冰蓄冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

王 寬 林學(xué)友

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040）

1 概述

隨著我國各大城市的夏季電力峰值負(fù)荷屢創(chuàng)新高，具有對電力負(fù)荷進(jìn)行“移峰填谷”作用的冰蓄冷技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司作為建筑工程總承包特級企業(yè)，近年來承接了全國各地多項(xiàng)冰蓄冷工程的設(shè)計、施工或研究工作，包括中國鐵建科研樓和中國人壽研發(fā)中心B 座科研樓等，并進(jìn)行了“冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、安裝優(yōu)化與調(diào)試技術(shù)研究”和“谷電峰用技術(shù)研究“等多項(xiàng)科研立項(xiàng)，在冰蓄冷技術(shù)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計人員針對集團(tuán)自主開發(fā)的某綜合樓項(xiàng)目，進(jìn)行了冰蓄冷系統(tǒng)的方案設(shè)計和經(jīng)濟(jì)性分析。

表1 冰蓄冷制冷系統(tǒng)造價估算表

表2 常規(guī)制冷系統(tǒng)造價估算表

2 蓄冰桶設(shè)計

冰蓄冷技術(shù)分類及其特點(diǎn)按照制冰原理的不同，冰蓄冷技術(shù)可分為靜態(tài)和動態(tài)兩大類。靜態(tài)制冰過程中，水通過自然對流換熱，冰層首先在換熱壁面上形成，然后逐漸變厚。這樣就導(dǎo)致形成新的冰層所需的熱量傳遞必須以導(dǎo)熱的形式穿過越積越厚的原有冰層，從而嚴(yán)重的惡化了傳熱效率，致使結(jié)冰越來越困難，制冷劑提供的冷卻溫度也必須越來越低。

該綜合樓冰蓄冷系統(tǒng)選用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的流程等同蓄冰桶（專利權(quán)人：中鐵建設(shè)集團(tuán)，專利號：201220264131.7）作為蓄冰載體，蓄冰桶壁采用涂塑鋼板制作，由聚氨酯發(fā)泡保溫，具有強(qiáng)度高，保溫性能好的特征。蓄冰桶內(nèi)部裝有多組小管徑流程等同換熱裝置。該蓄冰桶的設(shè)計理念為通過大量采用低成本的小管徑的管束，減少管束間的間距，在單位體積內(nèi)最大限度增加換熱面積，以較薄的冰層厚度獲得與常規(guī)蓄冰方式相同的冰層體積，從而提高蓄冰桶的傳熱效率、制冰和融冰效率。這種蓄冰桶的優(yōu)點(diǎn)包括：傳熱效率高、制冰速度快，蓄冰空間利用率高，場地適應(yīng)性高，融冰速度快等。

3 系統(tǒng)設(shè)計和負(fù)荷分配

3.1 系統(tǒng)設(shè)計概述

該綜合樓總建筑面積：105831 平方米，按綠色建筑1 星標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DB11/687-2009 的規(guī)定，本項(xiàng)目處于寒冷地區(qū)，應(yīng)滿足冬季保溫（夏季隔熱）要求。場地內(nèi)地面建筑各朝向均逆時針偏地理朝向17.95°，體形系數(shù)滿足規(guī)范小于0.4的規(guī)定。幕墻采用鋁合金框配輻射率≦0.25Low-E 無色間隔層12 中空玻璃（在線，氬氣）幕墻系統(tǒng)，玻璃反射比不大于0.3。

圖1 100%負(fù)荷下各種工況的負(fù)荷

圖2 75%負(fù)荷下各種工況的負(fù)荷分配

圖3 50%負(fù)荷下各種工況的負(fù)荷分配

圖4 25%負(fù)荷下各種工況的負(fù)荷分配

使用能耗模擬軟件對本工程空調(diào)運(yùn)行能耗進(jìn)行模擬，得出夏季空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計峰值冷負(fù)荷為10100kW，夏季設(shè)計日總冷負(fù)荷為：101139kWh。制冷系統(tǒng)采用冰桶盤管內(nèi)融冰蓄冷系統(tǒng)，制冷機(jī)組與蓄冰桶串連連接。系統(tǒng)設(shè)計供冷能力為10150kW。夏季設(shè)計日總蓄冰量即最大日蓄冰冷能力按設(shè)計日負(fù)荷的30%左右考慮，為8600RTH（30134kWh）。采用2 臺850RT 的雙工況離心機(jī)組供冷和制冰，另采用200RTH 蓄冰桶43 個。整個系統(tǒng)可按四種模式運(yùn)行，即雙工況主機(jī)制冰模式、雙工況主機(jī)供冷模式、雙工況主機(jī)與蓄冰槽聯(lián)合供冷模式、蓄冰池融冰供冷模式。乙二醇溶液供回水溫度3.5℃/11℃，可經(jīng)板式換熱器換熱為空調(diào)末端系統(tǒng)提供7℃/12℃冷凍水?？照{(diào)系統(tǒng)供冷每天運(yùn)行時間為24 小時，共運(yùn)行150 天。

3.2 控制策略設(shè)計

冰蓄冷系統(tǒng)大部分時間是在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行，為了充分利用蓄冰桶和制冷機(jī)的供冷能力，最大限度的降低系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)，空調(diào)冷負(fù)荷在不同時段分別由制冷機(jī)和蓄冰桶承擔(dān)。結(jié)合北京市的電價政策，雙工況制冷機(jī)在夜間的電力低谷時段23:00-7:00 進(jìn)行蓄冰，具體控制策略如下：

（1）釋冰和雙工況相比，釋冰優(yōu)先，即盡量多的釋冰，釋冰不夠承擔(dān)的負(fù)荷再由雙工況主機(jī)承擔(dān)；

（2）夜間蓄冰量等于白天釋冰量；

（3）水泵、冷卻塔按照一機(jī)一泵一塔的原則起停；

（4）選用分時融冰方案，優(yōu)化設(shè)備開啟。此外，根據(jù)各個月份不同負(fù)荷特征，調(diào)整設(shè)備開啟臺數(shù)和時間。

3.3 各工況的負(fù)荷分配

在這種運(yùn)行策略下，可以使空調(diào)供冷得到最優(yōu)化的分配，同時盡可能的降低了運(yùn)行電費(fèi)。該系統(tǒng)當(dāng)日極值負(fù)荷在與設(shè)計極值負(fù)荷的比 例 在100%、75%、50% 和25% 情 況 下 的具體逐時負(fù)荷分配情況見下列圖1-圖4。

4 初投資計算

針對該綜合樓項(xiàng)目，分別針對冰蓄冷系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行初投資估算如表1、表2 所示。

5 運(yùn)行費(fèi)用和投資回收期計算

通過模擬分析蓄冰系統(tǒng)的運(yùn)行，結(jié)合北京市電價政策，可以計算得出蓄冰系統(tǒng)的運(yùn)行電費(fèi)。該建筑的空調(diào)供冷期按150 天來計算，蓄冰空調(diào)系統(tǒng)每年夏季空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)可節(jié)省約53.5 萬元。

結(jié)語

本文選取某綜合樓為對象，給出了冰蓄冷制冷系統(tǒng)的設(shè)計方案，并與常規(guī)制冷系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行了對比和經(jīng)濟(jì)性分析。經(jīng)濟(jì)性分析的結(jié)果表明，該綜合樓如采用冰蓄冷系統(tǒng)，可以在4.53 年內(nèi)收回初投資，系統(tǒng)回收期到期后每年節(jié)約的運(yùn)行電費(fèi)就是該系統(tǒng)給業(yè)主帶來的實(shí)際收益，今后如果峰谷電價進(jìn)一步拉大，效益將會更加明顯。從項(xiàng)目全壽命周期經(jīng)濟(jì)性方面考慮，該項(xiàng)目適合采用冰蓄冷系統(tǒng)，相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性分析方法和結(jié)論也可在類似項(xiàng)目設(shè)計中采用。

表3 冰蓄冷和常規(guī)制冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用估算表

表4 冰蓄冷制冷系統(tǒng)與常規(guī)制冷系統(tǒng)比較表

此外，由于以銷售為主的、非自持物業(yè)的開發(fā)單位對運(yùn)行階段的電費(fèi)節(jié)約敏感度較低，建議主管部門在峰谷電價差政策之外，從宏觀節(jié)能減排的角度出發(fā)，考慮出臺初投資補(bǔ)貼政策，或采用公用事業(yè)能源管理等模式，降低開發(fā)單位的一次性投入，進(jìn)一步提高相關(guān)開發(fā)者采用冰蓄冷系統(tǒng)這一有代表性的電力移峰填谷技術(shù)的積極性。

[1]袁圓，林波榮，朱穎心.基于負(fù)荷動態(tài)模擬的冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計及控制優(yōu)化研究[J].暖通空調(diào)，2006（10）.

[2]韓楊.某冰蓄冷空調(diào)工程案例節(jié)能技術(shù)分析.中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)[OL]，2011.