香港華藝設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司 李雪松 陶嘉楠 高 龍 洪木榮

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展，我國大中城市中不斷規(guī)劃建設(shè)高新技術(shù)園區(qū)、新型產(chǎn)業(yè)園區(qū)、中央商務(wù)區(qū)等集辦公、商業(yè)、公寓為一體的建筑群。

區(qū)域供冷系統(tǒng)是指對一定區(qū)域內(nèi)的建筑物群，由一個(gè)或多個(gè)能源站集中制取冷水，通過管網(wǎng)提供給最終用戶，滿足用戶制冷要求。由于建筑群內(nèi)空調(diào)負(fù)荷同時(shí)使用系數(shù)為0.49～0.77[1]，相同供冷面積下，區(qū)域集中供冷系統(tǒng)相對常規(guī)分散供冷系統(tǒng)能夠降低整個(gè)系統(tǒng)的裝機(jī)容量，減少設(shè)備投資。同時(shí)因其具有節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)，成為建筑群供冷方式的新興選擇。比如，深圳前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)、廣州珠江新城、北京麗澤商務(wù)區(qū)、重慶江北城CBD等均選擇區(qū)域集中供冷系統(tǒng)作為空調(diào)冷源[2-5]。

區(qū)域供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)常與蓄冷技術(shù)相結(jié)合，蓄冷技術(shù)將空調(diào)負(fù)荷從白天用電高峰期轉(zhuǎn)移到夜間用電低谷期，利用峰谷電價(jià)差，降低運(yùn)行費(fèi)用，所以蓄能空調(diào)是“為國節(jié)能，為用戶節(jié)資”的最佳技術(shù)之一[6]。目前常用的蓄冷技術(shù)包括內(nèi)融冰蓄冷、外融冰蓄冷、動態(tài)冰蓄冷及水蓄冷等，而內(nèi)融冰和水蓄冷技術(shù)由于供水溫度的問題不宜應(yīng)用于大型區(qū)域供冷項(xiàng)目[7]。動態(tài)冰是近年來新興的一種冰蓄冷形式，節(jié)能潛力很大，可以較大程度降低系統(tǒng)初投資，但是由于其自身的局限性一直未被用在區(qū)域供冷系統(tǒng)中。將動態(tài)冰和外融冰相結(jié)合，應(yīng)用在區(qū)域供冷中，對于節(jié)能減排具有重大意義。

本文通過實(shí)際工程案例，研究外融冰與動態(tài)冰聯(lián)合供冷的系統(tǒng)形式、初投資及運(yùn)行費(fèi)用，以找到2種蓄冰方式初投資和運(yùn)行費(fèi)用適宜的結(jié)合點(diǎn)，并為其他工程項(xiàng)目提供參考。

1 項(xiàng)目概況

深圳某區(qū)域集中供冷項(xiàng)目總建筑面積約123.18萬m2，總冷負(fù)荷為92 363 kW，區(qū)域內(nèi)建筑功能主要為辦公、商業(yè)、酒店、學(xué)校及部分市政設(shè)施，其中辦公建筑約92.3萬m2，商業(yè)建筑約12.94萬m2，酒店約9萬m2。根據(jù)深圳地區(qū)峰平谷電價(jià)政策(見表1)，該項(xiàng)目采用“電制冷+冰蓄冷”系統(tǒng)，不同時(shí)刻制冷站供回水溫度如表2所示。

表1 深圳商業(yè)電價(jià)

表2 制冷站供回水溫度

2 不同蓄冰方案比較分析

2.1 2種蓄冰方式簡介

外融冰系統(tǒng)由于溫度較高的空調(diào)冷水回水與冰直接接觸，融冰釋冷速度快，釋冷曲線為直線，易控制，能夠快速制取大量的低溫冷水，且可以更靈活地安排運(yùn)行策略，最大限度地降低運(yùn)行費(fèi)用，被廣泛應(yīng)用到區(qū)域供冷系統(tǒng)中[7]。但外融冰系統(tǒng)也存在著雙工況主機(jī)制冰效率不高，由于“冰層熱阻”的存在導(dǎo)致蓄冷速度慢，初投資較高等缺點(diǎn)。

傳統(tǒng)區(qū)域供冷外融冰系統(tǒng)為達(dá)到外網(wǎng)低溫出水的目的，常采用主機(jī)上游串聯(lián)系統(tǒng)，上游為主機(jī)，下游為外融冰冰池，系統(tǒng)原理如圖1所示。

注：V1、V2為閥門。圖1 外融冰冷水系統(tǒng)原理圖

過冷水制動態(tài)冰是新興的冰蓄冷技術(shù)，其基本原理為雙工況主機(jī)制取的-3 ℃乙二醇進(jìn)入動態(tài)冰制冰機(jī)，制取-2 ℃的過冷水，過冷水經(jīng)過促晶技術(shù)形成冰漿，通過管道輸送到冰池，儲存動態(tài)冰漿，循環(huán)上述過程，不斷制取動態(tài)冰，動態(tài)冰漿機(jī)制冰原理如圖2所示。

圖2 動態(tài)冰漿機(jī)制冰原理圖

動態(tài)冰系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：1) 動態(tài)冰雙工況主機(jī)制冰蒸發(fā)溫度為-3 ℃，相對于冰盤管制冰-5.6 ℃蒸發(fā)溫度，主機(jī)COP提高6%～9%；2) 動態(tài)冰制冰時(shí)換熱和結(jié)冰在時(shí)間和空間上是分離的，沒有“冰層熱阻”，所以相對靜態(tài)冰系統(tǒng)，制冰速度均勻、蓄冰量大、融冰速度快，能更靈活地安排運(yùn)行策略；3) 動態(tài)冰單位體積的蓄冰量相對水蓄冷和外融冰要高，約為44 kW·h/m3，而且由于不需要冰盤管，對冰池的形狀要求不高，可以利用邊角料位置，所以相同蓄冰量情況下初投資較外融冰降低15%～20%。但動態(tài)冰需要過冷水制取，制取過冷水的過程需要嚴(yán)格控制水中雜質(zhì)，水質(zhì)較差會堵塞過濾器，因外網(wǎng)水質(zhì)較差，動態(tài)冰冰池不能直接接入外網(wǎng)，需要板式換熱器和外網(wǎng)分隔。而且現(xiàn)有常規(guī)動態(tài)冰漿機(jī)和雙工況主機(jī)匹配的規(guī)格，最大為4 220 kW，一般為雙工況主機(jī)和冰漿機(jī)一一對應(yīng)。由于常規(guī)建筑物供冷項(xiàng)目較少有這么大需求，需要特殊定制，如果完全將其用在大型區(qū)域供冷系統(tǒng)中，動態(tài)冰漿機(jī)的數(shù)量會較多，與其配套的水泵、板式換熱器等設(shè)備也會較多，占用較大的機(jī)房面積。

本文以傳統(tǒng)外融冰為基礎(chǔ)，在不改變總蓄冰量的前提下，加入動態(tài)冰，從供冷系統(tǒng)形式、初投資及運(yùn)行費(fèi)用等方面對比分析不同方案，確定整個(gè)系統(tǒng)的制冷工藝和動態(tài)冰的比例。

2.2 動態(tài)冰與外融冰結(jié)合的系統(tǒng)形式對比分析

動態(tài)冰與外融冰結(jié)合的系統(tǒng)形式存在以下2種可行方案。

方案1是在圖1外融冰系統(tǒng)基礎(chǔ)上將動態(tài)冰冰池板式換熱器和上述系統(tǒng)并聯(lián)，即上游基載主機(jī)和雙工況主機(jī)(包括動態(tài)冰和靜態(tài)冰的雙工況主機(jī))板式換熱器(后文簡稱雙工況板式換熱器)二次側(cè)并聯(lián)后再與下游外融冰冰池串聯(lián)，然后與動態(tài)冰冰池板式換熱器并聯(lián)，系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 方案1冷水系統(tǒng)原理圖

該方案具有動態(tài)冰系統(tǒng)融冰過程獨(dú)立、不受上游冷水機(jī)組出水溫度影響的優(yōu)點(diǎn)。但如果外網(wǎng)水溫需要恒定2.5 ℃的出水溫度，由于動態(tài)冰冰池內(nèi)冷水需要和板式換熱器換熱后供給外網(wǎng)，所以動態(tài)冰冰池的出水溫度要求在1.5 ℃以下，融冰量小于50%后無法達(dá)到此溫度，影響供水水溫。同時(shí)動態(tài)冰后期使用率較低，且外網(wǎng)循環(huán)泵1和2流量及揚(yáng)程相差較大，不易穩(wěn)定運(yùn)行。

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方案2是在圖1外融冰系統(tǒng)基礎(chǔ)上將動態(tài)冰冰池板式換熱器并聯(lián)入上游主機(jī)，即上游基載主機(jī)、雙工況板式換熱器二次側(cè)和動態(tài)冰冰池板式換熱器均為并聯(lián)，再和下游外融冰冰池串聯(lián)，系統(tǒng)原理圖見圖4。

圖4 方案2冷水系統(tǒng)原理圖

該方案由于動態(tài)冰冰池板式換熱器位于外融冰冰池上游，故動態(tài)冰冰池板式換熱器出水溫度可升高到4 ℃以上，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，但動態(tài)冰冰池板式換熱器出水溫度需要和基載主機(jī)及雙工況板式換熱器二次側(cè)溫度一致，運(yùn)行受上游出水溫度影響。

通過上述定性分析可以發(fā)現(xiàn)，為了保證外網(wǎng)出水溫度能夠穩(wěn)定在2.5 ℃，并且讓動態(tài)冰系統(tǒng)融冰更加充分，動態(tài)冰與外融冰結(jié)合的系統(tǒng)方案選擇方案2更為合理，即如圖4所示的上游動態(tài)冰冰池板式換熱器、基載主機(jī)及雙工況板式換熱器二次側(cè)并聯(lián)后再和下游外融冰冰池串聯(lián)的系統(tǒng)形式，其供冷系統(tǒng)流程圖見圖5。根據(jù)運(yùn)行時(shí)段負(fù)荷及需求供水溫度的不同，主要工況閥門狀態(tài)見表3。

注：V1～V10為閥門。圖5 供冷系統(tǒng)流程圖

表3 主要工況閥門狀態(tài)

2.3 動態(tài)冰占整個(gè)冰蓄冷系統(tǒng)的比例分析

過冷水制動態(tài)冰為新技術(shù)，且在區(qū)域供冷中與外融冰結(jié)合使用并無參考先例，本文擬設(shè)置3個(gè)對比方案，分析采用動態(tài)冰對總投資、運(yùn)行費(fèi)用等的影響程度，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定動態(tài)冰的合理比例。

2.3.1各方案主要設(shè)備配置及平面布置

方案1采用圖1所示主機(jī)上游串聯(lián)的外融冰系統(tǒng)，不采用動態(tài)冰；方案2及方案3采用圖4所示上游動態(tài)冰、基載主機(jī)及雙工況板式換熱器二次側(cè)并聯(lián)后再和下游外融冰冰池串聯(lián)的系統(tǒng)形式，其中方案2動態(tài)冰比例為2.4%，方案3動態(tài)冰比例為4.0%。各方案詳細(xì)機(jī)組配置情況見表4。

表4 制冷站各方案主要設(shè)備配置及蓄冰率

圖6 方案2機(jī)房平面布置

2.3.2各方案經(jīng)濟(jì)性對比分析

分別計(jì)算3種方案運(yùn)營期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算期定為21 a，其中包括建設(shè)期1 a，運(yùn)行期20 a。

分析運(yùn)營期經(jīng)濟(jì)性，從經(jīng)濟(jì)效益和抗風(fēng)險(xiǎn)能力兩方面選出最優(yōu)方案。本文以內(nèi)部收益率及靜態(tài)投資回收期為反映經(jīng)濟(jì)效益的主要指標(biāo)。運(yùn)行期經(jīng)濟(jì)分析需要考慮建設(shè)成本、運(yùn)營成本及營業(yè)收入。其中，建設(shè)成本為項(xiàng)目建設(shè)總投資，包括制冷站土建及安裝等投資費(fèi)用。運(yùn)營成本包含運(yùn)行電費(fèi)、水費(fèi)、維修維護(hù)成本、管理成本及折舊成本。營業(yè)收入主要包括接入費(fèi)和售冷費(fèi)，以方案1接入費(fèi)和售冷費(fèi)達(dá)到8%的基準(zhǔn)收益率為基準(zhǔn)。

項(xiàng)目的運(yùn)營成本主要為運(yùn)行電費(fèi)(與各地電價(jià)政策密切相關(guān))，占比約為55%。確定了主機(jī)配置方案后，運(yùn)行策略是影響運(yùn)行電費(fèi)的主要因素，根據(jù)各方案全年運(yùn)行策略，可計(jì)算出其全年運(yùn)行電費(fèi)。以方案2的100%負(fù)荷工況為例，其逐時(shí)運(yùn)行策略及計(jì)算運(yùn)行電費(fèi)分別如圖7、8所示。

圖7 方案2在100%負(fù)荷工況下的逐時(shí)運(yùn)行策略

圖8 方案2在100%負(fù)荷工況下的逐時(shí)運(yùn)行電量及電費(fèi)

通過對以上各項(xiàng)的分析，計(jì)算得出該項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用、內(nèi)部收益率及投資回收期等各項(xiàng)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如表5所示。

表5 各方案經(jīng)濟(jì)性對比分析

從表5可以看出，對于制冷站，在蓄冰率和總蓄冰量基本一致的情況下，方案2、3相對于方案1，隨動態(tài)冰占比的增大，年運(yùn)行費(fèi)用上升，總投資有不同程度的減少。方案2相對方案1總投資減少2 347萬元(減小率約為8.3%)，年運(yùn)行電費(fèi)僅增加86萬元，增加率為4.1%；方案3相對方案1，總投資減少幅度為10.0%，運(yùn)行費(fèi)用增加了12.0%。據(jù)此判斷，繼續(xù)增大動態(tài)冰比例，整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性會越來越差，同時(shí)動態(tài)冰設(shè)備的增加將進(jìn)一步占用制冷機(jī)房空間，導(dǎo)致機(jī)房布置緊張，故本文僅給出3種方案，不再增加動態(tài)冰蓄冰率繼續(xù)比較。

導(dǎo)致方案3運(yùn)行費(fèi)用較大的原因?yàn)椋涸谛畋炕颈３植蛔兊那闆r下，隨著動態(tài)冰比例的增大，外融冰蓄冰量減少，需要系統(tǒng)上游出水溫度降低來保證冷水經(jīng)過冰池的出水溫度，導(dǎo)致上游冷水機(jī)組白天運(yùn)行時(shí)COP降低，運(yùn)行費(fèi)用增加。

從表5同時(shí)可以看出，方案2年均運(yùn)營費(fèi)用為3 896萬元，內(nèi)部收益率為9.1%，稅后靜態(tài)投資回收期為10.9 a，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于其他2種方案，且符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，稅后內(nèi)部收益率高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(8%)，投資可在合理時(shí)間內(nèi)回收，有較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，經(jīng)濟(jì)效益最好。綜上所述，從運(yùn)營期經(jīng)濟(jì)分析來看，方案2為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

1) 采用上游動態(tài)冰系統(tǒng)、基載主機(jī)及雙工況板式換熱器二次側(cè)并聯(lián)后再和下游外融冰冰池串聯(lián)的系統(tǒng)形式，可以在外網(wǎng)供水溫度較低的情況下，更加穩(wěn)定地運(yùn)行。

2) 在總蓄冰率不變的情況下，動態(tài)冰的加入可以有效減少總投資，但也會導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加，存在一個(gè)投資和運(yùn)行費(fèi)用適宜的結(jié)合點(diǎn)。通過運(yùn)營期經(jīng)濟(jì)分析可以確定該項(xiàng)目動態(tài)冰蓄冰率為2.4%時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。