基于能耗分析的空調冷熱源方案選擇

0空調系統的靈活性隨著經濟的增長和人均住房的不斷增加，越來越多的建筑需要逐步改善其環境。從我國目前醫療建筑發展的總體看,其主要特點和問題是:建筑標準提高、建筑能耗增大,空調高峰期耗電量已占整個建筑供電量的1/3甚至50%。醫療建筑空調系統冷熱源按靈活并留有余量的原則配置。系統的靈活性主要表現在對醫療技術的變革和診療設備更新的適應能力。系統(包括冷、熱源)靈活性并留有余量,在于適應醫院建筑平面布置的更改、室內負荷變化,以及建筑的改建或擴建的需要。目前,關于建筑冷熱源方案的研究已有很多,而本文以沈陽陸軍總院為研究對象,采用年經常費法對其冷熱源進行技術經濟比較。1建設單位建筑圖2該工程為高層大型病房綜合樓,地下3層,地上23層,總建筑面積128036m2。其中地下部分主要為停車庫、藥庫房、洗衣房和設備用房,面積27637m2;地上部分主要為病房和醫療輔助用房,面積100399m2。建筑消防高度為99.6m,建筑最高高度為112.2m。總冷負荷約11500kW,其中潔凈區冷負荷為1700kW;總熱負荷約17630kW,其中潔凈區熱負荷為1790kW。2冷源方案的分析2.1標準1冷水機組和蒸汽爐系的熱回收1冷水機組及水泵根據該醫院建筑的負荷特性,為適應負荷變化時冷水機組多種組合開啟的可能以及確保潔凈手術部、ICU等重要場所的供冷、供熱的不間斷性,滿足過渡季、夜間低負荷的需要,本設計初步選用3臺3270kW(1117rt)制冷量的熱回收式水冷冷水機組和1臺1758kW(500rt)的水冷冷水機組。其中,1758kW的冷水機組可滿足潔凈區空調系統獨立運行所需冷量。冷水供回水溫度7℃/12℃。機組放置在地下1層制冷機房內。冷水系統采用二次泵變流量系統。一次泵共6臺(2臺備用),二次泵根據水系統劃分區域共設10臺(4臺備用)。冷卻水泵6臺(2臺備用)與機組對應。冷水泵、冷卻水泵均置于地下室制冷機房內。冷卻塔置于屋頂。制冷機房系統原理圖如圖1所示。2空調系統所需的熱量該工程冬季舒適性空調供回水溫度為60℃/50℃,熱負荷為8480kW;潔凈區空調熱負荷為1790kW;地下室補風加熱及熱風幕系統所需熱量為7360kW。空調系統加濕需干蒸汽約3404kg/h,供應中心需蒸汽300kg/h。利用蒸汽鍋爐作為熱源,其中蒸發量10t/h的燃煤蒸汽鍋爐3臺,蒸發量2t/h的燃煤蒸汽鍋爐1臺。燃煤蒸汽鍋爐產生的蒸汽通過汽-水換熱器提供60℃/50℃熱水用于潔凈區空調和舒適性空調系統,如圖2所示。2.2直燃型冷熱水機組病房和辦公區空調系統、潔凈手術部與輔助用房潔凈空調系統采用直燃型冷熱水機組作為冷熱源。根據該醫院建筑的負荷特性,選擇制冷量5815kW、制熱量4489kW的直燃型冷熱水機組共4臺,制冷量2326kW、制熱量1791kW直燃型冷熱水機組1臺。空調系統加濕及供應中心用蒸汽由2臺2t/h的蒸汽鍋爐提供。2.3地下水開發方式及回灌井布置病房和辦公區空調系統、潔凈手術部與輔助用房潔凈空調系統采用水源熱泵機組作為冷熱源。根據該醫院建筑的負荷特性,選擇制冷量1459kW、制熱量1625kW的水源熱泵機組共11臺。空調系統加濕及供應中心用蒸汽由2臺2t/h的蒸汽鍋爐提供。參考該醫院周邊區域工程地下水文勘測報告,抽水井單井平均干擾出水量為130m3/h,單井干擾回灌量為40～50m3/h。設計抽水井井深50m,共22口井;回灌井井深60m,共64口井。由于回灌井和抽水井間距一般不小于50m,而該醫院綜合樓的空地有限,合理布置回灌井和抽水井較為困難。同時,地下水地源熱泵運行一段時間后,經常出現回灌井堵塞的現象,另外,容易造成地質、水質的破壞和地下水浪費。由于方案2和方案3的機組選型不僅要滿足夏季冷負荷要求而且還要滿足冬季熱負荷需求,且該地區熱負荷大于冷負荷,所以在方案2和方案3中出現了設備冷量較大的現象。3ytc0.8rs+為cf+cr年經常費(YTC)法以系統的年經常費為判別依據,并認為年經常費最低的空調方案即為最優化的設計。年經常費可近似按下式計算:YTC=COF+COR(1)COF=D+I+T+INS=Cn+12C(R+0.8RS)+INS(2)YΤC=CΟF+CΟR(1)CΟF=D+Ι+Τ+ΙΝS=Cn+12C(R+0.8RS)+ΙΝS(2)式(1),(2)中YTC為年經常費,元;COF為固定費,元;COR為運行費,元;D為設備折舊費,元;I為利息,元;T為稅金,元;INS為保險費,元;C為設備費用,元;n為補償年限,a;R為利率;RS為稅率。設備折舊的補償年限,可按下列原則確定:1)小型空調設備(制冷量Q≤22kW):n=13a;2)大型空調設備:n=15a。本次分析中冷熱水機組壽命取15a,利率暫取8%,稅金暫取3.41%,保險費、電權費未計算在內。4不同方案的經濟分析4.1直燃型冷熱水機組系統初投資比較不同冷熱源方案的初投資分析計算結果見表1～3。分析表1～3可以得出:方案2全年直燃型冷熱水機組系統的初投資最低,為940.26萬元,比方案1和方案3分別節省119.03萬元和1322.83萬元。4.2全年能耗計算結果夏季供冷時間:6～8月,每天24h;冬季供熱時間:10月中旬～次年3月中旬,每天24h。空調系統能耗計算采用當量滿負荷運行時間法,取當量滿負荷運行時間τER=860h,τEB=1260h(下標R,B分別代表夏季和冬季),夏季累計運行時間τR=2160h,冬季累計運行時間τB=4320h。負荷率εR=0.62,εB=0.292。沈陽地區電費0.852元/(kW·h),煤價800元/t,水費2.2元/t、天然氣3.6元/m3。各方案的全年能耗計算結果如表4～6所示。分析表4～6可以得出:方案1全年總運行費用為1554萬元,與方案2和方案3相比分別節省了789.33萬元、117.89萬元。4.3方案3:2+3個方案比選沈陽陸軍總醫院不同方案年經常費計算結果如表7所示。分析表7可以得出:3個方案中,方案1年經常費最低,為1681.44萬元,比方案2低775.01萬元,比方案3低262.72萬元。從經濟性角度分析,電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統為最佳方案,地下水地源熱泵系統次之。5年度能耗分析各方案的能源形式不同,為了便于比較,本文將各種方案中供熱空調系統的能耗統一折算成一次能源——標準煤耗量,作為計算能源消耗量的標準。1煤的算例2見表3Grl=129300×10003600∑erlηfηs+Gm(3)Grl=129300×10003600∑erlηfηs+Gm(3)式中Grl為電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統全年折算耗煤量,t;∑erl為電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統全年總耗電量,kW·h;ηf為電廠發電效率,水電站取0.9,火電站取0.33;ηs為輸配電效率,取0.9;Gm為燃煤蒸汽鍋爐耗煤量,t;29300為一次能源熱量轉換為標準煤的換算量,kJ/kg;1000為質量的換算量,kg/t;3600為耗電量的換算量,kJ/(kW·h)。2b計算能源消耗量Gsy=3600∑esy29300×1000ηfηs+129300×1000Rg∑Gg(4)Gsy=3600∑esy29300×1000ηfηs+129300×1000Rg∑Gg(4)式中Gsy為地下水地源熱泵空調系統全年折算耗煤量,t;∑esy為地下水地源熱泵空調系統全年總耗電量,kW·h;Rg為天然氣低位熱值,36000kJ/m3;∑Gg為燃氣直燃型冷熱水機組耗氣量,m3。3不同冷熱源方案全年耗煤量計算Gry=129300×1000????????Rg∑Gg+3600∑eryηfηs????????(5)Gry=129300×1000(Rg∑Gg+3600∑eryηfηs)(5)式中Gry為燃氣直燃型冷熱水機組系統全年折算耗煤量,t;∑ery為燃氣直燃型冷熱水機組系統全年總耗電量,kW·h。不同冷熱源方案全年耗煤量見表8。由表8可以得出:地下水地源熱泵系統的年耗煤量最少,為7674.58t,與電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統和燃氣直燃型冷熱水機組系統兩個方案相比,其年耗煤量分別節省7691.82t和853.42t。6環境分析6.1各種燃料排放指標各種燃料的排放指標如表9所示。6.2污染物排放情況3種方案的冷熱源在使用過程中,全年所排放污染物的情況見表10。從表10可以得出:燃氣直燃型冷熱水機組系統全年污染物排放量最少,地下水地源熱泵系統次之。7方案比選分析7.1從經濟角度分析,電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統和地下水地源熱泵系統的年經常費值非常接近。另外,由于回灌井和抽水井間距一般