基于温湿分控的冰蓄冷空调系统全生命周期总费用分析

2024-03-04朱常琳张金宝朱树园郭星辰

中国新技术新产品 2024年1期

朱常琳张金宝朱树园周敏郭星辰

（1.西安建筑科技大学，陕西西安 710055；2.杭州华电华源环境工程有限公司，浙江杭州 310000；3.深圳市建筑设计研究总院有限公司，广东深圳 518000；4.中国建筑西北设计研究院有限公司，陕西西安 710018）

空调用电负荷的峰谷时段常与电网峰谷时段重叠，是影响电网负荷与需求平衡的主要原因之一。空调用电问题已成为电力需求侧管理的重要组成部分，而冰蓄冷空调系统的推广应用使电网失衡等问题逐渐得到改善，对调峰填谷、调节电网能量平衡及节能具有重要意义。但是目前冰蓄冷空调系统的研究、设计仍与传统模式较相似[1-2]，没有真正挖掘出冰蓄冷方式（如节能）的优势。传统空调系统借助单一的低温冷源处理室内的潜热、显热负荷，而温湿分控的空调系统通过高温冷源处理室内显热负荷来节约能源。该系统对室内温度、湿度进行单独调控，可提升室内舒适性。本文以深圳市某节能办公建筑的空调系统为研究对象，通过动态全生命周期费用计算法来分析温湿分控的冰蓄冷空调系统与常规空调系统的经济性。

1 某节能办公建筑的几何模型及其空调系统逐时能耗

深圳某节能办公建筑高度为21.8m，总面积为2700m2，其空调系统采用温湿分控的冰蓄冷空调系统。

首先，用Sketch UP 软件建立该办公建筑的几何模型，如图1所示。其次，在Energyplus 能耗模拟软件的插件Openstudio中搭建温湿分控的冰蓄冷空调系统和常规空调系统。最后，在Energyplus 软件环境中运行，并得出相应的逐时能耗参数[3]，即常规系统在单个制冷季中的逐时最大功耗是108kW，单个制冷季的耗电量为132003kW·h；温湿分控的冰蓄冷空调系统夜间蓄冷的功耗为35kW 左右，白天供冷逐时功耗最大是58kW，单个制冷季的耗电量为116414kW·h。从功耗方面看，温湿分控的冰蓄冷系统空调系统比常规空调系统节能15%。在此基础上对其经济性进行分析。

图1 某节能办公建筑的几何模型

该办公建筑空调系统的最大逐时冷负荷为400948W[3]。由于该建筑的负荷并不大，因此一台双工况主机即可满足室内的冷负荷要求。

2 温湿分控的冰蓄冷空调系统的工作原理

该办公建筑的温湿分控冰蓄冷空调系统的工作原理如图2所示。在电价为谷价时段，双工况冷水机组以低温工况运行，在蓄冰槽中储存冷量，供白天新风机组除湿；在日间负荷时段，双工况机组变成高温主机运行工况，和其他高温主机共同对建筑的显热负荷进行供冷。系统通过蓄冷槽中的冷量，以2℃冷水的形式取出，供给室内空调末端并处理潜热负荷[3]。

图2 温湿分控的冰蓄冷空调系统的工作原理图

3 空调系统全生命周期总费用计算

冰蓄冷系统可有效实现“移峰填谷”功能。主要机理是在夜间低峰时段蓄冰，在白天高峰时段进行制冷，满足夏季高峰负荷的需求，并降低空调系统运行成本。这不仅能减少发电系统的一次能源，如煤炭、天然气和石油等的消耗，还能减少二氧化碳排放，提高系统的能效[4]。

本文选用动态全生命周期总费用计算法来分析温湿分控的冰蓄冷空调系统与常规空调系统的经济性。分析中需要计算温湿分控的冰蓄冷空调系统与常规空调系统的初投资与安装费用、维护费用以及供冷季的运行费用。

3.1 动态全生命周期总费用计算法

动态全生命周期总费用计算法如公式（1）所示[5]。

式中：LCC—动态生命周期总费用，元；OC—该系统总的运行费用，元；MC—维护设备的费用，元；n—为年数，可取15；L—每年能源单价上涨比例，2%。D—折现率，可取8.5%。

3.2 空调系统运行电费分析

3.2.1 深圳市电价

深圳市电价见表1。

表1 中，中峰期为9:00～12:00，14:00～16:00，19:00～21:00；谷期为23:00～7:00；平价期为7:00～9:00，12:00～14:00，16:00～19:00，21:00～23:00。由表1 可知，深圳市最大峰谷电价比接近5 ∶1。可见，温湿分控的冰蓄冷空调系统可缓解深圳电网用电压力，同时也可使用户产生一定的经济效益。

3.2.2 运行电费计算

目前对大部分空调系统的经济性分析采用供冷季不同冷负荷率的电费估算法，分为100%冷负荷、75%冷负荷、50%冷负荷、25%冷负荷，再乘以相应的天数。深圳地区的制冷季供冷天数为180 天，100%冷负荷、75%冷负荷、50%冷负荷、25%冷负荷的天数分别占制冷季总供冷天数的18%、35%、35%、12%。

通过采用供冷季不同冷负荷率的电费估算法，并根据仿真的全年逐时能耗模拟数据绘制不同冷负荷率下的逐时负荷运行图。典型设计日100%冷负荷的逐时负荷运行图如图3所示。在该负荷率下，计算各设备的逐时耗电量和电费，计算结果见表2。根据图3 可知，夜间冰蓄冷的蓄冷量为100kW·h，白天冰蓄冷的供冷量与高温主机的供冷量约为1 ∶3。根据表2 可知，该系统的耗电量为846kW·h，费用为537 元。

图3 100%冷负荷的逐时负荷运行图

计算典型设计日75%冷负荷的各设备的逐时耗电量，根据仿真的全年逐时能耗模拟数据绘制不同负荷率的系统运行负荷分配图。在该负荷率下计算各设备的逐时耗电量和电费，可知夜间冰蓄冷的蓄冷量为100kW·h。经计算可得该系统的耗电量为711kW·h，费用为413 元[3]。

计算典型设计日50%冷负荷的各设备的逐时耗电量，根据仿真的全年逐时能耗模拟数据绘制不同负荷率的系统运行负荷分配图。在该负荷率下计算各设备的逐时耗电量和电费，可知夜间冰蓄冷的蓄冷量为90kW·h，经计算可得该系统的耗电量为542kW·h，费用为285 元[3]。

计算典型设计日25%冷负荷时的各设备逐时耗电量，根据仿真的全年逐时能耗模拟数据绘制不同负荷率的系统运行负荷分配图。在该负荷率下计算各设备的逐时耗电量和电费，可知当负荷较低时并没有使用高温主机，此时高温负荷较小，再打开高温主机，其COP为5.5 左右，不节能。因此考虑只使用新风来处理冷负荷[3]。

温湿分控的空调系统不同冷负荷率下的耗电量与运行费用的计算结果见表3。常规空调系统不同冷负荷率下的耗电量与运行费用的计算结果见表4。

表3 温湿分控的空调系统不同冷负荷率下的耗电量与运行费用

表4 常规空调系统不同冷负荷率下的耗电量与运行费用

根据表3、表4 的数据进行进一步计算，可得温湿分控的冰蓄冷空调系统年运行费用为64242 元，常规空调系统的运行费用是117306 元，温湿分控的冰蓄冷空调系统的运行费用是常规空调系统的45%。

3.3 系统初投资

温湿分控的冰蓄冷空调系统主要耗能设备选型及设备初投资见表5，常规空调系统的主要耗能设备选型及初投资见表6。同时安装费用是设备的10%，常规空调系统的初投资是31万，温湿分控的冰蓄冷空调系统初投资是42.3 万，比常规空调系统初投资增加了26%。

表6 常规空调系统主要耗能设备选型及初投资

3.4 系统动态全生命周期总费用

本节通过经济性分析中的静态评价方法、动态评价中的动态投资回收期分析法和动态生命周期总费用方法，综合分析动态生命周期总费用。采用供冷季不同冷负荷率的电费估算法计算温湿分控的冰蓄冷空调系统和常规空调系统的全年电费，并简要说明了不同负荷率下的运行策略。结果表明，温湿分控的冰蓄冷空调系统运行费用是常规空调系统的45%。但是温湿分控冰蓄冷空调系统初投资比常规空调系统高26%。采用动态全生命周期总费用法（即公式（1））进行计算，可得温湿分控冰蓄冷空调系统的动态全生命周期费用为116.9 万元，常规系统为162.1 万元，节约费用28%。