以江水為冷源的THICS節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性分析

趙運超 李德飛 金輝 許艷 費華

1 江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院

2 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)（Temperature and Humidity Independent Control air-conditioning System，THICS）為降低建筑能耗提供了一種行之有效的技術(shù)方法。在充分研究分析前人研究的基礎(chǔ)上[1-7]，筆者結(jié)合江南地區(qū)水資源豐富的特點，提出一種以江水為冷源的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)，并以南昌為例，對其進(jìn)行了詳細(xì)的方案設(shè)計及理論分析，通過數(shù)值模擬驗證了該方案在江南水源充足地區(qū)應(yīng)用的可行性。在此基礎(chǔ)上，筆者將進(jìn)一步分析以江水為冷源的THICS的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

1 以江水為冷源的THICS方案介紹

一定溫度的江水在循環(huán)水泵1的動力作用下，進(jìn)入管路后通過過濾裝置3和水處理裝置4，達(dá)到水質(zhì)要求后送入一定深度的埋管換熱器6中，利用土壤在一定深度下常年保持恒溫的特點，通過熱量交換進(jìn)一步降低江水溫度，使經(jīng)過熱交換后的江水溫度滿足THISC中所需高溫冷水的溫度要求。制備出來的高溫冷水在冷凍水泵5的作用下，被輸送至室內(nèi)的末端裝置7，對室內(nèi)進(jìn)行溫度的控制。換熱后的回水再沿管路經(jīng)埋管換熱器6排至江中，如此循環(huán)工作。在THICS中，高溫冷水被輸送到末端裝置后與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換，從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制。設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 以江水為冷源的THICS原理圖

2 節(jié)能性分析

筆者以THICS為分析基礎(chǔ)，探討以高溫冷水機(jī)組為冷源的傳統(tǒng)THICS與以江水為冷源的THICS在溫度控制過程中的能耗和工程概預(yù)算情況，分析兩種方案下系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)僅考慮熱量排除需求時，空調(diào)系統(tǒng)中需要的冷凍水的溫度就不再受空氣露點溫度的限制，只要冷凍水溫度低于空氣干球溫度即可實現(xiàn)顯熱熱量的排除。對于THICS，風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)流過的冷凍水通過表冷器直接與室內(nèi)空氣進(jìn)行對流換熱。由于經(jīng)過盤管的冷凍水的溫度高于室內(nèi)空氣的露點溫度，因此盤管處于干工況下運行。工作過程的焓濕圖見圖2。

圖2 盤管干工況運行的焓濕圖

室外新風(fēng)W在新風(fēng)機(jī)組中減濕冷卻至W，點，而室內(nèi)空氣N經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)的表冷器干冷至N'點，最后兩者混合至送風(fēng)點S，再送入室內(nèi)。室外新風(fēng)經(jīng)減濕冷卻后完全承擔(dān)室內(nèi)的所有濕負(fù)荷與部分顯熱負(fù)荷，而室內(nèi)空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管干冷處理后承擔(dān)室內(nèi)絕大部分的顯熱負(fù)荷，完成對室內(nèi)的溫度控制。

2.1 以高溫冷水機(jī)組為冷源的THICS能耗分析

圖3為THICS中一種常用的溫度控制系統(tǒng)原理圖，從圖3可以看出，溫濕度獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)能耗主要由三部分組成：高溫冷水機(jī)組的能耗，冷媒（高溫冷水）輸送系統(tǒng)的能耗和空調(diào)末端裝置的能耗。由于筆者用于對比的兩套系統(tǒng)主要在于冷媒的獲取的方式不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的能耗不同，為便于分析，認(rèn)為兩種THICS方案中除冷凍水獲取部分的能耗外的其他能耗大小相同。

圖3 以高溫冷水機(jī)組為冷源的THICS系統(tǒng)圖

以南昌地區(qū)某辦公建筑為例，計算該建筑的空調(diào)負(fù)荷。該辦公樓的建筑面積為2000 m2，地上三層，建筑層高11.4 m（一層4.2 m，二、三層均為3.6 m），人員密度為4 m2/人，建筑冷負(fù)荷為340 kW，人均新風(fēng)量為30 m3/h，人員體力活動性質(zhì)為極輕勞動，不考慮群集系數(shù)的影響。

1）送風(fēng)參數(shù)的確定

建筑物以人體散濕為主，單個人體散濕量為109 g/h，則濕負(fù)荷 W=(2000/4)×109=54500 g/h=15.14 g/s。

室內(nèi)、外設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 室內(nèi)、外設(shè)計參數(shù)

則計算建筑新風(fēng)量Gw=30×2000/4=15000 m3/h=5 kg/s。

計算室內(nèi)熱濕比ε=Q/W=340/0.01514=22457。

根據(jù)以上參數(shù)，將其繪制在焓濕圖上，可以得到空氣處理過程中各狀態(tài)點的參數(shù)（表2）。

表2 空氣處理過程各狀態(tài)點參數(shù)

2）總送風(fēng)量G的確定

G=Q/(hN-hS)=340/(59.3-50.9)=40.5 kg/s

3）風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量GF的確定

GF=G-GW=40.5-5=35.5 kg/s

4）風(fēng)機(jī)盤管冷量QF的確定

QF=GF×(hN-hN’)=35.5×(59.3-52.4)=244.95 kW

由此可知，風(fēng)機(jī)盤管處理的冷量由高溫冷水機(jī)組制取的高溫冷水決定，由于蒸發(fā)溫度的提高，高溫冷水機(jī)組制冷工況的COP相對于常規(guī)的冷水機(jī)組明顯提高，這里選用格力CT系列高溫離心式冷水機(jī)組，其COP約為8.2。

則冷水機(jī)組電耗E1=QF/COPc=244.95/8.2=29.87 kW。

綜上所述，利用高溫冷水機(jī)組制取高溫冷水的電耗為29.87 kW。

2.2 以江水為冷源的THICS能耗分析

當(dāng)該辦公建筑采用以江水為冷源的THICS時，系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖4 以江水為冷源的THICS系統(tǒng)圖

以江水為冷源的THICS不存在制取高溫冷水的能耗，需要依靠循環(huán)水泵抽取江水，因此存在水泵的能耗。根據(jù)風(fēng)機(jī)盤管處理的冷量可計算出冷凍水的流量，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)盤管空氣側(cè)換熱量為244.95 kW時，水側(cè)的換熱量同樣為244.95 kW，則可計算出流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管水流量Fw：

式中：Cp為水的比熱，kJ/(kg·℃)；Qw為換熱量，kW；To為盤管的出水溫度，℃；Ti為進(jìn)水溫度，℃。

代入?yún)?shù)，經(jīng)計算得Fw=244.85/[4.184×(23.5-18.5)=11.7 kg/s=42152 kg/h=42.152 m3/h。

水泵的揚程需要根據(jù)最不利環(huán)路總的阻力來確定。由于該系統(tǒng)中的管路系統(tǒng)比較簡單，故采用當(dāng)量長度法進(jìn)行管路總阻力的計算，所謂當(dāng)量長度法就是將局部阻力折算成沿程阻力的一種簡化計算方法，計算公式如下：

式中：Δp1為管路總阻力，Pa；Δpy為管路沿程阻力，Pa；l為管路實際長度，m；Δpj為管路局部阻力，Pa；R為比摩阻，Pa/m，一般取40～80 Pa/m；ld為當(dāng)量長度，查局部阻力構(gòu)件的類型確定，m；lzh為折算長度，m。

已知埋管換熱器的總長度為100 m，比摩阻取65 Pa/m，最不利環(huán)路上的局部阻力構(gòu)件有漸擴(kuò)管、漸縮管、截止閥、彎頭等，局部阻力設(shè)備有過濾器，水處理器，風(fēng)機(jī)盤管、水泵等，以上管件和設(shè)備均可以查《實用暖通空調(diào)設(shè)計手冊》（第二版）獲得相關(guān)數(shù)據(jù)資料。將已知數(shù)據(jù)代入上式后，經(jīng)計算，可以得到以江水為冷源的THICS最不利環(huán)路的總阻力為52 kPa。

根據(jù)管路內(nèi)水流量和總阻力的大小，并考慮10%的富裕量后，擬選用ISW80-250B臥式離心泵，該型號的型臥式離心泵適用于工業(yè)和城市給排水，高層建筑增壓送水，遠(yuǎn)距離輸送，暖通制冷循環(huán)等冷暖水循環(huán)增壓。其基本參數(shù)見表3。

表3 ISW80-250B臥式離心泵參數(shù)表

由ISW80-250B臥式離心泵基本參數(shù)知，其滿載流量大于系統(tǒng)內(nèi)所需的水的流量，所以應(yīng)根據(jù)實際情況求解其實際電機(jī)耗功率E2：

式中：γ為水的容重，kN/m3；η 為水泵效率，%；H 為水泵揚程，m；FW,M為水的質(zhì)量流量，m3/s。

經(jīng)計算 E2=9.807×11.7×60/(0.58×1000)=11.87 kW。

2.3 節(jié)能比較

通過以上對兩種系統(tǒng)能耗的計算結(jié)果，可以看出以江水為冷源的THICS的能耗低于利用高溫冷水機(jī)組制取冷凍水的THICS的能耗。其中，利用高溫冷水機(jī)組制取冷源的THICS的能耗為E1=29.87 kW。而以江水為冷源的THICS的能耗為E2=11.87 kW。

節(jié)能率 ψ=(E1-E2)/E1×100%=(29.87-11.87)/29.87×100%=60.3%。

3 經(jīng)濟(jì)性評價

由于以高溫冷水機(jī)組和以江水為冷源的THICS兩種系統(tǒng)獲取的冷凍水均由冷凍水泵送入建筑物內(nèi)進(jìn)行使用，即認(rèn)為冷凍水泵和室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的初投資和運行費相同，故在對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價時為方便計算，只對冷源部分的費用進(jìn)行比較。以江水為冷源的THICS，由于涉及水平埋管，需要對土方進(jìn)行開挖并支付土建費用。根據(jù)《江西省建筑安裝工程費用定額（2004）》，筆者選用水平螺旋，埋管埋深為5 m，鋪設(shè)占地面積為80 m2，埋管長度為100 m，開挖土方體積約400 m3，開挖費用約4.05元/m3，回填夯實費用為17.32元/m3。PE管造價為7元/m。

筆者采用綜合能源價格法中的全壽命周期成本投資凈現(xiàn)值法來分析兩種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

所謂綜合能源價格法是指系統(tǒng)的初投資費用和系統(tǒng)在有效的使用壽命內(nèi)其運行費用的累計綜合值與在此期間系統(tǒng)所能提供的能量總和的比值。考慮到貨幣市場的動態(tài)性，即不同時期貨幣的購買力是不同的，因此綜合能源價格法就是將系統(tǒng)使用壽命內(nèi)不同時期投入的資金統(tǒng)一折算為成本投資凈現(xiàn)值的方法。綜合能源價格的成本投資凈現(xiàn)值表達(dá)式如下：

式中：M為綜合能源價格現(xiàn)值，元/MJ；V為初投資，元；n為系統(tǒng)有效使用年限；Zt為第t年使用費用，元；i為銀行存款年利率，2017年銀行存款年利率為3%；Et為第t年提供能量總計，MJ。

初投資年現(xiàn)值P是按照系統(tǒng)的使用壽命攤銷到各年費用中，計算公式如下：

3.1 初投資和運行費用

根據(jù)已經(jīng)計算出的兩種系統(tǒng)的能耗，取當(dāng)?shù)仉妰r為0.8元/(kW·h)，可以計算兩種系統(tǒng)整個夏季的空調(diào)運行能耗及費用。系統(tǒng)初投資及運行費用的計算結(jié)果見表4。

表4 兩種THICS系統(tǒng)初投資和運行費用比較

由表4可以看出，以江水為冷源的THICS的初投資比以高溫冷水機(jī)組為冷源的THICS高出約10.72萬元。以江水為冷源的THICS在整個空調(diào)季節(jié)的運行費用低于以高溫冷水機(jī)組為冷源的THICS，兩者相差5.28萬元/年，約占高溫冷水機(jī)組的THICS整個夏季空調(diào)運行費用的60.2%。

3.2 全壽命周期成本凈現(xiàn)值

將以上數(shù)據(jù)帶入全壽命周期成本的凈現(xiàn)值計算公式，計算年限取15年，可以計算出以江水為冷源的THICS的全壽命周期成本凈現(xiàn)值P為91.85萬元，其中初投資占54.7%，以高溫冷水機(jī)組為冷源的THICS的全壽命周期成本凈現(xiàn)值P為140.7萬元，其中初投資占28.1%。兩種系統(tǒng)的全壽命周期成本凈現(xiàn)值相差48.85萬元。

計算并繪制15年內(nèi)各年的投資成本凈現(xiàn)值（圖5），可以看出在考慮了當(dāng)年銀行存款年利率的時間價值后，只需3年就可收回多投資的部分。

圖5 全壽命周期內(nèi)投資成本凈現(xiàn)值比較

4 總結(jié)

筆者對以江水為冷源的THICS設(shè)計方案和工作原理做了詳細(xì)的介紹，并以此為基礎(chǔ)對比分析了以江水為冷源和以高溫冷水機(jī)組為冷源的THICS的能耗和經(jīng)濟(jì)性，通過計算可知，以江水為冷源的THICS比以高溫冷水機(jī)組為冷源的THICS節(jié)能60.3%。利用全壽命周期投資成本凈現(xiàn)值法對兩種系統(tǒng)形式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析后得到，以江水為冷源的THICS雖然其初投資較高，但其年運行費用可以節(jié)省60.2%，運行3年即可收回多投資的部分，因而長遠(yuǎn)來看，江水為冷源的THICS經(jīng)濟(jì)性更好。