广州某办公建筑群空调系统冷源经济性分析

2024-01-11陈锐彬李泽奇袁涛

制冷 2023年4期

陈锐彬，李泽奇，袁涛

（中国建筑科学研究院有限公司，北京，101119）

在建筑能耗组成中，空调系统能耗通常占办公建筑能耗的60 %［1］，并呈现逐步增长的态势。白天建筑电力需求大，夜间需求相对较低。因此，夜间的电力存在大量的浪费。为了抑平电力的峰谷差，许多电力部门推出了峰谷电价，驱使一部分电力需求向夜间转移。冰蓄冷空调作为电力移峰填谷的有效途径之一，通过利用低谷的富余电力制冷，并且在高峰时段不会打开或少打开主机，这样能够缓解白天电力系统的用电紧张，改善电力时间上的供需矛盾。因此，对于电力需求紧张的地区，通过推广蓄冷空调系统技术，可有效地把部分空调冷负荷转移到电力低谷时段制冷，然后高峰时段利用蓄冰装置供冷，实现用电量的转移，改善电力建设的投资效益。减少电力建设的投资，对国家整体的电力建设情况和电力供应有积极作用。

本文针对广州一个既有的办公建筑群的空调项目，对比常规空调系统跟冰蓄冷空调系统的设备容量，并进行了全年能耗分析和冷源经济性评价。通过对比分析可以为该空调项目冷源方案的选择提供强有力的技术指导。

1 负荷模拟及分析

1.1 办公建筑群介绍

广州某办公区域的四栋楼分别标记为A栋、B栋、C栋和D栋。该办公区域总建筑面积为99,477 m2，其中空调面积56,227 m2。各层空调面积和空调运行时间见表1。

表1 空调运行时间

本项目冷源经济性分析采用专业的能耗软件EnergyPlus进行负荷模拟，办公建筑群的Sketchup建模见图1。建筑维护结构参数根据相关设计标准［1］，窗户、外墙和屋顶的传热系数分别为3.0W/（m2•K），1.5W/（m2•K）和0.8W/（m2•K），综合太阳得热系数为0.35。建筑内部热源参数依据标准［1］进行设定，见表2。各内热源参数同时使用系数参考上述标准进行设定。

图1 办公建筑群Sketch up建模图.

表2 内热源的设定

1.2 设计日负荷模拟结果

建筑群设计日冷负荷模拟结果见图2。通过模拟发现设计日全天最大冷负荷在15:00，为10,437 kW，夜间最低冷负荷为312 kW，设计日平均逐时负荷为4,514 kW。通过设计日负荷变化图可以看出，全天逐时冷负荷波动较为明显，冷负荷峰谷之比高达33:1。由此可知，在设计时根据负荷特征利用峰谷电价设置冰蓄冷是具有重要节能意义的。

图2 办公建筑群设计日冷负荷图

1.3 全年负荷模拟结果

该办公建筑群全年冷负荷模拟结果见图3。广州空调季通常为5～10月。通过统计发现，全年逐时冷负荷中，大于设计日最大负荷的小时数为41个小时，占全年空调季的0.93 %。由于这部分时间占比较小，在划分全年负荷频数时，以设计日最大负荷10,437 kW为基准，以10 %为一个频数段进行统计。

图3 办公建筑群全年冷负荷图

全年空调季的负荷频数统计见表3，及负荷频数变化见图4。负荷频数分析结果表明，建筑群的总冷负荷在不同负荷率下的频数差异明显。其中，部分负荷率在10 %以下的时间占到空调期总小时数的74 %，而50 %以上负荷率的小时数仅占比15.4 %。由此可见，在进行空调设计时，应重点考虑10 %以下负荷率的情况。同时，采取合理措施进行负荷调峰，同时兼顾50 %以上负荷率。针对四栋建筑全年冷负荷分布结果，在选择空调设计冷源方案时，采取冰蓄冷方案可以适应小负荷率条件下时间占比过高的情况。

图4 冷负荷全年频数及频率图

表3 负荷频数统计表

2 蓄冷方案及设备选型

针对总冷负荷夜间较小白天突增的特性，在空调系统初步设计阶段，考虑通过减小制冷机组配置容量实现减少制冷机组初始投资。同时，由于蓄冷使用的波谷电价，可以进一步减少运行费用。空调系统冷源可采用主机供冷+融冰供冷模式，即夜间制冷机组进入蓄冰模式，以冰的形式储存部分冷量，在日间冷负荷高峰期，由储冰器和制冷主机联合供冷，以满足空调负荷的需要。蓄冰负荷占总负荷的比例以及制冷机容量的大小，由冷源经济性分析结果确定。

2.1 设备容量计算

本项目冰蓄冷与制冷机转换时间预留1小时，设定19:00为系统运行切换时间，该项目白天空调运行时间为10 h，蓄冷时间可设定为12 h。根据该手册的推荐运行模式，融冰优先的蓄冷模式更简单适用，也更节能。在设计部分冰蓄冷系统时，优化的系统配置为：主机和蓄冰装置串联，主机在蓄冰装置上游，供冷时采用融冰优先的运行模式。本项目采用冰蓄冷优先运行+制冷机组辅助运行的方案进行设备容量选型计算。制冷机组空调工况时冷负荷Q1［4］和制冰工况时冷负荷Q2分别由式（1）-（2）表示。

式中，CL——设计日建筑总冷负荷，kWh；

ε——蓄冷池热损失率，0.04～0.08；

hd——白天空调使用时间；

CCR——制冷机制冰与空调工况时制冷量之比；

hn——夜间制冰使用时间。

总的蓄冷量为TQ，白天每小时融冰量为RQ，分别由式（3）-（4）计算。

通过以上（1）-（4）式结合负荷分析结果，CCR取0.65，计算得到设计日制冷机组空调工况最大冷负荷Q1=5,993 kW，夜间制冰工况时最大冷负荷为Q2=3,896 kW，冰蓄冷总冷量为TQ=46,752 kWh，白天每小时融冰制冷量为RQ=4,250 kWh。

根据上述设备负荷初步计算结果，得到蓄冰空调设计日逐时负荷，见图5。其中基载负荷为B栋夜间时段的负荷需求。

图5 蓄冰空调设计日逐时负荷图

2.2 设备选型及校核

根据上述所计算的设备容量，对本项目的制冷机选型如表4。所选设备最大空调制冷负荷为6,434 kW，最大制冰制冷负荷为5,008 kW。常规方案为四台单工况的离心式制冷机，单台容量2,637 kW，空调COP5.6。在蓄冷方案中，冰蓄冷制冷机组容量相比常规只使用制冷机组方案，配置容量至少可减少39 %。根据实际设备容量校正蓄冰空调设计日逐时冷负荷分配，见图6。考虑到双工况制冷机组空调制冷量大于制冰制冷量，晚上公寓负荷在1,000 kW以下，使用两台螺杆机进行空调制冷模式，即承担夜间空调冷负荷，其他机组进入制冰模式。因此，机组实际制冰负荷为4,276 kW。夜晚实际蓄冰量为TQ=51,312 kWh，白天融冰冷量为每小时4,665 kWh。

图6 校核后蓄冰空调设计日逐时负荷图

表4 制冷机组选型

蓄冷形式可以考虑使用水蓄冷或冰蓄冷。相比水的单位体积蓄冷量5.8～12.7 kWh/m3，冰蓄冷中冰的单位体积蓄冷量较大，为40～50 kWh/m3。因此，使用冰蓄冷可以大大减小蓄冷体积。对于冰蓄冷，选取冰的单位体积蓄冷量为45 kWh/m3。

2.3 运行策略

校核后的蓄冷空调机组运行策略见表5。冰蓄冷空调系统通常在10 %负荷率下开启蓄冰模式，即除了A、B两台主机作为基载负荷外，C、D两台机组进行制冰。为了避免了常规系统主机在白天使用过程中因为逐时负荷随时间波动，主机出力需对应进行不断调节，出现机组运行在低负荷率工况，甚至负荷率低于50 %，造成机组整体能效较低的问题。本文基于新的运行策略，划分了三种负荷运行模式：基础负荷，变频负荷和调峰负荷。空调期的逐时负荷分类见图7。根据设计日不同负荷率下的机组启停状况和蓄冷情况，把设计日的50 %负荷率和80 %负荷率作为分界线，对负荷分为三类：基础负荷C1（C1≤5,219 kW）；变频负荷C2（5,219 kW≤C2≤8,350 kW）；调峰负荷C3（C3≥8,350 kW）。采用新的运行策略使冰蓄冷空调系统四台制冷机在全年工况下始终在70～100 %负荷率区间运行，提高制冷机组的运行效率。

图7 空调期的逐时负荷分类

表5 各主机不同负荷率下运行策略

3 蓄冷方案经济性分析

蓄冷方案经济性分析包括初始投资费用及运行节能费用。

3.1 初始投资费用

依据产品设备表，咨询设备生产厂家价格和相关文献的价格估算方法得出设备单位冷量估算价格指标和运杂、安装、调试费用占设备价格百分比［5，6］，如表6所示。本项目估算价格分别取制冷机组850元/kWh、蓄冰装置175元/kWh，运杂、安装、调试费用比分别取9 %、21 %。常规配置机组方案初始投资Costcg和冰蓄冷空调配置方案的初始投资Costxl分别由公式（5）和（6）计算。

表6 设备单位冷量估算价格

式中E1——冷机单位冷量估算价格，元；

E2——蓄冷装置单位冷量估算价格，元；

Qcg——常规冷机系统容量，kW；

μ1，μ1——冷机和蓄冷装置附加费用系数。

常规配置机组方案初始投资Costcg和冰蓄冷空调配置方案的初始投资Costxl可分别计算得到Costcg=1,084万元，Costxl=1,682万元。

3.2 运行节能费用

广州市一般工商业峰谷电价见图8，波峰电价1.31元/kWh，平段0.81元/kWh，低谷0.42元/kWh，波峰电价为低谷的3.1倍。因此，充分地利用波谷电价进行蓄冷可以有限地降低空调运行费用。结合表5设备开关机方案和图7负荷分类结果，对冰蓄冷空调系统全年机组耗电量及运行费用进行计算，计算方法见式（7）。全年波峰、平段及低谷的电价计算结果见图9。

图8 冰蓄冷空调系统不同电价时段下空调和制冰工况耗电量

式中Y——全年电价，元；

Q1i——双工况主机i时刻的供冷量，kW；

λ1i——双工况主机i时刻开启台数，λ1i=0,1,2；

COP1i——双工况主机i时刻性能系数；

Q2i——基载主机i时刻的供冷量，kW；

λ2i——基载主机i时刻开启台数，λ1i=0,1,2；

COP——基载主机性能系数。

通过模拟计算，对于冰蓄冷空调系统，低谷电价时耗电量为106万kWh，平段时耗电量为66万kWh，峰值电价时耗电量为58万kWh，全年机组共耗电230万kWh。由图8可知，在低谷电价时段，制冰耗电量占比高，这说明低谷电价被很好地利用起来。相比常规制冷机组配置年运行费304.6万元，采用部分冰蓄冷空调系统全年电费共计173.7万元，可节省年运行费用43 %。通过采用空调蓄冷方案可以使冰蓄冷制冷机全年综合COP达到4.23。