厦门某锂电池厂单冷及水蓄冷耦合空调系统全年逐时能耗模拟分析

马利英 张智权 杨 含

1.上海碳索能源服务股份有限公司

2.中创新航科技股份有限公司

0 引言

锂电池产业作为我国重点培育和发展的战略性新兴产业之一，随着新能源汽车、移动互联网、智能手机等领域的持续增长，进入了快速发展和扩张阶段，但锂电池生产过程由于环境控制要求极为精确，导致生产能耗巨大，在能源利用率上有较大的提升空间。实际生产数据表明，锂电池制冷机房的能耗占总能耗的30%甚至更高[1］，因此对锂电池制冷机房空调能耗的研究可以帮助企业在空调选择上提供实践性指导。

1 项目概况

项目位于福建省厦门市高新区，制冷机房总制冷量25 500 RT，水蓄冷有效容积15 000 m3。制冷机房包括9 台离心式制冷机组(定频、变频及双工况)、9 台冷却水循环泵、9 台冷冻水循环泵、2 台蓄冷循环水泵、2 台释冷循环水泵、16 台模块式全工况冷却塔。项目为中低温一次泵系统，其中系统一为6 ℃/12 ℃的低温冷冻水系统、系统二为8 ℃/14 ℃的中温冷冻水系统。制冷机房主要设备详细参数见表1。

1.1 项目全年逐时气象参数

图1 为厦门全年8 760 h 逐时干球温度和湿球温度，干球温度在1.9~37.4 ℃之间，湿球温度在27.5 ℃以内的时间占95%以上。该气象参数为全年逐时能耗模拟提供了基础。

图1 厦门8 760 h全年逐时气象参数

1.2 项目全年逐月负荷率

图2为与本项目运行类似的项目全年逐月实际平均负荷率，由于设计时安全系数及各种因素，导致设计负荷与实际负荷相差较大。为保证能耗模拟的准确性，本项目在仿真模拟时采用了与该项目在地址、工艺条件等运行情况类似的实际项目的全年逐月平均负荷率作为计算的基准。

图2 类似项目全年逐月实际平均负荷率

1.3 项目电力单价

表2 为项目电力单价情况，峰谷电价差为0.537 3元/kWh。

表2 项目电力单价情况

1.4 冷水主机部分负载下的能效值

图3、图4为3 000 RT、6 ℃/12 ℃和32 ℃/38 ℃设计工况离心式冷水机组在部分负载下机组的能效情况，其中定频最大COP 为9.28、变频13.67，高能效区间30%~80%；图5、图6 为8 ℃/14 ℃和32 ℃/38 ℃能效情况，定频最大COP 为10.2、变频15.86，高能效区间30%~80%。高效区间为空调制冷机房后期评估和优化提供了数据参考和支持。

图3 3 000 RT 定频机组部分负载能效(6 ℃/12 ℃)

图4 3 000 RT 变频机组部分负载能效(6 ℃/12 ℃)

图5 3 000 RT 定频机组部分负载能效(8 ℃/14 ℃)

图6 3 000 RT 变频机组部分负载能效(8 ℃/14 ℃)

2 控制策略优化

2.1 分时控制

图7 为项目冷水机组分时控制流程图，23:00-07:00 为制冷、蓄冷同时进行；平时时段，7:00-8:30、即11:30-14:30、17:30-19:00、21:00-23:00，仅开启制冷；高峰时段，开启制冷和释冷罐。峰谷平时段均以冷机耗电量最低为目标函数进行冷机负荷的分配。

图7 项目冷水机组分时控制流程图

2.2 能耗仿真设计模型

图8为能耗仿真设计模型，计算公式见式（1）和式（2）：

图8 能耗仿真设计模型

式中，Ps为制冷机房系统总能耗，kW；P冷却泵为制冷机房冷却水泵总能耗，kW；P冷水主机为制冷机房冷水机组总能耗，kW；P冷却塔为制冷机房冷却塔风机总能耗，kW；P冷冻泵为制冷机房冷冻水泵总能耗，kW。

式中，EER 为制冷系统逐日(逐年)平均能效；Qs为制冷系统总制冷量，kW；Ps为制冷系统总耗电量，kW。

3 能耗模拟计算

3.1 单冷空调系统能耗模拟

图9、图10 为单冷空调系统冷水机组全年平均逐日COP、全年平均逐日EER 的模拟仿真结果。从图中可看出冷水机组全年平均COP 为8.161，全年平均EER为5.950，其中：8～14 ℃时，定频3 000 RT 全年平均COP 为7.99，变频3 000 RT为9.35；6～12 ℃时，定频3 000 RT 为7.31，变频3 000 RT为8.39，变频1 500 RT为8.19。

图9 单冷-冷机逐日平均COP 值

图10 单冷-冷机系统平均EER 值

3.2 水蓄冷耦合(混合)空调系统能耗模拟

图11、图12 为含水蓄冷的冷水机组全年平均逐日COP、全年平均逐日EER的模拟仿真结果。从图中可看出冷水机组全年平均COP 为7.884，全年平均EER 为5.750，其中：4～11 ℃时，蓄冷变频冷水机组全年平均COP 为7.29；8～14 ℃时，定频3 000 RT 全年平均COP 为7.98，变频3 000 RT为9.41；6～12 ℃时，定频3 000 RT 为7.29，变频3 000 RT 为8.43，变频1 500RT为8.17。

图11 全年含水蓄冷-冷机逐日平均COP 值

图12 全年含水蓄冷-系统平均EER 值

3.3 单冷和水蓄冷耦合空调系统能耗对比和经济性分析

3.3.1 能耗对比

图13 为单冷与水蓄冷耦合空调系统全年能耗对比结果。根据结果可知，在未启用水蓄冷时，冷水机组全年平均COP 为8.161，全年系统平均综合EER 为5.95；启用水蓄冷后，平均COP 为7.884，平均综合EER为5.75。

图13 单冷与水蓄冷耦合空调系统全年能耗对比

3.3.2 经济性分析

图14为全年逐月运行费用对比分析图。从图中可看出，单冷的年度运行费用为38 044 115元，水蓄冷耦合空调系统的年度运行费用为35 114 813元，水蓄冷耦合空调系统比单冷空调系统年节省运行费用2 929 302 元，节费率为7.7%，水蓄冷系统静态投资回收期为3.68年[2］。

图14 全年逐月运行费用对比分析

4 结束语

综上所述，启动水蓄冷耦合空调系统的年平均EER 为5.75、未启用水蓄冷空调系统的年平均EER为5.95，两者相比启用水蓄冷耦合空调系统能效下降了3.37%，但考虑峰谷电价差[3］，启用水蓄冷耦合空调系统年节省运行费用2 929 302 元，静态投资回收期3.68 年，此外水蓄冷通过负荷预测来调节用户用电量，在利用峰谷电价的基础上考虑用户最大需求量，实现了用户的平滑用电。