廣州某辦公建筑群空調系統冷源經濟性分析

陳銳彬，李澤奇，袁濤

（中國建筑科學研究院有限公司，北京，101119）

在建筑能耗組成中，空調系統能耗通常占辦公建筑能耗的60 %［1］，并呈現逐步增長的態勢。白天建筑電力需求大，夜間需求相對較低。因此，夜間的電力存在大量的浪費。為了抑平電力的峰谷差，許多電力部門推出了峰谷電價，驅使一部分電力需求向夜間轉移。冰蓄冷空調作為電力移峰填谷的有效途徑之一，通過利用低谷的富余電力制冷，并且在高峰時段不會打開或少打開主機，這樣能夠緩解白天電力系統的用電緊張，改善電力時間上的供需矛盾。因此，對于電力需求緊張的地區，通過推廣蓄冷空調系統技術，可有效地把部分空調冷負荷轉移到電力低谷時段制冷，然后高峰時段利用蓄冰裝置供冷，實現用電量的轉移，改善電力建設的投資效益。減少電力建設的投資，對國家整體的電力建設情況和電力供應有積極作用。

本文針對廣州一個既有的辦公建筑群的空調項目，對比常規空調系統跟冰蓄冷空調系統的設備容量，并進行了全年能耗分析和冷源經濟性評價。通過對比分析可以為該空調項目冷源方案的選擇提供強有力的技術指導。

1 負荷模擬及分析

1.1 辦公建筑群介紹

廣州某辦公區域的四棟樓分別標記為A棟、B棟、C棟和D棟。該辦公區域總建筑面積為99,477 m2，其中空調面積56,227 m2。各層空調面積和空調運行時間見表1。

表1 空調運行時間

本項目冷源經濟性分析采用專業的能耗軟件EnergyPlus進行負荷模擬，辦公建筑群的Sketchup建模見圖1。建筑維護結構參數根據相關設計標準［1］，窗戶、外墻和屋頂的傳熱系數分別為3.0W/（m2?K），1.5W/（m2?K）和0.8W/（m2?K），綜合太陽得熱系數為0.35。建筑內部熱源參數依據標準［1］進行設定，見表2。各內熱源參數同時使用系數參考上述標準進行設定。

圖1 辦公建筑群Sketch up建模圖.

表2 內熱源的設定

1.2 設計日負荷模擬結果

建筑群設計日冷負荷模擬結果見圖2。通過模擬發現設計日全天最大冷負荷在15:00，為10,437 kW，夜間最低冷負荷為312 kW，設計日平均逐時負荷為4,514 kW。通過設計日負荷變化圖可以看出，全天逐時冷負荷波動較為明顯，冷負荷峰谷之比高達33:1。由此可知，在設計時根據負荷特征利用峰谷電價設置冰蓄冷是具有重要節能意義的。

圖2 辦公建筑群設計日冷負荷圖

1.3 全年負荷模擬結果

該辦公建筑群全年冷負荷模擬結果見圖3。廣州空調季通常為5～10月。通過統計發現，全年逐時冷負荷中，大于設計日最大負荷的小時數為41個小時，占全年空調季的0.93 %。由于這部分時間占比較小，在劃分全年負荷頻數時，以設計日最大負荷10,437 kW為基準，以10 %為一個頻數段進行統計。

圖3 辦公建筑群全年冷負荷圖

全年空調季的負荷頻數統計見表3，及負荷頻數變化見圖4。負荷頻數分析結果表明，建筑群的總冷負荷在不同負荷率下的頻數差異明顯。其中，部分負荷率在10 %以下的時間占到空調期總小時數的74 %，而50 %以上負荷率的小時數僅占比15.4 %。由此可見，在進行空調設計時，應重點考慮10 %以下負荷率的情況。同時，采取合理措施進行負荷調峰，同時兼顧50 %以上負荷率。針對四棟建筑全年冷負荷分布結果，在選擇空調設計冷源方案時，采取冰蓄冷方案可以適應小負荷率條件下時間占比過高的情況。

圖4 冷負荷全年頻數及頻率圖

表3 負荷頻數統計表

2 蓄冷方案及設備選型

針對總冷負荷夜間較小白天突增的特性，在空調系統初步設計階段，考慮通過減小制冷機組配置容量實現減少制冷機組初始投資。同時，由于蓄冷使用的波谷電價，可以進一步減少運行費用?？照{系統冷源可采用主機供冷+融冰供冷模式，即夜間制冷機組進入蓄冰模式，以冰的形式儲存部分冷量，在日間冷負荷高峰期，由儲冰器和制冷主機聯合供冷，以滿足空調負荷的需要。蓄冰負荷占總負荷的比例以及制冷機容量的大小，由冷源經濟性分析結果確定。

2.1 設備容量計算

本項目冰蓄冷與制冷機轉換時間預留1小時，設定19:00為系統運行切換時間，該項目白天空調運行時間為10 h，蓄冷時間可設定為12 h。根據該手冊的推薦運行模式，融冰優先的蓄冷模式更簡單適用，也更節能。在設計部分冰蓄冷系統時，優化的系統配置為：主機和蓄冰裝置串聯，主機在蓄冰裝置上游，供冷時采用融冰優先的運行模式。本項目采用冰蓄冷優先運行+制冷機組輔助運行的方案進行設備容量選型計算。制冷機組空調工況時冷負荷Q1［4］和制冰工況時冷負荷Q2分別由式（1）-（2）表示。

式中，CL——設計日建筑總冷負荷，kWh；

ε——蓄冷池熱損失率，0.04～0.08；

hd——白天空調使用時間；

CCR——制冷機制冰與空調工況時制冷量之比；

hn——夜間制冰使用時間。

總的蓄冷量為TQ，白天每小時融冰量為RQ，分別由式（3）-（4）計算。

通過以上（1）-（4）式結合負荷分析結果，CCR取0.65，計算得到設計日制冷機組空調工況最大冷負荷Q1=5,993 kW，夜間制冰工況時最大冷負荷為Q2=3,896 kW，冰蓄冷總冷量為TQ=46,752 kWh，白天每小時融冰制冷量為RQ=4,250 kWh。

根據上述設備負荷初步計算結果，得到蓄冰空調設計日逐時負荷，見圖5。其中基載負荷為B棟夜間時段的負荷需求。

圖5 蓄冰空調設計日逐時負荷圖

2.2 設備選型及校核

根據上述所計算的設備容量，對本項目的制冷機選型如表4。所選設備最大空調制冷負荷為6,434 kW，最大制冰制冷負荷為5,008 kW。常規方案為四臺單工況的離心式制冷機，單臺容量2,637 kW，空調COP5.6。在蓄冷方案中，冰蓄冷制冷機組容量相比常規只使用制冷機組方案，配置容量至少可減少39 %。根據實際設備容量校正蓄冰空調設計日逐時冷負荷分配，見圖6?？紤]到雙工況制冷機組空調制冷量大于制冰制冷量，晚上公寓負荷在1,000 kW以下，使用兩臺螺桿機進行空調制冷模式，即承擔夜間空調冷負荷，其他機組進入制冰模式。因此，機組實際制冰負荷為4,276 kW。夜晚實際蓄冰量為TQ=51,312 kWh，白天融冰冷量為每小時4,665 kWh。

圖6 校核后蓄冰空調設計日逐時負荷圖

表4 制冷機組選型

蓄冷形式可以考慮使用水蓄冷或冰蓄冷。相比水的單位體積蓄冷量5.8～12.7 kWh/m3，冰蓄冷中冰的單位體積蓄冷量較大，為40～50 kWh/m3。因此，使用冰蓄冷可以大大減小蓄冷體積。對于冰蓄冷，選取冰的單位體積蓄冷量為45 kWh/m3。

2.3 運行策略

校核后的蓄冷空調機組運行策略見表5。冰蓄冷空調系統通常在10 %負荷率下開啟蓄冰模式，即除了A、B兩臺主機作為基載負荷外，C、D兩臺機組進行制冰。為了避免了常規系統主機在白天使用過程中因為逐時負荷隨時間波動，主機出力需對應進行不斷調節，出現機組運行在低負荷率工況，甚至負荷率低于50 %，造成機組整體能效較低的問題。本文基于新的運行策略，劃分了三種負荷運行模式：基礎負荷，變頻負荷和調峰負荷?？照{期的逐時負荷分類見圖7。根據設計日不同負荷率下的機組啟停狀況和蓄冷情況，把設計日的50 %負荷率和80 %負荷率作為分界線，對負荷分為三類：基礎負荷C1（C1≤5,219 kW）；變頻負荷C2（5,219 kW≤C2≤8,350 kW）；調峰負荷C3（C3≥8,350 kW）。采用新的運行策略使冰蓄冷空調系統四臺制冷機在全年工況下始終在70～100 %負荷率區間運行，提高制冷機組的運行效率。

圖7 空調期的逐時負荷分類

表5 各主機不同負荷率下運行策略

3 蓄冷方案經濟性分析

蓄冷方案經濟性分析包括初始投資費用及運行節能費用。

3.1 初始投資費用

依據產品設備表，咨詢設備生產廠家價格和相關文獻的價格估算方法得出設備單位冷量估算價格指標和運雜、安裝、調試費用占設備價格百分比［5，6］，如表6所示。本項目估算價格分別取制冷機組850元/kWh、蓄冰裝置175元/kWh，運雜、安裝、調試費用比分別取9 %、21 %。常規配置機組方案初始投資Costcg和冰蓄冷空調配置方案的初始投資Costxl分別由公式（5）和（6）計算。

表6 設備單位冷量估算價格

式中E1——冷機單位冷量估算價格，元；

E2——蓄冷裝置單位冷量估算價格，元；

Qcg——常規冷機系統容量，kW；

μ1，μ1——冷機和蓄冷裝置附加費用系數。

常規配置機組方案初始投資Costcg和 冰蓄冷空調配置方案的初始投資Costxl可 分別計算得到Costcg=1,084萬元，Costxl=1,682萬元。

3.2 運行節能費用

廣州市一般工商業峰谷電價見圖8，波峰電價1.31元/kWh，平 段0.81元/kWh，低 谷0.42元/kWh，波峰電價為低谷的3.1倍。因此，充分地利用波谷電價進行蓄冷可以有限地降低空調運行費用。結合表5設備開關機方案和圖7負荷分類結果，對冰蓄冷空調系統全年機組耗電量及運行費用進行計算，計算方法見式（7）。全年波峰、平段及低谷的電價計算結果見圖9。

圖8 冰蓄冷空調系統不同電價時段下空調和制冰工況耗電量

式中Y——全年電價，元；

Q1i——雙工況主機i時刻的供冷量，kW；

λ1i——雙工況主機i時刻開啟臺數，λ1i=0,1,2；

COP1i——雙工況主機i時刻性能系數；

Q2i——基載主機i時刻的供冷量，kW；

λ2i——基載主機i時刻開啟臺數，λ1i=0,1,2；

COP——基載主機性能系數。

通過模擬計算，對于冰蓄冷空調系統，低谷電價時耗電量為106萬kWh，平段時耗電量為66萬kWh，峰值電價時耗電量為58萬kWh，全年機組共耗電230萬kWh。由圖8可知，在低谷電價時段，制冰耗電量占比高，這說明低谷電價被很好地利用起來。相比常規制冷機組配置年運行費304.6萬元，采用部分冰蓄冷空調系統全年電費共計173.7萬元，可節省年運行費用43 %。通過采用空調蓄冷方案可以使冰蓄冷制冷機全年綜合COP達到4.23。

4 結論

通過對本項目辦公建筑群的空調系統進行冷源經濟性分析，結果表明采用合理的冰蓄冷配置方式可以利用峰谷電價差轉移白天的電力峰值需求，有利于利用夜間波谷電價節省空調運行費用。在本案例中，相關的研究結論總結如下：

（1）冰蓄冷制冷機組容量相比常規只使用制冷機組方案配置容量可減少39 %；

（2）冰蓄冷方案通過采用雙工況制冷機和新的冷機運行策略，使制冷機組在白天始終在70～100 %負荷率區間運行，避免了常規系統主機運行在低負荷率時造成能效較低的問題，提高了冷機整體運行能效，冷機全年綜合COP可達到4.23；

（3）常規制冷方案和冰蓄冷方案中冷機初始投資分別為1,084萬元和1,682萬元。通過利用峰谷電價，冰蓄冷空調系統年電費為173.7萬元，相比常規空調系統304.6萬元，可節省運行費用43 %。