空调水蓄冷工程与EMC节能管理的应用

作者:屈小翔 蔡旭宇 张正敏 文章来源:长安标致雪铁龙汽车有限公司 发布时间:2015-02-27
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CAPSA水蓄冷项目通过对现有新管理模式EMC的大胆改进,实现了技术革新与先进管理模式的跨界互补,创造性地提出并实现了CAPSA前期“0”投资、后期维护“0”投入、分享收益及共赢的概念,创造出了不花钱使用最先进节能产品的奇迹,实现了空调用电节能50%以上,为汽车制造业的空调水蓄冷技术的市场应用开辟出了崭新的局面。

空调系统用电占汽车行业用电总量的30%~40%,不但制冷电费数额庞大,大型制冷机组及相关管道的维护保养费用也逐年增加,是汽车制造厂除工业设备外耗电最多的设备。蓄冷空调技术是在夜间电力低谷时段开启制冷机系统,将电力以冷量的形式储存在蓄冷设备内,在白天电力高峰时段将所储存的冷量释放到空调系统中的技术。行业领先的深圳长安标致雪铁龙汽车工厂(以下简称“CAPSA”)是全国首家采用水蓄冷技术的汽车企业,本文以其为背景,介绍了水蓄冷技术与新型EMC能源管理的结合模式,展现了CAPSA前期“0”投资、后期维护“0”投入及其收益分享模式,为汽车制造业的空调节能与先进水蓄冷技术的市场应用开辟了崭新的局面。

水蓄冷技术的特点及优势

CAPSA所在的深圳市年平均温度达26℃,对制冷的需求非常大,因此CAPSA在建厂筹备期,便对比了国内现有的水蓄冷系统,根据自己的实际情况提出了三大目标,力求在维护与后期处理上同时发力,全面节约制造运行成本:在满足冷量需求的前提下,至少减少电费成本40%以上;工厂制冷必须要实现前期投资、后期维护成本无任何风险,成本不能超过传统制冷;制冷系统要实现综合社会效益,缓解深圳观澜地区吃紧的高峰用电情况。而常规制冷无法实现上述目标。

根据深圳市非普工业峰谷分时电价政策,深圳市高峰段电价为1.0147元/kWh、低谷段电价为0.3259元/kWh(申请水蓄冷电价后低谷期电价为0.2788元/kWh)。CAPSA因此将视线投向了新型制冷技术:水蓄冷和冰蓄冷技术。这两种技术是利用峰谷电价差,在低谷电价时段将冷量存储在水或冰中,在白天用电高峰时段使用储存的低温冷冻水或冰提供空调用冷。当空调使用时间、非空调使用时间与电网高峰和低谷同步时,就可以将电网高峰时间的空调用电量转移至电网低谷时使用,达到节约电费的目标。

冰蓄冷系统投资大、调试复杂,与其相比,水蓄冷不但经济、简单,还可利用大型建筑本身具有的消防水池来进行冷量储存,所以CAPSA初步选定了水蓄冷。水蓄冷的优点还包括以下几点:投资小、运行可靠且制冷效果好,每年能为用户节省可观的中央空调运行费用;旧厂区的制冷机组经过简单的管道改造就可以用于水蓄冷中;减少了电力投资费用(包括电力补贴费和变压器、配电柜等电力设施的费用),作为备用冷源,增加了空调系统的可靠性;可以平衡电网负荷、减少电厂投资并净化环境,符合国家绿色产业政策发展方向,社会效益巨大。

系统原理及方案

由于全国汽车行业无一家采用水蓄冷技术,CAPSA只能寻找国内其他行业的案例进行对标,根据设计院提供的负荷参数:全厂投产后冷量负荷为20383RT,一期冷负荷为9000RT。

上海浦东国际机场T2航站楼能源中心的水蓄冷制冷机装机容量为18300RT,水蓄冷罐体积为4×11600m3、总蓄冷量为117120RTH,该水蓄冷空调系统每年比常规系统节约超过900万元。该机场的水蓄冷规模约为CAPSA的2倍,根据CAPSA的可利用面积和机房的装机容量,我们最终选择CAPSA的水蓄冷罐体积为20000m3。

本水蓄冷项目中,制冷机房采用4台制冷机组,包括3台2000RT制冷机以及1台1000?RT制冷机,夏天白天供冷期间考虑到工艺和厂房舒适性,需要运行全部4台机器,但是按照CAPSA初期产能规划,在生产初期采用单班生产制,所以夜间11点到第二天凌晨7点可以利用这4台制冷机进行水蓄冷。蓄冷罐子采用2个10000m3的钢制罐,水罐直径23.8m、高24m,通过DN800的管道与制冷机房系统连接,白天在峰值阶段通过设定的控制程序切换到放冷状态,以满足CAPSA生产工艺和厂房舒适性空调的需要。集中制冷系统采用大温差供冷设计,供水温度为4℃,回水温度为12℃。一期初步确定蓄冷负荷为9000RT。CAPSA的空调用冷主要是生产所需的工艺使用,正常投产后每天8h供冷,全年供冷300天。

本系统的设计是根据空调的特点和制冷机组合系统情况量身定制水蓄冷系统。

1.项目技术方案

CAPSA的水蓄冷系统如图1所示,采用常规冷水机组进行蓄冷。通过与设计院进行沟通,一期夏季空调设计负荷为9000RT,系统装机容量只有7000RT,不足部分由水蓄冷提供,可以满足一期最大冷负荷需求,制冷站配置3台2000RT和1台1000RT的冷水机组,还需增加蓄冷水泵、放冷水泵、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、蓄冷水池内布水和保温等设施。24h冷负荷分布系数由于没有实际数据,没有实际的逐时负荷系数,本次负荷系数根据常规汽车厂的经验值进行估算,全天24h冷负荷分布系数如表1所示,全年300天的冷负荷天数分配数据如表2所示。

本项目按照8℃蓄冷温差,单个蓄冷水罐的有效容积为10000m3来设计,谷电时段需要的蓄冷量Q=186348kWh,经计算蓄冷水池容积V=22193m3。CAPSA利用污水处理站东侧空地,为了节省占地面积,设计了2个10000m3的圆柱水罐,水罐直径23.8m、高24m,既可以做消防水池水源,又可以进行水蓄冷,不占用太大空间,如图2所示。

2.遇到的困难

CAPSA工厂在水蓄冷罐的施工过程中多次遇到困难,最终该工程在施工单位和CAPSA工程师的合作下顺利建设完工并终验收调试合格。遇到的困难有以下几点:

(1)蓄冷水罐性能指数要求高,布水系统的设计对斜温层厚度要求严格。布水系统最终确保达到单个水罐蓄冷量25000RTH的要求。如何选择布水方式、布水器形式及布水系统的计算是工程难点。

(2)在直径23.8m、高24m的密闭水罐内,安装布水主干管达到DN700的布水系统以及塑料UPVC布水器,是本工程的另一大难点。

①布水方式的选择需密切结合罐体的结构设计,保证整体结构的安全。布水方式设置上、下两层布水器布水,从罐体冷冻水出口到各布水口必须达到3次或3次以上的水流分布过程,且末端布水管道平行距离原则上不超过1m。水流分配口流速<0.03m/s,斜温层厚度<1m。最终确保单个水罐蓄冷量达到25000RTH的要求。

②布水器选用HJY-PU05型UItimate布水器5次布水,末端布水管道平行距离为0.75m,水流分配口流速<0.028m/s,单日最大蓄冷斜温层厚度<800mm,蓄放冷末端换热余量<3%,根据单个水罐10000m3的有效容积,可保证单个水罐蓄冷量达到25000RTH以上。

3.不同负荷情况下的运行策略

(1)100%负荷工况下

根据图3所示的100%负荷运行日的设备负荷,我们在电力低谷时段,开启3台2000RT和1台1000RT冷水机组并联满负荷蓄冷8.5h,可以在白天削去高峰时段负荷6h,补充高峰和平段负荷各2h。

(2)75%负荷工况下

根据图4所示的75%负荷运行日的设备负荷,我们在电力低谷时段,开启3台2000RT和1台1000RT冷水机组并联满负荷蓄冷8.5h,可以在白天削去高峰时段负荷7h,削去平段负荷2.8h。

(3)50%负荷工况下

根据图5所示的50%负荷运行日的设备负荷,我们在电力低谷时段,开启3台2000RT和1台1000RT冷水机组并联满负荷蓄冷8.5h,可以在白天削去高峰时段负荷7h,削去平段负荷7.7h。

(4)43%负荷工况下

根据图6所示的43%负荷运行日的设备负荷,我们在电力低谷时段,开启3台2000RT和1台1000RT冷水机组并联满负荷蓄冷7.1h,可以在白天削去高峰时段负荷7h,削去平段负荷9h,白天高峰平段不需要开主机。

(5)25%负荷工况下

根据图7所示的25%负荷运行日的设备负荷,我们在电力低谷时段,开启3台2000RT和1台1000RT冷水机组并联满负荷蓄冷4.1h,可以在白天削去高峰时段负荷7h,削去平段负荷9h,白天高峰平段不需要开主机。

水蓄冷节能效益

水蓄冷系统年节约运行费用为552.27万元,除去1.17的增值税,最终年节约费用为472万元,比常规制冷节能49%,实现并超过节能40%以上的目标,节能效果显著。

CAPSA在2014年1~11月份期间常规的空调系统年用电费为866.46万元,水蓄冷空调系统年用电费为497.01万元,年节约369.45万元,节能率为42.6%,达到预期目标值。由于2014年是CAPSA生产初期,很多设备还处于调试运行阶段,没有100%发挥空调水蓄冷的功能,随着空调负荷增加,节能收益将逐渐明显。

运行管理方式

综上可知,首要节能40%的目标已经实现,但随着项目谈判的推进,CAPSA在项目应采用何种商业模式的问题上与供应商陷入僵局,CAPSA希望实现前期投资及后期维护成本无任何风险,即由供应商承担上述风险,但供应商无法接受这一要求。

传统运行管理模式为BT模式,由业主一次性投资,收益大,风险也大,前期的项目建造合理利润及确定约定总价比较困难。若采用BT模式,初期投资高达上千万元,后期收益的风险对于正在成长的CAPSA十分不利。

CAPSA与供应商面临着三个难题:如何降低供应商项目的巨大风险;如何保证CAPSA和供应商的收益;现行的管理模式都不适用,需寻求更适合的管理模式。

在项目陷入僵局的时候,能源合同管理模式(EMC)这个节能领域的新兴名词进入了我们的视野。EMC模式是以减少的能源费用来支付节能项目成本的一种市场化运作的节能机制,由总包公司与客户签订节能服务合同,为客户提供项目融资、节能管理和维护保证等一整套的节能总包服务,从实际获得的节能效益中按比例收回投资和利润的运作模式。EMC合同到期后,所有节能收益及设施归客户所有。

CAPSA创造性地将现有的EMC进行改进,让其更适合汽车企业,合同期内“0”维护费的策略将全部后期运行风险转移至专业的供应商,缩短了CAPSA水蓄冷系统故障反应维修时间,提高了工作质量,全面避免了公司的资源浪费,在无任何维护成本的前提下,保证了最专业的维护服务。

本工程采用的是EMC与BT结合的模式,水蓄冷方面的工程初期投资为1880万,所有的投资费用都由施工方预先垫付(实现CAPSA“0”初期投资)。10年间,CAPSA将每年节省的电费按照合同比例返回给供应商。

合同约定,在效益分享期的前5年,乙方(供应商)享有100%的节能直接效益,甲方(CAPSA)享有0%的节能直接效益;在效益分享期的后5年,乙方享有40%的节能直接效益,甲方享有60%的节能直接效益;同时甲方按季度支付合同项目款项,支付期限为10年。前5年甲方每季度支付乙方节能服务款118万,后5年每季度向甲方支付乙方节能服务款47.2万元。

对本项目进行项目成本与收益的现金流进行分析,按年利率8%计息,可以得出,采用上述合同比采用CAPSA负责初期全部投资的形式节约投资769.65万元,同时可节省公司变压器基本电费160万元/年,为公司节省消防水池投资约60万元,故10年内可以节约投资2429.65万元。同时,根据合同约定,10年后设备和产生的收益都归CAPSA所有,约为1416万元。

综上所述,EMC模式可以为甲方节省初期投资,选择一家水蓄冷供应商,由总包方先垫资,运行后以实际节约电费按比例分成,逐年返还成本。该方案既降低了一次性投资,又将质保期从常规的1年变为1+10年,延长了质保期,增加了运行可靠性。

水蓄冷削峰填谷的社会效益

近年来,电力负荷增长已明显快于用电量增长速度,电网峰谷差逐年拉大。削峰填谷作为电力需求侧管理工作的重要内容,在提升电力供需平衡和应急保障能力、实现电力系统高效经济运行中发挥着关键的作用。削峰填谷不仅能有效地转移高峰用电负荷、减少电力装机需求,还可以相应地节地、节水和节材,并通过填谷来提高发电侧机组负荷率、降低发电和供电煤耗,具有多重的节约、经济、环境和社会效益。

根据多家从事水蓄冷业务的节能服务公司提供的数据,水蓄冷项目1?kW装机平均年移峰填谷电量约为675kWh,CAPSA水蓄冷项目为20000RT容量(即70340kW),则年移峰填谷电量约为47479.5MWh,填谷效果非常显著。

该项目在节约投资的情况下,同时对环境与社会做出了重大贡献,每年节约用电605.83万kWh,折合标煤774.77t,年节约运行电费472万元。

CAPSA地处电力负荷严重不平衡的深圳观澜地区,该项目的实施,对平衡深圳南方电网负荷做出巨大贡献。

结语

本项目是对现有新管理模式EMC的大胆改进,实现了技术革新与先进管理模式的跨界互补,创造性地提出并实现了CAPSA前期“0”投资、后期维护“0”投入、分享收益及共赢的概念,创造出了不花钱使用最先进节能产品的奇迹,实现了空调用电节能40%以上,为汽车制造业的空调水蓄冷技术的市场应用开辟出了崭新的局面,同时其巨大的移峰填谷社会效益为平衡电网负荷做出了巨大贡献。

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