某大樓蓄冰空調可行性分析

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簡介： 針對當前蓄冰空調推廣的一些限制因素,本文重點介紹了杭州中興公司會議中心大樓蓄冰空調工程設計所采取的有效措施,并討論了在采取這些措施后該工程實施的可行性。
關鍵字：蓄冰空調 電力政策 回收年限

隨著現代工業(yè)的發(fā)展和生活水平的提高，電力負荷不均衡性日益突出。為解決電力負荷不均衡問題，電力部門將高峰時段電價上浮，低谷時段電價下浮，用經濟手段達到“削峰填谷”的目的。在廣東沿海地區(qū),空調用電負荷已占總供電量的40%以上。由于空調用電負荷一般在電力谷段用電量很少,對城市電網具有很大的“削峰填谷”潛力。蓄冰空調可在用電低谷時段制冰蓄冷，在用電高峰時段融冰釋冷，將高峰時段高價電力轉為低谷時段的低價電力，既達到削峰填谷的目的，又降低了運行費用，對電力系統和用戶可謂“雙贏”?？墒?由于存在初投資與運行費此消彼漲的矛盾,以及系統的可靠性和機房面積大小等的制約, 蓄冰空調推廣應用受到限制。

針對這些限制,本設計采取了一些措施,以保證本工程能較經濟合理的實施。

1.概述

1.1 工程概述

工程位于浙江省杭州市，建筑為長方形(40.5m×18.7m)，東西走向，地上五層，建筑總面積3708.9m²。建筑以客房和會議室為主，還包括舞廳、臺球室等用途的房間。

1.2 電力政策

杭州電價分為峰段和谷段二段電價。峰段為8：00～21：00，電價0.97元/KWh；谷段為22.00～次日7：00，電價0.27元/KWh^[1]。

杭州的空調電力增容費政策為：蓄冷空調900元/KW，非蓄冷空調1500元/KW^[1]。

另外，杭州電力部門在8：00～11：00時段對空調制冷機組的用電量還有一定的限制^[2]。18：00～21：00是另一個用電高峰段（暫無強制性限制）。

2.空調冷負荷

本工程負荷計算是根據建筑專業(yè)圖紙及房間的使用功能，利用設計軟件ACS4.0進行設計日逐時空調冷負荷和月平均日逐時冷負荷計算，并根據建筑的使用性質，暫定辦公部分空調主要使用時間為8：00～20：00，其余部分為全天空調冷負荷，并且忽略空調房間之間的傳熱。

空調設計日冷負荷結果見圖1。月負荷數據見表1。

其中：①設計日最大冷負荷（17：00）：453.2KW；②設計日總

冷負荷：7608.9KWh；③谷段最大冷負荷（21：00）：192KW。

5月

6月

7月

8月

9月

總計

月負荷（KWh）

161339

186266

201674

196956

136504

882739

負荷系數

0.684

0.816

0.855

0.835

0.598

從設計日冷負荷分布圖可以看出，本工程峰段負荷較突出，冷負荷高峰段為8：00～21：00，剛好是杭州的電力峰段，適合使用蓄冰空調系統。

3.設計方案

3.1 運行方案的比較及確定

在蓄冰系統設計中,運行方案的確定是關鍵,它往往能決定一個蓄冰系統設計的成敗。本設計比較了表2的五種設計日運行方案（考慮到蓄冷量占總冷負荷在30%～70%內才能達到經濟的效果^[3]，本文比較過的其它沒達到這一要求的方案未列出）。

方案

運行負荷（kW）

蓄冷負荷所占比例

時段

8：00～11：00

11：00～18：00

18：00～21：00

21：00～次日8：00

1

基載

0

192

0

此段全部冷負荷

30.9%

主機

0

供冷（扣除基載）

0

充冷306.5×0.7

蓄冰

釋冷（全部）

0

釋冷（全部）

充冷

2

基載

192

41.1%

主機

0

充冷405.9×0.7

蓄冰

釋冷（供扣除基載部分冷負荷）

充冷

3

主機1

246.9

31.7%

主機2

0

246.9

蓄冰

釋冷（供扣除主機1部分冷負荷）

主機余量充冷

4

輔機

0

全部冷負荷

31.4%

主機

供冷310

充冷310×0.7

蓄冰

釋冷（供扣除主機部分冷負荷）

充冷

5

輔機

0

全部冷負荷

40.6%

主機

0

供冷401.6

0

充冷401.6×0.7

蓄冰

釋冷（全部）

釋冷（其余部分）

釋冷（全部）

充冷

①方案1基載機組192KW，主機306.5KW，這個方案充分考慮到了杭州的用電限制,但控制較復雜,蓄冷負荷不大。

②方案2基載機組192 KW，主機405.9KW，這個方案蓄冷負荷較大,但機組容量也大,初投資高(制冷機組800元/KW,蓄冰槽150元/KW),并且制冷機組利用率太低。

③方案3兩臺相同機組246.9KW，這個方案兩臺機組相同,維護方便,但由于在夜間有一個余量充冷的過程，因此，控制最復雜。

④方案4主機310KW，輔機192KW，這個方案機組利用率高,運行控制簡單,但蓄冷負荷不大。

⑤方案5主機 401.6KW，輔機192KW，這個方案蓄冷負荷較大,但機組容量也大,初投資高。

本工程制冷機組選用螺桿式制冷機組。根據機組容量和杭州的用電政策，在第④和第⑤種方案的基礎上最終確定的方案為：主機容量330.6KW，型號LS331，8：00～11：00停開，11：00～20：00供冷，21：00～次日7：00充冷；輔機容量198KW，型號LS198，8：00～20：00停開，21：00～次日7：00供冷。蓄冷負荷占總冷負荷的比例為33.5%。這種方案針對本工程谷段負荷較大，既避免了設置機載導致的蓄冷量過小(運行費用高)的問題，又避免了全量蓄冷系統造成的機組容量太大(初投資高)的問題,基本上保證了總費用最省。

蓄冰設備選用STL系列50m²臥式蓄冰槽，配S.00型冰球。設計日冷負荷分配見圖2。

3.2 流程配置

本工程采用制冷機位于上游的串聯流程空調系統,輔機以常規(guī)方式工作,制冷設備與用戶的連接采用間接連接的方式。制冷系統原理圖見圖3。這種設計，主機供冷時工作溫度較高,提高了制冷機組的效率;輔機不與乙二醇系統連接,盡量減少了乙二醇系統的規(guī)模,提高了系統的可靠性;減少了乙二醇溶液的用量,降低了初投資.

3.3 制冷機房布置

本工程制冷機房布置在地下室，蓄冰槽采用室外埋地的方式，布置剖面圖見圖4。

根據一般的工程經驗，蓄冰空調系統制冷機房占地面積要比常規(guī)空調增加50%左右。較大的機房面積使蓄冰空調系統的初投資進一步增加，這也是限制我國蓄冷技術推廣的主要因素之一。

本設計很好的解決了這一問題。在本工程中，機房占地面積只有100.4m²,基本上與常規(guī)空調制冷機房持平。并且，由于本設計蓄冰槽排水口位于地下室地平面以上，不需要額外增加排水設備。

3.4 自控方案

輔機夜間的供冷采用常規(guī)的控制方法。主機充冷時不進行控制。主要對主機11：00～20：00的運行進行控制。本工程采用優(yōu)化控制系統，根據測定的氣象條件預測全天冷負荷來決定主機與蓄冰槽合理的負荷分配模式。本設計主要是通過控制主機的運行時間來實現的。在設計日，主機11：00開機，低于設計日冷負荷時開機時間推遲。開機后，盡量滿負荷運行，如果過高，則直接調節(jié)制冷機到75%或50%或25%檔，不足部分由蓄冰補充。

這種控制模式對制冷機組的調節(jié)要求較低,可以減少制冷機組的投資費用;制冷機組基本上都是滿負荷運行，狀態(tài)穩(wěn)定，設備利用率高;閥門開啟、調節(jié)頻率低，控制簡單；最大限度地發(fā)揮了蓄冰設備融冰供冷量,達到了節(jié)約電費的目的。

3.5 末端系統

在已有的工程中，冰蓄冷系統一般與低溫送風系統結合使用，這樣能夠充分利用冰蓄冷系統所產生的低溫冷凍水，在一定程度上彌補蓄冰系統增加的初投資。一般來說，當建筑面積大于14000m²時，蓄冰與低溫送風相結合的初投資低于常規(guī)空調系統。當建筑面積小于3700m²時，蓄冰與低溫送風相結合的初投資高于常規(guī)空調系統^[4]。

由于本工程建筑面積只有3708.9 m²，因此，不考慮低溫送風系統，采用常規(guī)的風機盤管加新風的系統。

4.經濟評價

4.1 設備參數及一次性投資

非蓄冷系統設計擬選用兩臺LS251型螺桿式制冷機，其標定容量250.6KW，以及相應的附屬設備。

非蓄冷系統一次投資費用估算見表3。蓄冰空調系統一次投資費用估算見表4。

4.2 年用電量計算

根據月負荷數據及負荷分配方案計算年用電量。月負荷數據見表1。年電費結果見表5。

4.3 回收年限

蓄冷系統與非蓄冷供冷系統電費匯總表如表4所示，計算回收年限^[3]：n =

其中：SC——蓄冷系統投資，元；SR——蓄冷系統運行費用，元/年；NC——非蓄冷系統投資，元；NR——非蓄冷系統運行費用，元/年。

即回收期為： n ==3.9 (年)

名 稱

單 價

雜費（%）

容量

投資費用（元）

制冷機組

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

冷卻水泵

70元/m³/h

17

50×2(m³/h)

8190

冷卻塔

80元/KW

17

566.5KW）

53024

冷凍水管

70元/KW

453.2（KW）

31724

冷卻水管

75元/KW

453.2（KW）

33990

自控部分

50元/KW

453.2（KW）

22660

電力部分

280元/KW

453.2（KW）

126896

增容費

1500元/KW

250.6×2（KW）

751800

總計

1485720

名 稱

單 價

雜費（%）

容量

投資費用（元）

制冷機組

800元/KW

10

330.6+198.4(kw)

465520

綜合泵

100元/m³/h

17

80+80(m³/h)

18720

冷水負荷泵

70元/m³/h

17

50×2+50(m³/h)

12285

冷卻水泵

70元/m³/h

17

100+50(m³/h)

12285

冷卻塔

80元/KW

17

529×1.25（KW）

61893

溶液及冷凍水管

70×1.5元/KW

453.2（KW）

47586

冷卻水管

75元/KW

529（KW）

39675

自控部分

90元/KW

529（KW）

47610

電力部分

280元/KW

529（KW）

148120

蓄冷裝置

150元/KWh

18

2545.4（KWh）

450536

熱交換器

150元/KW

10

453.2（KW）

74778

增容費

900元/KW

330.6+198.4（KW）

476100

總計

1855108

表5 年電費匯總表

制冷系統

電費時段

電量（KWh）

電價（元/KWh）

總價（元）

年差價（元）

非蓄冷系統

峰

258029

0.97

250288

93853

谷

79705

0.27

21520

總計

337734

271808

蓄冷系統

峰

120826

0.97

117201

谷

225013

0.27

60754

總計

345839

177955

5.結論

①在社會效益方面, 工程設計日削峰填谷負荷為2481.1KWh,占設計日總冷負荷的32.6%。

②對用戶, 本設計一次性投資比常規(guī)空調系統高24.9%（一般情況高20%～60%^[3]），即36.9萬元，每年電費節(jié)省9.4萬元,回收年限不足4年（10年以上不可取^[3]）。如果空調系統壽命以20年計，在整個使用期內將會節(jié)約費用150余萬元。

③在杭州優(yōu)惠的電力政策以及適當的設計方案的基礎上，本設計能得到較好的社會效益和經濟回報，具有較大的可行性。

參考文獻:

1. 吳喜平.蓄冷技術和蓄熱電鍋爐在空調中的應用.上海:同濟大學出版社，2000.

2. 彥啟森.冰蓄冷系統設計.全國蓄冷空調節(jié)能技術工程中心.1996.

3. 嚴德隆.空調蓄冷應用技術.中國建筑工業(yè)出版社,1997.

4. 巨永平等.第三講,與冰蓄冷相結合的低溫送風空調系統.空調工程中的蓄冷技術. 暖通空調,1996.1：43-49;