一種新型消防水池蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式及經(jīng)濟(jì)性分析*

陰勇光 周 敏 王晶軒

(中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安)

0 引言

隨著國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”政策的提出,各行各業(yè)都開(kāi)始探索減碳途徑。據(jù)《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2019》中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),建筑運(yùn)行的總能耗約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21%,人均建筑運(yùn)行碳排放量約占全國(guó)人均總碳排放量的20%[1],而在建筑運(yùn)行碳排放構(gòu)成中,供冷供熱碳排放占比很大。因此,減少建筑運(yùn)行供冷供熱過(guò)程中的碳排放量極為重要。

消防水池是建筑消防系統(tǒng)的重要設(shè)施之一,其主要功能是儲(chǔ)存消防用水,供消防水泵吸水以撲滅事故火災(zāi)[2]。消防水池的使用屬性決定其使用頻率非常低,而蓄能技術(shù)的發(fā)展為消防水池的充分利用提供了新的思路。目前有很多實(shí)際工程項(xiàng)目都采用了消防水池蓄冷的設(shè)計(jì)思路。馬立等人介紹了某商場(chǎng)空調(diào)工程利用消防水池蓄冷的運(yùn)行效果,討論了利用消防水池蓄冷的特點(diǎn)和運(yùn)行方式,蓄冷水池水溫超過(guò)10 ℃時(shí),則停止蓄冷系統(tǒng)供冷,改由主機(jī)供冷[3]。車丹對(duì)北京某項(xiàng)目消防水池蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行策略及方案效益進(jìn)行了分析,在假定條件下采用消防水池蓄冷的投資回收期為7.55 a,相對(duì)較長(zhǎng)[4]。譚志波等人以某商業(yè)項(xiàng)目為例,提出了不同冷源配置方案并進(jìn)行了比較,計(jì)算得出消防水池蓄冷系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為常規(guī)水冷系統(tǒng)的43.56%,靜態(tài)投資回收期相對(duì)于水冷系統(tǒng)為1.98 a[5]。

目前已有的利用消防水池蓄冷的工程實(shí)例中,當(dāng)消防水池中的水溫超過(guò)12 ℃時(shí),就停止對(duì)其繼續(xù)利用,導(dǎo)致低品位冷源的浪費(fèi)。針對(duì)該現(xiàn)象,提出冷卻塔和消防水池并聯(lián)運(yùn)行的策略,利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度,從而提高冷水機(jī)組運(yùn)行COP,降低運(yùn)行費(fèi)用,減少碳排放。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概述

該項(xiàng)目位于陜西省西咸新區(qū),空調(diào)面積約8.2萬(wàn)m2,建筑類型包括商務(wù)寫字樓、商務(wù)辦公樓、公寓式酒店及商業(yè)配套等,消防水池有效體積約1 000 m3。項(xiàng)目基本信息見(jiàn)表1。

1.2 負(fù)荷計(jì)算

利用區(qū)域能源分析計(jì)算軟件進(jìn)行能耗模擬計(jì)算,室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)參數(shù)執(zhí)行,供冷時(shí)間為每年5月15日—9月15日。經(jīng)計(jì)算,該項(xiàng)目設(shè)計(jì)日空調(diào)冷負(fù)荷峰值為6 532 kW,設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷曲線見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷

2 系統(tǒng)原理及分析方法

2.1 系統(tǒng)原理

本文提出的新型消防水池蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式原理見(jiàn)圖2。

注:t1為冷凝器進(jìn)水溫度;t2為冷凝器出水溫度;t3為冷卻塔出水溫度;t4為冷卻水與消防水池中的冷水在板式換熱器中換熱后的溫度;t5為消防水池中冷水進(jìn)板式換熱器的溫度;t6為消防水池側(cè)冷水經(jīng)過(guò)換熱升溫后的溫度;V1～V6為電動(dòng)閥。圖2 新型消防水池蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式原理圖

該系統(tǒng)的4種運(yùn)行模式具體操作如下。

1) 空氣源熱泵蓄冷:利用夜間谷值電價(jià),使用空氣源熱泵機(jī)組將消防水池中的水溫蓄冷至12 ℃。閥門開(kāi)關(guān)情況:V1開(kāi),其余閥門關(guān)。

2) 低溫冷水機(jī)組蓄冷:利用夜間谷值電價(jià),使用低溫冷水機(jī)組將消防水池中的水溫從12 ℃蓄冷至5 ℃。閥門開(kāi)關(guān)情況:V3、V5開(kāi),其余閥門關(guān)。

3) 消防水池供冷:白天用消防水池中的冷水與末端回水在板式換熱器中換熱,直供末端用戶。閥門開(kāi)關(guān)情況:V2開(kāi),其余閥門關(guān)。

4) 并聯(lián)供冷:當(dāng)白天冷負(fù)荷較大時(shí),開(kāi)啟低溫冷水機(jī)組,冷卻塔和消防水池并聯(lián)運(yùn)行,利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度,從而提升冷水機(jī)組運(yùn)行COP。閥門開(kāi)關(guān)情況:V4～V6開(kāi),V1～V3關(guān)。

2.2 系統(tǒng)分析方法

針對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工況,對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析討論,設(shè)計(jì)工況參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)工況參數(shù)

根據(jù)GB/T 50392—2006《機(jī)械通風(fēng)冷卻塔工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》可知,相對(duì)濕度、干球溫度、濕球溫度、大氣壓力之間的相互關(guān)系為

(1)

(2)

式(1)、(2)中p″為飽和水蒸氣分壓力,kPa;t為環(huán)境溫度,℃;φ為相對(duì)濕度;p為大氣壓力,kPa;θ為干球溫度,℃;τ為濕球溫度,℃;p″τ為空氣溫度為τ時(shí)的水蒸氣分壓力,kPa;p″θ為空氣溫度為θ時(shí)的水蒸氣分壓力,kPa。

根據(jù)式(1)、(2),忽略大氣壓力的影響,用數(shù)學(xué)分析軟件進(jìn)行非線性曲面擬合,給出本文求解濕球溫度的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式[6]。

(3)

式中τ0=-5.861 54;A01=0.581 74;B01=0.148 5;B02=-0.001 91;B03=1.101 768×10-5;A1=0.003 6;A2=-9.798 22×10-5;A3=9.268 24×10-7;B1=-0.008 99;B2=4.381 11×10-5。

根據(jù)式(3)求出設(shè)計(jì)日工況下的逐時(shí)濕球溫度。對(duì)于該項(xiàng)目,冷卻塔出水溫度按3 ℃溫差進(jìn)行計(jì)算:

t3=τ+3

(4)

計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)日濕球溫度及冷卻塔出水溫度計(jì)算結(jié)果 ℃

根據(jù)低溫冷水機(jī)組設(shè)備選型可知:

t2=t1+5

(5)

以消防水池中的水循環(huán)一次進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)質(zhì)量守恒及能量守恒定律有:

m(t2-t1)=m1(t2-t3)+m2(t2-t4)

(6)

m=m1+m2

(7)

(8)

式(6)～(8)中m為冷卻水總流量,kg/s,取208 kg/s;m1為冷卻水進(jìn)冷卻塔側(cè)流量,kg/s;m2為與消防水池中的冷水在板式換熱器中換熱的冷卻水流量,kg/s。

計(jì)算日m1和m2計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 設(shè)計(jì)日m1和m2計(jì)算結(jié)果 kg/s

Qi=Q1,i+Q2,i

(9)

Qi=cpm(t2-t1)H

(10)

Q1,i=cpm1(t2-t3)H

(11)

(12)

(13)

式(9)～(13)中Qi為冷卻水在i時(shí)刻的總散熱量,kW·h;Q1,i為冷卻塔側(cè)冷卻水在i時(shí)刻承擔(dān)的散熱量,kW·h;Q2,i為消防水池側(cè)冷卻水在i時(shí)刻承擔(dān)的散熱量,kW·h;cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃),取4.2 kJ/(kg·℃);H為計(jì)算時(shí)長(zhǎng),h,取1 h;Q1,a為冷卻塔側(cè)冷卻水在08:00—20:00時(shí)間段的總散熱量,kW·h;Q2,a為消防水池側(cè)冷卻水在08:00—20:00時(shí)間段的總散熱量,kW·h。

設(shè)計(jì)日Q1,i和Q2,i計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 設(shè)計(jì)日Q1,i和Q2,i計(jì)算結(jié)果 kW·h

消防水池側(cè)冷水經(jīng)過(guò)換熱升溫后的溫度:

(14)

式中M為消防水池中水的質(zhì)量,kg。

經(jīng)計(jì)算,t6=17.2 ℃。

設(shè)定不同的t1及t4數(shù)值,可計(jì)算出不同工況下的Q1,a和Q2,a,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖4 不同冷凝器進(jìn)水溫度下的冷卻水散熱量

圖4給出了不同冷凝器進(jìn)水溫度下的冷卻水散熱量變化趨勢(shì)。可以看出,當(dāng)t4保持不變時(shí),冷凝器進(jìn)水溫度越高,消防水池側(cè)承擔(dān)的冷卻水散熱量比例越小。由上述計(jì)算公式可知,冷凝器進(jìn)水溫度越高,冷卻水進(jìn)冷卻塔側(cè)的流量越大,導(dǎo)致消防水池側(cè)的冷卻水散熱量逐漸減小。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

本文提出的新型消防水池蓄冷系統(tǒng)的4種運(yùn)行模式中,空氣源熱泵蓄冷利用夜間谷值電價(jià),使用空氣源熱泵將消防水池中的水溫降低,會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)用;低溫冷水機(jī)組蓄冷和消防水池供冷利用峰谷電價(jià)差,夜間谷值電價(jià)蓄冷,白天供冷,節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用;并聯(lián)供冷利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度,從而提升冷水機(jī)組運(yùn)行COP,降低運(yùn)行費(fèi)用。

以設(shè)計(jì)工況為例,分別計(jì)算上述4種模式的運(yùn)行費(fèi)用,分析設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.1 夜間蓄冷工況計(jì)算

1) 空氣源熱泵蓄冷量。

(15)

(16)

式(15)、(16)中Q3為空氣源熱泵蓄冷量,kW·h;t7為空氣源熱泵蓄冷的最終溫度,℃,取12 ℃;W3為空氣源熱泵蓄冷耗電量,kW·h;Cfr為空氣源熱泵COP。

經(jīng)計(jì)算,Q3=6 017.5 kW·h,W3=925.8 kW·h。

2) 低溫冷水機(jī)組蓄冷量。

(17)

(18)

式(17)、(18)中Q4為低溫冷水機(jī)組蓄冷量,kW·h;t8為低溫冷水機(jī)組蓄冷的最終溫度,℃,取5 ℃;W4為低溫冷水機(jī)組蓄冷耗電量,kW·h;Cdl為低溫冷水機(jī)組COP。

經(jīng)計(jì)算,Q4=8 166.7 kW·h,W4=1 484.8 kW·h。

3.2 日間供冷工況計(jì)算

Q5=Q6-Qxz

(19)

(20)

式(19)、(20)中Q5為低溫冷水機(jī)組日間承擔(dān)的供冷量,kW·h;Q6為末端用戶日間冷負(fù)荷,kW·h;Qxz為消防水池直接供冷量,kW·h,Qxz=Q4;W1為常規(guī)冷水機(jī)組日間供冷耗電量,kW·h;Ccl為常規(guī)冷水機(jī)組COP。

經(jīng)計(jì)算,Q6=56 009 kW·h,Q5=47 842.3 kW·h,W1=7 973.7 kW·h。

該系統(tǒng)低溫冷水機(jī)組在白天運(yùn)行時(shí),按照冷凝器進(jìn)水溫度每降低1 ℃,機(jī)組制冷COP平均提高3.3%進(jìn)行計(jì)算[7],即

Cxt=Ccl[1+(t9-t1)×3.3%]

(21)

式中Cxt為系統(tǒng)COP;t9為常規(guī)冷水機(jī)組冷凝器進(jìn)水溫度,℃,取32 ℃。

經(jīng)計(jì)算,Cxt=6.6。

該系統(tǒng)低溫冷水機(jī)組日間供冷耗電量:

(22)

式中W2為該系統(tǒng)低溫冷水機(jī)組日間供冷耗電量,kW·h。

經(jīng)計(jì)算,W2=7 255.4 kW·h。

3.3 運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約部分計(jì)算

1) 利用峰谷電價(jià)差,夜間谷值電價(jià)蓄冷,白天供冷所節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算。

夜間谷值電價(jià)蓄冷運(yùn)行電費(fèi):

V1=W4Vgd

(23)

式中V1為谷值電價(jià)蓄冷運(yùn)行電費(fèi),元;Vgd為谷值電價(jià),元/(kW·h)。

常規(guī)方案(不蓄冷)運(yùn)行電費(fèi):

(24)

式中V2為常規(guī)方案(不蓄冷)的運(yùn)行電費(fèi),元;Vfd為峰值電價(jià),元/(kW·h)。

利用峰谷電價(jià)差,夜間谷值電價(jià)蓄冷,白天供冷所節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用V3為

V3=V2-V1

(25)

經(jīng)計(jì)算,V3=718.5元。

2) 日間利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度所節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算。

日間供冷節(jié)約電量:

W=W1-W2

(26)

式中W為日間供冷節(jié)約電量,kW·h。

經(jīng)計(jì)算,W=718.3 kW·h。

因此,日間利用消防水池的低品位冷源降低冷卻水溫度所節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用V4為

V4=WVfd

(27)

綜上可得,該系統(tǒng)共節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用V5為

V5=V3+V4

(28)

經(jīng)計(jì)算,V4=517.0元,V5=1 235.5元。

3.4 運(yùn)行費(fèi)用增加部分計(jì)算

利用夜間谷值電價(jià),使用空氣源熱泵將消防水池中的水溫蓄冷至12 ℃,此模式增加的運(yùn)行費(fèi)用V6為

V6=W3Vgd

(29)

經(jīng)計(jì)算,V6=300.9元。

綜上可知,應(yīng)用本文提出的消防水池蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式可節(jié)約的凈運(yùn)行費(fèi)用V為

V=V5-V6

(30)

經(jīng)計(jì)算,V=934.6元。

3.5 靜態(tài)回收期計(jì)算

該系統(tǒng)與常規(guī)冷水機(jī)組系統(tǒng)相比,增加的主要設(shè)備及投資見(jiàn)表6。

表6 增加的主要設(shè)備及投資

該系統(tǒng)增加的主要設(shè)備投資合計(jì)約62萬(wàn)元。按照該項(xiàng)目供冷季4個(gè)月計(jì)算,每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約11.21萬(wàn)元,靜態(tài)回收期為5.5 a。

4 結(jié)論

本文提出一種新型消防水池蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式,經(jīng)分析計(jì)算,得出以下結(jié)論:

1) 當(dāng)冷凝器進(jìn)水溫度t1不變時(shí),隨著t4的升高,消防水池側(cè)冷卻水的散熱量占比提高。

2)t4保持不變時(shí),冷凝器進(jìn)水溫度每提高0.5 ℃,消防水池側(cè)承擔(dān)的冷卻水散熱量占比降低約10%。

3) 與常規(guī)冷水機(jī)組系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)增加的主要設(shè)備投資約62萬(wàn)元,設(shè)計(jì)工況下平均每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約11.21萬(wàn)元,靜態(tài)回收期為5.5 a。

4) 該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),應(yīng)調(diào)節(jié)冷卻水在冷卻塔側(cè)及消防水池側(cè)的流量,適當(dāng)提高冷凝器進(jìn)水溫度,從而盡可能降低運(yùn)行費(fèi)用。