华北地区蒸发冷却与机械制冷联合运行的经济性分析
2019-09-24
(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043)
0 引言
近年来蒸发冷却技术在各类建筑中得到了广泛的应用[1]，其设计方法也日臻完善[2]。例如在温湿度独立控制(THIC)空调系统中，空调建筑的潜热负荷由湿度控制系统承担，显热负荷主要由温度控制系统承担，显热末端用高温冷水的供回水温度一般为16～21 ℃。高温冷水的来源可以是天然冷源，也可以由机械制冷高温冷水机组、蒸发冷却冷水机组提供。从目前设备的性能来看，出水温度为16 ℃时螺杆式高温冷水机组在额定工况下的能效比(COP)值大约为6.81[1]，对应的综合节能系数IPLV值大约为8.19。而间接蒸发冷却冷水机组的COP平均值可达到15以上，远高于高温冷水机组的IPLV值。然而蒸发冷却冷水机组的使用受到室外气象条件的制约，间接蒸发冷水机组的理想出水温度为室外环境对应的露点温度，而目前机组的实际出水温度一般比理想出水温度高2～3 ℃，对应的间接蒸发段设备效率为70%～80%，直接蒸发段设备效率为90%[3]。正因如此，蒸发冷却设备只有在我国西北干燥地区使用才能独立承担空调所需的冷量。如果将其应用于其他地区(中湿度地区)只能与机械制冷高温冷水机组联合运行。本文旨在分析华北地区蒸发冷却冷水机组与机械制冷高温冷水机组联合运行为温湿度独立控制空调系统提供高温冷水的可行性和经济性。
1 分析的依据与方法
建筑模型为位于山西大同地区的宾馆、商场和办公楼三类典型建筑。建筑概况及相关参数见表1。
表1 典型建筑的概况及围护结构主要参数
2 空调机房组成及机组运行模式
蒸发冷却冷水机组(以下简称E机组)与机械制冷高温冷水机组(以下简称M机组)联合运行提供高温冷水的工作原理见图1。
图1 E、M 机组联合工作原理图
空调冷水系统采用一级泵变流量水系统[4]，即只要空调系统运行，用户侧的供回水温度始终为16～21 ℃，通过冷水的压差旁通阀改变用户侧的冷水流量来适应建筑冷负荷的变化。空调回水首先进入缓冲水箱，之后通过自用循环泵Ⅱ流入E机组，E机组出水进入冷水箱。由于E机组的额定流量小于空调末端回水流量，因此在缓冲水箱设置回水溢流管。M机组运行时冷却塔及冷却水泵始终运行。E机组的运行条件为t1
在THIC空调系统中，湿度控制系统承担空调建筑的全部湿负荷，而温度控制系统视设计情况的需要，可承担全部或部分显热负荷[3]，后续分析计算中按承担全部显热负荷考虑。显热负荷由高温冷水承担，高温冷水则由联合运行的E机组与M机组共同承担。M机组的额定制冷量按空调建筑的设计显热冷负荷选取，以保证空调运行的可靠性。E机组额定制冷量的选取，遵循夏季空调总运行费用(电费+折旧费)最低的原则。由于E机组的COP远高于M机组，因此空调建筑的显热冷负荷一定时，E机组额定制冷量越大，总运行费用越低，但E机组附加投资的年折旧费越高。显然，E机组额定制冷量的选取存在一个最佳匹配系数值，E机组的设备匹配系数定义如下
(1)
式中，k为E机组的设备匹配系数；Q0为空调建筑的显热设计冷负荷；Q0.E为E机组的额定制冷量。
3 经济性分析的方法和步骤
以山西大同为例，并首先利用DEST软件计算出典型空调建筑的逐时显热冷负荷Q，之后针对给定的k值、结合该城市的室外气象条件计算E机组不同出水温度情况下可提供的逐时制冷量Q1′,再结合E、M机组联合运行的方式计算各自承担的逐时显热冷负荷Q1、Q2(Q1′与Q1是不同的)及耗电量N1、N2。最后结合附加E机组的年折旧费，求得不同k值时对应的年空调运行总费用(文中折旧费均为附加E机组的年折旧费)，进而确定不同类型建筑对应的E机组的最佳设备匹配系数kopt。最后得到不同建筑在最佳kopt下的附加投资回收期。计算流程见图2。
图2 E、M联合运行经济性计算流程图
4 计算方法
4.1 计算过程的基本假定
(1)E机组的平均COP取15(已考虑E机组自用循环水泵的功率)，M机组的IPLV(综合部分工况)取8.19。
(2)E机组单位额定功率的设备初投资为定值，综合多家制造商的设备报价统一取900元/kW，安装费取设备费的10%。
(3)E机组的使用寿命为15 a。
(4)冷却塔性能系数及冷却水输送系数分别取150和41.5[3]。
(5)宾馆、商场及办公楼的电价参考国家电网山西大同地区的实时电价[5]，其分段电价见表2。
(6)资金使用年利息取5%。
表2 山西省电网峰谷分时电价表
元/(kW·h)
4.2 E机组出水温度计算
间接蒸发冷却冷水机组的出水温度[1]
t1=t0-ηtower·{t0-[twb，0-ηl·(twb，0-tdp，0)]}
(2)
式中，t0、twb，0、tdp，0分别为室外空气的干球温度、湿球温度和露点温度；ηtower为蒸发冷却制备冷水装置中直接蒸发冷却模块的水侧效率；ηl为对新风预冷的显热换热装置以室外露点温度为冷空气极限温度的风侧效率；计算分析时ηl取75%，ηtower取90%[1]。
4.3 E、M机组承担空调建筑显热冷负荷及耗电量的计算方法
如前所述，对于任意给定的E机组出水温度t1，E机组空调季总运行时间就随之确定。对应一组k、t1值，利用DEST软件就可以得到一组E机组可提供的逐时制冷量数据。需要说明的是，这并不是E、M机组联合运行时E机组实际承担的显热冷负荷。假如E机组的设备匹配系数为k，空调建筑设计显热负荷为Q0(这也是M机组的额定制冷量)，则由式(1)知，E机组的额定制冷量为kQ0。空调建筑逐时显热负荷为Q，此时E机组可提供的逐时冷量以及E、M机组各自实际承担的冷量及耗电量计算方法见表3。
表3 E、M机组分担冷负荷及电耗计算
图3 夏季空调运行总费用随机组匹配系数k的变化
5 计算结果及分析
山西大同地区宾馆、商场及办公楼3种典型建筑采用E、M机组联合运行，夏季空调总运行费用(含E机组附加投资折旧费用，以下同)。随E机组设备匹配系数k的变化见图3。从图3可以看出，两机组联合运行时、在一定的设备匹配系数范围内，夏季空调运行总费用均低于M机组单独运行的费用(图中纵轴数值)，且存在一个最佳的设备匹配系数kopt。在宾馆、商场、办公楼建筑中，kopt分别为0.46、0.68和0.14。即在3类建筑中、E机组的额定制冷量分别取空调建筑设计负荷的46%、68%和14%时，夏季空调总运行费用最低。
E机组承担的逐时显热冷负荷占建筑逐时冷负荷的比例见图4。
图4 E机组承担的逐时显热冷负荷占建筑逐时冷负荷的比例
从图4可以看出，宾馆建筑中E机组实际承担的空调逐时冷负荷比例最高，商场次之，办公楼最低。这主要与空调运行的时间段以及时间有关。
大同地区E机组夏季空调季节逐时出水温度见图5。
图5 大同地区E机组夏季逐时出水温度
大同地区E机组夏季运行时间及E机组运行时间占空调总运行时间的比例见表4。
表4 大同地区E机组夏季运行时间占比
E、M机组联合运行，在最佳E机组设备匹配系数kopt时，附加投资回收期计算见表5。
表5 E、M机组联合运行时E机组的附加投资动态投资回收期计算简表
注：M机组单独运行以及E、M机组联合运行2种情况下，冷冻水泵及空调末端的电力消耗相同，因此均不予计入。
从表4可以看出，如果采用E、M机组联合运行的方式，对于山西大同地区典型的宾馆、商场、办公楼建筑，E机组的附加投资回收期分别为7.8、11.3 a；而对于办公楼，动态投资回收期超过15 a，即设备的寿命期内不能收回附加投资。
6 结论
(1)对于华北地区的大同市，如空调建筑采用温湿度独立控制空调系统，高温冷水采用蒸发冷却冷水机组辅助机械制冷高温冷水机组提供空调用高温冷水，可以降低夏季空调运行总费用，提高空调运行的经济性。
(2)在机械制冷高温冷水机组与蒸发冷却冷水机组联合运行的机房设备选型中，机械制冷高温冷水机组的额定制冷量应按空调建筑的设计显热冷负荷选取，以确保空调运行的可靠性。而蒸发冷却冷水机组的额定制冷量对于不同的建筑对应一个最佳设备匹配系数kopt。对于宾馆、商场建筑，其取值分别为0.46、0.68，对应的附加设备动态投资回收期分别为7.8、11.3 a。而对于办公楼，最佳匹配系数为0.14，但动态投资回收期超过15 a，因此，该地区办公楼建筑不适合采用机械制冷高温冷水机组与蒸发冷却冷水机组联合运行的方式。
