中山某工業(yè)園蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行經(jīng)濟性分析

田彩霞

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣州 510500）

1 項目概況

廣東省中山市某工業(yè)園一二期項目主要功能為廠房、辦公研發(fā)、配套餐廳等，其中一期包括1#餐廳、2#及3#生產(chǎn)車間，二期包括4#辦公樓、5#～7#生產(chǎn)車間，總建筑面積115 700 m3，空調(diào)制冷總面積99 370 m3。根據(jù)項目設(shè)計需求，各建筑物使用功能和時間如表1所示。

表1 項目設(shè)計需求Tab.1 Project Design Requirements

2 冷源方案

2.1 電價參數(shù)

依據(jù)中山市電網(wǎng)銷售價格，詳細分時電價如表2所示。

表2 中山市分時電價Tab.2 Time-of-use Electricity Price in Zhongshan

2.2 空調(diào)負荷

通過對項目進行逐時冷負荷計算得知，一、二期尖峰總負荷為26 198 kW，設(shè)計日空調(diào)總負荷為388 239 kW·h，全年空調(diào)總負荷約為7 9103 000 kW·h。根據(jù)表1廠房使用功能和使用時間，本項目全天均有負荷需求，且晝夜負荷相差較大。其中電力峰段冷負荷為176 541 kW·h，電力平段冷負荷為162 718 kW·h，電力谷段冷負荷為48 980 kW·h。設(shè)計日逐時冷負荷曲線如圖1所示。

圖1 設(shè)計日逐時冷負荷曲線Fig.1 Design a Day-to-hour Cooling Load Curve

3 蓄冷系統(tǒng)原理與冷源設(shè)備選型

3.1 蓄冷原理

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的工作原理是在夜間用電谷段時制冷，利用水、冰等蓄冷介質(zhì)將日間空調(diào)所需冷量儲存起來，在日間用電峰段釋冷，達到滿足建筑物全天空調(diào)用冷的情況下，移峰填谷，轉(zhuǎn)移日間用電負荷的目的。目前，國內(nèi)常用的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)有冰蓄冷系統(tǒng)和水蓄冷系統(tǒng)［1-4］。

冰蓄冷是一種通過相變潛熱蓄冷的技術(shù)。利用水在0 ℃時發(fā)生相變的物理特性，從而實現(xiàn)水凝固成固態(tài)冰時儲存冷量，固態(tài)冰融化為水時釋放冷量［5］。水蓄冷是一種通過水中的溫度變化來儲存顯熱的技術(shù)。在標準大氣壓下，水的密度與溫度相關(guān)，4 ℃水溫時密度最大，當(dāng)水溫高于4 ℃時溫度升高、密度減少，當(dāng)水溫小于4 ℃時溫度升高、密度增大。從而使高溫回水聚集在蓄冷槽頂部，低溫供水聚集在蓄冷槽底部［6］。

3.2 冷源設(shè)備選型

為對比本項目采用常規(guī)冷源和蓄冷冷源方案的差異，首先由計算得出的空調(diào)負荷，對常規(guī)系統(tǒng)、水蓄冷系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)3種不同空調(diào)冷源系統(tǒng)進行設(shè)計，并估算得出3 種冷源系統(tǒng)的空調(diào)設(shè)備綜合造價，結(jié)果如表3所示。

表3 冷源設(shè)備配置Tab.3 Cold Source Device Configuration

由表3可知，常規(guī)系統(tǒng)造價最低，為1 446萬元。冰蓄冷系統(tǒng)投資造價最高，為2 606萬元，比常規(guī)系統(tǒng)增加投資1 160萬元。而水蓄冷系統(tǒng)投資造價為2 566 萬元，比常規(guī)系統(tǒng)增加投資1 120 萬元。蓄冷系統(tǒng)投資造價約為常規(guī)系統(tǒng)的1.8 倍。雖然，蓄冷系統(tǒng)在制冷機組、水泵和冷卻塔的配置數(shù)量和投資要小于常規(guī)系統(tǒng)，可是復(fù)雜的蓄冷水罐、蓄冰盤管裝置投資占比較大，導(dǎo)致蓄冷系統(tǒng)初投資高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。

4 蓄冷系統(tǒng)運行模式與控制策略

4.1 水蓄冷系統(tǒng)運行模式于控制策略

當(dāng)采用水蓄冷系統(tǒng)作為空調(diào)冷源時，夜間基載制冷機運行7～12 ℃工況滿足夜間谷電時段冷負荷，水蓄冷冷機運行4～12 ℃蓄冷工況，冷水儲存在蓄冷罐中，蓄滿蓄冷罐，多余冷量可以在第二天使用，減少第二天的蓄冷量。日間制冷機優(yōu)先運行，不足部分由蓄冷罐釋冷供冷。按照100%、75%、50%和25%的4 種負荷率分別進行熱平衡計算，運行策略如圖2所示。

圖2 水蓄冷系統(tǒng)日運行策略Fig.2 The Water Storage System for Daily Operation

4.2 冰蓄冷系統(tǒng)運行模式與控制策略

當(dāng)采用冰蓄冷系統(tǒng)作為空調(diào)冷源時，夜間基載制冷機運行7～12 ℃工況滿足夜間谷電時段冷負荷，蓄冷冷機運行-5.6 ℃～（-2.3）℃蓄冰工況。日間基載制冷機和冰蓄冷制冷機優(yōu)先運行供冷模式，不足部分由蓄冰盤管融冰供冷，且在非尖峰負荷時段，離心冷機和螺桿冷機運行在設(shè)備的最優(yōu)效率點，變頻釋冷泵從蓄冰槽中變流量調(diào)節(jié)放冷，滿足系統(tǒng)運行在最佳效率點。按照100%、75%、50%和25%的4 種負荷率分別進行熱平衡計算，運行策略如圖3所示。

圖3 冰蓄冷系統(tǒng)日運行策略Fig.3 The Ice Storage System for Daily Operation

5 經(jīng)濟性分析

為了對比3 種冷源方案在投產(chǎn)運行的經(jīng)濟性，通過上文所述水蓄冷系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)運行策略，并由表2 中山市分時電價，分別計算100%、75%、50%和25%的4 種負荷分布下3 種冷源方案的運行電費。根據(jù)不同負荷分布運行天數(shù)計算年供冷運行費用和靜態(tài)回收期對比，結(jié)果如表4～表5所示。

表4 不同負荷分布日供冷運行電費對比Tab.4 Comparison of Daily Cooling Operating Electricity Costs with Different Load Distributions

表5 年供冷運行電費對比與靜態(tài)回收期Tab.5 Comparison of Annual Cooling Operating Electricity Costs and Static Payback Period

以運行電費作為冷源方案的經(jīng)濟性評價標準，由表4 可知，在不同負荷分布下水蓄冷系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)所需電費均小于常規(guī)系統(tǒng)。即無論采用任何運行策略，蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性均優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)。

由表5 可看出，3 種冷源方案年運行電費由高到低為：常規(guī)系統(tǒng)＞水蓄冷系統(tǒng)＞冰蓄冷系統(tǒng)，蓄冷系統(tǒng)年供冷運行電費只有常規(guī)冷源系統(tǒng)的1/3。其中，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)年運行電費約為1 649 萬元。水蓄冷系統(tǒng)約為1 075 萬元，較常規(guī)系統(tǒng)節(jié)約574 萬元，冰蓄冷系統(tǒng)約為1 130 萬元，較常規(guī)系統(tǒng)節(jié)約519萬元。水蓄冷系統(tǒng)較冰蓄冷系統(tǒng)多節(jié)約運行電費55 萬元。常規(guī)系統(tǒng)雖然初期投資較低，但是后期運行電費遠高于蓄冷系統(tǒng)。若僅考慮節(jié)約電費和初期設(shè)備投資，水蓄冷系統(tǒng)1.95 年可回收投資成本，冰蓄冷系統(tǒng)則需2.80 年，可見，水蓄冷系統(tǒng)靜態(tài)回收期短于冰蓄冷系統(tǒng)。

6 結(jié)論

⑴ 由冷源設(shè)備配置表可知，本項目采用蓄冷系統(tǒng)作為冷源時，水蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)初 投 資 增 加1 120 萬元，冰蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)初投資增加1 160 萬元。這是由于蓄冷水罐、蓄冰盤管裝置投資費用較高，導(dǎo)致蓄冷系統(tǒng)初投資高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。

⑵ 從年運行電費來看，水蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)節(jié)約年運行費用節(jié)約574 萬元，冰蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)節(jié)約年運行費用節(jié)約519萬元。水蓄冷系統(tǒng)節(jié)約年運行費用更多。

⑶ 而從投資靜態(tài)回收期來看，水蓄冷系統(tǒng)為1.95 年、冰蓄冷系統(tǒng)為2.80 年。從長遠來看，蓄冷系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)冷源系統(tǒng)，且水蓄冷系統(tǒng)回收期更短。