维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第２期 华北电力大学学报 Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．２ ２００７年３月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍａｒ．，２００７ 水蓄冷空调系统设计及经济性分析 王峥，王 建 （华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定０７１００３） 摘要：以一幢建筑面积约４．５Ｘ１０ ｍ２的商务楼的空调系统为研究对象，在分析设计日逐时冷负荷图的基础 上，提出水蓄冷空调系统设计方案和运行策略，并与常规空调系统进行了经济性分析和比较。研究表明水蓄 冷空调具有显著的经济效益和社会效益。 关键词：水蓄冷；设计；经济性分析；空调 中图分类号：ＴＵ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７ ２６９１（２００７）０２—０１３０—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｉｌｌｅｄｗａｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ ｌｆｏｒ ｓｐａｃｅ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ４５，０００ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｅｒｓ ｏｃｍｎｌｅｒ— ｃｉａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｌｂｊｅｃｔ．Ｉｎ ａｎａｌｓｙｉｓ ｆｏ ｈｏｕｒｌｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ｌｏａｄ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｄａｙ，ｔｈｉｓ ａｐｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａ ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ａｉｒ－ｏｃｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｍｅｄｅｓｉｎｇ ｐ】 ｐＯｓａｌ ａｎｄｏｐｅｒａｔｉｇｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ，ａｎｄｇｉｖｅｓｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎａｌｓｙｉｓａｎｄ ＳＵ— ｐｅｒｉｏｒｉｔｉｓｅ ｃｃｘｎｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｎｏｒｍａｌ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｎａｄ ｓｏｃｉａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒａｇｅ；ｄｅｓｉｎｇ；ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎａｌｙｓｉｓ；ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｇｎ ０ 引 言 大楼空调时间为８：００～１８：００时，设计日逐时负 荷如图１所示，其尖峰冷负荷为４ ２００ ｋＷ。 蓄冷调荷是我国近期重点推广的１０项节电 技措之一，蓄冷技术在日、美等一些发达国家早 已广泛应用。它既可节省用电，又能削峰填谷， 使现有发供电设施在夜间低谷期的潜力得以充分 枢 发挥，缓解用电高峰期电力供应不足。有关资料 佥 鹫 表明，水蓄冷的储能转换效率高达９０％，比其 它几种储能技术转换效率高１０％～２５％，其结 构简单，工作可靠，操作方便，实现全削峰时造 价远低于冰蓄冷全削峰时造价。本文以一幢建筑 面积约４．５×１０ ｍ２的商务楼空调系统为研究对 图１设计日逐时冷负荷图 象，在分析设计日逐时冷负荷基础上，提出水蓄 Ｆｉｇ．１ Ｈｏｕｒｌｙ ｃｏｏｌｉｎｇｌａｏｄ￣ｈａｒｔ ｏｆ ｄｅｓｉｎｇ ｄａｙ 冷空调系统设计方案和运行策略，并与常规空调 １．２水蓄冷空调系统和常规空调系统机房配置 系统进行了经济性分析和比较。 水蓄冷空调系统和常规空调系统的设备配置 １ 系统设计 如表１和表２所示。 １．３水蓄冷空调系统组成及流程 １．１工程概况 系统的基本组成如图２所示。当蓄冷槽（调 该商务楼总空调建筑面积约为４．５×１０ ＩＴＩ ， 荷设备）投入运转时，阀Ｋ ，Ｋ 开启，Ｋ旁关 收稿Ｅｔ期：２００６—０９—３０ 闭。供冷泵的启停及出口阀开度由建筑物所需冷 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 王峥等：水蓄冷空调系统设计及经济性分析 １３１ 表１水蓄冷空调系统的设备配置 Ｔａｂ．１ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｄｉｓｔｘ￣ｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃ￣ｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒ— ａｇｅ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 名称 规格 数量 表２常规空调系统的设备配置 Ｔａｂ．２ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｍａａｌ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓ— ｔｅｍ 名称 规格 数量 离心主机 ６００ＲＴ ２台 ９１０ ２５０．４ 冷却水泵 ４４０ｍ３／ｈ ３台（１备） １１０ ７．６５ 冷冻水泵 ０ｍ３／ｈ ３台（１备） １１０ ７．６５ 冷却塔４５０ｍ３／ｈ ２台 ３３ ２６．５６ 自动控制ＰＬＣ １套０ ３５ 系统 合 计 １１６３ ３２７．２６ 堡 誊 费（元／ｋＶＡ） ｘ３ａｇＮ数０・８５，１２００ １３６８ １６４．１９ 管道及安装费用（设备总价的２５％）８１．８２ 总 计 ５７３．２７ 量而定，冷水机和充冷泵的开停则由电价的时段 划分而定，二者互不干扰。 充冷工况：电力低价时段，冷水机满载运 转，Ｋ３，Ｋ３ ，Ｋ４，Ｋ４ 均关闭，开启充冷水泵 Ｂ进行充水。其“热端”输出ｔ１水经主机降温 后，自蓄冷槽“冷端”输入经均流布水环槽注入 蓄冷槽底部。蓄冷槽内冷冻水与回水的交界面上 升，升达上布水环槽上缘，充冷过程终结。 放冷工况：在用电高峰时段，蓄冷槽的低温 冷冻水经过放冷水泵运输，通过板式换热器换热 升温后返回蓄冷槽上布水环槽。蓄冷槽内，冷冻 水与回水的界面下降，下降到下布水环槽边缘 时，从而完成放冷过程。 Ｋ放 图２水蓄冷空调系统的基本组成图 Ｆｉｇ．２ Ｂａｓｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒ— ａｇｅ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 本系统可能的运行模式： （１）供冷机单独供冷：制冷机按原方式运行。 （２）蓄冷槽单独供冷：利用夜间低谷电开启 制冷机，制备冷冻水并储存在蓄冷槽中。白天开 启冷冻水泵即可完成供冷。 （３）制冷机与蓄冷槽联合供冷：在炎热的夏 季，白天空调负荷很大时，由制冷机提供部分冷 量、蓄冷槽提供部分冷量。 （４）制冷机向蓄冷槽充冷的同时，为建筑供冷。 １．４水蓄冷空调系统运行策略 本蓄槽布置在制冷机房附近。蓄冷槽容积１ ４５０ｍ３，蓄冷温差为４～１２．５℃。冷端和热端都 采用均流环槽全周布水，使水温分层清晰。 由于空调的冷负荷是随室外气温的变化而变 化，也就是说，室外温度变化的大小，决定了蓄 冷量的多少，进而确定蓄冷冷水机组的运行数 量。根据对当地气象资料的分析，各个月份的蓄 冷冷水机组的开启数量如下： （１）设计日工况 设计日是夏天最热的时候，结合空调逐时冷 负荷分布图及当地蓄冷空调的电费，蓄冷空 调运行方式如图３所示（按３５％的蓄冷率）。 （２）非设计日工况 在天气发生变化，日负荷较小时，系统将依 据实际的冷负荷需求，通过控制系统调节运行模 式，自动调整每一时段内蓄冷装置融冷供冷及主 机供冷的相对应比例，以实现分量蓄冷模式逐步 向全量蓄冷模式的运行转化，按照蓄冷装置优先 供冷的原则，最大限度的节省运行费用。图４～６ 分别给出７５％、５０％、２５％设计日水蓄冷空调 系统运行策略。 维普资讯 http://www.cqvip.com １３２ 《挺 愈馨 华北电力大学学报 《挺 愈馨 ２００７焦 咖 啪 咖 伽 瑚 ｏ ∞∞∞∞∞∞∞∞∞ｏ 啪咖咖姗枷姗瑚啪ｏ 珊咖 姗枷姗 瑚啪ｏ １ ３ ５ ７ ９ １１ １３ １５ １７ １９ ２１ ２３ ｔ／ｄ 口 口 呤口主帆 图３ １００％设计日水蓄冷空调系统运行策略 Ｆｉｇ．３ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ １００％ｄｅｓｉｇｎ ｄａｙ １ ３ ５ ７ ９ ｌ１ １３ １５ １７ １９ ２１ ２３ ｔｈｔ 口蔷冷 圈勘岭 口主帆 图４ ７５％设计日水蓄冷空调系统运行策略 Ｆｉｇ．４ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ７５％ｄｅｓｉｎｇ ｄａｙ 《 挺 Ｑ 馨 １ ３ ５ ７ ９ ｌ１ １３ １５ １７ １９ ２１ ｔｈｔ 口蓄冷 嗣放冷 口主帆 图５ ５０％设计日水蓄冷空调系统运行策略 Ｆｉｇ．５ Ｏｐｅｒａｔｉｇｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ５０％ｄｅｓｉｎｇ ｄａｙ １２ ３４５６７ ８９１Ｏ１１１２１３１４１５１６１７１８１９２Ｏ２１２２２３２４ ｔｈｔ 口蓄冷 瞳蓟ｒ冷 口主帆 图６ ２５％设计日水蓄冷空调系统运行策略 Ｆｉｇ．６ Ｏｐｅｒａｔｉｇｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ２５％ｄｅｓｉｎｇ ｄａｙ ２经济性分析 ２．１社会效益 社会效益主要表现在蓄冷系统将空调用 电的高峰负荷转移到低谷，减少了国家建设 削峰电站的规模和减少了对环境的污染，同 时减少了高峰用电时段对电网的压力。从表３可 以看出在该商务楼建设水蓄冷系统，每年可以减 少８５．８９万ｋＷ・ｈ的高峰用电及平段用电，增加 ８０．７３万ｌ【Ｗ・ｈ低谷用电量。该商务楼水蓄冷系 统的建立在高峰时段最高少使用了近８００ ｋｗ， 全年节约电量５．１６万ｌ【Ｗ・ｈ，其社会效益显著。 表３全年转移高峰电量 Ｔａｂ．３ Ｗｈｏｌｅ ｙｅａｒ ｓｈｉｆｔｓ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ２．２经济效益 该商务楼制冷机房预计每年电量约１７８．９６ 万ｋＷ・ｈ，常规与水蓄冷空调系统经济性比较，如 表４和图７所示。 表４常规与水蓄冷空调系统经济性比较表 Ｔａｂ．４ Ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ａｎｄ ｃＮｌｌｅｄ ｗａｍｒ ｔｈｅｒ— ｒｍｌ ｓｔｏｒａｇｅ ａｉｒ——ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓ￣ｔｅｍ 项目 常规 水蓄冷 尖峰冷负荷 汀 １１９４ 功率因数： 制冷机组容量 汀 １２００ ６４０ Ｏ．８５ 机房设备用电容量／ｋＷ １１６３ ６５２ 配电设施费： 机房设备配电容量／ｋＶＡ １３６８ ７６７ １２００元／ｋＶＡ 总机房设备概算／万兀 ３２７．４６ ４５９．８８ 安装费用：总 机房配电设施／万元 １６４．１９ ９２．０５ 设备造价的 橙机房土建投资／万元 ６Ｏ ４２ ２５％ 安装费用／万元 ８１．８２ ５３．５５ 消防水池／万元 ２５ ０ 总投资／万元 ６５８．２７ ６４７．４８ 年年供冷电费／万元 １０１．４７ ７２．０３ 苎年维护费／仃 万元 ５ ５ 费合计 １０６．４７ ７７．０３ 从表４和图７可以看出，水蓄冷空调系统比 常规空调系统相比节约２９．４４万元。随着电价差 的不断拉大，其经济效益将更加明显。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 王峥等：水蓄冷空调系统设计及经济性分析 １３３ １２ｎ００ 水蓄冷空调系统不仅能平衡电网峰谷负荷， １００．００ 还可节省主机容量、电网增容设备费、运行费 ８０．００ 用，还可享受夜间优惠电价。蓄冷空调技术具有 、 ６０．００ 轻 ４０．００ 显著的经济效益和社会效益，具有广阔的应用前 ２０．００ 景。 参考文献： ［１］陈昌元．大温差水蓄冷节电调荷集中供冷技术及应 用［Ｊ］．节能技术，２０００，１８（１）：３８—４０，４４． ［２］方贵银．蓄冷空调工程实用新技术［Ｍ］．北京：人 民邮电出社，２０００． ３ 结 论 ［３］于航，渡边俊行．大温差水蓄冷空调系统的工程应 用实例［Ｊ］．暖通空调，２００２，３２（３）：６６—６９． 由上述可见水蓄冷空调比常规电空调系 ［４］方贵银，陈则韶．蓄冷空调系统经济分析与比较 统具有以下优点： ［Ｊ］．能源研究与信息，２０００，１６（４）：２３—２７． （１）采用水蓄冷空调后，可实现对冷量的“整 ［５］陆耀庆．ＨＶＡＣ暖通空调设计指南［Ｍ］．北京：中 存零取”的功能，即商务楼需多少冷量蓄冷槽便 国建筑工业出版社，１９９６． ［６］暖通空调常用数据手册［Ｍ］．长春：吉林科学技术 放多少冷量，在过度季节，可以避免空调“大马 出版社，２００６． 拉小车”的现象出现。 ［７］马捷，戴斌，张建栋．次表层海水用作城市区域空 （２）相对于常规空调系统，采用水蓄冷空调能 调冷源概述［Ｊ］．华北电力大学学报，２００４，３１ 够减少初投资，降低运行费用。 （６）：１４—１６． （３）空调在采用水蓄冷系统后，其系统制 ［８］陈广华，张令，陈梅倩．基于ＰＬＣ的热电厂供暖监 冷安全性将得到极大的提高，制冷机组的起停频 控系统的实现［Ｊ］．电力科学与工程，２００４，（３）： 率和维修费用将明显下降，机组满负荷制冷的运 ７５—７６． 行状态比率将大幅度提高。制冷系统由于运行效 率的提高和维护费用的下降，可降低维护成本。 作者简介：王峥（１９８１一）男，华北电力大学能源与动力工 程学院硕士研究生。
