基于溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)全生命周期總費(fèi)用分析

朱常琳 張金寶 朱樹園 周 敏 郭星辰

（1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055；2.杭州華電華源環(huán)境工程有限公司，浙江 杭州 310000；3.深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 深圳 518000；4.中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710018）

空調(diào)用電負(fù)荷的峰谷時(shí)段常與電網(wǎng)峰谷時(shí)段重疊，是影響電網(wǎng)負(fù)荷與需求平衡的主要原因之一?？照{(diào)用電問(wèn)題已成為電力需求側(cè)管理的重要組成部分，而冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用使電網(wǎng)失衡等問(wèn)題逐漸得到改善，對(duì)調(diào)峰填谷、調(diào)節(jié)電網(wǎng)能量平衡及節(jié)能具有重要意義。但是目前冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)仍與傳統(tǒng)模式較相似[1-2]，沒(méi)有真正挖掘出冰蓄冷方式（如節(jié)能）的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)借助單一的低溫冷源處理室內(nèi)的潛熱、顯熱負(fù)荷，而溫濕分控的空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)高溫冷源處理室內(nèi)顯熱負(fù)荷來(lái)節(jié)約能源。該系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行單獨(dú)調(diào)控，可提升室內(nèi)舒適性。本文以深圳市某節(jié)能辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)動(dòng)態(tài)全生命周期費(fèi)用計(jì)算法來(lái)分析溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 某節(jié)能辦公建筑的幾何模型及其空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)能耗

深圳某節(jié)能辦公建筑高度為21.8m，總面積為2700m2，其空調(diào)系統(tǒng)采用溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。

首先，用Sketch UP 軟件建立該辦公建筑的幾何模型，如圖1所示。其次，在Energyplus 能耗模擬軟件的插件Openstudio中搭建溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。最后，在Energyplus 軟件環(huán)境中運(yùn)行，并得出相應(yīng)的逐時(shí)能耗參數(shù)[3]，即常規(guī)系統(tǒng)在單個(gè)制冷季中的逐時(shí)最大功耗是108kW，單個(gè)制冷季的耗電量為132003kW·h；溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)夜間蓄冷的功耗為35kW 左右，白天供冷逐時(shí)功耗最大是58kW，單個(gè)制冷季的耗電量為116414kW·h。從功耗方面看，溫濕分控的冰蓄冷系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能15%。在此基礎(chǔ)上對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

圖1 某節(jié)能辦公建筑的幾何模型

該辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)的最大逐時(shí)冷負(fù)荷為400948W[3]。由于該建筑的負(fù)荷并不大，因此一臺(tái)雙工況主機(jī)即可滿足室內(nèi)的冷負(fù)荷要求。

2 溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

該辦公建筑的溫濕分控冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。在電價(jià)為谷價(jià)時(shí)段，雙工況冷水機(jī)組以低溫工況運(yùn)行，在蓄冰槽中儲(chǔ)存冷量，供白天新風(fēng)機(jī)組除濕；在日間負(fù)荷時(shí)段，雙工況機(jī)組變成高溫主機(jī)運(yùn)行工況，和其他高溫主機(jī)共同對(duì)建筑的顯熱負(fù)荷進(jìn)行供冷。系統(tǒng)通過(guò)蓄冷槽中的冷量，以2℃冷水的形式取出，供給室內(nèi)空調(diào)末端并處理潛熱負(fù)荷[3]。

圖2 溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的工作原理圖

3 空調(diào)系統(tǒng)全生命周期總費(fèi)用計(jì)算

冰蓄冷系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)“移峰填谷”功能。主要機(jī)理是在夜間低峰時(shí)段蓄冰，在白天高峰時(shí)段進(jìn)行制冷，滿足夏季高峰負(fù)荷的需求，并降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本。這不僅能減少發(fā)電系統(tǒng)的一次能源，如煤炭、天然氣和石油等的消耗，還能減少二氧化碳排放，提高系統(tǒng)的能效[4]。

本文選用動(dòng)態(tài)全生命周期總費(fèi)用計(jì)算法來(lái)分析溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。分析中需要計(jì)算溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資與安裝費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用以及供冷季的運(yùn)行費(fèi)用。

3.1 動(dòng)態(tài)全生命周期總費(fèi)用計(jì)算法

動(dòng)態(tài)全生命周期總費(fèi)用計(jì)算法如公式（1）所示[5]。

式中：LCC—?jiǎng)討B(tài)生命周期總費(fèi)用，元；OC—該系統(tǒng)總的運(yùn)行費(fèi)用，元；MC—維護(hù)設(shè)備的費(fèi)用，元；n—為年數(shù)，可取15；L—每年能源單價(jià)上漲比例，2%。D—折現(xiàn)率，可取8.5%。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)分析

3.2.1 深圳市電價(jià)

深圳市電價(jià)見表1。

表1 中，中峰期為9:00～12:00，14:00～16:00，19:00～21:00；谷期為23:00～7:00；平價(jià)期為7:00～9:00，12:00～14:00，16:00～19:00，21:00～23:00。由表1 可知，深圳市最大峰谷電價(jià)比接近5 ∶1?？梢?，溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)可緩解深圳電網(wǎng)用電壓力，同時(shí)也可使用戶產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.2 運(yùn)行電費(fèi)計(jì)算

目前對(duì)大部分空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析采用供冷季不同冷負(fù)荷率的電費(fèi)估算法，分為100%冷負(fù)荷、75%冷負(fù)荷、50%冷負(fù)荷、25%冷負(fù)荷，再乘以相應(yīng)的天數(shù)。深圳地區(qū)的制冷季供冷天數(shù)為180 天，100%冷負(fù)荷、75%冷負(fù)荷、50%冷負(fù)荷、25%冷負(fù)荷的天數(shù)分別占制冷季總供冷天數(shù)的18%、35%、35%、12%。

通過(guò)采用供冷季不同冷負(fù)荷率的電費(fèi)估算法，并根據(jù)仿真的全年逐時(shí)能耗模擬數(shù)據(jù)繪制不同冷負(fù)荷率下的逐時(shí)負(fù)荷運(yùn)行圖。典型設(shè)計(jì)日100%冷負(fù)荷的逐時(shí)負(fù)荷運(yùn)行圖如圖3所示。在該負(fù)荷率下，計(jì)算各設(shè)備的逐時(shí)耗電量和電費(fèi)，計(jì)算結(jié)果見表2。根據(jù)圖3 可知，夜間冰蓄冷的蓄冷量為100kW·h，白天冰蓄冷的供冷量與高溫主機(jī)的供冷量約為1 ∶3。根據(jù)表2 可知，該系統(tǒng)的耗電量為846kW·h，費(fèi)用為537 元。

圖3 100%冷負(fù)荷的逐時(shí)負(fù)荷運(yùn)行圖

計(jì)算典型設(shè)計(jì)日75%冷負(fù)荷的各設(shè)備的逐時(shí)耗電量，根據(jù)仿真的全年逐時(shí)能耗模擬數(shù)據(jù)繪制不同負(fù)荷率的系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷分配圖。在該負(fù)荷率下計(jì)算各設(shè)備的逐時(shí)耗電量和電費(fèi)，可知夜間冰蓄冷的蓄冷量為100kW·h。經(jīng)計(jì)算可得該系統(tǒng)的耗電量為711kW·h，費(fèi)用為413 元[3]。

計(jì)算典型設(shè)計(jì)日50%冷負(fù)荷的各設(shè)備的逐時(shí)耗電量，根據(jù)仿真的全年逐時(shí)能耗模擬數(shù)據(jù)繪制不同負(fù)荷率的系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷分配圖。在該負(fù)荷率下計(jì)算各設(shè)備的逐時(shí)耗電量和電費(fèi)，可知夜間冰蓄冷的蓄冷量為90kW·h，經(jīng)計(jì)算可得該系統(tǒng)的耗電量為542kW·h，費(fèi)用為285 元[3]。

計(jì)算典型設(shè)計(jì)日25%冷負(fù)荷時(shí)的各設(shè)備逐時(shí)耗電量，根據(jù)仿真的全年逐時(shí)能耗模擬數(shù)據(jù)繪制不同負(fù)荷率的系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷分配圖。在該負(fù)荷率下計(jì)算各設(shè)備的逐時(shí)耗電量和電費(fèi)，可知當(dāng)負(fù)荷較低時(shí)并沒(méi)有使用高溫主機(jī)，此時(shí)高溫負(fù)荷較小，再打開高溫主機(jī)，其COP為5.5 左右，不節(jié)能。因此考慮只使用新風(fēng)來(lái)處理冷負(fù)荷[3]。

溫濕分控的空調(diào)系統(tǒng)不同冷負(fù)荷率下的耗電量與運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算結(jié)果見表3。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同冷負(fù)荷率下的耗電量與運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 溫濕分控的空調(diào)系統(tǒng)不同冷負(fù)荷率下的耗電量與運(yùn)行費(fèi)用

表4 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同冷負(fù)荷率下的耗電量與運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)表3、表4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，可得溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為64242 元，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用是117306 元，溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的45%。

3.3 系統(tǒng)初投資

溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要耗能設(shè)備選型及設(shè)備初投資見表5，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備選型及初投資見表6。同時(shí)安裝費(fèi)用是設(shè)備的10%，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資是31萬(wàn)，溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資是42.3 萬(wàn)，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資增加了26%。

表6 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要耗能設(shè)備選型及初投資

3.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)全生命周期總費(fèi)用

本節(jié)通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析中的靜態(tài)評(píng)價(jià)方法、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)中的動(dòng)態(tài)投資回收期分析法和動(dòng)態(tài)生命周期總費(fèi)用方法，綜合分析動(dòng)態(tài)生命周期總費(fèi)用。采用供冷季不同冷負(fù)荷率的電費(fèi)估算法計(jì)算溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全年電費(fèi)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明了不同負(fù)荷率下的運(yùn)行策略。結(jié)果表明，溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的45%。但是溫濕分控冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高26%。采用動(dòng)態(tài)全生命周期總費(fèi)用法（即公式（1））進(jìn)行計(jì)算，可得溫濕分控冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)全生命周期費(fèi)用為116.9 萬(wàn)元，常規(guī)系統(tǒng)為162.1 萬(wàn)元，節(jié)約費(fèi)用28%。

4 結(jié)論

本文以深圳某辦公建筑的溫濕分控冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用動(dòng)態(tài)全生命周期費(fèi)用計(jì)算法對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，所得結(jié)論如下：溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)的全生命周期費(fèi)用是116.9 萬(wàn)元，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全生命周期費(fèi)用是162.1 萬(wàn)元，前者可節(jié)約費(fèi)用28%。