大温差水蓄冷生产车间空调系统方案经济分析

徐淦锋，赖学江

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江524088）

1 项目概况

项目位于江门高新区，一期厂房建筑面积45300m2，火灾危险性等级为丙级，二期中试大楼、宿舍的建筑面积为43256m2，合计建筑面积为88556m2。地上六层，地下局部一层，总高度为30m。建筑类型为设备装配生产厂房，工人总数约为1000人，生产设备发热量少。生产时间8∶30～18∶00；19∶00～21∶00。考虑到下班后30min人员滞留时间，空调制冷时间延续到21∶30，空调设计运行时间为12个小时。

制冷机房位于负一层空调机房，同时负担二期中试大楼、宿舍负荷，负荷计算采用谐波反应法，设计计算依据如参考文献［1］～［4］，全天总冷负荷最大时间出现在下午16时，建筑全天空调负荷大，但白天负荷波动小。在生产时间，生产厂房内人员密度稳定。典型日总冷负荷为121026kW（34409RT），峰值电价区冷负荷为 59437.3kW（16900RT）。

2 蓄冷方式选择［5］［6］

为了确保冷源方案选择的合理性，设计中根据建筑的特点和电价的实行方式，建筑厂房在负一层有消防水池，建筑全天空调负荷大，且当地实行峰谷电价。考虑建筑的特点及当地的峰谷电价差，采用蓄冷系统最有前景的系统。

水蓄冷目前工程上的做法有两种：（1）常规水蓄冷＋常规末端；（2）大温差水蓄冷＋大温差末端。以下对两种方案进行经济性分析，从初投资、系统运行费用以及回收周期综合考虑。

常规水蓄冷空调系统是指空调末端进出水温度为7／12℃，蓄冷水池进出水温度为11.5／4℃。大温差水蓄冷空调系统空调末端进出水温度为11／16℃，蓄冷水池蓄冷时按蓄冷温度4℃来控制。

在设计中，采用部分蓄冷的原则，即在夜间（0∶00～8∶00）低谷电价段蓄冷制冷机组满负荷向消防水池蓄冷。在白天电力平价阶段 （8∶00～9∶00，12∶00～19∶00，22∶00～24∶00）段，由基载制冷机组和蓄冷制冷机组提供冷量，如果基载制冷机组满足负荷要求，则不开蓄冷制冷机组。在峰值电价 （9∶00～12∶00，19∶00～22∶00）采用释冷模式，释冷优先，基载制冷机组补充所缺的冷负荷。

2.1 设备初投资估算

设备初投资按设备商给的离心冷水机组410元／kW，空调箱1.5元／m3（按照风量估算），风机盘管200元／kW价格进行估算。根据文献［7］，部分蓄冷制冷机名义制冷量按下式计算：

式中：qc—制冷机名义制冷量，kW；

qd—典型设计日总冷负荷，kW，qd＝34409；

n2—白天制冷机在空调工况下运行时间，h，n2＝12；

cf—制冷机蓄冷能效系数，取0.9；

n1—夜间制冷机在蓄冷工况下运行的时间，h，n1＝8；

代入公式计算得，qc＝6302.47kW（1792RT），常规水蓄冷选单工况冷水机组3台，双工况冷水机组1台。大温差水蓄冷选单工况冷水机组2台，双工况冷水机组2台，选择的冷量满足要求。表1为所选机组参数。表2为初投资估算表。

表1 制冷主机选型

表2 设备初投资估算表

2.2 运行费用估算

电费根据中国南方电网给的执行文件估算，按江门市商用电费峰值电费1.35元／kWh，平期0.82元／kWh，谷期0.41元／kWh计算。机组选型如表1，水泵选型分别见表3～表5。运行费用估算按制冷机组、水泵、运行时间段进行估算。典型日总冷负荷为121026kW （34409RT），峰值电价期冷负荷为59442kW （16900RT） （按最大负荷计算）。蓄冷转化为用冷的效率按90%计算。运行费用计算表见表6和表7。

表3 单工况冷冻水泵、冷却水泵性能参数

表4 双工况冷冻水泵、冷却水泵性能参数

表5 放冷水泵性能参数

表6 常规水蓄冷运行费用计算

表7 大温差水蓄冷运行费用计算

2.3 回收期计算

表8 常规水蓄冷方案与大温差水蓄冷全年运行费用对比

两种方案的初投资及运行费用进行工程经济估算，在本次设计中采用静态投资回收期计算投资回收期。

根据计算可得，大温差水蓄冷 （2100m3）增加初投资46.2万元，通过大温差水蓄冷年节省的电费14.4万元，在静态指标下，3.2年即可收回投资。以上计算是按满负荷计算的结果，如果负荷少些，峰值电费时段全部采用夜间所蓄冷量，节约的费用会更高。通过大温差水蓄冷和常规水蓄冷的经济对比分析，本次设计确定选用大温差水蓄冷。

3 水蓄冷设计［5］～［8］

消防水池的容积为2100m3，由文献［7］：

式中：

Q—水槽的设计蓄冷量，kWh；

K—水槽的性能指数，指在一个蓄冷放冷周期内水槽的输出与输入能量之比，取0.9；

L—水槽的有效容积，m3，取总体积的0.98；

ρ—水密度，本设计取999.892kg／m3；

△t—供回水温差，本设计取12℃；

c—水的比热容。

由计算可得，在一个蓄冷周期内，消防水池实际蓄冷量为206535kW （58720RT），目前蓄冷量仅为39394kW （11200RT），如果峰值负荷加大，可考虑增加蓄冷能力，水池可满足蓄冷要求。

水蓄冷是利用水的显热实现冷量的储藏，在整个系统中，蓄冷水池蓄冷量的保温和防止冷热混合是设计的要点，水在4℃时，密度最大，随着温度的上升，密度不断下降。因此，在蓄冷时，机组产生4℃冷冻水，位于蓄冷槽的下部，回水16℃冷冻水位于蓄水槽上方，由于不同水温之间存在着导热过程，会在蓄冷槽的冷热水分界面附近，冷水温度有所升高，温水温度有所降低，从而形成了过渡层，即斜温层。斜温层好坏的设计是直接影响到蓄冷槽蓄冷能力的体现。本设计是采用自然分层法进行设计。

由相关文献［8］可得，良好的布水器在设计中应能够控制水流缓慢地自下而上或自上而下流动，使供回水在蓄冷和释冷循环中在槽内形成重力流，并保持一个合理稳定的斜温层。对于出水口的雷诺数Re值需要严格控制，一般布水器出水口的流速约为0.03～0.06m／s，支管内流速不得超过0.3m／s，局部支管处也不宜大于0.6m／s。

4 运行策略控制

本次在设计中，采用部分蓄冷的原则，即在夜间 （0∶00～8∶00）低谷电价段蓄冷主机满负荷将消防水池蓄满，期间其它的负荷由基载主机承担，在白天电力平价阶段 （8∶00～9∶00，12∶00～19∶00，22∶00～24∶00）段，完全由蓄冷主机和基载主机提供冷量。在峰值电价 （9∶00～12∶00，19∶00～22∶00）采用释冷模式，释冷优先，制冷机组补充所缺的冷负荷。

图1 100%负荷运行策略

图2 75%负荷运行策略

图3 50%负荷运行策略

图4 25%负荷运行策略

本次设计的大温差水蓄冷系统是采用双工况离心水冷机组和单工况离心水冷机组结合，在夜晚0∶00～8∶00，开启双工况离心水冷机组，为蓄冷水池蓄冷，在电价峰谷段9∶00～12∶00，19∶00～21∶00开启放冷水泵，通过电动二通阀将4℃和16℃混合成8℃冷冻水，通过板式换热器，为末端提供9℃冷冻水，在电价峰谷段，若冷量不能满足，可同时开启主机制冷，空调末端选用大温差末端，进出水温度为9／17℃，在电价平价段，由主机直接为末端提供冷量，进出水温度为9／17℃。为了实现消防水池和制冷主机同时分担高峰又合理大搭配，本次设计采用预测控制的控制策略。其具体做法如下：将计算得到的典型日负荷乘以负荷系数，用于预测所需开启的制冷机组数量，按照设计，将负荷系数划分为 100%、75%、50%、25%。如图1、图2、图3、图4所示，按此规则设计需要开启主机的数量及其时间。

当控制系统的预设时间表显示蓄冷时间到达（0∶00～8∶00）时，控制系统自动开启双工况制冷机组，开始蓄冷。

在控制的时候，运行管理人员通过预测室外逐时温度，预测方法可以参考美国供热、制冷和空调工程师协会的系数法和形状因子法对室外逐时温度预测。从而确定建筑冷负荷预断第二天的运行工况是属于0～25%负荷率、25%～50%负荷率、50%～75%负荷率、75%～100%负荷率中的哪一种。并为第二天的主机的开启台数确定数据。

同时，为了提高负荷预测的精度，在空调系统开启后，每隔一定时间 （一般为1个小时）对预测负荷进行初略修正，即利用历史数据进行自我调整。

为了水蓄冷能够发挥最大的移峰填谷效益。冷机供冷和蓄冷供冷必须进行优化配置、实时监控。