动车组某装配厂房水蓄冷空调系统可行性分析

动车组某装配厂房水蓄冷空调系统可行性分析

陈钧润,宋伟雅,李龙杰 

中车广东轨道交通车辆有限公司，广东江门529100

摘要:以动车组某一空调面积为12000㎡的装配厂房为对象，研究空调系统推行水蓄冷技术的可行性。通过提出水蓄冷空调系统设计方案和运行策略,并在建设方案、经济性两方面与常规空调系统做比较和分析。研究表明在动车组装配厂房空调系统中使用水蓄冷技术能取得较好的经济效益。

关键词:水蓄冷;经济性分析;空调

1．引言

水蓄冷作为削峰填谷、平衡电网负荷的技术，近年来在工厂得到较大的发展。温正权[1]在宁波某汽车工厂已有常规空调系统基础上进行水蓄冷改造，有效地节省了运行成本。杜长凯等在华东某汽车整车制造工厂中采用水蓄冷空调系统为用能集中的涂装车间供冷，达到了生产用电与电网峰谷的错峰匹配[2]。本文以动车组某装配厂房空调系统为研究对象,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可行性、经济性分析和比较。

2．系统设计

2.1．广东省电价政策

为充分有效利用电力能源，针对峰平谷电价，广东省近年出台了相关政策。一是广东省从2017年10月1日起在全省范围内实行蓄冷电价政策。根据广东省发展改革委《关于蓄冷电价有关问题的通知》（粤发改价格函〔2017〕5073号）：峰平谷电价比价为1.65：1：0.25。二是峰平谷电价差扩大，实施尖峰电价。从 2021年10月1日起峰平谷比价从1.65:1:0.5 调整为 1.7:1:0.38，同时尖峰电价执行7-9月，以及其他月份中日最高气温达到35℃及以上的高温天，尖峰电价在峰段电价基础上上浮25%。各电力时段对应时间及电价如表1所示。

表1 电力时段对应时间及电价表

2.2．工程概况

某装配厂房地点位于广东，为单层厂房，建筑高度为12.65m。建筑面积约16000㎡，空调区域面积约12000㎡。根据既有厂房历史供冷经验及气候状况，结合车间任务及需求，全年供冷按180天设计，集中在5-10月份；车间生产组织按一班制，单日供冷时间8:00-17:00，夜间无负荷需求；空调区域无湿度要求，空调末端供回水温度按7/12℃。考虑气候条件、装配厂房结构、人员数量及设备情况，冷负荷指标按照 200w/平米考虑，车间尖峰冷负荷680RT。

2.3．蓄冷水池的容积

根据蓄冷水池的容积计算公式[3]，水蓄冷系统供回水温为4/12℃，蓄冷温差ΔT=8℃，2台主机夜间蓄冷8小时，水罐的计算容积为1400m3。考虑水罐选址应在厂房周边且尽量与机房靠近，水罐高度不宜大于厂房高度，同时水罐直径不宜过大避免与周边干涉，设计采用2个容积为700m3水罐，单个水罐直径8.5m，蓄水深度12m。

2.4．典型负荷日的运行模式和策略

蓄冷空调系统在设计蓄冷-释冷周期内的逐时运行模式和负荷分配是蓄冷空调系统设计的基础，也是控制策略制定的依据[3]。水蓄冷系统利用市峰谷电价，在夜间0-8点蓄冷运行；在白天8-17点释冷运行，蓄水罐不满足部分主机补充供冷，具体是电价峰段由蓄冷装置供冷；电价平段由蓄冷装置+主机联合供冷，蓄冷装置优先，不足部分由主机补充供冷。按最大小时负荷分别为设计负荷100%、75%、50%以及25%下典型蓄冷-释冷周期的系统逐时运行模式和负荷分配，在100%、75%负荷工况下，夜间使用2台机组蓄冷8小时；白天超出装机容量部分的负荷由蓄冷罐提供；在50%负荷工况下，夜间使用2台机组蓄冷6.5小时，白天蓄冷槽提供全部时段负荷；在25%负荷工况下，夜间使用1台机组蓄冷7小时，白天蓄冷槽提供全部时段负荷。各设计日运行策略图如图1-4所示。

（1）水蓄冷系统在100%负荷运行策略

图1 100%负荷设计日运行策略图

（2）75%负荷设计日运行策略图

图2 75%负荷设计日运行策略图

（3）50%负荷设计日运行策略图

图3 50%负荷设计日运行策略图

（4） 25%负荷设计日运行策略图

图4 25%负荷设计日运行策略图

3．建设方案分析

3.1．空调系统机房配置

常规空调系统装机容量按设计日最大负荷选型。水蓄冷空调系统根据运行策略确定系统选型。常规空调系统和水蓄冷空调系统的设备配置如表2和表3所示。

表2 常规空调系统的设备配置

表3 水蓄冷空调系统的设备配置

3.2．空调系统平面布置及建设

冷源应与用冷厂房相近，以减少造价和能耗。本项目在厂房一侧绿化带集中布置制冷机房及蓄冷罐。常规机房主要包括机房、冷却塔，总面积405m2（长36m宽11.25m），其中机房采用钢结构采钢板，面积109m2，机房内布置机组、水泵、补水定压装置、过滤清洗装置及电力柜控制柜；蓄冷机房主要包括机房、冷却塔和水罐，总面积715m2（长55m宽13m）其中机房面积75m2，较常规机房增加蓄冷/释冷水泵；蓄水罐采用碳钢圆罐，上下布水，罐底采用混凝土基础，基础要求C30，厚度1m，蓄水罐重量过大根据地质条件需要进行蓄冷水罐基础勘探、打预应力管桩。常规机房与蓄冷机房的布置图如图5、图6所示。

图5 常规空调系统的平面布置

图6 水蓄冷空调系统的平面布置

3.3．平面布置及建设分析

设备配置上，采用水蓄冷空调系统较常规空调系统可以节约主机制冷装机容量212RT，降低设备装机功率135kW。平面布置上，水蓄冷空调系统总面积增加310m2，其中由于制冷主机设备功率变小占用面积变小，水蓄冷空调制冷机房较常规制冷机房使用面积减少34m2，冷却塔的使用面积也较少；由于新增蓄冷罐且同时考虑水罐与周边建筑物距离、安全距离，新增使用面积200m2。同时，蓄水罐体积大重量大，对建设地点地面要求更高，需根据地质条件蓄冷水罐基础勘探、打预应力管桩。

4．经济性分析

4.1．系统初投资费用比较

水蓄冷空调系统与常规空调系统初投资如表4所示。

表4 水蓄冷空调系统与常规空调系统初投资比较表

4.2．系统运行费用比较

（1）运行电量计算公式

常规/蓄冷空调制冷工况运行设备包括主机、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵；蓄冷工况运行设备包括主机、蓄冷水泵、冷却水泵、冷却塔；水罐释冷工况运行设备包括释冷水泵。主要设备耗电量计算公式如下：主机运行耗电量=冷机供冷量÷装机总制冷量×主机全功率；冷却水泵运行耗电量=冷机供冷量÷装机总制冷量×冷却水泵全功率；冷却塔运行耗电量=冷机供冷量÷装机总制冷量×冷却塔全功率；蓄冷水泵运行耗电量=冷机供冷量÷单主机额定制冷量×蓄冷水泵全功率；释冷水泵运行耗电量=水罐释冷量÷水罐最大释冷量×释冷水泵全功率。

（2）运行电费比较

常规空调系统用电量及运行电费见表5，水蓄冷空调系统用电量及运行电费见表6。

表5 常规空调系统用电量及运行电费

表6 水蓄冷空调系统用电量及运行电费

4.3．经济效益分析

在初投资方面，采用水蓄冷空调系统较常规空调相比初投资增加222万元，其中设备配置费用减少75万元，蓄冷水罐及其基础增加277万元。在运行费用方面，采用水蓄冷空调系统增加了蓄冷释冷过程每年电量增加3.7万kWh；可转移尖峰冷负荷10.2万kWh、高峰冷负荷14.7万kWh、平段冷负荷13.7万kWh，通过削峰填谷每年可节约空调运行费用28万元。按静态回收率计算公式，水蓄冷空调系统静态回收期为7年。

5．结论

近年来水蓄冷技术在工厂中得到较大的发展，本文以动车组某一空调面积为12000㎡的装配厂房为对象，研究空调系统推行水蓄冷技术的可行性。经分析，水蓄冷空调系统较常规空调增加初投资费用222万元，通过减少制冷机组制冷装机容量和高峰负荷时的用电量，利用低谷低价电制冷，每年节约的运行费用为28万元，投资回收期为7年，基于空调系统使用寿命一般为15年以上，在动车组装配厂房空调系统中使用水蓄冷技术能取得较好的经济效益。同时，蓄冷空调采用的蓄水罐体积大重量大，对工厂建设地点的选址及地面承载提出要求更高。

参考文献

［1］温正权，等．水蓄冷技术在某汽车工厂的应用［J］．建筑节能，2015（06）：26-29.

［2］杜长凯，等．水蓄冷空调系统在某汽车整车制造工厂中的应用［J］建设科技，2021（01）：38-42.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 158-2018，蓄能空调工程技术标准［S］北京：中国建筑工业出版社，2018：12-13.