中山某工业园蓄冷空调系统运行经济性分析

田彩霞

（广东省建科建筑设计院有限公司 广州 510500）

1 项目概况

广东省中山市某工业园一二期项目主要功能为厂房、办公研发、配套餐厅等，其中一期包括1#餐厅、2#及3#生产车间，二期包括4#办公楼、5#～7#生产车间，总建筑面积115 700 m3，空调制冷总面积99 370 m3。根据项目设计需求，各建筑物使用功能和时间如表1所示。

表1 项目设计需求Tab.1 Project Design Requirements

2 冷源方案

2.1 电价参数

依据中山市电网销售价格，详细分时电价如表2所示。

表2 中山市分时电价Tab.2 Time-of-use Electricity Price in Zhongshan

2.2 空调负荷

通过对项目进行逐时冷负荷计算得知，一、二期尖峰总负荷为26 198 kW，设计日空调总负荷为388 239 kW·h，全年空调总负荷约为7 9103 000 kW·h。根据表1厂房使用功能和使用时间，本项目全天均有负荷需求，且昼夜负荷相差较大。其中电力峰段冷负荷为176 541 kW·h，电力平段冷负荷为162 718 kW·h，电力谷段冷负荷为48 980 kW·h。设计日逐时冷负荷曲线如图1所示。

图1 设计日逐时冷负荷曲线Fig.1 Design a Day-to-hour Cooling Load Curve

3 蓄冷系统原理与冷源设备选型

3.1 蓄冷原理

蓄冷空调系统的工作原理是在夜间用电谷段时制冷，利用水、冰等蓄冷介质将日间空调所需冷量储存起来，在日间用电峰段释冷，达到满足建筑物全天空调用冷的情况下，移峰填谷，转移日间用电负荷的目的。目前，国内常用的蓄冷空调系统有冰蓄冷系统和水蓄冷系统［1-4］。

冰蓄冷是一种通过相变潜热蓄冷的技术。利用水在0 ℃时发生相变的物理特性，从而实现水凝固成固态冰时储存冷量，固态冰融化为水时释放冷量［5］。水蓄冷是一种通过水中的温度变化来储存显热的技术。在标准大气压下，水的密度与温度相关，4 ℃水温时密度最大，当水温高于4 ℃时温度升高、密度减少，当水温小于4 ℃时温度升高、密度增大。从而使高温回水聚集在蓄冷槽顶部，低温供水聚集在蓄冷槽底部［6］。

3.2 冷源设备选型

为对比本项目采用常规冷源和蓄冷冷源方案的差异，首先由计算得出的空调负荷，对常规系统、水蓄冷系统和冰蓄冷系统3种不同空调冷源系统进行设计，并估算得出3 种冷源系统的空调设备综合造价，结果如表3所示。

表3 冷源设备配置Tab.3 Cold Source Device Configuration

由表3可知，常规系统造价最低，为1 446万元。冰蓄冷系统投资造价最高，为2 606万元，比常规系统增加投资1 160万元。而水蓄冷系统投资造价为2 566 万元，比常规系统增加投资1 120 万元。蓄冷系统投资造价约为常规系统的1.8 倍。虽然，蓄冷系统在制冷机组、水泵和冷却塔的配置数量和投资要小于常规系统，可是复杂的蓄冷水罐、蓄冰盘管装置投资占比较大，导致蓄冷系统初投资高于常规空调系统。

4 蓄冷系统运行模式与控制策略

4.1 水蓄冷系统运行模式于控制策略

当采用水蓄冷系统作为空调冷源时，夜间基载制冷机运行7～12 ℃工况满足夜间谷电时段冷负荷，水蓄冷冷机运行4～12 ℃蓄冷工况，冷水储存在蓄冷罐中，蓄满蓄冷罐，多余冷量可以在第二天使用，减少第二天的蓄冷量。日间制冷机优先运行，不足部分由蓄冷罐释冷供冷。按照100%、75%、50%和25%的4 种负荷率分别进行热平衡计算，运行策略如图2所示。

图2 水蓄冷系统日运行策略Fig.2 The Water Storage System for Daily Operation

4.2 冰蓄冷系统运行模式与控制策略

当采用冰蓄冷系统作为空调冷源时，夜间基载制冷机运行7～12 ℃工况满足夜间谷电时段冷负荷，蓄冷冷机运行-5.6 ℃～（-2.3）℃蓄冰工况。日间基载制冷机和冰蓄冷制冷机优先运行供冷模式，不足部分由蓄冰盘管融冰供冷，且在非尖峰负荷时段，离心冷机和螺杆冷机运行在设备的最优效率点，变频释冷泵从蓄冰槽中变流量调节放冷，满足系统运行在最佳效率点。按照100%、75%、50%和25%的4 种负荷率分别进行热平衡计算，运行策略如图3所示。

图3 冰蓄冷系统日运行策略Fig.3 The Ice Storage System for Daily Operation

5 经济性分析

为了对比3 种冷源方案在投产运行的经济性，通过上文所述水蓄冷系统和冰蓄冷系统运行策略，并由表2 中山市分时电价，分别计算100%、75%、50%和25%的4 种负荷分布下3 种冷源方案的运行电费。根据不同负荷分布运行天数计算年供冷运行费用和静态回收期对比，结果如表4～表5所示。

表4 不同负荷分布日供冷运行电费对比Tab.4 Comparison of Daily Cooling Operating Electricity Costs with Different Load Distributions

表5 年供冷运行电费对比与静态回收期Tab.5 Comparison of Annual Cooling Operating Electricity Costs and Static Payback Period

以运行电费作为冷源方案的经济性评价标准，由表4 可知，在不同负荷分布下水蓄冷系统和冰蓄冷系统所需电费均小于常规系统。即无论采用任何运行策略，蓄冷系统的经济性均优于常规系统。

由表5 可看出，3 种冷源方案年运行电费由高到低为：常规系统＞水蓄冷系统＞冰蓄冷系统，蓄冷系统年供冷运行电费只有常规冷源系统的1/3。其中，常规空调系统年运行电费约为1 649 万元。水蓄冷系统约为1 075 万元，较常规系统节约574 万元，冰蓄冷系统约为1 130 万元，较常规系统节约519万元。水蓄冷系统较冰蓄冷系统多节约运行电费55 万元。常规系统虽然初期投资较低，但是后期运行电费远高于蓄冷系统。若仅考虑节约电费和初期设备投资，水蓄冷系统1.95 年可回收投资成本，冰蓄冷系统则需2.80 年，可见，水蓄冷系统静态回收期短于冰蓄冷系统。

6 结论

⑴ 由冷源设备配置表可知，本项目采用蓄冷系统作为冷源时，水蓄冷系统比常规系统初 投 资 增 加1 120 万元，冰蓄冷系统比常规系统初投资增加1 160 万元。这是由于蓄冷水罐、蓄冰盘管装置投资费用较高，导致蓄冷系统初投资高于常规空调系统。

⑵ 从年运行电费来看，水蓄冷系统比常规系统节约年运行费用节约574 万元，冰蓄冷系统比常规系统节约年运行费用节约519万元。水蓄冷系统节约年运行费用更多。

⑶ 而从投资静态回收期来看，水蓄冷系统为1.95 年、冰蓄冷系统为2.80 年。从长远来看，蓄冷系统优于常规冷源系统，且水蓄冷系统回收期更短。