某智慧能源項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)供能方案研究

程 卓，舒 舟，廖 威，林育藝

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518016）

0 引言

隨著大型城市化建設(shè)的發(fā)展，辦公類建筑物數(shù)量逐漸增多，且建筑面積、建筑層高等也日益增加。而建筑能耗所帶來(lái)的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)壓力也越來(lái)越大。因而越來(lái)越多的建筑設(shè)計(jì)開(kāi)始關(guān)注綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)理念。智慧能源項(xiàng)目通過(guò)對(duì)各種能源的綜合管理，旨在實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、降低能源消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑供能經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的目的。將智慧能源理念與現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)理念結(jié)合，盡可能降低建筑能耗，成為當(dāng)前建筑管理研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)果顯示，在各類建筑能耗中，集中空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的比例高達(dá)30%～60%。文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果顯示冷熱源能耗占空調(diào)總能耗的50%以上。因此，如何降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，特別是冷熱源能耗，成為智慧能源項(xiàng)目能耗管理的重中之重[4]。

空調(diào)冷熱源方案的選擇需要綜合考慮初投資、運(yùn)行費(fèi)用、環(huán)保效益等多個(gè)方面[5]。本文以某智慧能源項(xiàng)目綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)需求為前提，利用BIN能耗測(cè)算法和凈現(xiàn)值經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法，從定量的角度對(duì)其空調(diào)系統(tǒng)冷熱源方案進(jìn)行比選。該研究獲取各個(gè)方案的能耗值和經(jīng)濟(jì)效益值比較結(jié)果，從而為項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)冷熱源方案的決策提供依據(jù)，為類似項(xiàng)目空調(diào)冷熱源的選擇提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 建筑信息

本智慧能源項(xiàng)目共建有20層，總建筑面積為44 716.44 m2。建筑物用途主要是地下車庫(kù)、辦公以及設(shè)備用房。除地下車庫(kù)與設(shè)備用房外，其余房間均設(shè)計(jì)集中空調(diào)。

夏季和冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度分別為37℃和-7℃。空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)間由室外干球溫度確定，夏季溫度高于22℃或冬季溫度低于15℃開(kāi)始供冷或供暖?？照{(diào)每天運(yùn)行時(shí)間為8：00—18：00。

1.2 空調(diào)負(fù)荷

本智慧能源項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷由DEST軟件模擬獲得，供冷季典型日負(fù)荷波動(dòng)情況如圖1所示，供暖季典型日負(fù)荷波動(dòng)情況如圖2所示。由圖1和圖2可見(jiàn)，本智慧能源項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為3 000 kW，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為4 650 kW。

圖1 供冷季典型日負(fù)荷波動(dòng)情況

圖2 供暖季典型日負(fù)荷波動(dòng)情況

2 冷熱源方案

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘可知，本項(xiàng)目西側(cè)建有全年運(yùn)行的0.4 MPa市政蒸汽熱力管網(wǎng)，東側(cè)有20 000 m3市政自來(lái)水蓄水池?；陧?xiàng)目資源，本項(xiàng)目的冷熱源方案有3種。

方案一：電制冷水冷冷水機(jī)組+城市熱網(wǎng)。夏季空調(diào)冷源由電制冷水冷冷水機(jī)組制備；冬季熱源由市政蒸汽熱力網(wǎng)經(jīng)汽水換熱器熱交換制備。冷水機(jī)組及汽水換熱器布置于地下一層的空調(diào)機(jī)房中。供能示意圖如圖3所示。

圖3 方案一供能示意圖

方案二：風(fēng)冷熱泵。夏季冷源及冬季熱源均由風(fēng)冷熱泵主機(jī)提供，一機(jī)兩用。熱泵主機(jī)布置于建筑物屋面，無(wú)需專門的機(jī)房。配套水泵布置于地下一層的泵房中。供能示意圖如圖4所示。

圖4 方案二供能示意圖

方案三：水源熱泵。夏季冷源及冬季熱源均由水源熱泵主機(jī)提供，一機(jī)兩用。為防止市政自來(lái)水蓄水池水體污染，增加水源-中介水板式換熱器，中介水作為水源熱泵低溫?zé)嵩?。水源熱泵主機(jī)及水源-中介水換熱器布置于地下一層的空調(diào)機(jī)房中。供能示意圖如圖5所示。

圖5 方案三供能示意圖

3 冷熱源供能方案能耗比選

目前常用空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算方法包括度日法、當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法、負(fù)荷頻率表法（BIN法）、電子計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算法等，各種方法所得結(jié)果差別不大[6]。本文運(yùn)用BIN法進(jìn)行能耗分析。本智慧能源項(xiàng)目供冷季和供暖季BIN氣象參數(shù)如圖6和圖7所示。

圖6 供冷季BIN氣象參數(shù)

圖7 供暖季BIN氣象參數(shù)

基于BIN氣象參數(shù)的能耗計(jì)算公式如式（1）和式（2）所示：

式中：qL和qR分別為設(shè)計(jì)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷；twi為第i時(shí)刻室外空氣干球溫度；Twj為j溫度對(duì)應(yīng)的BIN時(shí)間頻數(shù)；ta和tb分別為夏季供冷及冬季供暖開(kāi)始時(shí)刻室外空氣干球溫度，分別取22℃和15℃；tL和tR分別為夏季供冷及冬季供暖室外計(jì)算空氣干球溫度，分別取37℃和-7℃。

根據(jù)式（1）和式（2）可得本智慧能源項(xiàng)目3種冷熱源方案供能量及能耗，如表1所示。

表1 各冷熱源方案能耗值

基于項(xiàng)目所在地2016—2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為0.433 kg/（kW·h），取線損率為7.8%、鍋爐綜合效率為85%、熱網(wǎng)損耗為9.7%，將表1中的能耗值折算為一次能源，并利用能源利用率（供冷供熱量與一次能耗的比值）對(duì)各冷熱源方案進(jìn)行能耗比較，各冷熱源方案一次能源利用率如圖8所示。

圖8 各冷熱源方案一次能源利用率

由圖8數(shù)據(jù)可知，電制冷水冷冷水機(jī)組及水源熱泵機(jī)組較風(fēng)冷熱泵機(jī)組在供冷季具有更高的能源利用率；水源熱泵機(jī)組及風(fēng)冷熱泵機(jī)組較市政熱網(wǎng)在供暖季具有更高的能源利用率。對(duì)全年空調(diào)能耗而言，水源熱泵系統(tǒng)相較于電制冷水冷冷水機(jī)組+市政熱網(wǎng)系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)能源利用率更高，節(jié)能效果更為明顯。

4 冷熱源供能方案經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 初投資對(duì)比

進(jìn)行各冷熱源方案初投資對(duì)比時(shí)，本文主要關(guān)注土建費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)及安裝費(fèi)3個(gè)方面。本項(xiàng)目由于利用地下1層作為空調(diào)機(jī)房，無(wú)需新增建筑；方案二風(fēng)冷熱泵主機(jī)布置在屋面也無(wú)新增建筑，因而本項(xiàng)目土建費(fèi)不參與比較。

設(shè)備購(gòu)置費(fèi)中除空調(diào)設(shè)備外，還包括配套的變配電設(shè)施費(fèi)用及蒸汽增容費(fèi)[7]。其中方案一的蒸汽增容費(fèi)為20萬(wàn)元/t，方案一和方案三的安裝工程費(fèi)取設(shè)備購(gòu)置費(fèi)的30%，方案二的安裝工程費(fèi)取設(shè)備購(gòu)置費(fèi)的15%。各方案空調(diào)冷熱源初投資情況如表2所示。

表2 各方案初投資情況 （萬(wàn)元）

4.2 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

各冷熱源方案年運(yùn)行費(fèi)用主要包括系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所消耗的水、電、汽的費(fèi)用以及設(shè)備維護(hù)管理費(fèi)。本智慧能源項(xiàng)目用電價(jià)格為0.55元/（kW·h），蒸汽價(jià)格為99元/t，水的價(jià)格為1.2元/m3，設(shè)備維護(hù)管理費(fèi)取年投資費(fèi)用的5%?；谏鲜鰡挝怀杀緮?shù)據(jù)，可得到各方案運(yùn)行費(fèi)用情況如表3所示。

表3 各方案運(yùn)行費(fèi)用情況 （萬(wàn)元）

4.3 費(fèi)用凈現(xiàn)值對(duì)比

為了評(píng)價(jià)本智慧能源項(xiàng)目空調(diào)冷熱源方案經(jīng)濟(jì)性，利用公式（3）所示的凈現(xiàn)值NPV計(jì)算公式進(jìn)行比較。

式中：CI為資金流入量；CO為資金流出量；n為技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)壽命；ic為設(shè)定的折現(xiàn)率。

本智慧能源項(xiàng)目3種冷熱源方案的經(jīng)濟(jì)壽命取20年，采用最短壽命法，按15年計(jì)，將殘值（設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命結(jié)束時(shí)，設(shè)備凈殘值率取10%）攤至20年并計(jì)取15年的現(xiàn)值。則各冷熱源方案凈現(xiàn)值結(jié)果如圖9所示。

圖9 3種方案凈現(xiàn)值

由3種空調(diào)冷熱源方案的凈現(xiàn)值對(duì)比結(jié)果可以看出，水源熱泵方案的費(fèi)用凈現(xiàn)值最低，電制冷水冷冷水機(jī)組+市政熱力網(wǎng)方案凈現(xiàn)值次之，風(fēng)冷熱泵方案的凈現(xiàn)值最高。由此可以看出水源熱泵方案的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

在辦公類建筑智慧能源項(xiàng)目管理中，空調(diào)冷熱源方案的優(yōu)選是節(jié)能降耗研究的重要內(nèi)容。本文以具體的智慧能源項(xiàng)目為例，對(duì)其空調(diào)冷熱源方案的能耗及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析。從能耗角度，電制冷水冷冷水機(jī)組與水源熱泵方案的供冷能源利用率較高，風(fēng)冷熱泵與水源熱泵方案的供暖能源利用率較高；從經(jīng)濟(jì)性角度，風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)的凈現(xiàn)值最大，電制冷水冷冷水機(jī)組+市政熱網(wǎng)系統(tǒng)次之，水源熱泵系統(tǒng)最少。因此，水源熱泵系統(tǒng)相較于其他兩種空調(diào)冷熱源方案，能耗水平更低，經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。