四种冷源空调系统的运行费用比较

摘要： 本文以乌鲁木齐的一项商业建筑物为工程实例，在确定室外气侯条件、室内设计标准、冷热负荷与湿负荷特点等情况下，结合当地的能源（如煤、电、气等）和水价格，除对常规典型的电制冷空调系统—方案
1、直燃型溴化锂制冷空调系统—方案
2的全部耗电量、耗气量、耗水量进行冬、夏季全年设计 计算 分析 外，还对地热水源热泵空调系统—方案
3、蒸发冷却天然冷源空调系统—方案
4进行了计算分析，从而客观地给出在乌鲁木齐各种空调系统在设计工况下的运行费用。
关键词： 电制冷 溴化锂制冷 直燃机 蒸发冷却空调 水源热泵
乌鲁木齐地区室外气候特点是：
1、夏季空调系统运行时间不长（最热月平均温度23.5℃）、冷负荷相对不是很大，室外空气干燥（最热月14时平均室外相对湿度31%），每天昼夜温差较大，没有新风冷负荷(室外计算湿球温度TWS=18.5℃)；
2、冬季属严寒地区，空调系统运行时间长（设计计算用采暖期天数177天），热负荷较大,尤其是新风负荷较大（冬季空调室外计算温度-27℃）。因此，乌鲁木齐地区的空调系统设计选用就应特别关注冬季 经济 使用情况。由于各地气侯特点、能源特性及其价格、空调制冷系统自身特性的不同等，不同冷源空调系统在不同地方使用，它们的运行费用是不一样。相对于某地一个确切的工程，可以有多种系统选择，但是只有经过具体计算、比较、分析才能为此工程选出最恰当的系统。这是许多用户最为关心的，是一个工程好坏的关健。
1 、设计条件与依据
1．1、乌鲁木齐某商业建筑物：面积10000.0m2，商场内共有人员4500.0人（0.45人/ m2 ）。
1．2、乌鲁木齐夏室外空调空气参数：（1）、夏季：干球温度34.1℃，湿球温度18.5℃，含湿量：8.4g/kg，室外空气焓值56kj/kg.；（2）、冬季：干球温度-27℃, 相对湿度80%，室外空气焓值-26.6kj/kg。
1．3、室内空气状态参数：（1）、夏季：tn=25℃,ф=55%,in=56.6kj/kg；（2）、冬季：tn=22℃,ф=40%,in=40.8kj/kg。
1．4、夏季：冷负荷指标120w/ m2，冷负荷1200kw，含湿量：0.3g/kg，湿负荷：736kg/h，热湿比：ε=5870.0kj/kg；冬季：围护结构热负荷指标80w/ m2，围护结构热负荷：800kw（不包括新风负荷），湿负荷：600.0kg/h，热湿比：ε=-4800.0kj/kg。
1．5、热媒供回水温度：夏季：7~12℃，冬季：60~50℃。
1．6、夏季空调系统为全新风全空气系统，冬季时，空调系统为全空气系统，其中新风量占总风量15%，305000*0.15=45750（m3/h）,对应新风负荷748.9 kw(二级蒸发冷却空调系统的新风量也一样)。
1．7、天然气低位发热量8600kcal/m3，乌市天然气价：1.34元/ m3。
1．8、乌市用水价格：商业用水2.33元/立方米；办公、民用、 工业 用水1.53元/立方米。
1. 9、乌市商业电价:：高峰：0.801元/度，平段：0.535元/度，低谷：0.272元/度；商业营业时间按：10.00~22.00,12个小时计算； 目前 ，商业使用实际电价应为：0.560元/度；办公电价:：高峰：0.536元/度，平段：0.362元/度，低谷：0.189元/度；目前，办公用实际电价应为：0.420元/度。
1．10、乌市城市采暖费: ：22.00元/ m2。
1．11、系统补水泵 影响 较小，其能耗忽略不计；系统漏水量按循环水量的0.5%计。
1．12、地源热泵制冷系统水井井深50米。
2 、夏季设计工况 由于，夏季室内外空气的焓值基本相等,采用100%的室外新风在不增加能耗的情况下，有利于室内空气品质改善。在I——d图上（略），空气处理过程是：等湿降温——绝热加湿。通过计算，对于机械制冷空调系统：送风状态是：温度to=14.5℃，焓值io=38.3kj/kg，含湿量do=9.3g/kg，总送风量为：L=300000m3/h，直接加湿量：508.3kg/h，可选择6台50000m3/h的空调机组负责送风；冷水机组选择2台，每台制冷量：600kw。对于二级蒸发冷却空调系统：间冷效率（IEC）按65%计，送风状态达到：to=16.9℃，io=45.5kj/kg（由于室内湿度大，直冷效率（DEC）80%既可），含湿量：do=10.1g/kg，相应的总送风量为：L=464000m3/h，直接加湿量：720.0kg/h，选择6台80000 m3/h空调机组负责送风。夏季各制冷空调系统耗能、耗气、耗水计算结果 表一耗能、耗水系统 耗电量（kw） 耗气量（m3/h） 耗水量（kg/h） 电制冷空调系统 冷水机组 118*2 空调机组 22*6 760 水泵、冷却塔 5．5*2+15*2+15*2 1150+2200 小计 439 0 4112 直燃式制冷空调系统 直燃式冷水机组 4*2 45.3*2 空调机组 22*6 760 水泵、冷却塔 15*2+15*2+5.5*2 1380+2200 小计 211 90.6 3656 地源热泵制冷空调系统 地源热泵制冷机组 143*2 空调机组 22*6 760 冷水泵、冷却水提升泵 24*2+11*2 800+900 小计 488 0 2460 二级蒸发冷却空调系统 送风机 30*6 二次风风机 5.5*6 循环水泵 (1.1+1.5)*6 1080+2400 小计 228.6 0 3480 夏季设计计算结果一览表 表二结果系统 总耗电量(元/h) 天然气总耗量(元/h) 总耗水量(元/h) 总耗电、气、水耗费用 (元/h) 四种系统之间关系 方案1 电制冷空调系统 245.8 0 9.6 255.4 1．0 方案2 直燃式制冷空调系统 118.2 121.4 8.5 248.1 0.97 方案3 地源热泵制冷空调系统 273.3 0 5.7 279.0 1.10 方案4 二级蒸发冷却空调系统 128.0 0 8.1 136.1 0.53 3 、夏季设计工况下结论
3．1、通过对表中数据分析,电制冷空调系统电耗占总成本98%，水耗只占2%。而在电耗中：冷水机组电耗占53.8%,水系统设备电耗占16.2%，空气处理机组电耗占30%。
3．2、对直燃式制冷空调系统：按当前各种能源价格，系统电耗占总成本52.6%,天然气占总成本45.3%,水耗只占2.1%。而在电耗中：直燃式冷水机组电耗占3.9%,水系统设备电耗占33.6%，空气处理机组电耗占62.5%。
3．3、地源热泵制冷空调系统：通过对表中数据分析，系统电耗占总成本98.3%，水耗只占1.7%。而在电耗中：冷水机组电耗占58.6%,水系统设备电耗占14.3%，空气处理机组电耗占27.0%。虽然,热泵机组耗电占系统较大比重；但地下水位不能太深（H≤60米），否则会对系统电耗影响较大，因为N=kQH，如：某工程井深280米，比设计井深大5倍，则对应深井泵的总能耗将增加约200kw，水系统设备电耗占总系统电耗也大幅增加24%，。此外，考虑深水井的造价较高（一般650元/米左右），工程上往往只打一口取水井，这样冷却水提升泵只设一台，热泵机组也应设一台，不然如设二台热泵机组，部分负荷时，运行一台热泵机组工作, 匹配的冷却水提升泵能耗会过大。
3．4、二级蒸发冷却空调系统：是几种空调系统中运行费用最经济的一种，这是其利用天然冷源的机理决定的。主要运行成本也是电耗，占96.4%。
3．5、在电制冷与直燃式机械制冷空调方式对比中，电价和气价不同决定了二种制冷空调方式运行费用的高低。经推导可得出电价气价关系为：X=2.9Y，比如：当气价为：X =1.34元/ m3时，电价为：Y=1.34/2.9=0.46元/度，二种制冷空调方式的运行费用相当，如电价高于0.46元/度，则电制冷空调的运行费用就会高于直燃式机械制冷空调。
4 、冬季运行费用 依据上述设计条件, 空调系统冬、夏季送风量相同，L=305000m3/h，仍由6台50800m3/h的空调机组负责送风；冬季新风量占总风量15%，新风量45750（m3/h）,新风负荷748.9kw，围护结构热负荷：800kw，总空调热负荷1548.9 kw湿负荷：600.0kg/h，热湿比：ε=-4800.0kj/kg。在I——d图上（略），空气处理过程是：新风予热——新风与室内回风混合——再热。送风状态是：温度to=34.7℃，焓值io=51.7kj/kg，含湿量do=6.5g/kg。对于二级蒸发冷却空调系统：其送风量为：L=432000m3/h，由6台72000 m3/h空调机组负责送风,经计算：送风状态为：送风温度to=31.3℃，焓io=49.3kj/kg,含湿量do=7.1g/kg。热水循环流量：133.2 m3/h。冬季各制冷空调系统耗能、耗水计算结果 表三 系统 供热方式 耗能、耗水设备 耗电量（kw） 耗气量（m3/h） 耗水量（kg/h） 备注 电制冷空调系统 城市集中供热 换热器、二次水水处理、水泵 0 500 一次水未能耗考虑 空调机组 22*6+0.55*6 0 160 小计 135.3 0 660.0 燃气炉自供热 燃气炉 1.5*2 88*2 0 水处理、循环水泵 7.5*2+2.2*0.3+1.5*0.2 0 500 空调机组 22*6+0.55*6 0 160 小计 154.3 176 660.0 直燃式空调系统 高发加大直燃机组供热 直燃式冷水机组 4.0*2 93*2 0 空调机组 22*6+0.55*6 0 160 水处理、循环水泵 7.5*2+2.2*0.3+1.5*0.2 0 500 小计 159.3 186 660.0 地源热泵空调系统 地源热泵机组供热 地源热泵制冷机组 220*2 0 0 空调机组 22*6+0.55*6 0 160 冷水泵、冷却水提升泵 24*2+7.5*2 0 900 小计 638.3 0 1060.0 二级蒸发冷却空调系统 城市集中供热 送风机 15.0*2*6 0 循环水泵 0.75*6 0 200 直接加湿 换热器、二次水水处理、水泵 0 500 小计 184.5 0 700.0 燃气炉自供热 燃气炉 1.5*2 88*2 0 水处理、循环水泵 7.5*2+2.2*0.3+1.5*0.2 0 600 空调机组 15*2*6+0.75*6 0 200 小计 238.5 176.0 800.0 冬季各系统一小时运行费用的结果 表四参数系统 供热方式 总耗电量(元/h) 天然气总耗量(元/h) 总耗水量(元/h) 总耗电、气、水耗用(元/h) 四种系统之间关系 电制冷空调系统 集中供热 75.8 0 1.53 77.9+1.53+101.9=179.2 1．0 燃气供热 86.4 235.8 1.53 323.7 1.81 直燃式制冷空调系统 高发加大直燃机组供热 89.4 249.2 1.53 340.1 1.90 地源热泵制冷空调系统 地源热泵机组供热 357.4 0 2.47 360.0 2.01 二级蒸发冷却空调系统 集中供热 103.3 0 1.63 103.3+1.63+101.9=206.8 1.15 燃气供热 133.6 235.8 1.86 371.2 2.07 注 ：集中供热按城市采暖费22.0元/m2标准计算（空调用热与采暖用热价格暂定一样）,这包括了锅炉房一、二次水泵耗能，燃煤、人工、维修等总费用；一个采暖期180天(每天12小时)，折合到本建筑每小时费用101.9元/h。
5 、冬季设计工况下的结果
5．1、冬季各系统运行时费用相差较大，这对采暖期长，能耗大的寒冷地区特别重要;从表四可以得出：冬季在乌鲁木齐除采用城市集中供热外（不考虑热贴），其它任何空调系统在采用以天燃气为主要热源供热或地源热泵机组方式供热都很不 经济 ，所以应避免采用。
5．2、冬季新风量虽然占总送风量不大，但空调机组在对其加热、加湿过程中能耗确很大，在采用集中供热的空调系统中，新风负荷约占总负荷50%，其运行费用也占总费用50%左右，所以设计时对冬季新风是否采用、采用多少应特别注意。如：在直燃式空调和地源热泵空调系统的有些设计中，设计人为了满足全年负荷要求，就以冬季这二种机组的额定出力选择设备，其结果必然是出投资增大，冬季系统运行费用高，夏季系统长年在部分负荷情况下运行，对即机组不利，运行也不经济，是应禁止选择的设计方案。
5．3、在不考虑一次用水情况下，水的损耗占总费用不到1%；在采用集中供热的空调系统中，集中供热费用是固定不变的，空调机组能耗约占50%左右。
6 、全年设计工况下的结果
6．1、在现有收费条件下，用城市集中供热是冬季空调系统的最经济用热方式。
6．2、使用天然蒸发冷却冷源空调系统——方案4是夏季各类空调系统中最为经济的系统，冬季使用城市集中供热也较经济。
6．3、夏季使用常规典型的螺杆式电制冷空调系统——方案1，在设计工况下其运行费用是方案4的一倍，冬季应使用城市集中供热供热。
6．4、夏季使用直燃型溴化锂制冷空调系统——方案2，其运行费用与方案1相当，冬季不应时用直燃机供热。
6．5、由于冬季热负荷较大，再使用地源热泵供热相对就很不合理，夏季使用地热水源热泵——方案3供冷是否经济，主要取决于地下水水位或井深。事实上，选择何种方式的制冷空调系统对一项工程不仅重要，而且相当复杂；除了应进行经济 分析 比较外，还必须考虑到一次投资、人员成本、技术上可靠合理、设备的性能和使用寿命、设备的使用与维修、自动化管理与调节、设备和管道占用场地和空间情况、对环境 影响 等。只有全面掌握有关信息，分析比较后才能得出最佳方案。