某智慧能源项目空调系统供能方案研究

程 卓，舒 舟，廖 威，林育艺

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518016）

0 引言

随着大型城市化建设的发展，办公类建筑物数量逐渐增多，且建筑面积、建筑层高等也日益增加。而建筑能耗所带来的环保和经济压力也越来越大。因而越来越多的建筑设计开始关注绿色节能的设计理念。智慧能源项目通过对各种能源的综合管理，旨在实现能源结构优化、降低能源消耗，进而实现建筑供能经济、环保的目的。将智慧能源理念与现代建筑设计理念结合，尽可能降低建筑能耗，成为当前建筑管理研究的重点内容之一。

文献[1]和文献[2]的研究结果显示，在各类建筑能耗中，集中空调系统能耗占建筑总能耗的比例高达30%～60%。文献[3]的研究结果显示冷热源能耗占空调总能耗的50%以上。因此，如何降低空调系统能耗，特别是冷热源能耗，成为智慧能源项目能耗管理的重中之重[4]。

空调冷热源方案的选择需要综合考虑初投资、运行费用、环保效益等多个方面[5]。本文以某智慧能源项目绿色环保的设计需求为前提，利用BIN能耗测算法和净现值经济评价法，从定量的角度对其空调系统冷热源方案进行比选。该研究获取各个方案的能耗值和经济效益值比较结果，从而为项目空调系统冷热源方案的决策提供依据，为类似项目空调冷热源的选择提供参考。

1 项目概况

1.1 建筑信息

本智慧能源项目共建有20层，总建筑面积为44 716.44 m2。建筑物用途主要是地下车库、办公以及设备用房。除地下车库与设备用房外，其余房间均设计集中空调。

夏季和冬季空调室外计算干球温度分别为37℃和-7℃。空调系统开启时间由室外干球温度确定，夏季温度高于22℃或冬季温度低于15℃开始供冷或供暖。空调每天运行时间为8：00—18：00。

1.2 空调负荷

本智慧能源项目空调系统设计负荷由DEST软件模拟获得，供冷季典型日负荷波动情况如图1所示，供暖季典型日负荷波动情况如图2所示。由图1和图2可见，本智慧能源项目空调系统设计热负荷为3 000 kW，设计冷负荷为4 650 kW。

图1 供冷季典型日负荷波动情况

图2 供暖季典型日负荷波动情况

2 冷热源方案

通过现场踏勘可知，本项目西侧建有全年运行的0.4 MPa市政蒸汽热力管网，东侧有20 000 m3市政自来水蓄水池。基于项目资源，本项目的冷热源方案有3种。

方案一：电制冷水冷冷水机组+城市热网。夏季空调冷源由电制冷水冷冷水机组制备；冬季热源由市政蒸汽热力网经汽水换热器热交换制备。冷水机组及汽水换热器布置于地下一层的空调机房中。供能示意图如图3所示。

图3 方案一供能示意图

方案二：风冷热泵。夏季冷源及冬季热源均由风冷热泵主机提供，一机两用。热泵主机布置于建筑物屋面，无需专门的机房。配套水泵布置于地下一层的泵房中。供能示意图如图4所示。

图4 方案二供能示意图

方案三：水源热泵。夏季冷源及冬季热源均由水源热泵主机提供，一机两用。为防止市政自来水蓄水池水体污染，增加水源-中介水板式换热器，中介水作为水源热泵低温热源。水源热泵主机及水源-中介水换热器布置于地下一层的空调机房中。供能示意图如图5所示。

图5 方案三供能示意图

3 冷热源供能方案能耗比选

目前常用空调系统能耗计算方法包括度日法、当量满负荷运行时间法、负荷频率表法（BIN法）、电子计算机模拟计算法等，各种方法所得结果差别不大[6]。本文运用BIN法进行能耗分析。本智慧能源项目供冷季和供暖季BIN气象参数如图6和图7所示。

图6 供冷季BIN气象参数

图7 供暖季BIN气象参数

基于BIN气象参数的能耗计算公式如式（1）和式（2）所示：

式中：qL和qR分别为设计冷负荷和热负荷；twi为第i时刻室外空气干球温度；Twj为j温度对应的BIN时间频数；ta和tb分别为夏季供冷及冬季供暖开始时刻室外空气干球温度，分别取22℃和15℃；tL和tR分别为夏季供冷及冬季供暖室外计算空气干球温度，分别取37℃和-7℃。

根据式（1）和式（2）可得本智慧能源项目3种冷热源方案供能量及能耗，如表1所示。

表1 各冷热源方案能耗值

基于项目所在地2016—2019年统计数据，供电标准煤耗率为0.433 kg/（kW·h），取线损率为7.8%、锅炉综合效率为85%、热网损耗为9.7%，将表1中的能耗值折算为一次能源，并利用能源利用率（供冷供热量与一次能耗的比值）对各冷热源方案进行能耗比较，各冷热源方案一次能源利用率如图8所示。

图8 各冷热源方案一次能源利用率

由图8数据可知，电制冷水冷冷水机组及水源热泵机组较风冷热泵机组在供冷季具有更高的能源利用率；水源热泵机组及风冷热泵机组较市政热网在供暖季具有更高的能源利用率。对全年空调能耗而言，水源热泵系统相较于电制冷水冷冷水机组+市政热网系统和风冷热泵系统能源利用率更高，节能效果更为明显。

4 冷热源供能方案经济性分析

4.1 初投资对比

进行各冷热源方案初投资对比时，本文主要关注土建费用、设备费及安装费3个方面。本项目由于利用地下1层作为空调机房，无需新增建筑；方案二风冷热泵主机布置在屋面也无新增建筑，因而本项目土建费不参与比较。

设备购置费中除空调设备外，还包括配套的变配电设施费用及蒸汽增容费[7]。其中方案一的蒸汽增容费为20万元/t，方案一和方案三的安装工程费取设备购置费的30%，方案二的安装工程费取设备购置费的15%。各方案空调冷热源初投资情况如表2所示。

表2 各方案初投资情况 （万元）

4.2 运行费用对比

各冷热源方案年运行费用主要包括系统运行过程中所消耗的水、电、汽的费用以及设备维护管理费。本智慧能源项目用电价格为0.55元/（kW·h），蒸汽价格为99元/t，水的价格为1.2元/m3，设备维护管理费取年投资费用的5%。基于上述单位成本数据，可得到各方案运行费用情况如表3所示。

表3 各方案运行费用情况 （万元）

4.3 费用净现值对比

为了评价本智慧能源项目空调冷热源方案经济性，利用公式（3）所示的净现值NPV计算公式进行比较。

式中：CI为资金流入量；CO为资金流出量；n为技术方案的经济寿命；ic为设定的折现率。

本智慧能源项目3种冷热源方案的经济寿命取20年，采用最短寿命法，按15年计，将残值（设备的经济寿命结束时，设备净残值率取10%）摊至20年并计取15年的现值。则各冷热源方案净现值结果如图9所示。

图9 3种方案净现值

由3种空调冷热源方案的净现值对比结果可以看出，水源热泵方案的费用净现值最低，电制冷水冷冷水机组+市政热力网方案净现值次之，风冷热泵方案的净现值最高。由此可以看出水源热泵方案的经济性最优。

5 结语

在办公类建筑智慧能源项目管理中，空调冷热源方案的优选是节能降耗研究的重要内容。本文以具体的智慧能源项目为例，对其空调冷热源方案的能耗及经济性进行了对比分析。从能耗角度，电制冷水冷冷水机组与水源热泵方案的供冷能源利用率较高，风冷热泵与水源热泵方案的供暖能源利用率较高；从经济性角度，风冷热泵系统的净现值最大，电制冷水冷冷水机组+市政热网系统次之，水源热泵系统最少。因此，水源热泵系统相较于其他两种空调冷热源方案，能耗水平更低，经济效益更优。