121高层民用住宅蓄冷集中空调系统的技术及经济性分析全文

高层民用住宅蓄冷集中空调系统的技术及经济性分析北京建筑工程学院向长松解国珍盛国刚李广摘要：伴随着空调的普遍使用，城市电网负荷峰谷差逐渐拉大。一方面，高峰时段电力紧张，某些时段甚至要对个别地区拉闸限电；另一方面，低谷时段又会出现电力过剩。由于电能难以储存的特性，每年造成了巨大的能源浪费。随着人们生活水平的提高，空调器（冷暖机或单冷机）逐渐走进千家万户，个别小范围区域已开始尝试中央空调集中供冷，某些住宅还出现了带蓄冷装置的中央空调。蓄冷中央空调的出现在一定程度上减缓了电力峰谷差逐年拉大的趋势，对电网负荷的稳定起到了积极的作用，但蓄冷中央空调是否适用于高层民用住宅还需要作可行性分析。本文以一座27层的高层民用住宅为例，对蓄冷中央空调在民用住宅中的应用做了技术性分析，计算了文中三类中央空调的初投资、夏季运行费用及回收年限，确定了最优方案。关键字：蓄冷中央空调技术分析经济分析前言随着我国经济的迅速增长，城乡居民的生活水平逐渐提高，人们对生活的质量提出了更高的要求，对室内热湿环境有了更高的期望，因此空调器（冷暖机或单冷机）在城市居民的住宅中逐渐普及起来。但由于用户需求的不同，分散式空调器的安装比较随意，外机型号不统一、整体布局不美观、破坏建筑外立面等负面影响促使人们寻找新的供冷方式，中央空调应运而生。无蓄冷装置的中央空调可集中控制并能克服分散式空调器的上述缺点，但实质上是将各独立单元所需的冷量集中供给，日间逐时供冷曲线与电网负荷增长趋势相一致，因此非蓄冷中央空调不能改善电网的特性。在大型公共建筑中已广为使用的蓄冷中央空调由于其能“移峰填谷”的突出特点正在被考虑应用到民用住宅类建筑中，国内已有一些蓄冷中央空调的试点工程正在运行。因此需要对高层民用住宅蓄冷中央空调的特点进行研究，对其投资和运行进行技术和经济性分析，从而为中央空调类型的选择提供思路。本文将中央空调分为蓄冷中央空调和普通中央空调（即非蓄冷中央空调），研究地域分别为北京、上海和广州，以一座27层的高层民用住宅为研究对象，普通中央空调送风温度为15℃，水蓄冷中央空调送风温度为11℃，冰蓄冷中央空调送风温度为7℃。1.高层民用住宅蓄冷中央空调系统的技术1特点1.1高层民用住宅的建筑特点住宅建筑层高有限，该塔式住宅的层高为2.93m。在采用冰蓄冷空调系统时可结合低温送风技术，以减小风管尺寸和吊顶高度。采用低温送风技术后，降低了风管材料的使用量，但同时又增加了用于风管保温的保温材料和特殊严格的末端装置。该住宅面积约为30000m3，适合采用低温送风方式。实践表明，低温送风能有效的改善空调区域内的热湿环境，抑制细菌的繁殖，提高空气的新鲜感，在人体感到舒适的同时还有利于人体健康。根据《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-20036.3.11规定，当采用冰蓄冷空气调节冷源或有低温冷媒可利用时，宜采用低温送风空气调节系统；6.3.12规定采用低温送风空气调节系统时，出风温度宜采用4～10℃，采用向空气调节区直接送低温冷风的送风口。另外，为便于和普通集中空调进行经济性比较，该蓄冷空调（冰蓄冷和水蓄冷）设计选用变风量空调系统。采用冰蓄冷时，确定为冰蓄冷加低温送风单风管变风量空调系统；采用水蓄冷时，确定为水蓄冷单风管变风量空调系统。1.2高层民用住宅夏季冷负荷特点与大型公共建筑不同，夏季高层民用住宅需要24小时供冷，冷负荷不集中，日间和夜间负荷差别不大，蓄冷的同时仍需要供冷。为确定双工况主机和基载主机的容量，需要确定日间最大冷负荷和夜间蓄冷时最大冷负荷。以北京地区一座27层高层民用建筑为例得到三个地区夏季逐时冷负荷（见表1-表3）。由表中可以看出，昼夜最大负荷差比较小，相应地，基载主机与双工况主机的容量差别也不大。表1北京设计日逐时负荷时段0:001:002:003:004:005:00逐时冷负荷（KW）171316611615156915301481时段6:007:008:009:0010:0011:00逐时冷负荷（KW）157416631742184619472036时段12:0013:0014:0015:0016:0017:00逐时冷负荷（KW）210221772258229522892265时段18:0019:0020:0021:0022:0023:00逐时冷负荷（KW）222420311930187318151767表2上海设计日逐时负荷时段0:001:002:003:004:005:00逐时冷负荷（KW）192018751837180017671731时段6:007:008:009:0010:0011:00逐时冷负荷（KW）179819001992208321612226时段12:0013:0014:0015:0016:0017:00逐时冷负荷（KW）226823312406245124542429时段18:0019:0020:0021:0022:0023:00逐时冷负荷（KW）235221912109205820101969表3广州设计日逐时负荷时段0:001:002:003:004:005:00逐时冷负荷（KW）179817571721168716551622时段6:007:008:009:0010:0011:00逐时冷负荷（KW）166117751879196920342085时段12:0013:0014:0015:0016:0017:00逐时冷负荷（KW）211521732250230823182293时段18:0019:0020:0021:0022:0023:00逐时冷负荷（KW）2185204419731924188118421.3蓄冷空调的特点蓄冷中央空调最常见的方式有水蓄冷中央空调和冰蓄冷中央空调两种。水蓄冷中央空调的特点：水蓄冷是利用水2的显热进行冷量储存，利用4～7℃的低温水进行蓄冷。水蓄冷空调系统简单，投资少，维修方便，可使用常规空调机组，冬季可以用于蓄热，适宜于既可蓄冷又可蓄热的空调热泵机组。但水的密度小，比热为4.2KJ/（kg℃）,使蓄冷容积增大，冷损耗大，不易防水保温。冰蓄冷中央空调的特点：冰蓄冷是利用冰的相变潜热进行冷量储存。由于0℃冰的蓄冷密度达334kj/kg，使得冰蓄冷槽的体积比水蓄冷槽大为减少，冷损失也较水蓄冷槽少。与常规空调系统相比，提供相同的冷量，冰蓄冷中央空调送风空气量减少40％左右。冰蓄冷系统一般与低温送风系统结合使用，这样能够充分利用冰蓄冷系统所产生的低温冷冻水，在一定程度上弥补蓄冰系统增加的初投资。一般来说，当建筑面积大于14000m2时，蓄冰与低温送风相结合的风系统初投资低于常规空调系统。当建筑面积小于3700m2时，蓄冰与低温送风相结合的风系统初投资高于常规空调系统[1]。另一方面，制冷机组的蒸发温度降低，使压缩机的COP减少；空调系统设备与管路比水蓄冷系统复杂；若保温层厚度不符合要求，用冰蓄冷、低温送风会导致空气中的水分凝结；易发生空调区空气量不足和空气倒灌等现象。2.高层民用住宅蓄冷中央空调系统实例本文选取的对象为北京一座27层民用住宅楼，共188套房源，每套建面积在88～225m2之间，总建筑面积为27100m2，有A、B、C三个单元。北京上海广州三个地区设计日逐时最大负荷分别为2295KW、2454KW、2318KW，在此基础上进行设计计算。2.1空调制冷机种类的选择螺杆制冷机排气温度低、热效率高、运行平稳、振动小、应用广泛，制冷量可在10％～100％范围内进行无级调节，空调工况下的COP值为4.1～5.4，在制冰时，蒸发器出液温度最低为-7℃～-13℃，其COP值为2.9～3.9，故选用螺杆冷水机组。2.2空调制冷机组的选择由于夜间仍需供冷，因此需要有基载主机在夜间双工况主机蓄冷时提供冷量，基载主机采用一台大功率加一台小功率的螺杆机组。基载主机容量可根据夜间最大冷负荷确定，而基载主机在白天所需承担的冷负荷需要进一步讨论。因为基载主机白天承担的冷负荷越大，蓄冷设备和制冷主机的供冷量就越少，就不需要利用夜间低谷电力时段蓄存大量的冷量，运行费用增高，蓄冷的优势也就体现不出来了；另一方面，基载主机承担的冷负荷越少，蓄冷设备和制冷主机的供冷量就越多，要求增加制冷主机和其它附属设备的容量，从而提高了初投资。因此计算了日间在基载主机承担不同冷负荷时的运行费用变化和初投资变化，得出基载主机在白天可停止运行。在参阅比较后得出：为充分利用夜间低谷时段优惠电价，在白天需要供冷时，基载主机停止运行，冷负荷由制冷主机和蓄冷设备共同承担。蓄冷设备供冷优先制冷主机容量可按下式确定3[2]：R2=Qmax﹒D/(D+N﹒η)Qmax为建筑物高峰设计负荷（kW）D为白天制冷机组直接供冷时间（h）N为夜间制冷机组制冷时间（h）R2为制冷机组在蓄冷时的制冷量（kW）η为压缩机容量变化率，对于水蓄冷空调，螺杆式压缩机η取0.95，对于冰蓄冷空调，螺杆式压缩机η取0.72.4蓄冷中央空调末端选择目前低温送风系统通常采用的送风方式有两种：1）在送风末端加设空气空气诱导箱或混合箱，使一次送风和部分回风在混合箱内混合至常规送风状态后，直接通过一般常规空气用散流器送入空调房间。2）采用低温送风系统专用的散流器，直接将一次低温风送入室内，使之在出风口附近与空调区域内的空气迅速混合，从而增强室内空气流动，并使送风在到达工作区域前完成混合，升高温度。本设计采用第二种送风方式2.4蓄冷空调系统风系统保温设计采用单风道变风量系统，与普通集中空调相比，水蓄冷和冰蓄冷空调风系统风道材料仍采用镀锌钢板，但冰蓄冷空调的风道材料需要做严格的外保温，以防结露，而且需要专用的末端装置。2.5蓄冷中央空调系统运行控制策略在蓄冷系统设计中,运行方案的确定是关键,它往往能决定一个蓄冷系统设计的成败。全蓄冷运行策略的蓄冷装置和制冷主机的容量与其它方案相比最大，初投资最多，但运行费用最节省。该工程为民用住宅蓄冷中央空调，空调季节24小时有冷负荷，不适于全蓄冷运行策略。考虑到蓄冷量占总冷负荷在30%～70%内才能达到经济的效果[3]，因此选择部分蓄冷运行策略。采用蓄冷设备供冷优先的策略更能充分利用低谷电力，运行费用最节省，因此选择部分蓄冷和蓄冷设备供冷优先的控制策略。3.初投资及运行费用对于普通中央空调，初投资费用统计基本包括两部分：风系统和水系统。对于冰蓄冷中央空调系统，除上述两部分外还包括风管和末端由于送风温度低对保温材料额外投资的费用（计算时加入风系统投资中）。北京、上海、广州三个地区的普通中央空调系统与蓄冷中央空调系统初投资费用见表5。蓄冷空调的运行费用主要指在当时当地电价下系统的运行费用。表4北京上海广州电力峰谷时段及电价峰段平段谷段时段8：00～12：0018：00～23：006：00～8：0012：00～18：0023：00～6：00北京电价（元）0.9550.6150.296时段8：00～11：0018：00～21：006：00～8：0011：00～18：0021：00～6：00上海电价（元）0.8710.5680.295时段7：00～12：0019：00～22：0012：00～19：0022：00～23：0023：00～7：00广州电价（元）0.6810.5700.4034表5普通中央空调系统与蓄冷中央空调系统初投资费用比较表水蓄冷中央空调系统冰蓄冷中央空调系统普通中央空调投资项目地点水系统投资风系统投资总计费用水系统投资风系统投资总计费用总计费用北京（万元）421.11128.42549.53541.76162.28704.04412.49每平米（元）155.2547.34202.59199.7359.83259.56152.07上海（万元）461.85129.13590.98601.63168.96770.59447.91每平米（元）170.2747.61217.87221.862.29284.09165.13广州（万元）438.52124.86563.38575.5167.24742.74427.33每平米（元）161.6746.03207.7212.1761.