某办公楼空调水蓄冷系统设计

罗志焱，卢海江

（广州华森建筑与工程顾问有限公司，广州 510000）

随着我国经济的高速发展，对能源的消耗日益剧增。城市的能源架构中，电力占据主导地位。而水蓄冷技术是将夜间电网多余的谷段电力与水的显热相结合来蓄冷，并在白天用电高峰时段使用蓄藏的低温冷冻水提供空调用冷。一方面可以平衡城市电力负荷，移峰填谷；另一方面电力管理部门实施分时电价措施，企业可以利用峰谷电价降低空调系统的运行费用，达到双赢的效果。

1 工程概况

1.1 建筑概况

本项目位于中国广东省广州市高新技术产业开发区，项目总建筑面积约14万平方米，地上有6栋建筑，均为5层办公楼，属多层公共建筑。各栋建筑面积分别为：1#栋建筑面积28372.5平方米，2#栋建筑面积17698.3平方米，3#栋建筑面积13245平方米，4#栋建筑面积10331.8平方米，5#栋建筑面积11246.0平方米，6#栋建筑面积11328.2平方米。

1.2 设计背景

本项目位于广州市，广州1~10kv类商业电价为0.9128元/度，可申请峰谷电价的能源政策。申请峰谷电价，一方面相应国家号召错峰用电，节省能源；另一方面可以降低空调系统的运行费用，给业主带来较大的经济效益。广州市能源费率见表1，下文中建筑全年能耗费用计算以此为依据。

表1 广州市峰谷电价

本项目存在数据中心，为保障数据中心正常工作，需要保证24小时不间断供冷。其余办公建

区域仅要求工作日上班时间供冷，昼夜负荷悬殊，工作日空调运行时间表见表2。

表2 工作日空调运行表

2 设计参数

2.1 气象参数

设计室外气象参数采用《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）中广州［4］市参数 ，同时采用广州市BIN格式的典型气象年（TMY2-中国）的气象参数作为能耗分析模型的气象参数，见表3。

表 广州气象参数3

2.2 空调房间室内设计参数

设计功能房间、人员密度、办公设备负荷、照明负荷等参数根据本项目施工图室内设计参数，具体参数见表4［5］：

表 4 室内设计参数表

2.3 建筑围护结构

本项目为新建建筑，通过绿建斯维尔节能设计软件，从建筑节能报告书中获取建筑的围护结构设计参数，具体参数见表5：

表5 30.6栋建筑围护结构参数

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3 空调负荷计算

通过计算建筑空调逐时负荷可知，建筑的负荷峰值时段为9:00-17:00，基本与办公时间一致，最大负荷出现在16:00，总冷负荷10888.57KW，如图1所示。

图1 空调逐时负荷

4 冷源系统设计

4.1 水蓄冷空调系统

根据计算建筑的最大逐时冷负荷为10888.57KW，本项目采用部分负荷水蓄冷技术，白天采用蓄冷水池与主机同时供冷，夜间主机蓄冷。按照大小容量搭配配置冷水机组，选用900USRT高效离心式冷水机组2台，400USRT磁悬浮冷高效离心式冷水机组2台，400USRT磁悬浮冷水机组1台，及采用两台5400KW的板式换热器，蓄冷水池体积为8400立方米。蓄冷系统开式蓄冷，闭式供冷；蓄冷水池进、出水温度5~12℃，蓄冷温差7℃；空调供、回水温度6~13℃，供回水温差7℃，水蓄冷制冷系统原理图见图2。

图2 水蓄冷制冷系统原理图

4.2 常规空调系统

为方便对比分析，同时设置常规空调系统作为参照系统。常规冷源系统设计按照大小机配置原则，选用1200USRT离心式冷水机组2台，600USRT磁悬浮冷水机组1台，空调供、回水温度6~13℃，供回水温差7℃。

5 eQUES能耗模拟与分析

5.1 建筑几何模型建立

eQUEST是一款基于DOE-2.2基础上开发的建筑能耗分析软件，这款软件的主要特点是为DOE-2.2输入文件的写入提供了向导，用户可以根据向导的指引写入建筑描述的输入文件。同时，软件还提供了结果的图形化显示功能，用户可以非常直观的看到输入文件生成的二维或三维的建筑模型。

在eQUEST界面内按照建筑的实际尺寸、形状建筑结构、围护结构材料、室内人员活动规律、照明情况和室内外设定温度值的要求等输入建筑信息。办公建筑共6栋建筑，以6#栋为基准建立建筑几何模型，根据其功能性质与建筑特点对建筑外立面装饰性结构以及内部的一些建筑细节进行简化，减少模型容量以及模拟时间，模型如图3所示：

图3 6#栋建筑信息模型

5.2 模拟计算与对比分析

模型设定完成后，采用能耗分析软件eQUEST对设计模型与参照模型进行全年8760小时动态模拟。对模拟结果进行对比后，我们对模型进行校正，扣去多余能耗项，确保两个模型仅空调系统存在差异，使对比结果更加准确。设计模型与参照模型的能耗分析数据如图4~5所示：

图4 设计模型空调系统全年能耗

图5 参照模型全年能耗

通过动态能耗计算软件eQUEST的能耗计算，从模拟结果可以看出，6#栋空调系统采用了水蓄冷空调系统后，建筑运行能耗得到有效控制。参照模型全年能耗为808，470kWh，设计模型全年能耗为695，770kWh。设计模型全年能耗比参照模型全年能耗节能13.94%。

6 经济性分析

6.1 水蓄冷空调系统与常规空调系统的初投资对比

水蓄冷空调系统与常规空调系统的初投资主要对比对象为冷源端设备、蓄冷水池以及水蓄冷配套的控制系统。空调系统末端一致，在此不做比较。水蓄冷系统与常规空调系统详细材料表见表6~7。

表6 水蓄冷空调系统主要材料表

表7 常规空调系统主要材料表

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由上表可知，建设水蓄冷中央空调系统后，配置主机容量可以减少800RT，节省装机容量及其相关附属设备投资237万元。由于建造蓄冷水池后可以作为消防水池用，则原设计消防水池投资可节省，根据项目情况，按消防水池容积500m³计算，节省这部分投资约58万元。

实际整个水蓄冷系统投资额为1143万元，由下文的经济性分析可知，本项目投资回收期大约5.5年。

6.2 水蓄冷空调系统运行策略

水蓄冷空调系统放冷策略遵循高峰时段放冷的原则，达到转移高峰时段的电量的目的，充分应用“峰谷电价”，获得实际效益。

100%负荷运行工况下，其最大空调负荷为3150RT，逐时负荷以及制冷设备供冷、蓄冷水池蓄冷与放冷详见图8。此时采用2台900RT和1台400RT的主机蓄冷8小时，可以移除14:00~17:00、19:00~21:00峰谷电价时间段的全部空调负荷,并补充7个小时白天空调负荷， 9:00~14:00、17:00~18:00主机全部启动，18:00~19:00开启2台900RT或开启1台900RT和1台400RT的主机。这种条件下，逐时电量以及逐时电价如图6~8所示。

图6 100%逐时负荷以及制冷设备供冷、蓄冷水池蓄

图7 空调系统逐时电量

图8 空调系统逐时运行费用

100%负荷运行工况下，电价峰值时的水蓄冷系统控制策略如图9所示：

图9 水蓄冷系统峰值控制策略

6.3 水蓄冷空调系统与常规空调系统的运行费用 对比

在水蓄冷空调系统运行策略下，基于保证良好的供冷环境下得到设计日（100%设计日负荷）运行策略理论分析值，如表8所示：对水蓄冷空调系统与常规空调系统的年运行费用进行经济性对比，如表9所示：

由模拟结果可以得到，常规空调系统预计年运行费用约493.6万，建设水蓄冷系统后，预计年运行费用约为284.2万，年节省运行电费额度为：209.5万元，30年节能效益可达6285万元，节省率=209.5/493.6×100%≈42.44%。

7 结论

影响办公建筑运行能耗的因素很多，其中空调系统能耗占建筑总能耗的比重巨大，节能潜力大，本文仅对空调系统这一点进行了分析。借用模型模拟不同的空调系统的运行情况，最终目的是借助能耗分析以及经济性分析验证水蓄冷空调系统在办公建筑的可行性与适用性。

1）通过对空调系统进行能耗分析，办公建筑夜间末端没有负荷，有主机空闲，则系统在电价低谷期有充分的能力实施蓄冷，白天放冷，采用水蓄冷系统可以减少冷水机组装机容量。夜间气温相比白天较低，可以改善主机工作条件，提高制冷机效率，同时充分利用蓄冷装置的优势，充冷时制冷机满负荷地高效运行，从而降低系统的能耗。

2）通过对空调系统进行经济性分析，水蓄冷系统相比常规空调系统，水蓄冷空调系统具有可观的经济效益，随着国家对峰谷电价政策的推广，水蓄冷应在办公类建筑中得到普及应用。