基于溫濕分控的冰蓄冷空調系統全生命周期總費用分析

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）

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

1 某節能辦公建筑的幾何模型及其空調系統逐時能耗

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

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系統和常規空調系統。最后，在Energyplus 軟件環境中運行，并得出相應的逐時能耗參數[3]，即常規系統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系統夜間蓄冷的功耗為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空調系統比常規空調系統節能15%。在此基礎上對其經濟性進行分析。

圖1 某節能辦公建筑的幾何模型

該辦公建筑空調系統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的冷負荷要求。

2 溫濕分控的冰蓄冷空調系統的工作原理

該辦公建筑的溫濕分控冰蓄冷空調系統的工作原理如圖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。系統通過蓄冷槽中的冷量，以2℃冷水的形式取出，供給室內空調末端并處理潛熱負荷[3]。

圖2 溫濕分控的冰蓄冷空調系統的工作原理圖

3 空調系統全生命周期總費用計算

冰蓄冷系統可有效實現“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，并降低空調系統運行成本。這不僅能減少發電系統的一次能源，如煤炭、天然氣和石油等的消耗，還能減少二氧化碳排放，提高系統的能效[4]。

本文選用動態全生命周期總費用計算法來分析溫濕分控的冰蓄冷空調系統與常規空調系統的經濟性。分析中需要計算溫濕分控的冰蓄冷空調系統與常規空調系統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 動態全生命周期總費用計算法

動態全生命周期總費用計算法如公式（1）所示[5]。

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

3.2 空調系統運行電費分析

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系統可緩解深圳電網用電壓力，同時也可使用戶產生一定的經濟效益。

3.2.2 運行電費計算

目前對大部分空調系統的經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。深圳地區的制冷季供冷天數為180 天，100%冷負荷、75%冷負荷、50%冷負荷、25%冷負荷的天數分別占制冷季總供冷天數的18%、35%、35%、12%。

通過采用供冷季不同冷負荷率的電費估算法，并根據仿真的全年逐時能耗模擬數據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，計算結果見表2。根據圖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。根據表2 可知，該系統的耗電量為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，根據仿真的全年逐時能耗模擬數據繪制不同負荷率的系統運行負荷分配圖。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。經計算可得該系統的耗電量為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，根據仿真的全年逐時能耗模擬數據繪制不同負荷率的系統運行負荷分配圖。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，經計算可得該系統的耗電量為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，根據仿真的全年逐時能耗模擬數據繪制不同負荷率的系統運行負荷分配圖。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，不節能。因此考慮只使用新風來處理冷負荷[3]。

溫濕分控的空調系統不同冷負荷率下的耗電量與運行費用的計算結果見表3。常規空調系統不同冷負荷率下的耗電量與運行費用的計算結果見表4。

表3 溫濕分控的空調系統不同冷負荷率下的耗電量與運行費用

表4 常規空調系統不同冷負荷率下的耗電量與運行費用

根據表3、表4 的數據進行進一步計算，可得溫濕分控的冰蓄冷空調系統年運行費用為64242 元，常規空調系統的運行費用是117306 元，溫濕分控的冰蓄冷空調系統的運行費用是常規空調系統的45%。

3.3 系統初投資

溫濕分控的冰蓄冷空調系統主要耗能設備選型及設備初投資見表5，常規空調系統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%，常規空調系統的初投資是31萬，溫濕分控的冰蓄冷空調系統初投資是42.3 萬，比常規空調系統初投資增加了26%。

表6 常規空調系統主要耗能設備選型及初投資

3.4 系統動態全生命周期總費用

本節通過經濟性分析中的靜態評價方法、動態評價中的動態投資回收期分析法和動態生命周期總費用方法，綜合分析動態生命周期總費用。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系統和常規空調系統的全年電費，并簡要說明了不同負荷率下的運行策略。結果表明，溫濕分控的冰蓄冷空調系統運行費用是常規空調系統的45%。但是溫濕分控冰蓄冷空調系統初投資比常規空調系統高26%。采用動態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系統的動態全生命周期費用為116.9 萬元，常規系統為162.1 萬元，節約費用28%。

4 結論

本文以深圳某辦公建筑的溫濕分控冰蓄冷空調系統為研究對象，采用動態全生命周期費用計算法對空調系統的經濟性進行了分析，所得結論如下：溫濕分控的冰蓄冷空調的全生命周期費用是116.9 萬元，常規空調系統的全生命周期費用是162.1 萬元，前者可節約費用28%。