區(qū)域供冷系統(tǒng)制冷方式的經(jīng)濟(jì)成本分析

區(qū)域供冷系統(tǒng)制冷方式的經(jīng)濟(jì)成本分析

區(qū)域供冷技術(shù)是為滿足特定區(qū)域內(nèi)多個(gè)建筑的空調(diào)需求而設(shè)計(jì)的。冷水由專門的冷廠集中，并通過區(qū)域管網(wǎng)供應(yīng)。這是現(xiàn)代城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一。與每個(gè)獨(dú)立建筑的中央系統(tǒng)相比，區(qū)域供冷系統(tǒng)（sd）的總安裝能力減少了約20%30%，有效降低了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的投資。同時(shí)，sdc采用集中選擇高效設(shè)備，采用先進(jìn)的節(jié)能控制和調(diào)節(jié)技術(shù)，克服了不同建筑單元中使用中間鎖的效率低、質(zhì)量不平等等缺點(diǎn)。此外，sd還可以避免由于自身的戶外系統(tǒng)和中央系統(tǒng)塔的干擾、傾斜和局部熱島的影響，從而美化城市環(huán)境。日本多年來的cd實(shí)踐與經(jīng)濟(jì)核算結(jié)果表明，sd比單個(gè)獨(dú)立建造的中央系統(tǒng)節(jié)能約12.2%。DCS可以由熱電廠或區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的蒸汽或電力供能,也可由熱泵系統(tǒng)供能等.對(duì)于DCS,由于冷用戶的分布不同,而冷凍水的經(jīng)濟(jì)輸送半徑一般不超過1.5km,所以制冷站需要散布在各個(gè)冷負(fù)荷中心目前評(píng)價(jià)制冷循環(huán)的熱力特性通常采用制冷系數(shù)(COP),即單位功耗所能產(chǎn)生的制冷量.大型電壓縮式制冷循環(huán)的COP可以達(dá)到5以上但是,COP這個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)只反映了能量在數(shù)量上的平衡和利用率,不能反映制冷循環(huán)各熱力過程中發(fā)生的不可逆損失的大小,而且沒有考慮能量的“質(zhì)”.電壓縮式制冷利用高品位的電能制冷,而蒸汽吸收式制冷利用的是低品位的熱能,因此單純利用COP這個(gè)指標(biāo)并不能判定兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣.基于熱力學(xué)第二定律的分析法是一種基于能質(zhì)平衡的分析方法,它不僅能深刻揭示能量在數(shù)量上的平衡,而且能反映能量質(zhì)量或品位的變化和損耗.通過對(duì)蒸汽吸收式和電壓縮式兩種制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析可知,以制冷循環(huán)ue006效率為指標(biāo)時(shí),COP遠(yuǎn)小于電壓縮式制冷的蒸汽吸收式制冷循環(huán)的ue006效率與電壓縮式的基本相同,且只要選擇合適壓力等級(jí)的飽和蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源,蒸汽吸收式制冷循環(huán)的ue006效率甚至?xí)哂陔妷嚎s式制冷循環(huán)電壓縮式制冷采用區(qū)域能源系統(tǒng)的自發(fā)電,而蒸汽吸收式制冷的驅(qū)動(dòng)能源是蒸汽.由于各地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)以及不同生產(chǎn)成本的蒸汽價(jià)格均存在差別,因此制冷效率高的制冷系統(tǒng)其制冷成本不一定更低.同時(shí),各制冷站與區(qū)域能源站(發(fā)電站)的距離不同,若制冷站采用蒸汽吸收方式供冷,則需要根據(jù)制冷站與能源站的距離差異抽取不同壓力等級(jí)的蒸汽供應(yīng)給制冷站制冷.不同壓力等級(jí)蒸汽的品位不同,即其所含的是不一樣的,其熱價(jià)也就不同,所以蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的制冷成本在使用不同壓力等級(jí)的蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源時(shí)也不一樣.ue006經(jīng)濟(jì)成本分析是經(jīng)濟(jì)優(yōu)化技術(shù)和ue006分析法相結(jié)合的一種有效的成本計(jì)算方法.以u(píng)e006經(jīng)濟(jì)成本為指標(biāo)對(duì)制冷方式進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),不僅同時(shí)考慮了能量“量”和“質(zhì)”的轉(zhuǎn)換,深刻揭示了高品位能源在使用過程中產(chǎn)生的有效能損耗,而且應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)中“成本”的概念,克服了分析為單純的熱力學(xué)分析、無法反映系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的缺點(diǎn)目前對(duì)電壓縮式制冷和蒸汽吸收式制冷的研究大部分是單獨(dú)進(jìn)行的,且主要集中于對(duì)制冷循環(huán)各熱力學(xué)過程ue006損失的分析隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程的加快,區(qū)域能源系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)也迅速發(fā)展,不同用戶群的DCS如何選擇合適的制冷方式這一問題日益凸顯.文中以所建立的電壓縮式制冷系統(tǒng)和蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的ue006分析模型為基礎(chǔ),以制冷系統(tǒng)的單位冷量ue006經(jīng)濟(jì)成本最低為目標(biāo),對(duì)比研究了兩種制冷方式在不同電價(jià)和蒸汽熱價(jià)下的經(jīng)濟(jì)成本,以期為DCS規(guī)劃建設(shè)時(shí)如何選擇制冷方式和選擇哪種制冷方式最優(yōu)提供一定的理論依據(jù)和工程指導(dǎo).1sd中兩種冷卻方式的分析模型1.1管網(wǎng)輸送中蒸汽的輸送ue006在吸收式制冷系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中,蒸汽雙效型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用較多,因此文中選取此類型機(jī)組與電壓縮式制冷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究.DCS中,從能源站抽取的蒸汽是通過蒸汽管網(wǎng)輸送到制冷站的,故蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)包括蒸汽輸送系統(tǒng)和制冷站(蒸汽吸收式制冷循環(huán))兩部分.在蒸汽輸送過程中,蒸汽溫度和壓力的下降會(huì)產(chǎn)生一定的ue006損失,這部分ue006損失須算在蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的成本中.蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的總輸入是從能源站抽取的過熱蒸汽ue006與制冷站返回的蒸汽冷凝水ue006之差,它由兩部分組成:①制冷站(蒸汽吸收式制冷循環(huán))的輸入ue006;②蒸汽在管網(wǎng)輸送過程中的ue006損失.蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的總輸入ue006為式中:E對(duì)于蒸汽吸收式制冷循環(huán),其驅(qū)動(dòng)蒸汽的壓力等級(jí)一般在0.4~0.8MPa之間式中:Q從能源站抽取的蒸汽均為過熱50℃以上的過熱蒸汽,蒸汽的溫度和壓力在輸送過程中都會(huì)下降.工程上常用的蒸汽輸送壓降系數(shù)大約在0.03~0.05kPa/m之間,文中取蒸汽管網(wǎng)中的蒸汽輸送壓降系數(shù)為0.05kPa/m式中:p為能源站抽汽壓力,MPa;X為蒸汽輸送距離,km.蒸汽在管網(wǎng)輸送過程中的ue006損失是能源站抽取蒸汽與制冷站的驅(qū)動(dòng)蒸汽(即0.4MPa的飽和蒸汽)之間的物流ue006差.物流ue006E的定義如式(4)所示:式中:H根據(jù)物流ue006的定義和上述參數(shù)設(shè)定,假設(shè)制冷站與能源站之間的距離為X,可推導(dǎo)出蒸汽輸送過程的ue006損失如下:式中:γ能源站抽取蒸汽的比焓和比熵可以根據(jù)能源站抽取蒸汽的壓力和過熱度,采用水和水蒸汽性質(zhì)軟件查詢得到(該軟件利用IAPWS-IF97公式進(jìn)行計(jì)算).由式(2)和(5)可得蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的總輸入ue006如下:從式(6)可以看出,供冷量和機(jī)組COP確定后,只有能源站抽取蒸汽的比焓和比熵是變量,所以蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的總輸入ue006只受能源站抽取蒸汽的比焓和比熵影響.蒸汽的比焓、比熵都是狀態(tài)參數(shù),它們由抽取蒸汽所處的狀態(tài)決定,即只要能源站抽取蒸汽的壓力等級(jí)和溫度確定后其比焓和比熵便確定了,而能源站抽取蒸汽的壓力等級(jí)和溫度取決于蒸汽輸送距離X,因此蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的總輸入ue006歸根到底只受蒸汽輸送距離的影響,是蒸汽輸送距離的函數(shù).由此可知,在不同的制冷站與能源站距離下,根據(jù)抽取的蒸汽壓力等級(jí)和過熱度,便可計(jì)算出相應(yīng)的蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的總輸入ue006.1.2電壓縮式制冷站與能源站的距離比對(duì)于電壓縮式制冷系統(tǒng),由于電力輸送損耗小,所以DCS中能源站與制冷站的距離對(duì)電壓縮式制冷的影響可以忽略不計(jì),文中電壓縮式制冷系統(tǒng)的COP取值為4.22式中:E2蒸汽熱價(jià)對(duì)cs中蒸汽輸送距離的影響電壓縮式制冷需要能源站的自發(fā)電,而抽取蒸汽做吸收式制冷的驅(qū)動(dòng)熱源時(shí),能源站會(huì)減少等效的蒸汽發(fā)電量.由于各地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)存在差異,不同生產(chǎn)成本及壓力等級(jí)的蒸汽價(jià)格也不一定相同,因此制冷效率更高的制冷方式并不意味著制冷成本一定更低.鑒于此,文中采用ue006經(jīng)濟(jì)學(xué)法對(duì)兩種制冷系統(tǒng)單位冷量的ue006經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行研究分析.ue006經(jīng)濟(jì)成本分析以成本分析理論為基礎(chǔ),用消耗多少外部ue006轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)來表示成本,即同時(shí)考慮能量“量”和“質(zhì)”的轉(zhuǎn)換以及能量的成本,是經(jīng)濟(jì)優(yōu)化技術(shù)和基于熱力學(xué)第二定律的分析法相結(jié)合的一種有效的成本計(jì)算方法制冷系統(tǒng)的ue006經(jīng)濟(jì)成本包括能量成本和非能量成本兩部分,蒸汽吸收式制冷和電壓縮式制冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能源分別為蒸汽和電能,所以影響其能量成本的主要因素分別為蒸汽熱價(jià)和電價(jià).而非能量成本一般為固定資產(chǎn)折舊、修理費(fèi)用及工資福利等按年匯總后均攤到每小時(shí)的費(fèi)用.因目前DCS中電壓縮式制冷系統(tǒng)每1萬冷噸的非能量成本約為1億元人民幣,吸收式制冷系統(tǒng)每1萬冷噸的非能量成本中制冷站成本約為8800~9000萬元人民幣,加上蒸汽管道投資后兩種制冷系統(tǒng)的非能量成本基本相同,故文中僅考慮能量成本.根據(jù)蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的總輸入ue006計(jì)算式(6),蒸汽熱價(jià)對(duì)DCS中蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)單位冷量的ue006經(jīng)濟(jì)成本的影響可以由式(8)表示:式中:C根據(jù)電壓縮式制冷循環(huán)的總輸入ue006計(jì)算式(7),其單位冷量的ue006經(jīng)濟(jì)成本只取決于電價(jià),是電網(wǎng)電價(jià)的正比例函數(shù):C蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)與電壓縮式制冷系統(tǒng)單位冷量的經(jīng)濟(jì)成本的比值可以用函數(shù)f(X)表示,即令f(X)=1,便可求解出不同蒸汽熱價(jià)和電價(jià)下兩種制冷系統(tǒng)單位冷量ue006經(jīng)濟(jì)成本相等時(shí)的蒸汽輸送距離,若f(X)恒大于1,則表示蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)單位冷量的ue006經(jīng)濟(jì)成本恒高于電壓縮式系統(tǒng).DCS中兩種制冷系統(tǒng)的單位冷量ue006經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比分析問題可通過圖1所示的算法流程來求解.對(duì)兩種制冷系統(tǒng)單位冷量的ue006經(jīng)濟(jì)成本的對(duì)比研究主要是進(jìn)行蒸汽熱價(jià)和電價(jià)對(duì)蒸汽輸送距離的靈敏度分析,研究蒸汽熱價(jià)和電價(jià)對(duì)兩種制冷系統(tǒng)ue006經(jīng)濟(jì)成本的影響,從而為DCS項(xiàng)目中各個(gè)冷站分別選取合理的制冷方式提供依據(jù).進(jìn)行靈敏度分析前,需要先確定蒸汽熱價(jià)和電價(jià)的變化范圍.從發(fā)電能源成本考慮,天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電1標(biāo)準(zhǔn)立方米天然氣約發(fā)電5kWh,目前冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)的每標(biāo)準(zhǔn)立方米天然氣供氣價(jià)格約為2.5~3.5元,按此計(jì)算能源站每千瓦時(shí)電的發(fā)電能源成本大約為0.50~0.70元,而國(guó)內(nèi)天然氣發(fā)電每千瓦時(shí)的上網(wǎng)電價(jià)均超過0.70元,其中以廣東地區(qū)的最高,為0.82元工業(yè)蒸汽基本是按流量計(jì)算價(jià)格.DCS中用于蒸汽吸收式制冷的蒸汽是從能源站抽取的,按其等效發(fā)電量和能源站上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算,其成本大多數(shù)為150元/t左右.目前蒸汽售價(jià)約在190~250元/t之間,按飽和蒸汽所含的ue006可將蒸汽售價(jià)換算成相應(yīng)的蒸汽熱價(jià),約為2.0×10不同蒸汽熱價(jià)和電價(jià)下DCS中蒸汽吸收式制冷和電壓縮式制冷系統(tǒng)的單位冷量ue006經(jīng)濟(jì)成本相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的蒸汽輸送距離計(jì)算結(jié)果如表1所示.從表1可以看出:①同一蒸汽熱價(jià)下,電價(jià)越高,相應(yīng)的蒸汽輸送距離越長(zhǎng).當(dāng)蒸汽熱價(jià)為2.0×10假設(shè)蒸汽熱價(jià)/電價(jià)比為ω,即根據(jù)前文蒸汽熱價(jià)和電價(jià)的取值范圍可知,0.87<ω<1.34.不同ω值下DCS中蒸汽吸收式制冷和電壓縮式制冷系統(tǒng)的單位冷量ue006經(jīng)濟(jì)成本相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的蒸汽輸送距離計(jì)算結(jié)果如圖2所示.從圖2可看出:隨著ω值的增大,兩種制冷系統(tǒng)ue006經(jīng)濟(jì)成本相等時(shí)的蒸汽輸送距離不斷減小,即蒸汽熱價(jià)相對(duì)電價(jià)越高,蒸汽輸送距離越小;當(dāng)ω≥1.13時(shí),蒸汽輸送距離無解,即電壓縮式制冷系統(tǒng)恒優(yōu)于蒸汽吸收式制冷系統(tǒng).3蒸汽輸送距離對(duì)ue006經(jīng)濟(jì)成本的影響另外,DCS需根據(jù)具體的側(cè)重點(diǎn)選擇制冷系統(tǒng).出現(xiàn)以下情況應(yīng)優(yōu)先選擇電壓縮式制冷:冷負(fù)荷需求是間歇性時(shí),選擇電壓縮式制冷更靈活;冷負(fù)荷需求量非常大時(shí),由于蒸汽輪機(jī)抽汽量受機(jī)組限制,故應(yīng)優(yōu)先選擇電壓縮式制冷.從式(8)可以看出,當(dāng)COP確定后,蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)單位冷量的ue006經(jīng)濟(jì)成本主要受蒸汽熱價(jià)和能源站抽汽比焓、比熵的影響,其中抽汽比焓和比熵又是由蒸汽輸送距離決定的,因此蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)單位冷量的經(jīng)濟(jì)成本是蒸汽熱價(jià)和蒸汽輸送距離的函數(shù).對(duì)于一定的蒸汽輸送距離,其單位冷量的ue006經(jīng)濟(jì)成本與蒸汽熱價(jià)成正比;對(duì)于一定的蒸汽熱價(jià),其單位冷量的經(jīng)濟(jì)成本隨著蒸汽輸送距離的增加而增大.文中建立了電壓縮式和蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)的分析模