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.pdf

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1、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。

2、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

3、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

4、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高层民用住宅蓄冷中央空调系统的技术 1特点特点 1.1 高层民用住宅的建筑特点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

5、-2003 6.3.11 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 410，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

6、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 表 1 北京设计日逐时负荷 时段 0:001:00 2:00 3:00 4:005:00逐时冷负荷（KW）1713 1661 1615 1569 1530 1481 时段 6:007:00 8:00 9:00 10:00 11:00逐时冷负荷（KW）1574 1663 1742 1846 1947 2036 时段 12:0

7、0 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00逐时冷负荷（KW）2102 2177 2258 2295 2289 2265 时段 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00逐时冷负荷（KW）2224 2031 1930 1873 1815 1767 表 2 上海设计日逐时负荷 表 2 上海设计日逐时负荷 时段 0:001:00 2:00 3:00 4:005:00逐时冷负荷（KW）1920 1875 1837 1800 1767 1731 时段 6:007:00 8:00 9:00 10:00 11:00逐时冷负荷（KW）1798 1900 1992

8、 2083 2161 2226 时段 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00逐时冷负荷（KW）2268 2331 2406 2451 2454 2429 时段 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00逐时冷负荷（KW）2352 2191 2109 2058 2010 1969 表 3 广州设计日逐时负荷 表 3 广州设计日逐时负荷 时段 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00逐时冷负荷（KW）1798 1757 1721 1687 1655 1622 时段 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11

9、:00逐时冷负荷（KW）1661 1775 1879 1969 2034 2085 时段 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00逐时冷负荷（KW）2115 2173 2250 2308 2318 2293 时段 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00逐时冷负荷（KW）2185 2044 1973 1924 1881 1842 1.3 蓄冷空调的特点蓄冷空调的特点 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 47的低温水进行蓄冷。水蓄冷空调系统简单，

10、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

11、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 88225m2之间，总建筑面积为 27100 m2，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、

12、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 10100范围内进行无级调节，空调工况下的 COP值为 4.15.4，在制冰时，蒸发器出液温度最低为-7-13，其 COP 值为 2.93.9，故选用螺杆冷水机组。2.2 空调制冷机组的选择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

13、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 32：R2=QmaxD/(D+N)Qmax 为建筑物高峰设计负荷（kW）D

14、 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）为压缩机容量变化率，对于水蓄冷空调，螺杆式压缩机取 0.95，对于冰蓄冷空调，螺杆式压缩机取 0.7 2.4 蓄冷中央空调末端选择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

15、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

16、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 表 4 北京上海广州电力峰谷时

17、段及电价 峰段 平段 谷段时段8：0012：00 18：0023：00 6：008：00 12：0018：0023：006：00北京电价（元）0.955 0.615 0.296时段8：0011：00 18：0021：00 6：008：00 11：0018：00 21：006：00上海电价（元）0.871 0.568 0.295时段7：0012：00 19：0022：00 12：0019：0022：0023：0023：007：00广州电价（元）0.681 0.570 0.403 4 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 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

18、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）421.11 128.42 549.53 541.76 162.28 704.04 412.49 每平米（元）155.25 47.34 202.59 199.73 59.83 259.56 152.07 上海（万元）461.85 129.13 590.98 601.63 168.96 770.59 447.91 每平米（元）170.27 47.61 217.87 221.8 62.29 284.09 165.13 广州（万元）438.5

19、2 124.86 563.38 575.5 167.24 742.74 427.33 每平米（元）161.67 46.03 207.7 212.17 61.66 273.82 157.54 表 6 普通中央空调系统与蓄冷中央空调系统年度运行费用汇总表 表 6 普通中央空调系统与蓄冷中央空调系统年度运行费用汇总表 地点 运行费用 北京 上海 广州 水蓄冷空调（万元）51.31 50.90 56.91 每平米运行费用（元）18.92 18.77 20.98 冰蓄冷空调（万元）55.58 55.15 62.79 每平米运行费用（元）20.49 20.33 23.15 普通中央空调（万元）79.55

20、77.56 85.43 每平米运行费用（元）29.33 28.59 31.50 运行费用与电价结构有直接关系，北京、上海、广州三个地区峰谷电价见表 4，用于本实例的空调系统的的年度运行费用见表 6。冰蓄冷空调系统的泵、风机及其它附属设备的容量较小、运行费用较少，但夜间蓄冷时双工况制冷主机的COP 值较水蓄冷的小，且是融冰优先的运行策略，在非设计日负荷条件下基本是靠融冰供冷，所以本例中冰蓄冷空调系统的运行费用高于水蓄冷空调系统。4.蓄冷中央空调系统的经济评价蓄冷中央空调系统的经济评价 采用动态经济评价方法 4.1 蓄冷空调系统增加的初投资费用蓄冷空调系统增加的初投资费用 蓄冷空调系统增加的初投资

21、费用可按下式确定：I=Is-IcI 为蓄冷空调系统增加的初投资（元）Is为蓄冷空调系统的初投资（元）Ic为常规空调系统的初投资（元）4.2 蓄冷空调系统全年节省电费蓄冷空调系统全年节省电费 全年节省的运行电费可按下式确定：P=Pc-Ps P 为常规空调空调系统年运行电费的节省量（元）Pc为常规空调系统年运行费用的总电费（元）5Ps为蓄冷空调系统全年运行费用总电费（元）4.3 计算投资回收期计算投资回收期 蓄冷空调投资回收年限可按下式确定：(1)(1)1nnIiiPi+=+i 为折现率，不应低于银行贷款的利率，取 6比较合理。令PCI=，则回收年限为 lnln()ln(1)CCini=+表 7

22、蓄冷中央空调与普通中央空调费用及回收年限比较 表 7 蓄冷中央空调与普通中央空调费用及回收年限比较 初投资（万元）年运行费用（万元）回收年限（年）项目 地点 冰蓄冷 水蓄冷普通空调冰蓄冷 水蓄冷普通空调 冰蓄冷 水蓄冷北京 704.04 549.53412.49 55.5851.3179.55 22 6 上海 770.59 590.98447.91 55.1550.977.56 34 7 广州 742.74 563.38427.23 62.7956.9185.43 31 6 由图表可以看出，投资费用与冷负荷有密切联系。空调初投资及运行费用比较图空调初投资及运行费用比较图020040060080

23、01000北京上海广州费用（万元）初投资（万元）冰蓄冷空调初投资（万元）水蓄冷空调初投资（万元）普通中央空调年运行费用（万元）冰蓄冷空调年运行费用（万元）水蓄冷空调年运行费用（万元）普通中央空调图 1 蓄冷空调回收年限比较图蓄冷空调回收年限比较图010203040北京上海广州回收年限（年）回收年限（年）冰蓄冷空调回收年限（年）水蓄冷空调图 2 65.结论结论 1.由上述计算可得，水蓄冷空调的回收期较短，不超过 10 年，而冰蓄冷空调的回收期较长，为20 年以上。2.水蓄冷空调系统需要占用较大的建筑面积，在建筑物地下公共面积较大的情况下，可考虑采用水蓄冷中央空调，可兼顾夏天蓄冷和冬天蓄热，并能作

24、为应急消防水池。而冰蓄冷空调初投资费用较高，短期之内不能回收。3.各地的电价结构对蓄冷空调的影响巨大，峰谷差越大越利于蓄冷。广州地区峰谷差价很小，可基本不考虑采用蓄冷中央空调。4.蓄冷时段最大冷负荷将决定其基载主机的容量，从而影响初投资。5.国家取消电力增容费使蓄冷中央空调与普通中央空调的初投资费用差进一步加大，不利于推广蓄冷中央空调。6.低谷电力时段的长短对双工况主机的容量有影响，时数长则可延长蓄冷时间，可减少双工况主机容量，从而减少初投资费用；另一方面，蓄冷时段长可增加储冰量，对于融冰优先的控制策略，每小时融冰量的减少意味着制冷主机负荷的增加，这又在一定程度上增加了日间运行的电费，削弱了蓄

25、冷优势。7.若低谷电力时段较长，则蓄冷时间可控制在冷负荷较低的区域时段，应尽量避免在冷负荷大的低谷电力时段进行蓄冷，以减小基载主机容量，从而减少初投资 8.冰蓄冷空调双工况主机的压缩机容量变化率比水蓄冷空调大，因此冰蓄冷空调双工况主机承担的冷负荷较水蓄冷空调主机的多，因此运行费用有上升的趋势，建议在实际工程中使用容量变化率小的双工况主机。9.与宾馆类建筑相比，住宅建筑的夏季冷负荷波动不大，若使用蓄冷空调，需在蓄冷的同时由基载主机继续供冷，且基载主机的容量接近甚至会超过双工况主机的容量，相应的水泵等附属设备容量增加的也很快，从而使系统投资急剧增加。10.三地的冰蓄冷空调初投资很高，回收年限长，因此高层民用住宅不适宜采用冰蓄冷中央空调系统，可考虑采用水蓄冷中央空调系统。参考资料：参考资料：1.巨永平，与冰蓄冷相结合的低温送风空调系统空调工程中的蓄冷技术，暖通空调，1996.1：43-49 2.方贵银，蓄冷空调工程实用新技术，人民邮电出版社，2004 3.严德隆 张维君，空调蓄冷应用技术，中国建筑工业出版社，1999 作者简介：向长松，男（1979-4），硕士 地址：北京西城区展览馆路 1 号北京建筑工程学院 133 邮编：100044 电话：13811610062 E-mail： 7