大溫差水蓄冷生產(chǎn)車間空調(diào)系統(tǒng)方案經(jīng)濟(jì)分析

徐淦鋒，賴學(xué)江

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，廣東湛江524088）

1 項目概況

項目位于江門高新區(qū)，一期廠房建筑面積45300m2，火災(zāi)危險性等級為丙級，二期中試大樓、宿舍的建筑面積為43256m2，合計建筑面積為88556m2。地上六層，地下局部一層，總高度為30m。建筑類型為設(shè)備裝配生產(chǎn)廠房，工人總數(shù)約為1000人，生產(chǎn)設(shè)備發(fā)熱量少。生產(chǎn)時間8∶30～18∶00；19∶00～21∶00?？紤]到下班后30min人員滯留時間，空調(diào)制冷時間延續(xù)到21∶30，空調(diào)設(shè)計運行時間為12個小時。

制冷機(jī)房位于負(fù)一層空調(diào)機(jī)房，同時負(fù)擔(dān)二期中試大樓、宿舍負(fù)荷，負(fù)荷計算采用諧波反應(yīng)法，設(shè)計計算依據(jù)如參考文獻(xiàn)［1］～［4］，全天總冷負(fù)荷最大時間出現(xiàn)在下午16時，建筑全天空調(diào)負(fù)荷大，但白天負(fù)荷波動小。在生產(chǎn)時間，生產(chǎn)廠房內(nèi)人員密度穩(wěn)定。典型日總冷負(fù)荷為121026kW（34409RT），峰值電價區(qū)冷負(fù)荷為 59437.3kW（16900RT）。

2 蓄冷方式選擇［5］［6］

為了確保冷源方案選擇的合理性，設(shè)計中根據(jù)建筑的特點和電價的實行方式，建筑廠房在負(fù)一層有消防水池，建筑全天空調(diào)負(fù)荷大，且當(dāng)?shù)貙嵭蟹骞入妰r?？紤]建筑的特點及當(dāng)?shù)氐姆骞入妰r差，采用蓄冷系統(tǒng)最有前景的系統(tǒng)。

水蓄冷目前工程上的做法有兩種：（1）常規(guī)水蓄冷＋常規(guī)末端；（2）大溫差水蓄冷＋大溫差末端。以下對兩種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，從初投資、系統(tǒng)運行費用以及回收周期綜合考慮。

常規(guī)水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是指空調(diào)末端進(jìn)出水溫度為7／12℃，蓄冷水池進(jìn)出水溫度為11.5／4℃。大溫差水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)末端進(jìn)出水溫度為11／16℃，蓄冷水池蓄冷時按蓄冷溫度4℃來控制。

在設(shè)計中，采用部分蓄冷的原則，即在夜間（0∶00～8∶00）低谷電價段蓄冷制冷機(jī)組滿負(fù)荷向消防水池蓄冷。在白天電力平價階段 （8∶00～9∶00，12∶00～19∶00，22∶00～24∶00）段，由基載制冷機(jī)組和蓄冷制冷機(jī)組提供冷量，如果基載制冷機(jī)組滿足負(fù)荷要求，則不開蓄冷制冷機(jī)組。在峰值電價 （9∶00～12∶00，19∶00～22∶00）采用釋冷模式，釋冷優(yōu)先，基載制冷機(jī)組補(bǔ)充所缺的冷負(fù)荷。

2.1 設(shè)備初投資估算

設(shè)備初投資按設(shè)備商給的離心冷水機(jī)組410元／kW，空調(diào)箱1.5元／m3（按照風(fēng)量估算），風(fēng)機(jī)盤管200元／kW價格進(jìn)行估算。根據(jù)文獻(xiàn)［7］，部分蓄冷制冷機(jī)名義制冷量按下式計算：

式中：qc—制冷機(jī)名義制冷量，kW；

qd—典型設(shè)計日總冷負(fù)荷，kW，qd＝34409；

n2—白天制冷機(jī)在空調(diào)工況下運行時間，h，n2＝12；

cf—制冷機(jī)蓄冷能效系數(shù)，取0.9；

n1—夜間制冷機(jī)在蓄冷工況下運行的時間，h，n1＝8；

代入公式計算得，qc＝6302.47kW（1792RT），常規(guī)水蓄冷選單工況冷水機(jī)組3臺，雙工況冷水機(jī)組1臺。大溫差水蓄冷選單工況冷水機(jī)組2臺，雙工況冷水機(jī)組2臺，選擇的冷量滿足要求。表1為所選機(jī)組參數(shù)。表2為初投資估算表。

表1 制冷主機(jī)選型

表2 設(shè)備初投資估算表

2.2 運行費用估算

電費根據(jù)中國南方電網(wǎng)給的執(zhí)行文件估算，按江門市商用電費峰值電費1.35元／kWh，平期0.82元／kWh，谷期0.41元／kWh計算。機(jī)組選型如表1，水泵選型分別見表3～表5。運行費用估算按制冷機(jī)組、水泵、運行時間段進(jìn)行估算。典型日總冷負(fù)荷為121026kW （34409RT），峰值電價期冷負(fù)荷為59442kW （16900RT） （按最大負(fù)荷計算）。蓄冷轉(zhuǎn)化為用冷的效率按90%計算。運行費用計算表見表6和表7。

表3 單工況冷凍水泵、冷卻水泵性能參數(shù)

表4 雙工況冷凍水泵、冷卻水泵性能參數(shù)

表5 放冷水泵性能參數(shù)

表6 常規(guī)水蓄冷運行費用計算

表7 大溫差水蓄冷運行費用計算

2.3 回收期計算

表8 常規(guī)水蓄冷方案與大溫差水蓄冷全年運行費用對比

兩種方案的初投資及運行費用進(jìn)行工程經(jīng)濟(jì)估算，在本次設(shè)計中采用靜態(tài)投資回收期計算投資回收期。

根據(jù)計算可得，大溫差水蓄冷 （2100m3）增加初投資46.2萬元，通過大溫差水蓄冷年節(jié)省的電費14.4萬元，在靜態(tài)指標(biāo)下，3.2年即可收回投資。以上計算是按滿負(fù)荷計算的結(jié)果，如果負(fù)荷少些，峰值電費時段全部采用夜間所蓄冷量，節(jié)約的費用會更高。通過大溫差水蓄冷和常規(guī)水蓄冷的經(jīng)濟(jì)對比分析，本次設(shè)計確定選用大溫差水蓄冷。

3 水蓄冷設(shè)計［5］～［8］

消防水池的容積為2100m3，由文獻(xiàn)［7］：

式中：

Q—水槽的設(shè)計蓄冷量，kWh；

K—水槽的性能指數(shù)，指在一個蓄冷放冷周期內(nèi)水槽的輸出與輸入能量之比，取0.9；

L—水槽的有效容積，m3，取總體積的0.98；

ρ—水密度，本設(shè)計取999.892kg／m3；

△t—供回水溫差，本設(shè)計取12℃；

c—水的比熱容。

由計算可得，在一個蓄冷周期內(nèi)，消防水池實際蓄冷量為206535kW （58720RT），目前蓄冷量僅為39394kW （11200RT），如果峰值負(fù)荷加大，可考慮增加蓄冷能力，水池可滿足蓄冷要求。

水蓄冷是利用水的顯熱實現(xiàn)冷量的儲藏，在整個系統(tǒng)中，蓄冷水池蓄冷量的保溫和防止冷熱混合是設(shè)計的要點，水在4℃時，密度最大，隨著溫度的上升，密度不斷下降。因此，在蓄冷時，機(jī)組產(chǎn)生4℃冷凍水，位于蓄冷槽的下部，回水16℃冷凍水位于蓄水槽上方，由于不同水溫之間存在著導(dǎo)熱過程，會在蓄冷槽的冷熱水分界面附近，冷水溫度有所升高，溫水溫度有所降低，從而形成了過渡層，即斜溫層。斜溫層好壞的設(shè)計是直接影響到蓄冷槽蓄冷能力的體現(xiàn)。本設(shè)計是采用自然分層法進(jìn)行設(shè)計。

由相關(guān)文獻(xiàn)［8］可得，良好的布水器在設(shè)計中應(yīng)能夠控制水流緩慢地自下而上或自上而下流動，使供回水在蓄冷和釋冷循環(huán)中在槽內(nèi)形成重力流，并保持一個合理穩(wěn)定的斜溫層。對于出水口的雷諾數(shù)Re值需要嚴(yán)格控制，一般布水器出水口的流速約為0.03～0.06m／s，支管內(nèi)流速不得超過0.3m／s，局部支管處也不宜大于0.6m／s。

4 運行策略控制

本次在設(shè)計中，采用部分蓄冷的原則，即在夜間 （0∶00～8∶00）低谷電價段蓄冷主機(jī)滿負(fù)荷將消防水池蓄滿，期間其它的負(fù)荷由基載主機(jī)承擔(dān)，在白天電力平價階段 （8∶00～9∶00，12∶00～19∶00，22∶00～24∶00）段，完全由蓄冷主機(jī)和基載主機(jī)提供冷量。在峰值電價 （9∶00～12∶00，19∶00～22∶00）采用釋冷模式，釋冷優(yōu)先，制冷機(jī)組補(bǔ)充所缺的冷負(fù)荷。

圖1 100%負(fù)荷運行策略

圖2 75%負(fù)荷運行策略

圖3 50%負(fù)荷運行策略

圖4 25%負(fù)荷運行策略

本次設(shè)計的大溫差水蓄冷系統(tǒng)是采用雙工況離心水冷機(jī)組和單工況離心水冷機(jī)組結(jié)合，在夜晚0∶00～8∶00，開啟雙工況離心水冷機(jī)組，為蓄冷水池蓄冷，在電價峰谷段9∶00～12∶00，19∶00～21∶00開啟放冷水泵，通過電動二通閥將4℃和16℃混合成8℃冷凍水，通過板式換熱器，為末端提供9℃冷凍水，在電價峰谷段，若冷量不能滿足，可同時開啟主機(jī)制冷，空調(diào)末端選用大溫差末端，進(jìn)出水溫度為9／17℃，在電價平價段，由主機(jī)直接為末端提供冷量，進(jìn)出水溫度為9／17℃。為了實現(xiàn)消防水池和制冷主機(jī)同時分擔(dān)高峰又合理大搭配，本次設(shè)計采用預(yù)測控制的控制策略。其具體做法如下：將計算得到的典型日負(fù)荷乘以負(fù)荷系數(shù)，用于預(yù)測所需開啟的制冷機(jī)組數(shù)量，按照設(shè)計，將負(fù)荷系數(shù)劃分為 100%、75%、50%、25%。如圖1、圖2、圖3、圖4所示，按此規(guī)則設(shè)計需要開啟主機(jī)的數(shù)量及其時間。

當(dāng)控制系統(tǒng)的預(yù)設(shè)時間表顯示蓄冷時間到達(dá)（0∶00～8∶00）時，控制系統(tǒng)自動開啟雙工況制冷機(jī)組，開始蓄冷。

在控制的時候，運行管理人員通過預(yù)測室外逐時溫度，預(yù)測方法可以參考美國供熱、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會的系數(shù)法和形狀因子法對室外逐時溫度預(yù)測。從而確定建筑冷負(fù)荷預(yù)斷第二天的運行工況是屬于0～25%負(fù)荷率、25%～50%負(fù)荷率、50%～75%負(fù)荷率、75%～100%負(fù)荷率中的哪一種。并為第二天的主機(jī)的開啟臺數(shù)確定數(shù)據(jù)。

同時，為了提高負(fù)荷預(yù)測的精度，在空調(diào)系統(tǒng)開啟后，每隔一定時間 （一般為1個小時）對預(yù)測負(fù)荷進(jìn)行初略修正，即利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自我調(diào)整。

為了水蓄冷能夠發(fā)揮最大的移峰填谷效益。冷機(jī)供冷和蓄冷供冷必須進(jìn)行優(yōu)化配置、實時監(jiān)控。