水蓄冷系統(tǒng)在公共建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用

中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司 于曉磊 張 紅 劉莉馨 梁 琳 李榮偉 甄 楷

0 引言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消費(fèi)速度也日益增長(zhǎng)。1990—2016年，我國(guó)總能源消費(fèi)量由9.87億t標(biāo)準(zhǔn)煤上升到43.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。2018年，中國(guó)建筑總量達(dá)到601億m2，商品能耗總量10億t標(biāo)準(zhǔn)煤，CO2排放總量20.9億t[2]。然而，中國(guó)的人均能源資源擁有量在世界上還處于較低水平，煤炭、石油和天然氣的人均占有量?jī)H為世界平均水平的67.0%、8.0%和7.5%；中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家。在能源利用效率方面，社會(huì)各領(lǐng)域、行業(yè)和部門(mén)的節(jié)能增效工作已經(jīng)刻不容緩，成為當(dāng)務(wù)之急。

北京地區(qū)城鎮(zhèn)建筑總面積達(dá)到8.4億m2，其中公共建筑面積為3.2億m2，建筑能耗約占全社會(huì)能源消耗總量的40%[3]。其中，大型公共建筑能耗增長(zhǎng)趨勢(shì)突出，因此，進(jìn)一步提高節(jié)能要求，采用各種節(jié)能技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)改造，從源頭降低北京市公共建筑的能耗已是首都節(jié)能工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于北京市海淀區(qū)，地處長(zhǎng)安街沿線，建筑面積6.3萬(wàn)m2，建筑高度98 m。于1984年設(shè)計(jì)，1986年開(kāi)工，經(jīng)歷20世紀(jì)90年代的停緩建階段，于1996年正式建設(shè)完成。2007年二次裝修改造，2009年11月重新投入使用。整體建筑地下2層、地上26層，其中主樓及裙樓1～4層是多功能區(qū)和會(huì)議區(qū)，主樓5～14層為賓館客房區(qū)，15～24層為某國(guó)家機(jī)關(guān)辦公區(qū)。建筑平面圖如圖1所示，南立面圖見(jiàn)圖2。

圖1 平面圖

圖2 南立面圖

圖3 地下2層消防水池平面圖

圖4 迷宮式蓄水池設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 空調(diào)系統(tǒng)概況

該項(xiàng)目供暖、空調(diào)系統(tǒng)分為高、低2個(gè)區(qū)域運(yùn)行，其中高區(qū)為主樓1～26層，空調(diào)面積約2.57萬(wàn)m2，低區(qū)為裙樓及配樓區(qū)域，空調(diào)面積約2.57萬(wàn)m2。

項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)選用了2臺(tái)單臺(tái)制冷量2 907 kW的雙效溴化鋰直燃機(jī)進(jìn)行制冷。低區(qū)系統(tǒng)采用一級(jí)泵直供系統(tǒng)，高區(qū)因設(shè)備承壓?jiǎn)栴}，通過(guò)2臺(tái)板式換熱器進(jìn)行二級(jí)泵間接供冷，冬季供暖采用市政熱力，末端為兩管制供暖空調(diào)系統(tǒng)。2007年裝修時(shí)因設(shè)備嚴(yán)重老化，進(jìn)行了一次大的升級(jí)改造工程，于2009年正式竣工并投入運(yùn)行。此次改造因溴化鋰直燃機(jī)效率衰減及設(shè)備老化，在充分利舊的前提下新增了2臺(tái)單臺(tái)額定制冷量1 438 kW的螺桿式制冷機(jī)，負(fù)責(zé)高區(qū)空調(diào)系統(tǒng)制冷。拆除板式換熱器，對(duì)高區(qū)系統(tǒng)采用一次泵直接供冷，減少了輸配系統(tǒng)能耗并有效降低了冷源溫度，提高空調(diào)系統(tǒng)效率。溴化鋰直燃機(jī)僅負(fù)責(zé)低區(qū)制冷。空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)

2.2 空調(diào)系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)

該項(xiàng)目2015、2016年空調(diào)系統(tǒng)能耗分別如表2、3所示。

表2 2015年空調(diào)系統(tǒng)能耗

表3 2016年空調(diào)系統(tǒng)能耗

連續(xù)2年的能耗數(shù)據(jù)顯示：該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)及輸配系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用約為140萬(wàn)元。其中低區(qū)空調(diào)費(fèi)用較高，約為75萬(wàn)～90萬(wàn)元。因低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)在最近一次改造中未更換，仍然使用原有設(shè)備，系統(tǒng)匹配度不好，輸配系統(tǒng)功率過(guò)大、耗電較高，同時(shí)雙效溴化鋰制冷機(jī)因機(jī)型老舊、運(yùn)行年限長(zhǎng)、效率低、設(shè)備老化，造成在夏季制冷工作時(shí)間較短的情況下運(yùn)行費(fèi)用仍然很高，根據(jù)上述數(shù)據(jù)及對(duì)該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的整體評(píng)估，確定應(yīng)首先對(duì)低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。

3 節(jié)能改造方案

將低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)溴化鋰直燃機(jī)及輸配系統(tǒng)報(bào)廢，新購(gòu)置1臺(tái)額定制冷量約為1 500 kW的螺桿式壓縮機(jī)及配套輸配系統(tǒng)，并重新啟用地下蓄水池，同時(shí)應(yīng)用水蓄冷技術(shù)，削峰填谷。

蓄冷系統(tǒng)一般由制冷、蓄冷及供冷系統(tǒng)組成。制冷、蓄冷系統(tǒng)由制冷設(shè)備、蓄冷裝置、輔助設(shè)備、控制調(diào)節(jié)設(shè)備四部分通過(guò)管道和導(dǎo)線(包括控制導(dǎo)線和動(dòng)力電纜等)連接組成。載冷劑通常為水或乙烯乙二醇溶液(簡(jiǎn)稱(chēng)乙二醇溶液)。供冷時(shí)可由制冷設(shè)備單獨(dú)制冷供冷，或由蓄冷裝置單獨(dú)釋冷供冷，或二者聯(lián)合供冷[4]。蓄冷介質(zhì)通常選用水、冰、共晶鹽。本次改造考慮到項(xiàng)目現(xiàn)狀，確定采用水蓄冷方式。

水蓄冷系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

“波束成形（Beamforming）”技術(shù)是無(wú)線充電技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。美國(guó)麻省理工大學(xué)研發(fā)的Mag-MIMO（Magnetic-MIMO）無(wú)線充電系統(tǒng)首次將波束成形技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線充電領(lǐng)域[3]?；谠摷夹g(shù)的無(wú)線充電系統(tǒng)，使得原本全向傳輸?shù)哪芰考袀鬏斨聊硞€(gè)或某些特定方向。這將有助于延長(zhǎng)充電距離、提高充電效率，并增強(qiáng)抗干擾性[4]。

1) 降低空調(diào)制冷系統(tǒng)投資，制冷系統(tǒng)的容量按日均負(fù)荷選擇即可，無(wú)需再按最大小時(shí)冷負(fù)荷選取，使裝機(jī)容量減少20%～50%。

2) 直接取冷，供冷速度快，僅需10～15 min即可對(duì)末端設(shè)備進(jìn)行供冷，常規(guī)系統(tǒng)則需1 h左右，且不像冰蓄冷系統(tǒng)對(duì)取冷功率有較大限制。

3) 可以利用項(xiàng)目現(xiàn)有的蓄水池或消防水池，減少初投資，適合用于改造和擴(kuò)建項(xiàng)目。

3.1 低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算

經(jīng)查閱相關(guān)運(yùn)行資料及詳細(xì)計(jì)算，該項(xiàng)目低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)峰值冷負(fù)荷約為2 500 kW，出現(xiàn)在設(shè)計(jì)日13:00左右。考慮到該項(xiàng)目的特點(diǎn)，采用綜合逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算出各時(shí)刻冷負(fù)荷分布，如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)日空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷

計(jì)算可得低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)日總冷負(fù)荷為19 875 kW·h。

3.2 蓄冷水池蓄冷量計(jì)算

蓄冷水池尺寸為27 m×27 m×2.91 m(長(zhǎng)×寬×高)，去除分隔墻及必需的通氣設(shè)備后，有效容積約為1 700 m3。

消防水池蓄冷量[5]：

Qs=ρVcpΔtFα

(1)

式中Qs為蓄冷水池內(nèi)可用蓄冷量，kJ；ρ為蓄冷水的密度，取1 000 kg/m3；cp為水的比定壓熱容，取4.187 kJ/(kg·℃)；Δt為釋冷時(shí)回水溫度與蓄冷時(shí)進(jìn)水溫度的溫差，℃；F為蓄冷水池的冷量釋放系數(shù)，考慮混合和斜溫層等的影響，一般為85%～90%；α為蓄冷水池的體積利用率，考慮散熱器布置和蓄冷水池內(nèi)其他不可利用空間的影響，一般為95%。

計(jì)算得出該項(xiàng)目地下蓄冷水池的總蓄冷量Qs約為11 504 kW·h。

北京地區(qū)普通商業(yè)用電峰谷分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表4。

表4 北京地區(qū)商業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)

3.3 水蓄冷系統(tǒng)設(shè)置及運(yùn)行策略

該方案采用開(kāi)式水蓄冷系統(tǒng)(見(jiàn)圖6)，可提高蓄冷系統(tǒng)的能源利用效率，但應(yīng)注意控制水質(zhì)，以及自動(dòng)控制系統(tǒng)完整性和安全性，防止系統(tǒng)失水。

圖6 開(kāi)式水蓄冷系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)運(yùn)行模式主要分為4種工況：制冷機(jī)蓄冷、蓄冷水池單獨(dú)供冷、制冷機(jī)單獨(dú)供冷和制冷機(jī)+水池聯(lián)合供冷工況。水蓄冷系統(tǒng)如圖7所示。

注：T1～T6為閥門(mén)。圖7 水蓄冷系統(tǒng)圖

4種工況運(yùn)行時(shí)各閥門(mén)的動(dòng)作狀態(tài)見(jiàn)表5。

表5 水蓄冷系統(tǒng)控制策略

4 能耗計(jì)算

根據(jù)北京地區(qū)天氣情況及該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等，采用簡(jiǎn)化計(jì)算的方式，將低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷劃分為100%、65%、35% 3種情況進(jìn)行分析。

4.1 100%負(fù)荷

設(shè)計(jì)日100%負(fù)荷的運(yùn)行策略(見(jiàn)圖8)：根據(jù)低區(qū)空調(diào)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至次日07：00)使用螺桿式制冷機(jī)蓄冷8 h，把蓄冷水池冷量蓄滿；蓄冷水池的蓄冷量白天可滿足全部高峰時(shí)刻用冷需求，其余時(shí)段運(yùn)行螺桿式制冷機(jī)供冷。

圖8 100%負(fù)荷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略

100%負(fù)荷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算如表6所示。

表6 100%負(fù)荷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

通過(guò)逐時(shí)模擬計(jì)算，100%負(fù)荷情況下，低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用約為3 447元。

4.2 65%負(fù)荷

設(shè)計(jì)日65%負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略(見(jiàn)圖9)：由于全天的總冷負(fù)荷有所減少，所以可以減少白天的制冷機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)間；在夜間電力低谷時(shí)段(23：00至次日07：00)使用螺桿式制冷機(jī)蓄冷8 h，把蓄冷水池冷量蓄滿；蓄冷水池的蓄冷量白天可滿足全部高峰時(shí)刻用冷需求，其余時(shí)段運(yùn)行螺桿式制冷機(jī)供冷。

圖9 65%負(fù)荷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略

65%負(fù)荷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)表7。

表7 65%負(fù)荷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

通過(guò)逐時(shí)模擬計(jì)算，65%負(fù)荷時(shí)水蓄冷系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用約為1 855元。

4.3 35%負(fù)荷

設(shè)計(jì)日35%負(fù)荷系統(tǒng)的運(yùn)行策略(見(jiàn)圖10)：在該負(fù)荷狀態(tài)下，由于全天的冷負(fù)荷低于蓄冷水池的可蓄冷量，所以在夜間的電力低谷時(shí)段(23：00至次日07：00)，使用螺桿式制冷機(jī)蓄冷4.8 h即可滿足白天空調(diào)用冷需求，不用把蓄冷水池冷量蓄滿；白天所有冷負(fù)荷全部由蓄冷系統(tǒng)承擔(dān)，只運(yùn)行循環(huán)水泵即可，可以顯著減少運(yùn)行費(fèi)用。

圖10 35%負(fù)荷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略

35%負(fù)荷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)表8。

表8 35%負(fù)荷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

通過(guò)逐時(shí)模擬計(jì)算，35%負(fù)荷時(shí)水蓄冷系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用約為730元。

4.4 制冷季總運(yùn)行費(fèi)用

通過(guò)模擬分析水蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行，經(jīng)計(jì)算可得出蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在不同負(fù)荷條件下的運(yùn)行費(fèi)用，制冷季為每年5月10日至9月20日，共130 d。則運(yùn)行費(fèi)用如表9所示。

表9 水蓄冷系統(tǒng)制冷季總運(yùn)行費(fèi)用

由表9可知，該項(xiàng)目改造為水蓄冷系統(tǒng)后夏季運(yùn)行費(fèi)用約為25.51萬(wàn)元，較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用顯著降低。

5 水蓄冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性

該項(xiàng)目改造費(fèi)用如表10所示。

表10 水蓄冷系統(tǒng)改造費(fèi)用

通過(guò)2015、2016年及其他年份的歷史數(shù)據(jù)分析，低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)制冷季運(yùn)行費(fèi)用在75萬(wàn)～95萬(wàn)元之間，進(jìn)行費(fèi)用對(duì)比時(shí)取中間值85萬(wàn)元。低區(qū)空調(diào)原系統(tǒng)與改造后水蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)對(duì)比如表11所示。

表11 低區(qū)空調(diào)原系統(tǒng)與改造后水蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目改造前后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析可以得出，在公共建筑已有可利用的蓄冷水池等設(shè)備設(shè)施的情況下，增設(shè)蓄冷系統(tǒng)是一種切實(shí)可行的技術(shù)方案，不僅充分利用低谷電價(jià)，對(duì)企業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的晝夜平衡也起到了積極的促進(jìn)作用，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。且改造初投資少，投資回收期較短，有效降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。

隨著能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)、科技的不斷進(jìn)步，如何高效節(jié)能地為人們提供舒適安全的生活和工作環(huán)境，已是當(dāng)代暖通空調(diào)技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。大力推廣及使用以水蓄冷技術(shù)為代表的各類(lèi)蓄能技術(shù)，已成為當(dāng)前建筑及工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能的主流方向。