華北地區(qū)蒸發(fā)冷卻與機械制冷聯(lián)合運行的經(jīng)濟性分析

(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

近年來蒸發(fā)冷卻技術(shù)在各類建筑中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，其設(shè)計方法也日臻完善[2]。例如在溫濕度獨立控制(THIC)空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)建筑的潛熱負荷由濕度控制系統(tǒng)承擔，顯熱負荷主要由溫度控制系統(tǒng)承擔，顯熱末端用高溫冷水的供回水溫度一般為16～21 ℃。高溫冷水的來源可以是天然冷源，也可以由機械制冷高溫冷水機組、蒸發(fā)冷卻冷水機組提供。從目前設(shè)備的性能來看，出水溫度為16 ℃時螺桿式高溫冷水機組在額定工況下的能效比(COP)值大約為6.81[1]，對應(yīng)的綜合節(jié)能系數(shù)IPLV值大約為8.19。而間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的COP平均值可達到15以上，遠高于高溫冷水機組的IPLV值。然而蒸發(fā)冷卻冷水機組的使用受到室外氣象條件的制約，間接蒸發(fā)冷水機組的理想出水溫度為室外環(huán)境對應(yīng)的露點溫度，而目前機組的實際出水溫度一般比理想出水溫度高2～3 ℃，對應(yīng)的間接蒸發(fā)段設(shè)備效率為70%～80%，直接蒸發(fā)段設(shè)備效率為90%[3]。正因如此，蒸發(fā)冷卻設(shè)備只有在我國西北干燥地區(qū)使用才能獨立承擔空調(diào)所需的冷量。如果將其應(yīng)用于其他地區(qū)(中濕度地區(qū))只能與機械制冷高溫冷水機組聯(lián)合運行。本文旨在分析華北地區(qū)蒸發(fā)冷卻冷水機組與機械制冷高溫冷水機組聯(lián)合運行為溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)提供高溫冷水的可行性和經(jīng)濟性。

1 分析的依據(jù)與方法

建筑模型為位于山西大同地區(qū)的賓館、商場和辦公樓三類典型建筑。建筑概況及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 典型建筑的概況及圍護結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

2 空調(diào)機房組成及機組運行模式

蒸發(fā)冷卻冷水機組(以下簡稱E機組)與機械制冷高溫冷水機組(以下簡稱M機組)聯(lián)合運行提供高溫冷水的工作原理見圖1。

圖1 E、M 機組聯(lián)合工作原理圖

空調(diào)冷水系統(tǒng)采用一級泵變流量水系統(tǒng)[4]，即只要空調(diào)系統(tǒng)運行，用戶側(cè)的供回水溫度始終為16～21 ℃，通過冷水的壓差旁通閥改變用戶側(cè)的冷水流量來適應(yīng)建筑冷負荷的變化?？照{(diào)回水首先進入緩沖水箱，之后通過自用循環(huán)泵Ⅱ流入E機組，E機組出水進入冷水箱。由于E機組的額定流量小于空調(diào)末端回水流量，因此在緩沖水箱設(shè)置回水溢流管。M機組運行時冷卻塔及冷卻水泵始終運行。E機組的運行條件為t116 ℃。顯然機房運行遵循E機組優(yōu)先的原則，即只要E機組符合運行條件應(yīng)始終保持運行狀態(tài)。E、M機組的運行模式是進行經(jīng)濟性分析的依據(jù)。詳細說明如下。

在THIC空調(diào)系統(tǒng)中，濕度控制系統(tǒng)承擔空調(diào)建筑的全部濕負荷，而溫度控制系統(tǒng)視設(shè)計情況的需要，可承擔全部或部分顯熱負荷[3]，后續(xù)分析計算中按承擔全部顯熱負荷考慮。顯熱負荷由高溫冷水承擔，高溫冷水則由聯(lián)合運行的E機組與M機組共同承擔。M機組的額定制冷量按空調(diào)建筑的設(shè)計顯熱冷負荷選取，以保證空調(diào)運行的可靠性。E機組額定制冷量的選取，遵循夏季空調(diào)總運行費用(電費+折舊費)最低的原則。由于E機組的COP遠高于M機組，因此空調(diào)建筑的顯熱冷負荷一定時，E機組額定制冷量越大，總運行費用越低，但E機組附加投資的年折舊費越高。顯然，E機組額定制冷量的選取存在一個最佳匹配系數(shù)值，E機組的設(shè)備匹配系數(shù)定義如下

(1)

式中，k為E機組的設(shè)備匹配系數(shù)；Q0為空調(diào)建筑的顯熱設(shè)計冷負荷；Q0.E為E機組的額定制冷量。

3 經(jīng)濟性分析的方法和步驟

以山西大同為例，并首先利用DEST軟件計算出典型空調(diào)建筑的逐時顯熱冷負荷Q，之后針對給定的k值、結(jié)合該城市的室外氣象條件計算E機組不同出水溫度情況下可提供的逐時制冷量Q1′,再結(jié)合E、M機組聯(lián)合運行的方式計算各自承擔的逐時顯熱冷負荷Q1、Q2(Q1′與Q1是不同的)及耗電量N1、N2。最后結(jié)合附加E機組的年折舊費，求得不同k值時對應(yīng)的年空調(diào)運行總費用(文中折舊費均為附加E機組的年折舊費)，進而確定不同類型建筑對應(yīng)的E機組的最佳設(shè)備匹配系數(shù)kopt。最后得到不同建筑在最佳kopt下的附加投資回收期。計算流程見圖2。

圖2 E、M聯(lián)合運行經(jīng)濟性計算流程圖

4 計算方法

4.1 計算過程的基本假定

(1)E機組的平均COP取15(已考慮E機組自用循環(huán)水泵的功率)，M機組的IPLV(綜合部分工況)取8.19。

(2)E機組單位額定功率的設(shè)備初投資為定值，綜合多家制造商的設(shè)備報價統(tǒng)一取900元/kW，安裝費取設(shè)備費的10%。

(3)E機組的使用壽命為15 a。

(4)冷卻塔性能系數(shù)及冷卻水輸送系數(shù)分別取150和41.5[3]。

(5)賓館、商場及辦公樓的電價參考國家電網(wǎng)山西大同地區(qū)的實時電價[5]，其分段電價見表2。

(6)資金使用年利息取5%。

表2 山西省電網(wǎng)峰谷分時電價表

元/(kW·h)

4.2 E機組出水溫度計算

間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的出水溫度[1]

t1=t0-ηtower·{t0-[twb，0-ηl·(twb，0-tdp，0)]}

(2)

式中，t0、twb，0、tdp，0分別為室外空氣的干球溫度、濕球溫度和露點溫度；ηtower為蒸發(fā)冷卻制備冷水裝置中直接蒸發(fā)冷卻模塊的水側(cè)效率；ηl為對新風預(yù)冷的顯熱換熱裝置以室外露點溫度為冷空氣極限溫度的風側(cè)效率；計算分析時ηl取75%，ηtower取90%[1]。

4.3 E、M機組承擔空調(diào)建筑顯熱冷負荷及耗電量的計算方法

如前所述，對于任意給定的E機組出水溫度t1，E機組空調(diào)季總運行時間就隨之確定。對應(yīng)一組k、t1值，利用DEST軟件就可以得到一組E機組可提供的逐時制冷量數(shù)據(jù)。需要說明的是，這并不是E、M機組聯(lián)合運行時E機組實際承擔的顯熱冷負荷。假如E機組的設(shè)備匹配系數(shù)為k，空調(diào)建筑設(shè)計顯熱負荷為Q0(這也是M機組的額定制冷量)，則由式(1)知，E機組的額定制冷量為kQ0?？照{(diào)建筑逐時顯熱負荷為Q，此時E機組可提供的逐時冷量以及E、M機組各自實際承擔的冷量及耗電量計算方法見表3。

表3 E、M機組分擔冷負荷及電耗計算

圖3 夏季空調(diào)運行總費用隨機組匹配系數(shù)k的變化

5 計算結(jié)果及分析

山西大同地區(qū)賓館、商場及辦公樓3種典型建筑采用E、M機組聯(lián)合運行，夏季空調(diào)總運行費用(含E機組附加投資折舊費用，以下同)。隨E機組設(shè)備匹配系數(shù)k的變化見圖3。從圖3可以看出，兩機組聯(lián)合運行時、在一定的設(shè)備匹配系數(shù)范圍內(nèi)，夏季空調(diào)運行總費用均低于M機組單獨運行的費用(圖中縱軸數(shù)值)，且存在一個最佳的設(shè)備匹配系數(shù)kopt。在賓館、商場、辦公樓建筑中，kopt分別為0.46、0.68和0.14。即在3類建筑中、E機組的額定制冷量分別取空調(diào)建筑設(shè)計負荷的46%、68%和14%時，夏季空調(diào)總運行費用最低。

E機組承擔的逐時顯熱冷負荷占建筑逐時冷負荷的比例見圖4。

圖4 E機組承擔的逐時顯熱冷負荷占建筑逐時冷負荷的比例

從圖4可以看出，賓館建筑中E機組實際承擔的空調(diào)逐時冷負荷比例最高，商場次之，辦公樓最低。這主要與空調(diào)運行的時間段以及時間有關(guān)。

大同地區(qū)E機組夏季空調(diào)季節(jié)逐時出水溫度見圖5。

圖5 大同地區(qū)E機組夏季逐時出水溫度

大同地區(qū)E機組夏季運行時間及E機組運行時間占空調(diào)總運行時間的比例見表4。

表4 大同地區(qū)E機組夏季運行時間占比

E、M機組聯(lián)合運行，在最佳E機組設(shè)備匹配系數(shù)kopt時，附加投資回收期計算見表5。

表5 E、M機組聯(lián)合運行時E機組的附加投資動態(tài)投資回收期計算簡表

注：M機組單獨運行以及E、M機組聯(lián)合運行2種情況下，冷凍水泵及空調(diào)末端的電力消耗相同，因此均不予計入。

從表4可以看出，如果采用E、M機組聯(lián)合運行的方式，對于山西大同地區(qū)典型的賓館、商場、辦公樓建筑，E機組的附加投資回收期分別為7.8、11.3 a；而對于辦公樓，動態(tài)投資回收期超過15 a，即設(shè)備的壽命期內(nèi)不能收回附加投資。

6 結(jié)論

(1)對于華北地區(qū)的大同市，如空調(diào)建筑采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)，高溫冷水采用蒸發(fā)冷卻冷水機組輔助機械制冷高溫冷水機組提供空調(diào)用高溫冷水，可以降低夏季空調(diào)運行總費用，提高空調(diào)運行的經(jīng)濟性。

(2)在機械制冷高溫冷水機組與蒸發(fā)冷卻冷水機組聯(lián)合運行的機房設(shè)備選型中，機械制冷高溫冷水機組的額定制冷量應(yīng)按空調(diào)建筑的設(shè)計顯熱冷負荷選取，以確?？照{(diào)運行的可靠性。而蒸發(fā)冷卻冷水機組的額定制冷量對于不同的建筑對應(yīng)一個最佳設(shè)備匹配系數(shù)kopt。對于賓館、商場建筑，其取值分別為0.46、0.68，對應(yīng)的附加設(shè)備動態(tài)投資回收期分別為7.8、11.3 a。而對于辦公樓，最佳匹配系數(shù)為0.14，但動態(tài)投資回收期超過15 a，因此，該地區(qū)辦公樓建筑不適合采用機械制冷高溫冷水機組與蒸發(fā)冷卻冷水機組聯(lián)合運行的方式。