上海某办公楼冰蓄冷空调系统的经济分析

1、前言

　　近几年来，随着我国经济的迅速发展，人民生活水科的不断提高，暖通空调用电量日益增加，特别是夏季空调用电量占的比例愈来愈大，有的发达地区空调用电量已达到建筑用电量的40%以上，造成城市电力供需矛盾十分尖锐。

　　解决该矛盾的有效方法之一，是应用蓄冰技术将空调用电从白天高峰期转移到夜间低谷期，均衡城市电网负荷，达到削峰补谷的目的。我国各地电力部门近年来相继推出了分时分级的计价方法，以鼓励和促进这种方法的实现，以缓和电力供应紧张的情况，这无疑是一种战略性的节电措施。1、空调冷负荷图
　　某办公楼，地处上海，建筑面积4000m2，围护结构的窗墙比0.4，层高3.6m，房间进深6m。室内设计参数：干球温度26°C，相对湿度60%，人员密度0.2人/m2，总人数为560人，人体发热量以116.3W/人计算。照明用电量30w/m2，新风量按25m3/(h·人)计算。经过计算，该办公楼逐时冷负荷如图1所示。
　　如果用BIN参数法计算上海地区供冷期间（6-9月）的负荷频率分布，计算中围护结构平均传热系统数按建筑面积取为4.51W（m2/K），冷负荷分布计算结果见表1。办公楼空调每天运行时间为8：00-18：00，故6-9月全期运行时间为1155h。
2、制冷机和蓄冰容量

2.1 制冷机制冷机容量和蓄冰运行的操作模式有关

2.1.1 常规空调系统：
　　常规空调系统的制冷机容量NCS=PL（1）
2.1.2 蓄冰式空调系统：蓄冰式空调系统的制冷机在空调工况和制冰工况运行时间内，所产生的冷量应满足空调全日需冷量STH，KWh。
（1）全蓄冷
　　制冷机仅在离峰时制冷，满足空调期间所需总冷负荷。
　　NCS=STH/（K×HC）（2）
　　式中 K——制冷工况时，主机制量占空调工况下制冷量的百分比。如果假定蒸发温度每降低1°C，制冷能力下降3%，则制冰工况比空调工况制冷能力约下降30%，则制冰工况下比空调工况制冷能力约下降30%，另外考虑到夜间气温较低，冷凝温度每降低1°C，制冷能力提高2%，如夜间气温下降4°C，则制冷能力提高8%，这时k=0.78左右。HC——制冰时间，h。
（2）部分机峰值和离峰期间均运行制冷。
　　NCS=STH/HD+R×HC（3）
　　式中 HD——空调工况制冷机运行时间，h。
2.2 蓄冰槽容量

　　蓄冰空调系统中制冰形式有各种各样，以冷剂直接蒸发的冰盘管管外结冰为例，图2所示为蒸发温度在-5.5—-11.1°C范围骨时结冰厚度和时蓄冰槽容积一般可按下式计算
　　Vm=SC/（cwρwΔtC+ρiri（IPF））（4）
　　式中 　　Vm—蓄冰槽容积，m3
　　SC—蓄冰槽蓄冷量，KWh；
　　cw，ρw—水的比热容，KJ/（Kg·K）和密度，Kg/m3；
　　ΔtC —蓄冰槽的利用温差，°C；
　　ρi，ri—冰的填充率。
　　蓄冰槽蓄冷量与建筑物峰负荷，每日累积负荷和所选择的运行方式有关。全蓄冷时蓄冰量即为全日需冷量，SC=STH，kWh；部分蓄冷量蓄冰槽冷量为SC=STH-NCS×HD，NCS为空调工况机组制冷量，KW；HD为空调工况制冷时间，H。
　　本便全日需冷量STH根据图1负荷计算为STH=4138.4KWh，如果空调工况运行时间HD=10h，则采用部分蓄冷方式时，所需制冷机容量：
　　NCS=STH/（HD+R×HC）=4138.4/（10+0.78×10)=232.5KW
　　考虑10%的安全系数，制冷机选用4V-12.5氨制冷配套设备，在空调工况下（to=5°C，tK=40°C）的制冷量277.9KW，则所需蓄冷槽蓄冷量，SC=1359.4KW。选用456KWh（40万kcal)的蓄冷槽3只。
3、蓄冷空调系统模式


　　图3所示为采用直接蒸发式蓄冷槽的部分蓄冷空调制冰系统图式。部分蓄冷空调制冰系统图式。
　　部分蓄冷时，制冷机利用夜间廉价电力度制冰。白天空调运行时，空调系统所需冷量可与制冷机蒸发器和蓄存的冰水来提供，空调系统来的回水温度12°C可以经过蒸发器冷却后进入系统，亦可与蓄冰槽来的冰水混合后进入系统，由三通温控调节阀（亦可用热交换器代替）调节水量混合比保持供水温度7°C左右。全蓄冷必须在夜间蓄存提供全日冷负荷的用冰量，在白天，蓄冰槽放出冷量来满足用户负荷需求。需要蓄冰槽容量大。增加投资和设备专用面积，适用于低谷电价特别低廉的地区。白天系统向用户提供冷量时，蓄冷槽融冰方式有制冷机优先供给，蓄冰槽优先供给和按一定比例限量提供需求量等方法，这应根据负荷变化大小和随时间变化规律，运行经济性等因素决定。蓄冰蒸发器是否根据控制融冰的三通混合阀和空调制冷蒸发器是否被旁通所决定，以此确定蓄冰槽优先还是制冷机优先的运行原则。蓄冰槽优先可充分发挥蓄冰槽冷能力和机组在满负荷日变化大的场合，白天制冷机出力将随着负荷变化而变化大的场合，从而降低了运行过程中的COP值。因此，应选用部分负荷性能好的制冷机。
4、蓄冰空调系统的经济分析

　　经济分析应包括系统初投资、年运行费用以及制冷设备占有面积等。现用本例与常规制冷系统投资费用的区别。

4.1 年运行费用比较
　　制冰工况与空调工况相比，由于蒸发温度的不同，性能系数相应降低（一般约10%左右），例如，（8A17）制冷机COOP为4.33和1.27,8AS-10制冷机COP为4.20和4.48，KA20-50螺杆机cop为4.2和4.48。计算制冷压缩机单位轴功率的平均制冷量ke（不考虑部分负荷时影响）分别为:空调工况时，Ke=4.1KW/KW，制冰工况时Ke=3.1KW/KW，电机效率ηe=0.85，则能效比EER分别为4.1×0.85=3.485kw/kw和3.5c0.85=2.975kw/kw。根据表1，夏季（6-9月）供冷期间（1155h）空调冷负荷为367.47MWh，则常规系统的期间电耗367.47/3.487=105.4MWh。部分蓄冷时，如果制冷机优先供给白天制冷机供冷量244.9×1155=320.97MWH,白天电耗92.10MWh；夜间期间蓄冷供冷量46.50MWh。夜间电耗15.63MWh。昼夜总电耗107.73MWH。如果蓄冰槽优先供给，夜间期间蓄冷供冷量157.02MWh，夜间电耗52.78MWh，白天制冷机供冷量210.46MWh，白天电耗60.39MWh，昼夜总电耗113.17MWh,结果汇总于表3。

　　电费按峰值0.718元/KWh，谷值0.36计算。
5、结论

　　5.1 从上例可见，冰蓄冷制冷系统的装机容量近乎减少一半，可以节省变电所增容费和制冷机主机及其配套设备的投资，同时增加了蓄冰设备；
　　5.2 从运行方面看，这空调系统的用电量起到了移峰填谷的作用（本例移峰电接近50%），在每年空调用电量以20%-30%速度猛增的形势下，这对均衡城市电网负荷，改善日益尖锐的电量供需矛盾无疑是一项有力的措施。
　　5.3 蓄冷系统所增加的投资与制冰设备的形式，制冰系统的运行模式等因素有关，应合理优化搭配。电力部门应加大优惠力度，进一步拉开昼夜电价差，蓄冷空调系统才有实用意义；如果蓄冰制冷系统配有低温送风系统把常规的送风温差（8°C左右）提高到13°C以上，则送风风量可减小40%左右，将提高蓄冰空调系统的整体经济性
　　5.4 采用蓄冰空调系统时应进行设计工况和运行工况的经济发析。并对各工况进行优化，以达到最大的经济分析。并对各工况进行优化，以达到最的经济效果。