhuǎn)移系數(shù)為97%；④冷卻塔用電量：低谷蓄冷時(shí)，按冷站內(nèi)供冷量與蓄冷量的占比，分?jǐn)偫鋮s塔用電量。

（3）常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)付電費(fèi)=（制冷站低谷用電量-蓄冷用電量）×低谷電價(jià)+（制冷站平段用電量-平段放冷泵用電量+常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量（平段））×平段電價(jià)+（制冷站高峰用電量-高峰放冷泵用電量+常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用電量（高峰））×高峰電價(jià)；

（4）實(shí)付電費(fèi)=制冷站低谷用電量×低谷電價(jià)+制冷站平段用電量×平段電價(jià)+制冷站高峰用電量×高峰電價(jià)；

（5）月節(jié)費(fèi)率=1-月實(shí)付電費(fèi)÷月常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)付電費(fèi)；

總節(jié)費(fèi)率=1-總實(shí)付電費(fèi)÷總常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)付電費(fèi)；

該系統(tǒng)自2015年4月開始正常投入使用，筆者連續(xù)跟蹤進(jìn)行為期4個(gè)月的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析，數(shù)據(jù)采集通過BMS系統(tǒng)自動進(jìn)行，并定期將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存分析處理。獲得的數(shù)據(jù)包括冷水主機(jī)、水泵、板式換熱器兩側(cè)進(jìn)出口流量與溫度、水蓄冷罐豎直方向溫度分布、冷凍水流量與溫度、冷卻水流量與溫度、蓄放冷流量與溫度以及所有耗電設(shè)備的實(shí)時(shí)功率與耗電量等。將所有數(shù)據(jù)代入前文詳述計(jì)算公式整理后可繪制出圖8所示運(yùn)行費(fèi)用對比曲線。由圖可見，實(shí)際各月運(yùn)行時(shí)實(shí)付電費(fèi)均小于應(yīng)付電費(fèi)，隨時(shí)間推移差別不斷擴(kuò)大，差額部分為各月節(jié)省的運(yùn)行電耗費(fèi)用，即直接經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢體現(xiàn)。按照約定標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的運(yùn)行實(shí)際支付電費(fèi)與常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)支付電費(fèi)比較后得到結(jié)論：4月月節(jié)費(fèi)率在49%左右，5月月節(jié)費(fèi)率約78%，6月月節(jié)費(fèi)率約62%，7月月節(jié)費(fèi)率約35%，各月的差別反應(yīng)了不同月份蓄冷的使用量大小不同，計(jì)算期間總節(jié)費(fèi)率為65%，其過程詳細(xì)結(jié)論數(shù)據(jù)見表3。

表3 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

圖8 運(yùn)行期間實(shí)付電費(fèi)與應(yīng)付電費(fèi)對比

3 結(jié)論

水蓄冷系統(tǒng)是一種可有效平衡空調(diào)電力使用的系統(tǒng)，尤其針對晝夜冷負(fù)荷差別大或夜晚無冷負(fù)荷需求的場合，其不僅可以移峰填谷，而且用戶側(cè)可有效利用峰谷電價(jià)差的政策為自身帶來運(yùn)行成本大幅降低的好處。本文對廣東地區(qū)某大型工業(yè)廠房工藝用冷新建的大規(guī)模水蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了科學(xué)的分析與研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)月平均節(jié)費(fèi)率最低為34.8%，最高位78.2%，總節(jié)費(fèi)率為65.1%，4個(gè)月總節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到74.3萬元，總體經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)秀。隨著峰谷電價(jià)政策的實(shí)施范圍不斷擴(kuò)大，這種水蓄冷系統(tǒng)可在工程中大力推廣，并應(yīng)用于各種場合。

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Design and Running Economic Analysis of an Air Conditioning System with Water Cold Storage

Hu Tao1Guan Haifeng2Dong Kaijun2Zhou Qun3

(1.College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang, 443002;2.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Science, Guangzhou, 510640;3.Guangzhou Metro Design & Research Institute, Guangzhou, 510010)

A design approach of an air conditioning system with water thermal storage for process cooling of a large industrial building in Guangdong region is presented in this paper. After completion of the project, a detailed economic analysis and calculation on actual operation data is developed. The results show that the month economical rate of electricity charge with this water cold storage system is 34.8%～78.2% compared with traditional air conditioning system. And the total average economical rate of electricity charge is 65.1%. Moreover, this air conditioning system with water cold storage system also has saved 743 000 yuan for enterprise after four months of actual operation.

large industrial building; process cooling; water thermal storage; economical rate of electricity charge; running economic analysis

1671-6612（2017）02-188-06

TK9

A

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 2015A030310333）；廣東省省級科技計(jì)劃項(xiàng)目（No. 2015B090901012）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（No. 2013A011404001）；佛山市院市合作項(xiàng)目（No. 2014HK100225）

2015-12-29

作者（通訊作者）簡介：胡 濤（1984-），男，博士，講師，E-mail：hutao@ctgu.edu.cn