朱常琳 張金寶 朱樹園 周 敏 郭星辰

（1.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055；2.杭州華電華源環(huán)境工程有限公司，浙江 杭州 310000；3.深圳市建筑設計研究總院有限公司，廣東 深圳 518000；4.中國建筑西北設計研究院有限公司，陜西 西安 710018）

空調(diào)用電負荷的峰谷時段常與電網(wǎng)峰谷時段重疊，是影響電網(wǎng)負荷與需求平衡的主要原因之一?？照{(diào)用電問題已成為電力需求側(cè)管理的重要組成部分，而冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的推廣應用使電網(wǎng)失衡等問題逐漸得到改善，對調(diào)峰填谷、調(diào)節(jié)電網(wǎng)能量平衡及節(jié)能具有重要意義。但是目前冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的研究、設計仍與傳統(tǒng)模式較相似[1-2]，沒有真正挖掘出冰蓄冷方式（如節(jié)能）的優(yōu)勢。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)借助單一的低溫冷源處理室內(nèi)的潛熱、顯熱負荷，而溫濕分控的空調(diào)系統(tǒng)通過高溫冷源處理室內(nèi)顯熱負荷來節(jié)約能源。該系統(tǒng)對室內(nèi)溫度、濕度進行單獨調(diào)控，可提升室內(nèi)舒適性。本文以深圳市某節(jié)能辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，通過動態(tài)全生命周期費用計算法來分析溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

1 某節(jié)能辦公建筑的幾何模型及其空調(diào)系統(tǒng)逐時能耗

深圳某節(jié)能辦公建筑高度為21.8m，總面積為2700m2，其空調(diào)系統(tǒng)采用溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。

首先，用Sketch UP 軟件建立該辦公建筑的幾何模型，如圖1所示。其次，在Energyplus 能耗模擬軟件的插件Openstudio中搭建溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。最后，在Energyplus 軟件環(huán)境中運行，并得出相應的逐時能耗參數(shù)[3]，即常規(guī)系統(tǒng)在單個制冷季中的逐時最大功耗是108kW，單個制冷季的耗電量為132003kW·h；溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)夜間蓄冷的功耗為35kW 左右，白天供冷逐時功耗最大是58kW，單個制冷季的耗電量為116414kW·h。從功耗方面看，溫濕分控的冰蓄冷系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能15%。在此基礎上對其經(jīng)濟性進行分析。

圖1 某節(jié)能辦公建筑的幾何模型

該辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)的最大逐時冷負荷為400948W[3]。由于該建筑的負荷并不大，因此一臺雙工況主機即可滿足室內(nèi)的冷負荷要求。

2 溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

該辦公建筑的溫濕分控冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。在電價為谷價時段，雙工況冷水機組以低溫工況運行，在蓄冰槽中儲存冷量，供白天新風機組除濕；在日間負荷時段，雙工況機組變成高溫主機運行工況，和其他高溫主機共同對建筑的顯熱負荷進行供冷。系統(tǒng)通過蓄冷槽中的冷量，以2℃冷水的形式取出，供給室內(nèi)空調(diào)末端并處理潛熱負荷[3]。

圖2 溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的工作原理圖

3 空調(diào)系統(tǒng)全生命周期總費用計算

冰蓄冷系統(tǒng)可有效實現(xiàn)“移峰填谷”功能。主要機理是在夜間低峰時段蓄冰，在白天高峰時段進行制冷，滿足夏季高峰負荷的需求，并降低空調(diào)系統(tǒng)運行成本。這不僅能減少發(fā)電系統(tǒng)的一次能源，如煤炭、天然氣和石油等的消耗，還能減少二氧化碳排放，提高系統(tǒng)的能效[4]。

本文選用動態(tài)全生命周期總費用計算法來分析溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。分析中需要計算溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資與安裝費用、維護費用以及供冷季的運行費用。

3.1 動態(tài)全生命周期總費用計算法

動態(tài)全生命周期總費用計算法如公式（1）所示[5]。

式中：LCC—動態(tài)生命周期總費用，元；OC—該系統(tǒng)總的運行費用，元；MC—維護設備的費用，元；n—為年數(shù)，可取15；L—每年能源單價上漲比例，2%。D—折現(xiàn)率，可取8.5%。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)運行電費分析

3.2.1 深圳市電價

深圳市電價見表1。

表1 中，中峰期為9:00～12:00，14:00～16:00，19:00～21:00；谷期為23:00～7:00；平價期為7:00～9:00，12:00～14:00，16:00～19:00，21:00～23:00。由表1 可知，深圳市最大峰谷電價比接近5 ∶1?？梢?，溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)可緩解深圳電網(wǎng)用電壓力，同時也可使用戶產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

3.2.2 運行電費計算

目前對大部分空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析采用供冷季不同冷負荷率的電費估算法，分為100%冷負荷、75%冷負荷、50%冷負荷、25%冷負荷，再乘以相應的天數(shù)。深圳地區(qū)的制冷季供冷天數(shù)為180 天，100%冷負荷、75%冷負荷、50%冷負荷、25%冷負荷的天數(shù)分別占制冷季總供冷天數(shù)的18%、35%、35%、12%。

通過采用供冷季不同冷負荷率的電費估算法，并根據(jù)仿真的全年逐時能耗模擬數(shù)據(jù)繪制不同冷負荷率下的逐時負荷運行圖。典型設計日100%冷負荷的逐時負荷運行圖如圖3所示。在該負荷率下，計算各設備的逐時耗電量和電費，計算結(jié)果見表2。根據(jù)圖3 可知，夜間冰蓄冷的蓄冷量為100kW·h，白天冰蓄冷的供冷量與高溫主機的供冷量約為1 ∶3。根據(jù)表2 可知，該系統(tǒng)的耗電量為846kW·h，費用為537 元。

圖3 100%冷負荷的逐時負荷運行圖

計算典型設計日75%冷負荷的各設備的逐時耗電量，根據(jù)仿真的全年逐時能耗模擬數(shù)據(jù)繪制不同負荷率的系統(tǒng)運行負荷分配圖。在該負荷率下計算各設備的逐時耗電量和電費，可知夜間冰蓄冷的蓄冷量為100kW·h。經(jīng)計算可得該系統(tǒng)的耗電量為711kW·h，費用為413 元[3]。

計算典型設計日50%冷負荷的各設備的逐時耗電量，根據(jù)仿真的全年逐時能耗模擬數(shù)據(jù)繪制不同負荷率的系統(tǒng)運行負荷分配圖。在該負荷率下計算各設備的逐時耗電量和電費，可知夜間冰蓄冷的蓄冷量為90kW·h，經(jīng)計算可得該系統(tǒng)的耗電量為542kW·h，費用為285 元[3]。

計算典型設計日25%冷負荷時的各設備逐時耗電量，根據(jù)仿真的全年逐時能耗模擬數(shù)據(jù)繪制不同負荷率的系統(tǒng)運行負荷分配圖。在該負荷率下計算各設備的逐時耗電量和電費，可知當負荷較低時并沒有使用高溫主機，此時高溫負荷較小，再打開高溫主機，其COP為5.5 左右，不節(jié)能。因此考慮只使用新風來處理冷負荷[3]。

溫濕分控的空調(diào)系統(tǒng)不同冷負荷率下的耗電量與運行費用的計算結(jié)果見表3。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同冷負荷率下的耗電量與運行費用的計算結(jié)果見表4。

表3 溫濕分控的空調(diào)系統(tǒng)不同冷負荷率下的耗電量與運行費用

表4 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同冷負荷率下的耗電量與運行費用

根據(jù)表3、表4 的數(shù)據(jù)進行進一步計算，可得溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運行費用為64242 元，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的運行費用是117306 元，溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運行費用是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的45%。

3.3 系統(tǒng)初投資

溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要耗能設備選型及設備初投資見表5，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設備選型及初投資見表6。同時安裝費用是設備的10%，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資是31萬，溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資是42.3 萬，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資增加了26%。

表6 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要耗能設備選型及初投資

3.4 系統(tǒng)動態(tài)全生命周期總費用

本節(jié)通過經(jīng)濟性分析中的靜態(tài)評價方法、動態(tài)評價中的動態(tài)投資回收期分析法和動態(tài)生命周期總費用方法，綜合分析動態(tài)生命周期總費用。采用供冷季不同冷負荷率的電費估算法計算溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全年電費，并簡要說明了不同負荷率下的運行策略。結(jié)果表明，溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行費用是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的45%。但是溫濕分控冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高26%。采用動態(tài)全生命周期總費用法（即公式（1））進行計算，可得溫濕分控冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)全生命周期費用為116.9 萬元，常規(guī)系統(tǒng)為162.1 萬元，節(jié)約費用28%。

4 結(jié)論

本文以深圳某辦公建筑的溫濕分控冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，采用動態(tài)全生命周期費用計算法對空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了分析，所得結(jié)論如下：溫濕分控的冰蓄冷空調(diào)的全生命周期費用是116.9 萬元，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全生命周期費用是162.1 萬元，前者可節(jié)約費用28%。