宮樹(shù)娟

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某住宅小區(qū)集中供冷方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

宮樹(shù)娟

（中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢 420100）

采用BIN參數(shù)法對(duì)某住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)進(jìn)行了能耗分析，并在三種方案下進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，得出第三種方案的投資回收期最短。然后針對(duì)該住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)運(yùn)行情況，分析了其中存在的問(wèn)題及原因，提出優(yōu)化運(yùn)行策略、增大供回水溫差、改變供能方式及增加水蓄冷系統(tǒng)等優(yōu)化措施。

住宅小區(qū)；集中供冷；能耗分析；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

?集中供冷供熱（DHC）系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市能源系統(tǒng)的一部分，在提高能源利用效率、保護(hù)環(huán)境、管理維護(hù)方便、有效利用建筑空間及改善建筑外觀方面具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)，在歐美、日本等國(guó)家獲得了普遍的發(fā)展[1,2]。近年來(lái)集中供冷（DC）系統(tǒng)在我國(guó)南方地區(qū)被作為節(jié)能、先進(jìn)的空調(diào)解決方案得到推廣，在大型住宅[3]、地鐵車(chē)站[4,5]、高密度商業(yè)建筑區(qū)等得到了廣發(fā)應(yīng)用。但在應(yīng)用中出現(xiàn)了初投資高、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題，用戶難以接受[6,7]。

本文采用BIN參數(shù)法對(duì)某住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)進(jìn)行了能耗分析，并在三種方案下進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，得出第三種方案的投資回收期最短。針對(duì)某住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的運(yùn)行情況，分析了其中存在的問(wèn)題及原因，并對(duì)該住宅小區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)方案提出一些優(yōu)化措施。

1 工程概況

該住宅小區(qū)位于夏熱冬冷地區(qū)，外墻采用了EPS保溫，外窗采用帶隔熱構(gòu)造的復(fù)合窗框型材和雙層低輻射中空輻射玻璃，窗的內(nèi)外兩側(cè)都采用遮陽(yáng)技術(shù)。目前建成使用的住宅建筑面積46萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷16MW；規(guī)劃公共建筑面積11萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷8MW，規(guī)劃住宅面積約為51萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷18MW。夏季采用集中供冷，集中供冷中心已建有2臺(tái)6000kW制冷機(jī)，冷量經(jīng)管網(wǎng)輸送到每個(gè)樓棟設(shè)置的換熱站，冷水經(jīng)板式換熱器換熱后，輸送到每個(gè)用戶的風(fēng)機(jī)盤(pán)管，向用戶室內(nèi)提供冷量。該住宅小區(qū)用冷量占供冷量的50%左右，熱損失過(guò)大，整個(gè)集中供冷系統(tǒng)運(yùn)行效果不理想。

2 方案分析

下面對(duì)已建住宅、已建住宅+規(guī)劃住宅、已建住宅+規(guī)劃住宅+規(guī)劃公建三種方案進(jìn)行分析。

2.1 運(yùn)行成本分析

集中供冷系統(tǒng)的運(yùn)行效果與系統(tǒng)負(fù)荷率息息相關(guān)，系統(tǒng)負(fù)荷率包括三個(gè)方面：（1）用戶側(cè)負(fù)荷率影響著機(jī)組容量、運(yùn)行費(fèi)用；（2）管網(wǎng)負(fù)荷率影響著系統(tǒng)初投資；（3）機(jī)組負(fù)荷率影響著系統(tǒng)能效比?？紤]到住宅及公建的實(shí)際負(fù)荷率不同，假設(shè)公建的負(fù)荷率為100%，住宅的負(fù)荷率為100%、50%、30%時(shí)分別對(duì)應(yīng)高負(fù)荷率、中負(fù)荷率、低負(fù)荷率三種情況。

根據(jù)該地區(qū)BIN氣象參數(shù)來(lái)計(jì)算制冷機(jī)在整個(gè)供冷季的制冷量。由于7、8、9月與5、6、10月的各時(shí)段電價(jià)不同，所以根據(jù)該地區(qū)全年氣象參數(shù)[8]對(duì)各時(shí)段內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，這里假設(shè)住宅和公建空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為24小時(shí)。

表1 5月至10月BIN參數(shù)

表2 三種方案下設(shè)備配置表

三種負(fù)荷率下三種方案的運(yùn)行成本比較見(jiàn)圖1。

圖1 三種方案的運(yùn)行成本比較（元/kWh）

從圖1中可以看出用戶側(cè)高負(fù)荷率情況下的運(yùn)行成本最低，且規(guī)劃住宅和公建的投入使用可增加用戶數(shù)，降低運(yùn)行成本。

2.2 回收年限分析

表3 集中供冷系統(tǒng)初投資估算[9]

表4 三種方案下各項(xiàng)費(fèi)用比較（萬(wàn)元）

注：收費(fèi)按0.5元/kWh（冷）

從表4可以看出，第三種方案的回收年限最短，方案三較方案一回收年限減少了8年。

3 存在問(wèn)題及優(yōu)化措施

目前使用的集中供冷系統(tǒng)運(yùn)行效果不理想，集中供冷成本較高，筆者分析主要的原因包括以下幾個(gè)方面，并提出相應(yīng)的解決方法。

3.1 用戶側(cè)負(fù)荷率低

從圖1中可以看出，方案一高負(fù)荷率較低負(fù)荷率的理論運(yùn)行成本低20%左右。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，住宅的負(fù)荷率較公建的負(fù)荷率要低，而且相對(duì)不穩(wěn)定，公建其冷量需求穩(wěn)定，呈正態(tài)分布，而且隨著室外溫度變化其冷負(fù)荷波動(dòng)較小。因此，當(dāng)公建投入使用后，可為集中供冷中心帶來(lái)8MW的穩(wěn)定負(fù)荷，極大的提高用戶側(cè)負(fù)荷率。

3.2 供回水溫差較小

根據(jù)對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該住宅小區(qū)供冷系統(tǒng)的供回水溫差最低僅有2℃。這種小溫差大流量的運(yùn)行工況與供回水溫差8℃的設(shè)計(jì)工況相比，其輸送能耗會(huì)有成倍的增加。以高負(fù)荷率為例，供回水溫差為6℃和8℃時(shí)的運(yùn)行成本分別為0.347、0.235元/kWh，相差0.132元/kWh，因此建議采用大溫差、小流量技術(shù)，在制冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡量提高供回水溫差至設(shè)計(jì)工況，水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 運(yùn)行方式不合理

以某年7月份為例，管網(wǎng)損耗計(jì)算如下。

表5 管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行熱量損失表

由表5可知，管網(wǎng)熱損失16160kWh，相當(dāng)于產(chǎn)冷量（33406kWh）的48.4%。上述計(jì)算充分說(shuō)明了，在如此低下的負(fù)荷率下，二次泵、板換機(jī)組循環(huán)泵的非變頻運(yùn)行是管網(wǎng)效率低下的主要原因，所以建議嚴(yán)格按照水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)、1機(jī)1塔1泵對(duì)應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)，提高管網(wǎng)效率，減少管網(wǎng)熱損失。以高負(fù)荷率為例，運(yùn)行方式優(yōu)化后與目前方式的運(yùn)行成本分別為0.235、0.26元/kWh，優(yōu)化后運(yùn)行成本可降低11%。

3.4 供能方式的改變

考慮水管埋地敷設(shè)對(duì)水質(zhì)有較高要求，故末端與冷凍機(jī)房采用板換進(jìn)行水路隔斷，冷水機(jī)組供回水溫度6/14℃，板換供回水溫度9/16℃，若取消熱交換站對(duì)末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管直接供冷，在保證相同末端供水溫度9℃不變的情況下，制冷機(jī)供水溫度可提高3℃，以高負(fù)荷率為例，制冷機(jī)的cop可提高約9%，運(yùn)行成本由0.235降低到0.222元/kWh，所以如果有安裝可能，可以考慮采用直供的方式。

3.5 運(yùn)行策略的不合理

由于在相同的用戶負(fù)荷率下，運(yùn)行機(jī)組的組合方式可以不同，而冷水機(jī)組在部分負(fù)荷率下的cop是不同的，所以，機(jī)組的組合方式直接影響著系統(tǒng)的耗電量，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)行成本。下面以高負(fù)荷率為例，簡(jiǎn)單計(jì)算一下兩種組合方式下的運(yùn)行成本：方式1為兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，平均分擔(dān)負(fù)荷；方式2為50%負(fù)荷率下運(yùn)行一臺(tái)機(jī)組，60%以上運(yùn)行兩臺(tái)機(jī)組，并使一臺(tái)機(jī)組在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。方式1和方式2下的運(yùn)行成本分別為0.255、0.235元/kWh，所以應(yīng)采用方式2的組合運(yùn)行方式。

3.6 增加水蓄冷系統(tǒng)

3.6.1 水蓄冷方案設(shè)計(jì)

目前集中供冷中心制冷機(jī)房?jī)?nèi)配置總裝機(jī)容量為12MW，擴(kuò)容后整個(gè)住宅小區(qū)包括住宅和公建，這里與方案3的場(chǎng)景設(shè)置相同，則設(shè)計(jì)日尖峰負(fù)荷為36MW左右，夜間低谷時(shí)期基載負(fù)荷約24MW。根據(jù)冷負(fù)荷情況及制冷機(jī)房設(shè)備，新建4個(gè)6000m3蓄冷水槽，水槽蓄冷溫差為8℃時(shí)，系統(tǒng)最大蓄冷能力為223MWh，設(shè)計(jì)日總負(fù)荷為637MWh，蓄冷率為35％。典型設(shè)計(jì)日的冷負(fù)荷逐時(shí)變化見(jiàn)圖2。

圖2 冷負(fù)荷逐時(shí)變化（MW）

圖3 100%負(fù)荷運(yùn)行策略圖

由于電價(jià)政策在蓄冷后分為高峰、平段和谷段，運(yùn)行方式按最大限度節(jié)約電費(fèi)來(lái)進(jìn)行，即：晚上低谷時(shí)段利用2～4臺(tái)6MW冷水機(jī)組充冷，白天平段先利用蓄水槽的冷量進(jìn)行供冷，蓄冷水槽的冷量釋放完畢時(shí)，然后開(kāi)啟主機(jī)進(jìn)行供冷。在不同的季節(jié)，天氣發(fā)生變化，日負(fù)荷變小時(shí)，系統(tǒng)將依據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷需求，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，自動(dòng)調(diào)整每一時(shí)段內(nèi)蓄冷裝置蓄冷、供冷及主機(jī)供冷的相對(duì)比例，以實(shí)現(xiàn)分量蓄冷模式逐步向全量蓄冷模式的運(yùn)行轉(zhuǎn)化，按照蓄冷裝置優(yōu)先供冷的原則，最大限度地節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。圖3～圖6分別給出100%、70%、50%、30%設(shè)計(jì)日負(fù)荷下水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略。

圖4 70%負(fù)荷運(yùn)行策略圖

圖5 50%負(fù)荷運(yùn)行策略圖

圖6 30%負(fù)荷運(yùn)行策略圖

3.6.2 初投資比較

水蓄冷系統(tǒng)與方案3常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，前者比后者多一套水蓄冷系統(tǒng)，后者比前者多一臺(tái)主機(jī)及相應(yīng)設(shè)備。所以可以對(duì)增加水蓄冷系統(tǒng)和購(gòu)置一臺(tái)主機(jī)的投資進(jìn)行比較。

表6 水蓄冷系統(tǒng)投資估算表（萬(wàn)元）

表7 購(gòu)置一臺(tái)主機(jī)投資估算表（萬(wàn)元）

3.6.3 運(yùn)行費(fèi)用比較

表8 水蓄冷系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較（萬(wàn)元）

從表8可以看出，就整個(gè)住宅小區(qū)來(lái)說(shuō)，水蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用302萬(wàn)元。水蓄冷系統(tǒng)比另上1臺(tái)冷水機(jī)組初投資增加1908萬(wàn)元，多出的投資6年即可收回成本。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)計(jì)算可知，規(guī)劃公建及東住宅的投入使用可以提高用戶側(cè)負(fù)荷率，降低運(yùn)行成本，且第三種方案的回收年限最短。

（2）供回水溫差相差2℃時(shí)運(yùn)行成本相差30%左右，所以應(yīng)盡量提高供回水溫差至設(shè)計(jì)工況。

（3）運(yùn)行方式的優(yōu)化可使運(yùn)行成本降低11%，所以應(yīng)嚴(yán)格按照水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)、1機(jī)1塔1泵對(duì)應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并選擇合理的運(yùn)行策略。

（4）供能方式方面，采用直供的方式，運(yùn)行成本可降低5%左右。

（5）就整個(gè)住宅小區(qū)來(lái)說(shuō)，水蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用302萬(wàn)元，多出的投資6年即可收回成本，建議增加水蓄冷系統(tǒng)。

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Technical and Economic Analysis of District Cooling in residential area

Gong Shujuan

( CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, WuHan, 420100 )

This paper analyzes the energy consumption of district cooling system in residential area using the Bin method. By economic analyzing, the payback period of the third case is the shortest. Then it analyzes existing problems and reasons of system operational aspects in the first phase, and optimization measures about the air conditioning system are proposed, such as optimizing operation strategy, increasing supply and return water temperature, changing the energy supply way, and adding a water storage system.

residential area; district cooling; energy consumption analysis; economic analysis

1671-6612（2017）05-487-05

TU822

A

2017-01-05

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：宮樹(shù)娟（1985.02-），女，碩士研究生，工程師，E-mail：gsj219@126.com