某大楼蓄冰空调可行性分析

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简介： 针对当前蓄冰空调推广的一些限制因素,本文重点介绍了杭州中兴公司会议中心大楼蓄冰空调工程设计所采取的有效措施,并讨论了在采取这些措施后该工程实施的可行性。
关键字：蓄冰空调 电力政策 回收年限

随着现代工业的发展和生活水平的提高，电力负荷不均衡性日益突出。为解决电力负荷不均衡问题，电力部门将高峰时段电价上浮，低谷时段电价下浮，用经济手段达到“削峰填谷”的目的。在广东沿海地区,空调用电负荷已占总供电量的40%以上。由于空调用电负荷一般在电力谷段用电量很少,对城市电网具有很大的“削峰填谷”潜力。蓄冰空调可在用电低谷时段制冰蓄冷，在用电高峰时段融冰释冷，将高峰时段高价电力转为低谷时段的低价电力，既达到削峰填谷的目的，又降低了运行费用，对电力系统和用户可谓“双赢”。可是,由于存在初投资与运行费此消彼涨的矛盾,以及系统的可靠性和机房面积大小等的制约, 蓄冰空调推广应用受到限制。

针对这些限制,本设计采取了一些措施,以保证本工程能较经济合理的实施。

1.概述

1.1 工程概述

工程位于浙江省杭州市，建筑为长方形(40.5m×18.7m)，东西走向，地上五层，建筑总面积3708.9m²。建筑以客房和会议室为主，还包括舞厅、台球室等用途的房间。

1.2 电力政策

杭州电价分为峰段和谷段二段电价。峰段为8：00～21：00，电价0.97元/KWh；谷段为22.00～次日7：00，电价0.27元/KWh^[1]。

杭州的空调电力增容费政策为：蓄冷空调900元/KW，非蓄冷空调1500元/KW^[1]。

另外，杭州电力部门在8：00～11：00时段对空调制冷机组的用电量还有一定的限制^[2]。18：00～21：00是另一个用电高峰段（暂无强制性限制）。

2.空调冷负荷

本工程负荷计算是根据建筑专业图纸及房间的使用功能，利用设计软件ACS4.0进行设计日逐时空调冷负荷和月平均日逐时冷负荷计算，并根据建筑的使用性质，暂定办公部分空调主要使用时间为8：00～20：00，其余部分为全天空调冷负荷，并且忽略空调房间之间的传热。

空调设计日冷负荷结果见图1。月负荷数据见表1。

其中：①设计日最大冷负荷（17：00）：453.2KW；②设计日总

冷负荷：7608.9KWh；③谷段最大冷负荷（21：00）：192KW。

5月

6月

7月

8月

9月

总计

月负荷（KWh）

161339

186266

201674

196956

136504

882739

负荷系数

0.684

0.816

0.855

0.835

0.598

从设计日冷负荷分布图可以看出，本工程峰段负荷较突出，冷负荷高峰段为8：00～21：00，刚好是杭州的电力峰段，适合使用蓄冰空调系统。

3.设计方案

3.1 运行方案的比较及确定

在蓄冰系统设计中,运行方案的确定是关键,它往往能决定一个蓄冰系统设计的成败。本设计比较了表2的五种设计日运行方案（考虑到蓄冷量占总冷负荷在30%～70%内才能达到经济的效果^[3]，本文比较过的其它没达到这一要求的方案未列出）。

方案

运行负荷（kW）

蓄冷负荷所占比例

时段

8：00～11：00

11：00～18：00

18：00～21：00

21：00～次日8：00

1

基载

0

192

0

此段全部冷负荷

30.9%

主机

0

供冷（扣除基载）

0

充冷306.5×0.7

蓄冰

释冷（全部）

0

释冷（全部）

充冷

2

基载

192

41.1%

主机

0

充冷405.9×0.7

蓄冰

释冷（供扣除基载部分冷负荷）

充冷

3

主机1

246.9

31.7%

主机2

0

246.9

蓄冰

释冷（供扣除主机1部分冷负荷）

主机余量充冷

4

辅机

0

全部冷负荷

31.4%

主机

供冷310

充冷310×0.7

蓄冰

释冷（供扣除主机部分冷负荷）

充冷

5

辅机

0

全部冷负荷

40.6%

主机

0

供冷401.6

0

充冷401.6×0.7

蓄冰

释冷（全部）

释冷（其余部分）

释冷（全部）

充冷

①方案1基载机组192KW，主机306.5KW，这个方案充分考虑到了杭州的用电限制,但控制较复杂,蓄冷负荷不大。

②方案2基载机组192 KW，主机405.9KW，这个方案蓄冷负荷较大,但机组容量也大,初投资高(制冷机组800元/KW,蓄冰槽150元/KW),并且制冷机组利用率太低。

③方案3两台相同机组246.9KW，这个方案两台机组相同,维护方便,但由于在夜间有一个余量充冷的过程，因此，控制最复杂。

④方案4主机310KW，辅机192KW，这个方案机组利用率高,运行控制简单,但蓄冷负荷不大。

⑤方案5主机 401.6KW，辅机192KW，这个方案蓄冷负荷较大,但机组容量也大,初投资高。

本工程制冷机组选用螺杆式制冷机组。根据机组容量和杭州的用电政策，在第④和第⑤种方案的基础上最终确定的方案为：主机容量330.6KW，型号LS331，8：00～11：00停开，11：00～20：00供冷，21：00～次日7：00充冷；辅机容量198KW，型号LS198，8：00～20：00停开，21：00～次日7：00供冷。蓄冷负荷占总冷负荷的比例为33.5%。这种方案针对本工程谷段负荷较大，既避免了设置机载导致的蓄冷量过小(运行费用高)的问题，又避免了全量蓄冷系统造成的机组容量太大(初投资高)的问题,基本上保证了总费用最省。

蓄冰设备选用STL系列50m²卧式蓄冰槽，配S.00型冰球。设计日冷负荷分配见图2。

3.2 流程配置

本工程采用制冷机位于上游的串联流程空调系统,辅机以常规方式工作,制冷设备与用户的连接采用间接连接的方式。制冷系统原理图见图3。这种设计，主机供冷时工作温度较高,提高了制冷机组的效率;辅机不与乙二醇系统连接,尽量减少了乙二醇系统的规模,提高了系统的可靠性;减少了乙二醇溶液的用量,降低了初投资.

3.3 制冷机房布置

本工程制冷机房布置在地下室，蓄冰槽采用室外埋地的方式，布置剖面图见图4。

根据一般的工程经验，蓄冰空调系统制冷机房占地面积要比常规空调增加50%左右。较大的机房面积使蓄冰空调系统的初投资进一步增加，这也是限制我国蓄冷技术推广的主要因素之一。

本设计很好的解决了这一问题。在本工程中，机房占地面积只有100.4m²,基本上与常规空调制冷机房持平。并且，由于本设计蓄冰槽排水口位于地下室地平面以上，不需要额外增加排水设备。

3.4 自控方案

辅机夜间的供冷采用常规的控制方法。主机充冷时不进行控制。主要对主机11：00～20：00的运行进行控制。本工程采用优化控制系统，根据测定的气象条件预测全天冷负荷来决定主机与蓄冰槽合理的负荷分配模式。本设计主要是通过控制主机的运行时间来实现的。在设计日，主机11：00开机，低于设计日冷负荷时开机时间推迟。开机后，尽量满负荷运行，如果过高，则直接调节制冷机到75%或50%或25%档，不足部分由蓄冰补充。

这种控制模式对制冷机组的调节要求较低,可以减少制冷机组的投资费用;制冷机组基本上都是满负荷运行，状态稳定，设备利用率高;阀门开启、调节频率低，控制简单；最大限度地发挥了蓄冰设备融冰供冷量,达到了节约电费的目的。

3.5 末端系统

在已有的工程中，冰蓄冷系统一般与低温送风系统结合使用，这样能够充分利用冰蓄冷系统所产生的低温冷冻水，在一定程度上弥补蓄冰系统增加的初投资。一般来说，当建筑面积大于14000m²时，蓄冰与低温送风相结合的初投资低于常规空调系统。当建筑面积小于3700m²时，蓄冰与低温送风相结合的初投资高于常规空调系统^[4]。

由于本工程建筑面积只有3708.9 m²，因此，不考虑低温送风系统，采用常规的风机盘管加新风的系统。

4.经济评价

4.1 设备参数及一次性投资

非蓄冷系统设计拟选用两台LS251型螺杆式制冷机，其标定容量250.6KW，以及相应的附属设备。

非蓄冷系统一次投资费用估算见表3。蓄冰空调系统一次投资费用估算见表4。

4.2 年用电量计算

根据月负荷数据及负荷分配方案计算年用电量。月负荷数据见表1。年电费结果见表5。

4.3 回收年限

蓄冷系统与非蓄冷供冷系统电费汇总表如表4所示，计算回收年限^[3]：n =

其中：SC——蓄冷系统投资，元；SR——蓄冷系统运行费用，元/年；NC——非蓄冷系统投资，元；NR——非蓄冷系统运行费用，元/年。

即回收期为： n ==3.9 (年)

名 称

单 价

杂费（%）

容量

投资费用（元）

制冷机组

800元/KW

10

2×250.6 (kw)

441056

一次冷水泵

70元/m³/h

17

50×2(m³/h)

8190

二次冷水泵

70元/m³/h

17

100(m³/h)

8190

冷却水泵

70元/m³/h

17

50×2(m³/h)

8190

冷却塔

80元/KW

17

566.5KW）

53024

冷冻水管

70元/KW

453.2（KW）

31724

冷却水管

75元/KW

453.2（KW）

33990

自控部分

50元/KW

453.2（KW）

22660

电力部分

280元/KW

453.2（KW）

126896

增容费

1500元/KW

250.6×2（KW）

751800

总计

1485720

名 称

单 价

杂费（%）

容量

投资费用（元）

制冷机组

800元/KW

10

330.6+198.4(kw)

465520

综合泵

100元/m³/h

17

80+80(m³/h)

18720

冷水负荷泵

70元/m³/h

17

50×2+50(m³/h)

12285

冷却水泵

70元/m³/h

17

100+50(m³/h)

12285

冷却塔

80元/KW

17

529×1.25（KW）

61893

溶液及冷冻水管

70×1.5元/KW

453.2（KW）

47586

冷却水管

75元/KW

529（KW）

39675

自控部分

90元/KW

529（KW）

47610

电力部分

280元/KW

529（KW）

148120

蓄冷装置

150元/KWh

18

2545.4（KWh）

450536

热交换器

150元/KW

10

453.2（KW）

74778

增容费

900元/KW

330.6+198.4（KW）

476100

总计

1855108

表5 年电费汇总表

制冷系统

电费时段

电量（KWh）

电价（元/KWh）

总价（元）

年差价（元）

非蓄冷系统

峰

258029

0.97

250288

93853

谷

79705

0.27

21520

总计

337734

271808

蓄冷系统

峰

120826

0.97

117201

谷

225013

0.27

60754

总计

345839

177955

5.结论

①在社会效益方面, 工程设计日削峰填谷负荷为2481.1KWh,占设计日总冷负荷的32.6%。

②对用户, 本设计一次性投资比常规空调系统高24.9%（一般情况高20%～60%^[3]），即36.9万元，每年电费节省9.4万元,回收年限不足4年（10年以上不可取^[3]）。如果空调系统寿命以20年计，在整个使用期内将会节约费用150余万元。

③在杭州优惠的电力政策以及适当的设计方案的基础上，本设计能得到较好的社会效益和经济回报，具有较大的可行性。

参考文献:

1. 吴喜平.蓄冷技术和蓄热电锅炉在空调中的应用.上海:同济大学出版社，2000.

2. 彦启森.冰蓄冷系统设计.全国蓄冷空调节能技术工程中心.1996.

3. 严德隆.空调蓄冷应用技术.中国建筑工业出版社,1997.

4. 巨永平等.第三讲,与冰蓄冷相结合的低温送风空调系统.空调工程中的蓄冷技术. 暖通空调,1996.1：43-49;