以江水为冷源的THICS节能及经济性分析

赵运超 李德飞 金辉 许艳 费华

1 江西理工大学建筑与测绘工程学院

2 武汉理工大学土木工程与建筑学院

温湿度独立控制空调系统（Temperature and Humidity Independent Control air-conditioning System，THICS）为降低建筑能耗提供了一种行之有效的技术方法。在充分研究分析前人研究的基础上[1-7]，笔者结合江南地区水资源丰富的特点，提出一种以江水为冷源的温湿度独立控制空调系统，并以南昌为例，对其进行了详细的方案设计及理论分析，通过数值模拟验证了该方案在江南水源充足地区应用的可行性。在此基础上，笔者将进一步分析以江水为冷源的THICS的节能性和经济性。

1 以江水为冷源的THICS方案介绍

一定温度的江水在循环水泵1的动力作用下，进入管路后通过过滤装置3和水处理装置4，达到水质要求后送入一定深度的埋管换热器6中，利用土壤在一定深度下常年保持恒温的特点，通过热量交换进一步降低江水温度，使经过热交换后的江水温度满足THISC中所需高温冷水的温度要求。制备出来的高温冷水在冷冻水泵5的作用下，被输送至室内的末端装置7，对室内进行温度的控制。换热后的回水再沿管路经埋管换热器6排至江中，如此循环工作。在THICS中，高温冷水被输送到末端装置后与室内空气进行热量交换，从而实现对室内温度的控制。设计方案如图1所示。

图1 以江水为冷源的THICS原理图

2 节能性分析

笔者以THICS为分析基础，探讨以高温冷水机组为冷源的传统THICS与以江水为冷源的THICS在温度控制过程中的能耗和工程概预算情况，分析两种方案下系统的节能性和经济性。

当仅考虑热量排除需求时，空调系统中需要的冷冻水的温度就不再受空气露点温度的限制，只要冷冻水温度低于空气干球温度即可实现显热热量的排除。对于THICS，风机盘管内流过的冷冻水通过表冷器直接与室内空气进行对流换热。由于经过盘管的冷冻水的温度高于室内空气的露点温度，因此盘管处于干工况下运行。工作过程的焓湿图见图2。

图2 盘管干工况运行的焓湿图

室外新风W在新风机组中减湿冷却至W，点，而室内空气N经风机盘管内的表冷器干冷至N'点，最后两者混合至送风点S，再送入室内。室外新风经减湿冷却后完全承担室内的所有湿负荷与部分显热负荷，而室内空气经风机盘管干冷处理后承担室内绝大部分的显热负荷，完成对室内的温度控制。

2.1 以高温冷水机组为冷源的THICS能耗分析

图3为THICS中一种常用的温度控制系统原理图，从图3可以看出，温湿度独立控制的空调系统能耗主要由三部分组成：高温冷水机组的能耗，冷媒（高温冷水）输送系统的能耗和空调末端装置的能耗。由于笔者用于对比的两套系统主要在于冷媒的获取的方式不同，导致产生的能耗不同，为便于分析，认为两种THICS方案中除冷冻水获取部分的能耗外的其他能耗大小相同。

图3 以高温冷水机组为冷源的THICS系统图

以南昌地区某办公建筑为例，计算该建筑的空调负荷。该办公楼的建筑面积为2000 m2，地上三层，建筑层高11.4 m（一层4.2 m，二、三层均为3.6 m），人员密度为4 m2/人，建筑冷负荷为340 kW，人均新风量为30 m3/h，人员体力活动性质为极轻劳动，不考虑群集系数的影响。

1）送风参数的确定

建筑物以人体散湿为主，单个人体散湿量为109 g/h，则湿负荷 W=(2000/4)×109=54500 g/h=15.14 g/s。

室内、外设计参数见表1。

表1 室内、外设计参数

则计算建筑新风量Gw=30×2000/4=15000 m3/h=5 kg/s。

计算室内热湿比ε=Q/W=340/0.01514=22457。

根据以上参数，将其绘制在焓湿图上，可以得到空气处理过程中各状态点的参数（表2）。

表2 空气处理过程各状态点参数

2）总送风量G的确定

G=Q/(hN-hS)=340/(59.3-50.9)=40.5 kg/s

3）风机盘管风量GF的确定

GF=G-GW=40.5-5=35.5 kg/s

4）风机盘管冷量QF的确定

QF=GF×(hN-hN’)=35.5×(59.3-52.4)=244.95 kW

由此可知，风机盘管处理的冷量由高温冷水机组制取的高温冷水决定，由于蒸发温度的提高，高温冷水机组制冷工况的COP相对于常规的冷水机组明显提高，这里选用格力CT系列高温离心式冷水机组，其COP约为8.2。

则冷水机组电耗E1=QF/COPc=244.95/8.2=29.87 kW。

综上所述，利用高温冷水机组制取高温冷水的电耗为29.87 kW。

2.2 以江水为冷源的THICS能耗分析

当该办公建筑采用以江水为冷源的THICS时，系统的工作原理如图4所示。

图4 以江水为冷源的THICS系统图

以江水为冷源的THICS不存在制取高温冷水的能耗，需要依靠循环水泵抽取江水，因此存在水泵的能耗。根据风机盘管处理的冷量可计算出冷冻水的流量，所以当风机盘管空气侧换热量为244.95 kW时，水侧的换热量同样为244.95 kW，则可计算出流经风机盘管水流量Fw：

式中：Cp为水的比热，kJ/(kg·℃)；Qw为换热量，kW；To为盘管的出水温度，℃；Ti为进水温度，℃。

代入参数，经计算得Fw=244.85/[4.184×(23.5-18.5)=11.7 kg/s=42152 kg/h=42.152 m3/h。

水泵的扬程需要根据最不利环路总的阻力来确定。由于该系统中的管路系统比较简单，故采用当量长度法进行管路总阻力的计算，所谓当量长度法就是将局部阻力折算成沿程阻力的一种简化计算方法，计算公式如下：

式中：Δp1为管路总阻力，Pa；Δpy为管路沿程阻力，Pa；l为管路实际长度，m；Δpj为管路局部阻力，Pa；R为比摩阻，Pa/m，一般取40～80 Pa/m；ld为当量长度，查局部阻力构件的类型确定，m；lzh为折算长度，m。

已知埋管换热器的总长度为100 m，比摩阻取65 Pa/m，最不利环路上的局部阻力构件有渐扩管、渐缩管、截止阀、弯头等，局部阻力设备有过滤器，水处理器，风机盘管、水泵等，以上管件和设备均可以查《实用暖通空调设计手册》（第二版）获得相关数据资料。将已知数据代入上式后，经计算，可以得到以江水为冷源的THICS最不利环路的总阻力为52 kPa。

根据管路内水流量和总阻力的大小，并考虑10%的富裕量后，拟选用ISW80-250B卧式离心泵，该型号的型卧式离心泵适用于工业和城市给排水，高层建筑增压送水，远距离输送，暖通制冷循环等冷暖水循环增压。其基本参数见表3。

表3 ISW80-250B卧式离心泵参数表

由ISW80-250B卧式离心泵基本参数知，其满载流量大于系统内所需的水的流量，所以应根据实际情况求解其实际电机耗功率E2：

式中：γ为水的容重，kN/m3；η 为水泵效率，%；H 为水泵扬程，m；FW,M为水的质量流量，m3/s。

经计算 E2=9.807×11.7×60/(0.58×1000)=11.87 kW。

2.3 节能比较

通过以上对两种系统能耗的计算结果，可以看出以江水为冷源的THICS的能耗低于利用高温冷水机组制取冷冻水的THICS的能耗。其中，利用高温冷水机组制取冷源的THICS的能耗为E1=29.87 kW。而以江水为冷源的THICS的能耗为E2=11.87 kW。

节能率 ψ=(E1-E2)/E1×100%=(29.87-11.87)/29.87×100%=60.3%。

3 经济性评价

由于以高温冷水机组和以江水为冷源的THICS两种系统获取的冷冻水均由冷冻水泵送入建筑物内进行使用，即认为冷冻水泵和室内空调系统的初投资和运行费相同，故在对系统进行经济性评价时为方便计算，只对冷源部分的费用进行比较。以江水为冷源的THICS，由于涉及水平埋管，需要对土方进行开挖并支付土建费用。根据《江西省建筑安装工程费用定额（2004）》，笔者选用水平螺旋，埋管埋深为5 m，铺设占地面积为80 m2，埋管长度为100 m，开挖土方体积约400 m3，开挖费用约4.05元/m3，回填夯实费用为17.32元/m3。PE管造价为7元/m。

笔者采用综合能源价格法中的全寿命周期成本投资净现值法来分析两种系统的经济性。

所谓综合能源价格法是指系统的初投资费用和系统在有效的使用寿命内其运行费用的累计综合值与在此期间系统所能提供的能量总和的比值。考虑到货币市场的动态性，即不同时期货币的购买力是不同的，因此综合能源价格法就是将系统使用寿命内不同时期投入的资金统一折算为成本投资净现值的方法。综合能源价格的成本投资净现值表达式如下：

式中：M为综合能源价格现值，元/MJ；V为初投资，元；n为系统有效使用年限；Zt为第t年使用费用，元；i为银行存款年利率，2017年银行存款年利率为3%；Et为第t年提供能量总计，MJ。

初投资年现值P是按照系统的使用寿命摊销到各年费用中，计算公式如下：

3.1 初投资和运行费用

根据已经计算出的两种系统的能耗，取当地电价为0.8元/(kW·h)，可以计算两种系统整个夏季的空调运行能耗及费用。系统初投资及运行费用的计算结果见表4。

表4 两种THICS系统初投资和运行费用比较

由表4可以看出，以江水为冷源的THICS的初投资比以高温冷水机组为冷源的THICS高出约10.72万元。以江水为冷源的THICS在整个空调季节的运行费用低于以高温冷水机组为冷源的THICS，两者相差5.28万元/年，约占高温冷水机组的THICS整个夏季空调运行费用的60.2%。

3.2 全寿命周期成本净现值

将以上数据带入全寿命周期成本的净现值计算公式，计算年限取15年，可以计算出以江水为冷源的THICS的全寿命周期成本净现值P为91.85万元，其中初投资占54.7%，以高温冷水机组为冷源的THICS的全寿命周期成本净现值P为140.7万元，其中初投资占28.1%。两种系统的全寿命周期成本净现值相差48.85万元。

计算并绘制15年内各年的投资成本净现值（图5），可以看出在考虑了当年银行存款年利率的时间价值后，只需3年就可收回多投资的部分。

图5 全寿命周期内投资成本净现值比较

4 总结

笔者对以江水为冷源的THICS设计方案和工作原理做了详细的介绍，并以此为基础对比分析了以江水为冷源和以高温冷水机组为冷源的THICS的能耗和经济性，通过计算可知，以江水为冷源的THICS比以高温冷水机组为冷源的THICS节能60.3%。利用全寿命周期投资成本净现值法对两种系统形式进行经济性分析后得到，以江水为冷源的THICS虽然其初投资较高，但其年运行费用可以节省60.2%，运行3年即可收回多投资的部分，因而长远来看，江水为冷源的THICS经济性更好。