复合水蓄冷的热湿分控空调系统能耗与运行费用分析

丁云飞, 苏 浩, 王剑平

(广州大学 a.土木工程学院, b.广东省建筑节能与应用技术重点实验室, 广东 广州 510006)

复合水蓄冷的热湿分控空调系统能耗与运行费用分析

丁云飞a,b, 苏 浩a, 王剑平a

(广州大学 a.土木工程学院, b.广东省建筑节能与应用技术重点实验室, 广东 广州 510006)

水蓄冷系统能够提供满足热湿分控空气处理模式中新风除湿要求的低温水，将两者组合构成的复合系统，既能获得较好的室内空气品质，又能扩大蓄冷温差，达到更好的移峰填谷效果.文章对比分析了复合水蓄冷前后热湿分控空调系统的运行能耗和运行费用，并与2种常规空调系统进行了比较.结果显示，热湿分控空调系统能耗均低于常规热湿耦合空调系统，能耗分别为常规热湿耦合空调系统的95%和88%；由于存在蓄冷槽损失，各系统与水蓄冷槽组成复合系统后，能耗均略有上升，但运行费用均有明显降低，运行费用分别是原系统的81%、61%和48%，而且具有显著的移峰填谷效果；与复合蓄冷槽的常规热湿耦合系统相比，热湿分控空调系统能有效增加蓄冷槽的蓄冷温差，由传统的5 ℃温差蓄冷，变成15 ℃温差蓄冷.

热湿分控； 水蓄冷； 能耗； 运行费用

随着社会经济的高速发展，我国电力供应日显紧张，电力供应也呈现新特点，用电高峰时负荷大，影响正常用电，用电低谷时，发电效率大大下降，因此，必须采取有效措施移峰填谷[1].蓄冷技术能够实现有效的移峰填谷，其中，水蓄冷系统具有造价低、设计运行方便、维护简单等优点[2]，得到越来越多的推广使用.常规空调系统采用热湿耦合空气处理模式，风机盘管处于湿工况运行，盘管滋生霉菌，影响室内空气品质，新型热湿分控空气处理模式由新风承担全部湿负荷，非常适合于热湿气候[3]，室内盘管干工况运行，不仅改善了室内空气品质，而且可以提高空调系统的能源利用率[4].

水蓄冷系统(CWS)能够提供满足热湿分控空气处理模式(ITHC)中新风除湿要求的低温水，将2者组合构成的复合系统，既能获得较好的室内空气品质，又能扩大蓄冷温差，达到了更好的电网移峰填谷效果.本文对比分析了复合水蓄冷前后热湿分控空调系统的运行能耗和运行费用，并与2种常规空调系统进行了比较.

1 系统形式

2种常规空调系统：系统1为风机盘管加新风系统(FCU-FA)、系统2为增加水蓄冷的风机盘管加新风系统(FCU-FA+CWS)；4种基于热湿分控的空调系统：系统3为双冷源系统(DCS-ITHC)、系统4为复合水蓄冷的双冷源系统(DCS-ITHC+CWS)、系统5为单冷源系统(SCS-ITHC)、系统6为复合水蓄冷的单冷源系统(SCS-ITHC+CWS)，各种空调系统的原理见图1，运行模式见表1.

为了分析方便，蓄冷槽蓄/放冷过程均采用开式系统，即不使用板式换热器；水蓄冷温度均取7 ℃.

2 能耗分析模型

2.1 负荷分析

图1 空调系统原理图

系统名称系统运行模式FCU-FA7℃供水,12℃回水,冷水机组承担新风机组冷量和风机盘管冷量,风机盘管为湿工况.FCU-FA+CWS在FCU-FA系统基础上,增加水蓄冷槽(7℃/12℃).用电峰段使用蓄冷槽供冷,冷水机组承担用电谷段的蓄冷和其余时段系统供冷,风机盘管为湿工况.DCS-ITHC低温冷水机组(CH-L)为新风机组供冷,高温冷水机组(CH-H)为风机盘管供冷,风机盘管干工况运行.DCS-ITHC+CWSDCS-ITHC基础上,增加水蓄冷槽(7℃/22℃),扩大了蓄冷温差.第一阶段:用电峰段使用蓄冷槽为新风机组供冷,温升后的17℃冷冻水回到蓄冷槽,高温冷水机组为风机盘管供冷;第二阶段:蓄冷槽17℃冷冻水继续为风机盘管供冷,风机盘管干工况运行,低温冷水机组开始为新风机组供冷.用电低谷,使用高温冷水机组将蓄冷槽中22℃的水降温到17℃,再使用低温冷水机组将17℃的水处理到7℃.SCS-ITHC采用高温冷水机组(CH-H)和低温冷水机组(CH-L)串联实现7℃/22℃的大温差供冷,风机盘管为干工况.7℃的冷水为新风机组供冷,温升后的17℃冷冻水为风机盘管供冷.SCS-ITHC+CWSSCS-ITHC基础上,增加水蓄冷槽(7℃/22℃),扩大了蓄冷温差.用电峰段使用蓄冷槽供冷,冷水机组承担用电谷段的蓄冷和其余时段系统用冷,风机盘管干工况运行.

(1)

(2)

式中,

Qa——新风承担的室内负荷，kW；

ca——空气的比热容，取1.01 kJ·(kg℃)-1；

Va——新风量，m3·h-1；

tn——室内设计温度，℃；

to——新风送风温度，℃；

w——成年男子散湿量，g·(h·人)-1；

ρa——室内空气的密度，取1.2 kg·m-3；

lx——新风量标准，m3·(h·人)-1.

2.2 蓄冷槽蓄冷量

根据蓄冷槽容积，并结合蓄冷效率，利用式(3)、式(4)计算蓄冷槽最大可蓄存冷量Q蓄和实际可取用的冷量Q取.

Q蓄=VρcΔt

(3)

Q取=ηQ蓄

(4)

式中,

V——蓄冷水槽容积，m3；

ρ——水的密度，取1 000 kg·m-3；

c——水的比热容，取4.2 kJ·(kg℃)-1；

Δt——蓄冷温差，℃；

η——蓄冷效率，为0.8～0.9，常取0.85[2].

2.3 运行控制策略

制订运行控制策略的主要目的是充分利用已蓄存的冷量和当地电价政策，从而实现电网的移峰填谷和节约运行费用.根据蓄冷槽实际可取用冷量Q取，将蓄冷槽冷量分配到用电峰段，多余冷量分配到用电平段.利用柱状负荷分布图，表示冷水机组与蓄冷槽的配合状态[7].

2.4 冷水机组选择

ITHC+CWS系统中，冷水机组除用于用电低谷段蓄冷，还用于蓄冷槽停止供冷后的新风机组和风机盘管的冷量供应，因此冷水机组的容量满足2者的要求.蓄冷槽停止供冷后系统冷负荷最大值为p*，同时蓄冷时间不能超过低谷段时长t*，因此冷水机组的容量为

2.5 冷水机组运行COP

实际运行过程中，冷水机组COP受部分负荷率PLR(实际制冷量与额定制冷量的比值)和冷却水进水温度影响.其修正系数为[8-9]

X=X1·X2

(5)

式中，X1为PLR对COP的修正系数，可用式(6)计算，X2为冷却水温度对COP的修正系数，可用式(7)计算.

(6)

其中，a、b、c为常数，可以通过冷水机组样本数据拟合得到.

X2=1+αlΔtci

(7)

Δtci=tcie-tci

(8)

tci=twb+Δtapp

(9)

式中,αl——系数，离心机约为1.8%～2.1%，螺杆机约为3.0%～4.0%；

tcie——额定冷却水进口温度，℃；

tci——实际冷却水进口温度，℃；

twb——湿球温度，℃；

Δtapp——冷却塔出水温度与空气湿球温度接近程度，通常取4 ℃.

2.6 系统能耗分析

冷水机组在实际运行中，在不同的负荷率下冷水机组的COP不同.令PLR=0.1i(i=1,2…10)，根据下式确定在不同负荷率下冷水机组的耗电功率为

(10)

根据统计可得全年不同负荷率下运行时间ti，则全年制冷量和耗电量为

(11)

(12)

2.7 系统经济性分析

根据分时电价，通过全年不同时段的用电量分析，确定用电峰段、平段和谷段的不同用电量，计算全年运行电费.

3 案例分析

3.1 建筑概况

建筑为位于深圳市的一栋办公楼，空调面积为6 095 m2，蓄冷槽容积为450 m3.建筑运行时间为8:00～21:00.夏季室内设计参数见表2[10-11].空调期从5月1日到10月20日.深圳市分时电价如下：①高峰时段：9:00～11:30、14:00～16:30、19:00～21:00，电价为1.069 7元·(KWh)-1；②平峰时段：7:00～9:00、11:30～14:00、16:30～19:00、

表2 室内设计参数

21:00～22:00，电价为0.850 9元·(KWh)-1；③低谷时段：0:00～7:00、23:00～24:00，电价为0.446 1元·(KWh)-1；蓄冷空调谷期电价：0.278 8元·(KWh)-1.

3.2 全年能耗分析

采用能耗分析软件(DeST)对办公楼进行全年能耗动态模拟计算，首层平面图见图2.新风机组和干式风机盘管冷负荷逐时变化见图3.

图2 办公室首层平面图

Fig.3 Cooling load for fresh air handing unit and fan coil unit change with time

3.3 不同系统冷负荷分配

根据不同系统的运行情况和全年典型日冷负荷分布，确定6种系统的负荷分配图，见图4.实际蓄冷槽蓄冷量参照系统负荷分配图确定，并满足全年实际负荷需求量.实际运行中，蓄冷槽的冷量从投入到使用完成后才使用冷水机组进行制冷.

3.5 系统能耗与运行费用分析

根据不同系统运行情况和负荷分布，选择系统的装机容量.各个系统冷水机组的配置见表3.根据能耗分析过程，对6种系统的数据进行计算，得到不同系统的全年累计耗电量、制冷量、蓄冷槽全年转移电量，其结果列于表4.6种系统的全年累计运行电费,见图5.

表3 不同系统冷水机组选型

表4 各系统耗电量

图5 各系统全年运行电费

4 结 论

水蓄冷系统能够提供满足热湿分控空气处理模式中新风除湿要求的低温水，将2者组合构成的复合系统，既能获得较好的室内空气品质，又扩大了蓄冷温差，对电网具有更好的移峰填谷效果.通过分析复合水蓄冷槽前后热湿分控空调系统的运行能耗和运行费用，并与复合水蓄冷槽前后常规热湿耦合空调系统进行比较，得到如下结论：①热湿分控空调系统能耗均低于常规热湿耦合空调系统，能耗分别为常规热湿耦合空调系统的95%和88%，具有较好的节能效果；②由于存在蓄冷槽损失，各系统与水蓄冷槽组成复合系统后，能耗均略有上升，但由于存在峰谷电价差，运行费用均有明显降低，分别是原系统的81%、61%和48%，同时，复合系统均有显著的电网移峰填谷效益；③与复合蓄冷槽的常规热湿耦合系统相比，复合蓄冷槽的热湿分控空调系统能有效增加蓄冷槽的蓄冷温差，由5 ℃蓄冷温差变成15 ℃蓄冷温差，因此，在相同的蓄冷容积下，能有效降低系统运行费用，移峰填谷的效果更为显著.

[1] 于凌燕，刘传聚．消防水池蓄冷改造及其经济分析[J]．暖通空调，2009(2)：133-137．

YU L Y, LIU C J. Retrofit and economic analysis of thermal storage using an existing fire tank[J]. Heat Vent Air Cond, 2009(2): 133-137.

[2] 赵庆珠．蓄冷技术与系统设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2011．

ZHAO Q Z.Thermal energy storage:Technologies and system design[M].Beijing:China Architecture & Building Press,2011.

[3] XIAO F, GE G M, NIU X F.Control performance of a dedicated outdoor air system adopting liquid desiccant dehumidification[J].Appl Energ,2011,88(1):143-149.

[4] 张涛，刘晓华，赵康，等．温湿度独立控制空调系统应用性能分析[J]．建筑科学，2010，26(10)：146-150．

ZHANG T, LIU X H,ZHAO K, et al. Application performance analysis of temperature and humidity independent control air conditioning system[J].Build Sci,2010,26(10):146-150.

[5] 颜承初，刘燕华，石文星．基于温湿度独立控制的水蓄冷空调系统[J]．暖通空调，2010(6)：36-41．

YAN C C,LIU Y H,SHI W X.Chilled water storage air conditioning system with independent temperature-humidity control[J].HV AC,2010,26(10):146-150.

[6] 丁云飞，丁静，杨晓西．基于太阳能再生的转轮除湿独立新风系统[J]．流体机械，2006(8)：63-66,70．

DING Y F, DING J, YANG X X.Dedicated outdoor air systems by rotary wheel removing moisture load based on solar energy regeneration[J].Fluid Machin,2006(8):63-66,70.

[7] DORGAN C E, ELLESON J S. Design guide for cool thermal storage. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers[J]. Inc (ASHRAE), 1993.

[8] 左政，胡文斌．基于建筑全年动态冷负荷的冷水机组优化配置方案[J]．暖通空调，2009(2)：96-100．

ZUO Z,HU W B.Optimized chiller unit configuration based on all-year dynamic cooling load[J].HV AC,2009(2):96-100.

[9] 江慧妍，王飞，屈国伦．广州地区双冷源温湿分控空调系统冷源节能潜力分析[J]．暖通空调，2012(6)：40-44．

JIANG H Y,WANG F,QU G L.Energy saving potential of double cold source temperature and humidity independent control air conditioning system in Guangzhou area[J].HV AC,2012(6):40-44.

[10]GB50736-2012．民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

GB50736-2012.Design Code for heating ventilation and air conditioning of civil buildings[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2002.

[11]GB 50189-2015．公共建筑节能设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

GB 50189-2015.Design standard for energy efficiency of public buidings[S].Beijing: China Architecture & Building Press,2015.

【责任编辑： 陈 钢】

The analysis on the operating energy consumption and cost of the air-conditioning system adopting temperature and humidity independent controlling and chilled water storage

DINGYun-feia，b，SUHaoa，WANGJian-pinga

(a. School of Civil Engineering; b.Guangdong Provincial Key Laboratory of Building Energy Efficiency and Application Technologies，Guangzhou University, Guangzhou 510006, Chian)

The chilled water storage system(CWS) can provide low temperature chilled water which satisfies fresh air dehumidification demand of the temperature and humidity independent controllingair conditioning system(THIC),and the system compositing CWS and THIC(THIC+CWS) can not only obtain better indoor air quality(IAQ), but also extend temperature difference of CWS, and achieve better effect of power grid peak load shift. The system operation energy consumption and cost before and after compositing THIC and CWS is analyzed, and then compared with those of the two conventional air conditioning systems——the fan-coil unit with fresh air system(FCU-FA) and the compositing CWS and FCU-FA(FCU-FA +CWS). The results show that the energy consumption of THICs is 95% and 88% of conventional FCU-FA, and energy consumption of THICs+CWS rises slightly as chilled water tank loss, and the operating costs are 48% and 61% of THICs. THICs+CWS system can effectively increase the chilled water temperature difference of water storage tank compared with the conventional FCU-FA+CWS,from 5 ℃ to 15 ℃, and has significant peak load shift effect.

temperature and humidity independent controlling; chilled water storage; energy consumption; operating cost

2016-05-05;

2016-05-18

广东省重大科技专项资金资助项目(2013A011402001)

丁云飞(1967-)，男，教授，博士. E-mail: dingyf@126.com

1671- 4229(2016)05-0072-06

TU 831.3

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