潘 峰 馬 寧

【摘 要】本文闡述了水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn),通過南昌機(jī)場(chǎng)航站樓制冷站水蓄冷和常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)發(fā)方案的經(jīng)濟(jì)性能比較,得出水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)雖然運(yùn)行費(fèi)用低,但對(duì)于峰谷電價(jià)差優(yōu)勢(shì)不明顯的南昌地區(qū)應(yīng)用還是有限。

【關(guān)鍵詞】水蓄冷空調(diào)系統(tǒng) 常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)

一、前言

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠降低電網(wǎng)高峰負(fù)荷,減少運(yùn)行電費(fèi),但與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比需要增設(shè)蓄冷設(shè)備以及自動(dòng)控制設(shè)備等,從而相應(yīng)增大了系統(tǒng)的初投資和維護(hù)量。

目前,用于空調(diào)的蓄冷方式按蓄冷介質(zhì)主要分為水蓄冷、冰蓄冷、共晶鹽蓄冷和氣體水合物蓄冷。其中常見的冰蓄冷是利用水相變潛熱的一種蓄冷方式。0℃冰的蓄冷密度是334KG/KG,儲(chǔ)存同樣多的冷量,冰蓄冷所需的體積僅為水蓄冷的幾十分之一。

水蓄冷就是利用水的顯熱(不能儲(chǔ)存潛熱)來儲(chǔ)存冷量的一種蓄冷方式,蓄冷溫度在4-7℃之間,蓄冷溫差6-11℃,單位體積的蓄冷容量為5.9-11.3KWH/m3。只要空間條件許可,水蓄冷系統(tǒng)是一種較為經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)存大冷量的方式,而且蓄冷罐體積越大,單位蓄冷量的投資越低。

相對(duì)于常規(guī)空調(diào), 水蓄冷空調(diào)具有如下的優(yōu)點(diǎn):緩解電力緊張狀況; 均衡電網(wǎng)負(fù)荷, 起到削峰填谷的目的; 利用低谷電價(jià), 節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用; 如果在峰值負(fù)荷時(shí)間短且明顯大時(shí), 可縮小制冷設(shè)備裝機(jī)容量, 降低初投資費(fèi)用。

相對(duì)于冰蓄冷空調(diào), 它又具有如下的優(yōu)點(diǎn): 可以使用常規(guī)的冷水機(jī)組, 并使其在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行; 系統(tǒng)造價(jià)低, 同等蓄冷量約為冰蓄冷的一半甚至更低; 可以利用消防水池或其他蓄水措施等作為蓄水槽以降低初投資;可以實(shí)現(xiàn)蓄冷和蓄熱的雙重用途; 系統(tǒng)設(shè)備及控制方式較簡(jiǎn)單, 技術(shù)要求低, 維護(hù)方便。

但是, 水蓄冷空調(diào)由于其蓄冷介質(zhì)的特性, 又具有如下的缺點(diǎn): 水蓄冷只利用水的顯熱, 因而蓄冷密度低, 蓄水槽體積龐大; 表面散熱損失也相應(yīng)增加,保溫材料增加; 蓄水槽是開啟式的, 容易產(chǎn)生水質(zhì)問題, 要增加水處理費(fèi)用; 蓄冷槽內(nèi)不同溫度的水容易混合, 影響蓄冷槽中的儲(chǔ)存冷量。一般認(rèn)為, 水蓄冷系統(tǒng)是一種較為經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)存大量冷量的方式。蓄冷罐體積越大, 單位蓄冷量的投資越低。當(dāng)蓄冷量大于7000kW.h, 或蓄冷容積大于760m3 時(shí), 水蓄冷是最為經(jīng)濟(jì)的。

二、南昌新建航站樓制冷站方案比較

1.航站樓負(fù)荷變化特點(diǎn)

南昌新建航站樓面積為96616.2m2,分為主樓、東西兩側(cè)指廊共三個(gè)部分。主樓正對(duì)進(jìn)場(chǎng)路方向居于航站區(qū)中央,呈扇形布置,東西兩側(cè)的指廊平面為矩形,與主樓中心線呈26.5°夾角東西對(duì)稱布置,西指廊長(zhǎng)454.8米,東指廊長(zhǎng)158.7米,寬36米。指廊由90m×36m的單元體組成,西側(cè)5個(gè),東側(cè)1個(gè),東側(cè)指廊端部伸出68.7m×8m的架空廊道與登機(jī)橋相連。主樓與指廊通過連廊連接。本制冷站夏季冷負(fù)荷為16320kw。下圖為航站樓逐時(shí)負(fù)荷圖,從圖中可以看出航站樓夏季最大負(fù)荷出現(xiàn)在15:00。

2.按《江西電網(wǎng)峰谷分時(shí)及季節(jié)性電價(jià)實(shí)施辦法》,在采用蓄冷設(shè)施用電時(shí),低谷電價(jià)為平時(shí)電價(jià)時(shí)段的50%,可見蓄冷系統(tǒng)能降低運(yùn)行費(fèi)用,因此就常規(guī)電制冷和水蓄冷兩種制冷方案進(jìn)行比較。

3.方案一

常規(guī)電制冷機(jī)房主設(shè)備配置與技術(shù)參數(shù)表

電制冷方案:該方案選用10KV高壓?jiǎn)?dòng)離心式冷水機(jī)組4臺(tái),每臺(tái)冷量為1300RT,每冷噸耗電小于0.635KW(冷凍水溫度7/12℃,其COP值為5.47)。配套設(shè)置一次冷凍水泵4臺(tái),流量800m3/h,冷卻水泵4臺(tái),流量為1040m3/h,通過管廊將7/12℃冷凍水送至新航站樓,為了降低輸送能耗,按航站樓分區(qū)配置變頻二次冷凍循環(huán)水泵,主要設(shè)備配置詳上表。

4.方案二

水蓄冷方案:

(1)利用常規(guī)制冷主機(jī)作為蓄冷主機(jī)。

(2)夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為16320kW。采用蓄冷空調(diào)系統(tǒng),既可以按照原來的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行,也可以按照蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行,還可以按照上述的模式混合運(yùn)行,在白天的高峰時(shí)段采取主機(jī)+放冷的方式運(yùn)行,可以減少主機(jī)運(yùn)行時(shí)間,減少空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

(3)根據(jù)主機(jī)配置,在在低谷電(23:00-5:00)時(shí)段使用4臺(tái)制冷量為1000RT的冷機(jī)并聯(lián)蓄冷。

(4)蓄冷系統(tǒng)里有蓄冷泵(由系統(tǒng)冷凍水一次泵替代)、放冷泵、9100m³蓄冷槽以及控制系統(tǒng)。

蓄冷量:最大蓄冷量為84408KWH。

系統(tǒng)側(cè)供回水溫:7/12℃;

蓄冷側(cè)供回水溫:4/12℃

蓄冷溫度:蓄冷槽的最低蓄冷溫度設(shè)計(jì)為4℃。

蓄冷溫差:可以計(jì)算出夏季冷水的最大蓄冷溫差ΔT=12-4=8℃

三、水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略

設(shè)計(jì)日(100%負(fù)荷)時(shí)的運(yùn)行策略:根據(jù)設(shè)計(jì)日的熱負(fù)荷平衡表,在夜間的電力低谷時(shí)段(23:00-5:00)使用4臺(tái)主機(jī)并聯(lián)蓄冷6個(gè)小時(shí),把蓄冷罐蓄滿;在設(shè)計(jì)日白天,把蓄冷槽內(nèi)冷量分配到部分高峰時(shí)段,不足部分使用主機(jī)來補(bǔ)充,其余時(shí)段運(yùn)行主機(jī)。按此設(shè)計(jì)運(yùn)行,蓄能槽有效體積為9100m3,最大蓄冷量為84408KWH。

75%熱負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行策略:根據(jù)75%熱負(fù)荷平衡表,這種負(fù)荷狀態(tài)下,由于全天的總負(fù)荷有所減少,所以可以減少白天的冷機(jī)開機(jī)時(shí)間。在夜間的電力低谷時(shí)段(23:00-5:00)使用4臺(tái)主機(jī)并聯(lián)蓄冷,把蓄冷罐蓄滿;白天把蓄冷槽內(nèi)冷量分配到全部高峰時(shí)段和部分平峰時(shí)段,不足部分使用主機(jī)來補(bǔ)充,其余時(shí)段運(yùn)行主機(jī)。

50%熱負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行策略:根據(jù)50%熱負(fù)荷平衡表,這種負(fù)荷狀態(tài)下,由于全天的總負(fù)荷有所減少,所以可以減少白天的冷機(jī)開機(jī)時(shí)間。在夜間的電力低谷時(shí)段(23:00-5:00)使用4臺(tái)主機(jī)并聯(lián)蓄冷,把蓄冷罐蓄滿;蓄能槽所蓄冷量可以滿足全部高峰時(shí)段和部分平峰時(shí)段,其余部分只需要開啟部分主機(jī),可以明顯減少運(yùn)行費(fèi)用。

25%熱負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行策略:這個(gè)階段稱為過渡時(shí)期,全天的負(fù)荷明顯減少。根據(jù)25%負(fù)荷平衡表,這種負(fù)荷狀態(tài)下,可以減少白天的冷機(jī)開機(jī)時(shí)間。在夜間電力低谷時(shí)段(23:00-3:00)使用4臺(tái)主機(jī)并聯(lián)蓄冷4個(gè)小時(shí),不用把蓄冷槽蓄滿;蓄能槽所蓄冷量可以滿足白天所有負(fù)荷,此時(shí)只開啟水泵即可。

本系統(tǒng)運(yùn)行模式主要分為四種工況:冷機(jī)蓄冷、冷機(jī)單供、冷罐單供和冷機(jī)+冷罐聯(lián)供工況。

四、兩種不同空調(diào)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

1.南昌昌北機(jī)場(chǎng)制冷站運(yùn)行天數(shù)及負(fù)荷分布情況

2.制冷站用電時(shí)間和價(jià)格

每天按16小時(shí)空調(diào)運(yùn)行,每天運(yùn)行時(shí)間為7:00-22:00。

按《江西電網(wǎng)峰谷分時(shí)及季節(jié)性電價(jià)實(shí)施辦法》,江西電網(wǎng)峰谷分時(shí)電價(jià)實(shí)施情況如下:

其高峰時(shí)段 17:00-23:00高峰電價(jià)=基礎(chǔ)電價(jià)×130%

低谷時(shí)段 23:00-5:00低谷電價(jià)=基礎(chǔ)電價(jià)×70%

余時(shí)間為平段平段電價(jià)=基礎(chǔ)電價(jià)=0.95元/千瓦時(shí)

低谷時(shí)期的23:00-5:00僅蓄冷(水蓄冷方案)。

系統(tǒng)耗電量(KWH)及電費(fèi)(萬元)

而蓄熱式電熱鍋爐、冰(水)蓄冷裝置等用電,峰谷電價(jià)全年按“高峰時(shí)段=150%,低谷時(shí)段=50%”。

3.運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

常規(guī)制冷、水蓄冷在各種負(fù)荷下,不同時(shí)段的耗電量計(jì)算匯總見下表。

由此可得出,水蓄冷比常規(guī)制冷運(yùn)行電費(fèi)上節(jié)約219.5萬元/年。

五、兩種供冷方案的綜合經(jīng)濟(jì)比較

常規(guī)電制冷和水蓄冷機(jī)房設(shè)備的經(jīng)濟(jì)分析比較見下表。

注:

(1)表中初投資未包括系統(tǒng)管道及末端裝置費(fèi)用。

(2)機(jī)房設(shè)備配電容量為機(jī)房設(shè)備用電功率/功率因素。

(3)機(jī)房配電設(shè)施費(fèi)為機(jī)房設(shè)備配電容量×800元/KVA。

(4)基本電費(fèi)為機(jī)房設(shè)備用電功率×12月×30元/(KW?月)。

經(jīng)過投資和運(yùn)行費(fèi)用的比較,采用水蓄冷系統(tǒng)在不考慮資金的時(shí)間價(jià)值下的靜態(tài)投資回收期約為5.6年。

六、水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)分析和探討

1.水蓄冷空調(diào)方案的缺點(diǎn)

水蓄冷只利用水的顯熱,蓄冷密度低,需大量的水,使用時(shí)受到空間條件的限制;蓄冷槽體積較大,表面散熱損失也相應(yīng)增加,需要增加保溫層;蓄冷槽內(nèi)不同溫度的冷凍水容易混合,會(huì)影響蓄冷效率,使蓄存的冷凍水可用能量減少;由于水蓄冷在蓄冷過程中需要制冷主機(jī)蒸發(fā)器產(chǎn)生4℃冷凍水,降低了制冷主機(jī)的cop值。水蓄冷在供冷蓄冷過程中采用四種模式,這樣模式的切花運(yùn)行增加了自動(dòng)控制的要求和成本,同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.實(shí)際水蓄冷工程需要說明及注意的幾個(gè)問題

(1)斜溫層

斜溫層是蓄冷罐中下部冷水與上部溫水之間由于溫差導(dǎo)熱形成的溫度過渡層。明確而穩(wěn)定的斜溫層能夠防止冷水和溫水的混合,但斜溫層的存在同時(shí)減少了實(shí)際可用冷水容量,降低了蓄冷效率。應(yīng)用中一般希望斜溫層的厚度在0.3-1.0m之間。

斜溫層的厚度與進(jìn)出口水流散流器的散流效果、水流速度、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)短、冷水與溫水的溫差以及蓄冷罐外形尺寸等因素有關(guān)。為了減小斜溫層的厚度,蓄冷罐必須采取良好的保溫隔熱措施,并且進(jìn)出口處的水流必須緩慢而且均勻,以免引起冷溫水混合、破壞斜溫層。

(2)保溫層對(duì)冷量損失的影響

蓄冷罐的冷量損失除了內(nèi)部溫水與冷水之間的傳熱損失之外,還包括蓄冷罐表面向周圍環(huán)境的傳熱損失。蓄冷罐損失的總熱量與罐的表面積、罐表面積與周圍環(huán)境的溫差以及散熱時(shí)間成正比。所以,必須保證保溫得當(dāng),盡量盡可能的減少外界向蓄冷罐內(nèi)的傳熱對(duì)蓄冷量的影響。

七、結(jié)論

從經(jīng)濟(jì)比較理論數(shù)據(jù)來看,水蓄冷較常規(guī)電制冷系統(tǒng)具有較低的運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn),理論上比常規(guī)方案省15%,但水蓄冷水罐體積龐大,由于缺乏可參照的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),為保證水蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行的可行性和可靠性,需要進(jìn)行論證研究。同時(shí)水蓄冷系統(tǒng)較常規(guī)電制冷系統(tǒng)增加了較多的初投資,按南昌地區(qū)現(xiàn)有的峰谷電價(jià),投資回收期長(zhǎng)達(dá)6年。

從國(guó)內(nèi)目前已采用水蓄冷方案的一些項(xiàng)目來看,實(shí)際節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的狀況不是很理想,與理論計(jì)算出來的有較大距離。上海地區(qū)的峰谷比例是4.5:1,南昌地區(qū)是3:1,所以利用峰谷電價(jià)差節(jié)電的水蓄冷系統(tǒng)在上海更為適用,而用在峰谷電價(jià)比例低的南昌,其運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省程度有限。