【摘 要】本文阐述了水蓄冷空调系统的特点,通过南昌机场航站楼制冷站水蓄冷和常规电制冷空调系统发方案的经济性能比较,得出水蓄冷空调系统虽然运行费用低,但对于峰谷电价差优势不明显的南昌地区应用还是有限。
【关键词】水蓄冷空调系统 常规电制冷空调系统
一、前言
蓄冷空调系统最大的优势在于能够降低电网高峰负荷,减少运行电费,但与常规空调系统相比需要增设蓄冷设备以及自动控制设备等,从而相应增大了系统的初投资和维护量。
目前,用于空调的蓄冷方式按蓄冷介质主要分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷和气体水合物蓄冷。其中常见的冰蓄冷是利用水相变潜热的一种蓄冷方式。0℃冰的蓄冷密度是334KG/KG,储存同样多的冷量,冰蓄冷所需的体积仅为水蓄冷的几十分之一。
水蓄冷就是利用水的显热(不能储存潜热)来储存冷量的一种蓄冷方式,蓄冷温度在4-7℃之间,蓄冷温差6-11℃,单位体积的蓄冷容量为5.9-11.3KWH/m3。只要空间条件许可,水蓄冷系统是一种较为经济的储存大冷量的方式,而且蓄冷罐体积越大,单位蓄冷量的投资越低。
相对于常规空调, 水蓄冷空调具有如下的优点:缓解电力紧张状况; 均衡电网负荷, 起到削峰填谷的目的; 利用低谷电价, 节省运行费用; 如果在峰值负荷时间短且明显大时, 可缩小制冷设备装机容量, 降低初投资费用。
相对于冰蓄冷空调, 它又具有如下的优点: 可以使用常规的冷水机组, 并使其在经济状态下运行; 系统造价低, 同等蓄冷量约为冰蓄冷的一半甚至更低; 可以利用消防水池或其他蓄水措施等作为蓄水槽以降低初投资;可以实现蓄冷和蓄热的双重用途; 系统设备及控制方式较简单, 技术要求低, 维护方便。
但是, 水蓄冷空调由于其蓄冷介质的特性, 又具有如下的缺点: 水蓄冷只利用水的显热, 因而蓄冷密度低, 蓄水槽体积庞大; 表面散热损失也相应增加,保温材料增加; 蓄水槽是开启式的, 容易产生水质问题, 要增加水处理费用; 蓄冷槽内不同温度的水容易混合, 影响蓄冷槽中的储存冷量。一般认为, 水蓄冷系统是一种较为经济的储存大量冷量的方式。蓄冷罐体积越大, 单位蓄冷量的投资越低。当蓄冷量大于7000kW.h, 或蓄冷容积大于760m3 时, 水蓄冷是最为经济的。
二、南昌新建航站楼制冷站方案比较
1.航站楼负荷变化特点
南昌新建航站楼面积为96616.2m2,分为主楼、东西两侧指廊共三个部分。主楼正对进场路方向居于航站区中央,呈扇形布置,东西两侧的指廊平面为矩形,与主楼中心线呈26.5°夹角东西对称布置,西指廊长454.8米,东指廊长158.7米,宽36米。指廊由90m×36m的单元体组成,西侧5个,东侧1个,东侧指廊端部伸出68.7m×8m的架空廊道与登机桥相连。主楼与指廊通过连廊连接。本制冷站夏季冷负荷为16320kw。下图为航站楼逐时负荷图,从图中可以看出航站楼夏季最大负荷出现在15:00。
2.按《江西电网峰谷分时及季节性电价实施办法》,在采用蓄冷设施用电时,低谷电价为平时电价时段的50%,可见蓄冷系统能降低运行费用,因此就常规电制冷和水蓄冷两种制冷方案进行比较。
3.方案一
常规电制冷机房主设备配置与技术参数表
电制冷方案:该方案选用10KV高压启动离心式冷水机组4台,每台冷量为1300RT,每冷吨耗电小于0.635KW(冷冻水温度7/12℃,其COP值为5.47)。配套设置一次冷冻水泵4台,流量800m3/h,冷却水泵4台,流量为1040m3/h,通过管廊将7/12℃冷冻水送至新航站楼,为了降低输送能耗,按航站楼分区配置变频二次冷冻循环水泵,主要设备配置详上表。
4.方案二
水蓄冷方案:
(1)利用常规制冷主机作为蓄冷主机。
(2)夏季设计冷负荷为16320kW。采用蓄冷空调系统,既可以按照原来的空调系统运行,也可以按照蓄冷空调系统运行,还可以按照上述的模式混合运行,在白天的高峰时段采取主机+放冷的方式运行,可以减少主机运行时间,减少空调系统的运行费用。
(3)根据主机配置,在在低谷电(23:00-5:00)时段使用4台制冷量为1000RT的冷机并联蓄冷。
(4)蓄冷系统里有蓄冷泵(由系统冷冻水一次泵替代)、放冷泵、9100m3蓄冷槽以及控制系统。
蓄冷量:最大蓄冷量为84408KWH。
系统侧供回水温:7/12℃;
蓄冷侧供回水温:4/12℃
蓄冷温度:蓄冷槽的最低蓄冷温度设计为4℃。
蓄冷温差:可以计算出夏季冷水的最大蓄冷温差ΔT=12-4=8℃
三、水蓄冷空调系统的运行策略
设计日(100%负荷)时的运行策略:根据设计日的热负荷平衡表,在夜间的电力低谷时段(23:00-5:00)使用4台主机并联蓄冷6个小时,把蓄冷罐蓄满;在设计日白天,把蓄冷槽内冷量分配到部分高峰时段,不足部分使用主机来补充,其余时p运行主机。按此设计运行,蓄能槽有效体积为9100m3,最大蓄冷量为84408KWH。
75%热负荷时的运行策略:根据75%热负荷平衡表,这种负荷状态下,由于全天的总负荷有所减少,所以可以减少白天的冷机开机时间。在夜间的电力低谷时段(23:00-5:00)使用4台主机并联蓄冷,把蓄冷罐蓄满;白天把蓄冷槽内冷量分配到全部高峰时段和部分平峰时段,不足部分使用主机来补充,其余时段运行主机。
50%热负荷时的运行策略:根据50%热负荷平衡表,这种负荷状态下,由于全天的总负荷有所减少,所以可以减少白天的冷机开机时间。在夜间的电力低谷时段(23:00-5:00)使用4台主机并联蓄冷,把蓄冷罐蓄满;蓄能槽所蓄冷量可以满足全部高峰时段和部分平峰时段,其余部分只需要开启部分主机,可以明显减少运行费用。
25%热负荷时的运行策略:这个阶段称为过渡时期,全天的负荷明显减少。根据25%负荷平衡表,这种负荷状态下,可以减少白天的冷机开机时间。在夜间电力低谷时段(23:00-3:00)使用4台主机并联蓄冷4个小时,不用把蓄冷槽蓄满;蓄能槽所蓄冷量可以满足白天所有负荷,此时只开启水泵即可。
本系统运行模式主要分为四种工况:冷机蓄冷、冷机单供、冷罐单供和冷机+冷罐联供工况。
四、两种不同空调方案的技术经济比较
1.南昌昌北机场制冷站运行天数及负荷分布情况
2.制冷站用电时间和价格
每天按16小时空调运行,每天运行时间为7:00-22:00。
按《江西电网峰谷分时及季节性电价实施办法》,江西电网峰谷分时电价实施情况如下:
其高峰时段 17:00-23:00高峰电价=基础电价×130%
低谷时段 23:00-5:00低谷电价=基础电价×70%
余时间为平段平段电价=基础电价=0.95元/千瓦时
低谷时期的23:00-5:00仅蓄冷(水蓄冷方案)。
系统耗电量(KWH)及电费(万元)
而蓄热式电热锅炉、冰(水)蓄冷装置等用电,峰谷电价全年按“高峰时段=150%,低谷时段=50%”。
3.运行费用计算
常规制冷、水蓄冷在各种负荷下,不同时段的耗电量计算汇总见下表。
由此可得出,水蓄冷比常规制冷运行电费上节约219.5万元/年。
五、两种供冷方案的综合经济比较
常规电制冷和水蓄冷机房设备的经济分析比较见下表。
注:
(1)表中初投资未包括系统管道及末端装置费用。
(2)机房设备配电容量为机房设备用电功率/功率因素。
(3)机房配电设施费为机房设备配电容量×800元/KVA。
(4)基本电费为机房设备用电功率×12月×30元/(KW•月)。
经过投资和运行费用的比较,采用水蓄冷系统在不考虑资金的时间价值下的静态投资回收期约为5.6年。
六、水蓄冷空调系统分析和探讨
1.水蓄冷空调方案的缺点
水蓄冷只利用水的显热,蓄冷密度低,需大量的水,使用时受到空间条件的限制;蓄冷槽体积较大,表面散热损失也相应增加,需要增加保温层;蓄冷槽内不同温度的冷冻水容易混合,会影响蓄冷效率,使蓄存的冷冻水可用能量减少;由于水蓄冷在蓄冷过程中需要制冷主机蒸发器产生4℃冷冻水,降低了制冷主机的cop值。水蓄冷在供冷蓄冷过程中采用四种模式,这样模式的切花运行增加了自动控制的要求和成本,同时也降低了系统的可靠性和稳定性。
2.实际水蓄冷工程需要说明及注意的几个问题
(1)斜温层
斜温层是蓄冷罐中下部冷水与上部温水之间由于温差导热形成的温度过渡层。明确而稳定的斜温层能够防止冷水和温水的混合,但斜温层的存在同时减少了实际可用冷水容量,降低了蓄冷效率。应用中一般希望斜温层的厚度在0.3-1.0m之间。
斜温层的厚度与进出口水流散流器的散流效果、水流速度、储存时间长短、冷水与温水的温差以及蓄冷罐外形尺寸等因素有关。为了减小斜温层的厚度,蓄冷罐必须采取良好的保温隔热措施,并且进出口处的水流必须缓慢而且均匀,以免引起冷温水混合、破坏斜温层。
(2)保温层对冷量损失的影响
蓄冷罐的冷量损失除了内部温水与冷水之间的传热损失之外,还包括蓄冷罐表面向周围环境的传热损失。蓄冷罐损失的总热量与罐的表面积、罐表面积与周围环境的温差以及散热时间成正比。所以,必须保证保温得当,尽量尽可能的减少外界向蓄冷罐内的传热对蓄冷量的影响。
七、结论
从经济比较理论数据来看,水蓄冷较常规电制冷系统具有较低的运行费用的优点,理论上比常规方案省15%,但水蓄冷水罐体积庞大,由于缺乏可参照的设计和运行经验,为保证水蓄冷系统运行的可行性和可靠性,需要进行论证研究。同时水蓄冷系统较常规电制冷系统增加了较多的初投资,按南昌地区现有的峰谷电价,投资回收期长达6年。
从国内目前已采用水蓄冷方案的一些项目来看,实际节省运行费用的状况不是很理想,与理论计算出来的有较大距离。上海地区的峰谷比例是4.5:1,南昌地区是3:1,所以利用峰谷电价差节电的水蓄冷系统在上海更为适用,而用在峰谷电价比例低的南昌,其运行费用的节省程度有限。