基于能耗分析的空調(diào)冷熱源方案選擇

基于能耗分析的空調(diào)冷熱源方案選擇

0空調(diào)系統(tǒng)的靈活性隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和人均住房的不斷增加，越來(lái)越多的建筑需要逐步改善其環(huán)境。從我國(guó)目前醫(yī)療建筑發(fā)展的總體看,其主要特點(diǎn)和問(wèn)題是:建筑標(biāo)準(zhǔn)提高、建筑能耗增大,空調(diào)高峰期耗電量已占整個(gè)建筑供電量的1/3甚至50%。醫(yī)療建筑空調(diào)系統(tǒng)冷熱源按靈活并留有余量的原則配置。系統(tǒng)的靈活性主要表現(xiàn)在對(duì)醫(yī)療技術(shù)的變革和診療設(shè)備更新的適應(yīng)能力。系統(tǒng)(包括冷、熱源)靈活性并留有余量,在于適應(yīng)醫(yī)院建筑平面布置的更改、室內(nèi)負(fù)荷變化,以及建筑的改建或擴(kuò)建的需要。目前,關(guān)于建筑冷熱源方案的研究已有很多,而本文以沈陽(yáng)陸軍總院為研究對(duì)象,采用年經(jīng)常費(fèi)法對(duì)其冷熱源進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。1建設(shè)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(chē)庫(kù)、藥庫(kù)房、洗衣房和設(shè)備用房,面積27637m2;地上部分主要為病房和醫(yī)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?？偫湄?fù)荷約11500kW,其中潔凈區(qū)冷負(fù)荷為1700kW;總熱負(fù)荷約17630kW,其中潔凈區(qū)熱負(fù)荷為1790kW。2冷源方案的分析2.1標(biāo)準(zhǔn)1冷水機(jī)組和蒸汽爐系的熱回收1冷水機(jī)組及水泵根據(jù)該醫(yī)院建筑的負(fù)荷特性,為適應(yīng)負(fù)荷變化時(shí)冷水機(jī)組多種組合開(kāi)啟的可能以及確保潔凈手術(shù)部、ICU等重要場(chǎng)所的供冷、供熱的不間斷性,滿足過(guò)渡季、夜間低負(fù)荷的需要,本設(shè)計(jì)初步選用3臺(tái)3270kW(1117rt)制冷量的熱回收式水冷冷水機(jī)組和1臺(tái)1758kW(500rt)的水冷冷水機(jī)組。其中,1758kW的冷水機(jī)組可滿足潔凈區(qū)空調(diào)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行所需冷量。冷水供回水溫度7℃/12℃。機(jī)組放置在地下1層制冷機(jī)房?jī)?nèi)。冷水系統(tǒng)采用二次泵變流量系統(tǒng)。一次泵共6臺(tái)(2臺(tái)備用),二次泵根據(jù)水系統(tǒng)劃分區(qū)域共設(shè)10臺(tái)(4臺(tái)備用)。冷卻水泵6臺(tái)(2臺(tái)備用)與機(jī)組對(duì)應(yīng)。冷水泵、冷卻水泵均置于地下室制冷機(jī)房?jī)?nèi)。冷卻塔置于屋頂。制冷機(jī)房系統(tǒng)原理圖如圖1所示。2空調(diào)系統(tǒng)所需的熱量該工程冬季舒適性空調(diào)供回水溫度為60℃/50℃,熱負(fù)荷為8480kW;潔凈區(qū)空調(diào)熱負(fù)荷為1790kW;地下室補(bǔ)風(fēng)加熱及熱風(fēng)幕系統(tǒng)所需熱量為7360kW。空調(diào)系統(tǒng)加濕需干蒸汽約3404kg/h,供應(yīng)中心需蒸汽300kg/h。利用蒸汽鍋爐作為熱源,其中蒸發(fā)量10t/h的燃煤蒸汽鍋爐3臺(tái),蒸發(fā)量2t/h的燃煤蒸汽鍋爐1臺(tái)。燃煤蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)汽-水換熱器提供60℃/50℃熱水用于潔凈區(qū)空調(diào)和舒適性空調(diào)系統(tǒng),如圖2所示。2.2直燃型冷熱水機(jī)組病房和辦公區(qū)空調(diào)系統(tǒng)、潔凈手術(shù)部與輔助用房潔凈空調(diào)系統(tǒng)采用直燃型冷熱水機(jī)組作為冷熱源。根據(jù)該醫(yī)院建筑的負(fù)荷特性,選擇制冷量5815kW、制熱量4489kW的直燃型冷熱水機(jī)組共4臺(tái),制冷量2326kW、制熱量1791kW直燃型冷熱水機(jī)組1臺(tái)?？照{(diào)系統(tǒng)加濕及供應(yīng)中心用蒸汽由2臺(tái)2t/h的蒸汽鍋爐提供。2.3地下水開(kāi)發(fā)方式及回灌井布置病房和辦公區(qū)空調(diào)系統(tǒng)、潔凈手術(shù)部與輔助用房潔凈空調(diào)系統(tǒng)采用水源熱泵機(jī)組作為冷熱源。根據(jù)該醫(yī)院建筑的負(fù)荷特性,選擇制冷量1459kW、制熱量1625kW的水源熱泵機(jī)組共11臺(tái)。空調(diào)系統(tǒng)加濕及供應(yīng)中心用蒸汽由2臺(tái)2t/h的蒸汽鍋爐提供。參考該醫(yī)院周邊區(qū)域工程地下水文勘測(cè)報(bào)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(shè)計(jì)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(yī)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(shí),地下水地源熱泵運(yùn)行一段時(shí)間后,經(jīng)常出現(xiàn)回灌井堵塞的現(xiàn)象,另外,容易造成地質(zhì)、水質(zhì)的破壞和地下水浪費(fèi)。由于方案2和方案3的機(jī)組選型不僅要滿足夏季冷負(fù)荷要求而且還要滿足冬季熱負(fù)荷需求,且該地區(qū)熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷,所以在方案2和方案3中出現(xiàn)了設(shè)備冷量較大的現(xiàn)象。3ytc0.8rs+為cf+cr年經(jīng)常費(fèi)(YTC)法以系統(tǒng)的年經(jīng)常費(fèi)為判別依據(jù),并認(rèn)為年經(jīng)常費(fèi)最低的空調(diào)方案即為最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。年經(jīng)常費(fèi)可近似按下式計(jì)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(jīng)常費(fèi),元;COF為固定費(fèi),元;COR為運(yùn)行費(fèi),元;D為設(shè)備折舊費(fèi),元;I為利息,元;T為稅金,元;INS為保險(xiǎn)費(fèi),元;C為設(shè)備費(fèi)用,元;n為補(bǔ)償年限,a;R為利率;RS為稅率。設(shè)備折舊的補(bǔ)償年限,可按下列原則確定:1)小型空調(diào)設(shè)備(制冷量Q≤22kW):n=13a;2)大型空調(diào)設(shè)備:n=15a。本次分析中冷熱水機(jī)組壽命取15a,利率暫取8%,稅金暫取3.41%,保險(xiǎn)費(fèi)、電權(quán)費(fèi)未計(jì)算在內(nèi)。4不同方案的經(jīng)濟(jì)分析4.1直燃型冷熱水機(jī)組系統(tǒng)初投資比較不同冷熱源方案的初投資分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～3。分析表1～3可以得出:方案2全年直燃型冷熱水機(jī)組系統(tǒng)的初投資最低,為940.26萬(wàn)元,比方案1和方案3分別節(jié)省119.03萬(wàn)元和1322.83萬(wàn)元。4.2全年能耗計(jì)算結(jié)果夏季供冷時(shí)間:6～8月,每天24h;冬季供熱時(shí)間:10月中旬～次年3月中旬,每天24h?？照{(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算采用當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法,取當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間τER=860h,τEB=1260h(下標(biāo)R,B分別代表夏季和冬季),夏季累計(jì)運(yùn)行時(shí)間τR=2160h,冬季累計(jì)運(yùn)行時(shí)間τB=4320h。負(fù)荷率εR=0.62,εB=0.292。沈陽(yáng)地區(qū)電費(fèi)0.852元/(kW·h),煤價(jià)800元/t,水費(fèi)2.2元/t、天然氣3.6元/m3。各方案的全年能耗計(jì)算結(jié)果如表4～6所示。分析表4～6可以得出:方案1全年總運(yùn)行費(fèi)用為1554萬(wàn)元,與方案2和方案3相比分別節(jié)省了789.33萬(wàn)元、117.89萬(wàn)元。4.3方案3:2+3個(gè)方案比選沈陽(yáng)陸軍總醫(yī)院不同方案年經(jīng)常費(fèi)計(jì)算結(jié)果如表7所示。分析表7可以得出:3個(gè)方案中,方案1年經(jīng)常費(fèi)最低,為1681.44萬(wàn)元,比方案2低775.01萬(wàn)元,比方案3低262.72萬(wàn)元。從經(jīng)濟(jì)性角度分析,電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統(tǒng)為最佳方案,地下水地源熱泵系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)的能耗統(tǒng)一折算成一次能源——標(biāo)準(zhǔn)煤耗量,作為計(jì)算能源消耗量的標(biāo)準(zhǔn)。1煤的算例2見(jiàn)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(tǒng)全年折算耗煤量,t;∑erl為電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統(tǒng)全年總耗電量,kW·h;ηf為電廠發(fā)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤的換算量,kJ/kg;1000為質(zhì)量的換算量,kg/t;3600為耗電量的換算量,kJ/(kW·h)。2b計(jì)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(diào)系統(tǒng)全年折算耗煤量,t;∑esy為地下水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年總耗電量,kW·h;Rg為天然氣低位熱值,36000kJ/m3;∑Gg為燃?xì)庵比夹屠錈崴畽C(jī)組耗氣量,m3。3不同冷熱源方案全年耗煤量計(jì)算Gry=129300×1000????????Rg∑Gg+3600∑eryηfηs????????(5)Gry=129300×1000(Rg∑Gg+3600∑eryηfηs)(5)式中Gry為燃?xì)庵比夹屠錈崴畽C(jī)組系統(tǒng)全年折算耗煤量,t;∑ery為燃?xì)庵比夹屠錈崴畽C(jī)組系統(tǒng)全年總耗電量,kW·h。不同冷熱源方案全年耗煤量見(jiàn)表8。由表8可以得出:地下水地源熱泵系統(tǒng)的年耗煤量最少,為7674.58t,與電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統(tǒng)和燃?xì)庵比夹屠錈崴畽C(jī)組系統(tǒng)兩個(gè)方案相比,其年耗煤量分別節(jié)省7691.82t和853.42t。6環(huán)境分析6.1各種燃料排放指標(biāo)各種燃料的排放指標(biāo)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(guò)程中,全年所排放污染物的情況見(jiàn)表10。從表10可以得出:燃?xì)庵比夹屠錈崴畽C(jī)組系統(tǒng)全年污染物排放量最少,地下水地源熱泵系統(tǒng)次之。7方案比選分析7.1從經(jīng)濟(jì)角度分析,電制冷+燃煤蒸汽鍋爐系統(tǒng)和地下水地源熱泵系統(tǒng)的年經(jīng)常費(fèi)值非常接近。另外,由于回灌井和抽水井間距一般