冰蓄冷技術(shù)在既有建筑冷源改造中適用性的研究

文｜ 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 李炎鋒 王慧琛 孫育英

1 引言

在我國的大中城市高峰用電期間，空調(diào)制冷用電占整個城市用電的比例逐年上升，電力供應(yīng)高峰不足而低谷過剩的矛盾日益突出。建筑能耗占國家總能耗的20%以上，空調(diào)用能則占建筑總能耗的40%以上，空調(diào)設(shè)備間歇性用電是導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差距的主要原因。另一方面，可再生能源的生產(chǎn)受到時間、空間和強度的限制。譬如，太陽能和風(fēng)力發(fā)電具有明顯的間歇性，而且強度受到當(dāng)?shù)禺?dāng)時日照強度和風(fēng)速的影響。水電廠需建設(shè)在水力資源豐富的地區(qū)，但受到旱季和雨季的影響。太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電高效的能源系統(tǒng)除了包括高效的能源生產(chǎn)和能量使用環(huán)節(jié)外，還需要高效的能源輸配和儲存體系。

據(jù)建設(shè)部有關(guān)統(tǒng)計，建筑能耗總量在中國能源消費總量中的份額接近三成。在既有的近400億平方米建筑中，99%均屬于高耗能建筑，單位面積所耗能源相當(dāng)于緯度相近的發(fā)達(dá)國家的2～3倍。目前我國建筑能耗增長的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過能源生產(chǎn)增長的速度，推行建筑節(jié)能由此成為“十二五”節(jié)能減排工作的重心?？照{(diào)系統(tǒng)的能耗在一棟建筑物總能耗中所占的比重大約在50%以上，這個數(shù)據(jù)在大型商場、高檔旅館飯店、高檔辦公樓等公共建筑中更高。因此，在這類建筑中必須實行建筑節(jié)能措施并對高能耗建筑進(jìn)行建筑節(jié)能改造。

蓄冰式空調(diào)利用夜間低谷電力制冰，貯存冷量，在白天用電高峰時放出冷量取代或補充制冷，從而起到削峰填谷的作用。因此，在既有建筑空調(diào)冷源節(jié)能改造中大力推進(jìn)蓄冷技術(shù)的應(yīng)用，將能在充分利用建筑現(xiàn)有設(shè)備的情況下，極大地緩解電力供應(yīng)高峰不足與低谷過剩的矛盾，對推進(jìn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)節(jié)約型社會、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟均具有重要意義。

2 冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

從世界范圍來看，冰蓄冷技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用從20世紀(jì)30～60年代以減小制冷機容量為主要目的的起步階段，到20世紀(jì)70～80年代以轉(zhuǎn)移高峰用電時段空調(diào)用電負(fù)荷為主要目的的“移峰填谷”的快速發(fā)展階段，再到20世紀(jì)90年代中期以來利用冰蓄冷的“高品位冷能”與其他空調(diào)裝置的有機結(jié)合，以提高空調(diào)制冷系統(tǒng)整體能效和降低整體投資及建筑造價，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適為目標(biāo)的技術(shù)成熟階段，其經(jīng)歷了漫長的過程【1】。

國內(nèi)的蓄冷空調(diào)技術(shù)研究和應(yīng)用雖然起步較晚，但目前在全國范圍內(nèi)采用冰蓄冷空調(diào)的工程正在逐年增多，個別的冰蓄冷空調(diào)工程還達(dá)到了較高的水平。我國的冰蓄冷空調(diào)技術(shù)正在逐步接近世界先進(jìn)水平。

3 冰蓄冷技術(shù)的優(yōu)勢

（1）節(jié)能減排社會效益顯著

冰蓄冷技術(shù)通過 “移峰填谷”，從而可起到緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力，改善電力質(zhì)量，降低配套輸電線路容量需求，減少或延緩新建電廠，保障新能源接入，降低電力系統(tǒng)的運行成本和碳排放量等作用。

（2）運行能耗降低

蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，充分利用峰谷分時電價，減少高峰期用電量，在分時電價差別較大的地區(qū)，節(jié)省運行費用效果非常明顯，從而大大地減少了空調(diào)系統(tǒng)運行費用。

（3）維護(hù)費用降低

對于制冷設(shè)備由于冰蓄冷系統(tǒng)冷機大多處在滿負(fù)荷運行，極大地減少了制冷機的開啟次數(shù)，從而延長了使用壽命，間接節(jié)省了維護(hù)費用；由于冰蓄冷系統(tǒng)的冷卻塔、水泵等部分比常規(guī)系統(tǒng)要少，從而減少了相應(yīng)的維護(hù)與運行成本；另外蓄冰設(shè)備由于沒有運轉(zhuǎn)部件，所以日常的維護(hù)費用較低。

（4）運行安全性與舒適性提高

蓄冷設(shè)備可以作為緊急冷源供應(yīng)，降低空調(diào)系統(tǒng)對外接電源的依賴性，提高供冷可靠性。冰蓄冷低溫送風(fēng)，除濕能力更強，抑制有害細(xì)菌的生長，增加空氣的新鮮感，使人感到更舒適。

4 冰蓄冷空調(diào)在既有建筑改造中的應(yīng)用【2】

（1）既有建筑的冷源改造成冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性

既有建筑的冷源改造成冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性主要取決于系統(tǒng)改造費用和運行費用。對于改造費用，蓄冷率對其有直接的影響，蓄冷率越大，系統(tǒng)的改造費用會隨著蓄冷容量的增加而增加；而蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢之一就是在電價低谷時蓄存冷量，在電價峰值時釋放冷量，減少系統(tǒng)的運行費用。這樣，初投資和運行費用之和在蓄冷率增加的過程中可能會出現(xiàn)一個最小值，這個最小值所對應(yīng)的蓄冷率就是最佳蓄冷率。在最佳蓄冷率的情況下，蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性會得到最大限度的發(fā)揮。

（2）既有建筑蓄冰空調(diào)改造經(jīng)濟性的相關(guān)研究結(jié)論

夏熱冬冷地區(qū)與夏熱冬暖地區(qū)進(jìn)行既有建筑空調(diào)冷源蓄冷節(jié)能改造時，改造費用受蓄冷率影響最大，溫和地區(qū)受蓄冷率影響最小。夏熱冬冷地區(qū)最具節(jié)能改造的潛力，其節(jié)能潛力幾乎為寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)的兩倍。夏熱冬暖地區(qū)節(jié)能效果也很顯著，而溫和地區(qū)則不適宜將既有建筑空調(diào)冷源進(jìn)行蓄冷改造。夏熱冬冷地區(qū)最佳蓄冷率最高，夏熱冬暖地區(qū)次之，寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)再次之。

5 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能改造應(yīng)用中應(yīng)注意的問題【3】

對于既有建筑空調(diào)冷源改造成冰蓄冷空調(diào)時，需要注意以下問題：

（1）需要對改造系統(tǒng)的運行策略及蓄冷率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益。

（2）必須掌握運行動態(tài)特征，合理地處理蓄冷、單獨供冷、同時供冷、同時放冷或獨自放冷的關(guān)系，實現(xiàn)最佳運行和最大的節(jié)能。

（3）核查所進(jìn)行節(jié)能改造的既有建筑是否符合改造標(biāo)準(zhǔn)。對于既有建筑節(jié)能改造項目，冰蓄冷系統(tǒng)的適用性取決于對所有適用技術(shù)與經(jīng)濟因素的一項全面而又有充分依據(jù)的評價。冰蓄冷空調(diào)使用年限必須和國際上或與ASHRAE要求集中式空調(diào)系統(tǒng)的使用年限（20～25年）相一致，在使用冰蓄冷空調(diào)前必須對它的一次投資和運行費用做認(rèn)真估算，只要投資在5年內(nèi)能回收，可立即采用。對冰蓄冷空調(diào)的評估即產(chǎn)生1kW冷量的耗電指標(biāo)不應(yīng)超過0.56kW，制冷系數(shù)在2.5以上，這樣2～3年內(nèi)就可以回收投資。

（4）冰蓄冷系統(tǒng)改造在夏熱冬冷地區(qū)最具節(jié)能改造的潛力，其節(jié)能潛力幾乎為寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)的兩倍。夏熱冬暖地區(qū)節(jié)能效果也非常顯著。但溫和地區(qū)不適宜將既有建筑空調(diào)冷源進(jìn)行蓄冷改造。

（5）冰蓄冷改造適用場合主要有商場、賓館、飯店、辦公樓等存在冷負(fù)荷高峰和用電高峰，持續(xù)時間長的場所；體育館、展覽館、影劇院等冷負(fù)荷大，持續(xù)時間短的場所；制藥、食品加工、啤酒業(yè)、奶制品工業(yè)等用冷量大，絕大多數(shù)空調(diào)負(fù)荷集中在白天的制造業(yè)。

6 國內(nèi)典型工程案例

6.1 亞龍灣冰蓄冷區(qū)域供冷站【4】

亞龍灣冰蓄冷區(qū)域供冷站一期設(shè)計供冷面積約40萬平方米，2010年底建成。在運行一年內(nèi)相繼接入天域一期、天域二期、紅樹林、華宇皇冠、喜來登5家酒店，為這些五星級酒店提供高品質(zhì)空調(diào)用冷水服務(wù)。該工程采用優(yōu)化控制（智能控制）系統(tǒng)，根據(jù)測定的氣象條件及負(fù)荷側(cè)回水溫度、流量，通過計算預(yù)測全天逐時負(fù)荷，然后制定主機和蓄冰設(shè)備的逐時負(fù)荷分配（運行控制）情況，控制主機輸出，最大限度地利用蓄冰設(shè)備融冰供冷，以達(dá)到節(jié)約電費之目的。該工程采用冰蓄冷系統(tǒng)后全年可節(jié)省運行費用約80萬元，經(jīng)濟效益顯著；同時，利用蓄能技術(shù)移峰填谷，平衡了電網(wǎng)負(fù)荷，在增加空調(diào)負(fù)荷的條件下不增加電力容量，提高了電廠發(fā)電設(shè)備的利用率，降低了電廠、電網(wǎng)的運行成本，減少了電廠、電網(wǎng)的基礎(chǔ)建設(shè)投入，社會效益明顯。

效益1：有效降低亞龍灣區(qū)域的電力裝機容量。

效益2：區(qū)域冷站可有效轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷4000kW，相當(dāng)于目前亞龍灣變電站供應(yīng)能力10%的高峰容量。

效益3：提高能源效率，保護(hù)環(huán)境。

區(qū)域供冷站全年可轉(zhuǎn)移峰值電量1036萬度，減少能耗3000多噸標(biāo)準(zhǔn)煤，少排放二氧化硫30噸、二氧化碳9000噸、氮氧化物近30噸，相當(dāng)于造林1644公頃。

亞龍灣站在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)了既有五星級酒店空調(diào)冷源的改造，以實踐證明了冰蓄冷區(qū)域供冷的經(jīng)濟性、舒適性與穩(wěn)定性，并驗證了對地區(qū)電力“消峰填谷”的社會意義。

6.2 中國大飯店及國貿(mào)一期工程制冷機房改造【5】

中國大飯店及國貿(mào)一期工程隨著經(jīng)營業(yè)務(wù)的擴大和附屬建筑物的改擴建，空調(diào)面積增加約8000m2，從長遠(yuǎn)規(guī)劃考慮，需要增加空調(diào)冷負(fù)荷。另外，原有制冷機組已進(jìn)入大修更新階段，需要解決該階段的供冷問題。同時，大飯店及國貿(mào)一期機電設(shè)備的更新改造也增加了冬季冷負(fù)荷，所以需要對制冷機房進(jìn)行改造?？紤]到原有制冷設(shè)備還能夠正常使用，最終在改造中采用的是部分負(fù)荷蓄冰系統(tǒng)。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與原有常規(guī)制冷系統(tǒng)并聯(lián)協(xié)調(diào)使用，起到了良好的節(jié)電效果。每年節(jié)省電費約57萬元，轉(zhuǎn)移峰值負(fù)荷7200kW。

6.3 唐山百貨大樓空調(diào)系統(tǒng)改造【6】

唐山百貨大樓建筑面積40000m2，分為超市和條式樓兩部分。其中超市集中空調(diào)系統(tǒng)于1992年建成，條式樓集中空調(diào)系統(tǒng)于1996年建成。大樓空調(diào)用電占大樓總用電近70%，改造前由于原有變壓器嚴(yán)重超負(fù)荷運行，不得不限電或限制其他項目運行。如果增加變壓器容量和購買用電指標(biāo)，除一次花費480萬元，還會加劇唐山電網(wǎng)峰谷的不平衡。經(jīng)多方經(jīng)濟、技術(shù)論證和考察，最終決定用冰蓄冷技術(shù)來解決唐山百貨大樓的供電不足問題。在最終改造中采用的是部分蓄冷系統(tǒng)，充分利用原有條式樓制冷機房的設(shè)備，提高原有設(shè)備利用率，減少投資。工程改造中新增和改造設(shè)備投資240萬元，加上管道等安裝費用總計380萬。與增加變壓器容量及購買用電指標(biāo)相比，花費減少將近100萬。并且原有超市中制冷機房內(nèi)設(shè)備全部可以變賣或投入其他項目中，又能收回近百萬投資。另外由于峰谷用電價差，運行費用每月節(jié)省近10萬元。

7 結(jié)束語

國家的政策和規(guī)劃中，既有建筑節(jié)能改造不斷深化，新能源產(chǎn)業(yè)不斷升溫。在既有建筑改造中大力推廣新能源是當(dāng)前建筑行業(yè)的一個熱點。目前冰蓄冷技術(shù)已經(jīng)在實踐中逐漸成熟，在既有建筑改造中大力推廣該項技術(shù)，不僅能在充分利用建筑現(xiàn)有設(shè)備的情況下，促進(jìn)既有建筑節(jié)能改造的實施，而且能極大地緩解區(qū)域電力供應(yīng)高峰不足與低谷過剩的矛盾。對推進(jìn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)節(jié)約型社會，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟均具有重要意義。

1 許肖飛，周光輝.我國新型冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J] .中原工學(xué)院學(xué)報，2006，17（1）:55-58

2 牛福新，倪龍，姚楊，馬最良.既有建筑空調(diào)冷源蓄冷節(jié)能改造的經(jīng)濟優(yōu)化[J] .暖通空調(diào)，2010，40（6）: 32-36

3 王艷華 .冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)技術(shù)在節(jié)能改造中的應(yīng)用[C].第六屆國際綠色建筑與建筑節(jié)能大會論文集. 2010

4 宋孝春，李娟，夏樹威.亞龍灣區(qū)域供冷系統(tǒng)設(shè)計[J].暖通空調(diào)，2010，40（6）:57-60，

5 宋孝春.中國大飯店冰蓄冷空調(diào)設(shè)計[J].暖通空調(diào)，2002，32（4）: 60-62

6 高劍云，李宏民.冰蓄冷在唐山百貨大樓空調(diào)系統(tǒng)改造中的應(yīng)用[J]，暖通空調(diào).1999，29（2）: 50-51