蓄冷空調(diào)在大型公共建筑中的應(yīng)用分析

賴文彬

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院,廣州510010)

在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家對(duì)節(jié)能和能源的有效利用都十分重視,蓄冷技術(shù)在這些國家已經(jīng)比較成熟,有很大部分的建筑物都在使用蓄冷技術(shù)。在我國,國家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)近年來也相繼召開多次有關(guān)蓄冷空調(diào)的技術(shù)交流會(huì),指出繼續(xù)大力推廣蓄冷空調(diào)技術(shù)、充分運(yùn)用價(jià)格杠桿以鼓勵(lì)用戶采用蓄冷空調(diào)的必要性。

根據(jù)有關(guān)部門的分析認(rèn)為,2012年我國用電仍然緊張,峰谷差仍然較大。據(jù)統(tǒng)計(jì),夏季城市空調(diào)的用電負(fù)荷已占到城市高峰電力總負(fù)荷的40%以上,而在夜間,絕大多數(shù)中央空調(diào)停止運(yùn)行,造成電力系統(tǒng)發(fā)送電不均衡,夜間電力系統(tǒng)設(shè)備閑置,使用率低,國內(nèi)電力能源使用處于嚴(yán)重的失衡狀態(tài)。這是造成電網(wǎng)峰谷荷差逐步加大的最主要誘因。所以,越來越多的地區(qū)相應(yīng)實(shí)施峰谷電價(jià),采取一些諸如政策性補(bǔ)貼的措施鼓勵(lì)蓄能空調(diào)的使用和推廣。在廣州地區(qū),工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)施峰谷電價(jià),民用領(lǐng)域也開始出現(xiàn)峰谷電價(jià)的意向。根據(jù)廣東省物價(jià)局 “粵價(jià)函 【2009】516號(hào)文答復(fù)意見:“選擇廣州作為蓄冷電價(jià)政策試點(diǎn)地區(qū),抽取9個(gè)現(xiàn)行或潛在的蓄冷空調(diào)項(xiàng)目……”。這就為廣州地區(qū)民用建筑設(shè)蓄冷空調(diào)提供了可能性。

1 蓄冷空調(diào)形式及特性

蓄冷空調(diào)簡單來說,就是在用電低谷時(shí)段采用電制冷,把冷量以冷凍水、冰或共晶鹽的形式儲(chǔ)存起來,在用電高峰的時(shí)候把冷量釋放出來使用,減少在用電高峰時(shí)主機(jī)的開啟時(shí)間,從而對(duì)電網(wǎng)起到削峰填谷的作用,對(duì)使用者也起到減少運(yùn)行費(fèi)用的目的。在民用建筑中常見的蓄冷可以歸結(jié)為水蓄冷和冰蓄冷兩大類。

水蓄冷,就是以水作為蓄能介質(zhì)的蓄冷系統(tǒng)。利用水的潛熱進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放。水在蓄冷和放冷的過程中只發(fā)生溫度的變化并不發(fā)生相變,所以制冷機(jī)組的出水溫度較高,制冷效率高,與常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)較為接近,控制也較為簡單。

水蓄冷的形式一般有3種:1)自然分層式。利用水在4℃以上時(shí)隨著水溫的升高,其密度在不斷減小,如果不受到外力擾動(dòng),容易形成冷水在下,熱水在上的自然分層狀態(tài)。此形式在國內(nèi)的新建機(jī)場中用得較多。2)迷宮式。采用隔板把水槽分成很多個(gè)單元格,水流按照設(shè)計(jì)的路線依次流過每個(gè)單元格,能較好地防止冷熱水混合。3)隔板式。在蓄水罐內(nèi)部水平布置一個(gè)活動(dòng)的柔性膈膜或一個(gè)可移動(dòng)的剛性隔板,來實(shí)現(xiàn)冷熱水的分離。

冰蓄冷,利用水的的顯熱和相變能來蓄能。水在蓄冷和放冷時(shí)均發(fā)生相變,蓄冰時(shí)雙工況制冷機(jī)組的制冷效率有所下降,蓄冷量受到一定的限制,控制較復(fù)雜。

目前國內(nèi)出現(xiàn)的冰蓄冷形式主要有:

1)冰盤管。就是把盤管浸泡在冰槽中,通過盤管實(shí)現(xiàn)冷熱交換,將槽內(nèi)的水部分凍結(jié)成冰儲(chǔ)存冷量或?qū)⒈诨尫爬淞俊Ｆ浞艧嵝问降牟煌?又分為外融冰和內(nèi)融冰兩種。

2)冰球。也叫封裝式蓄冰裝置,將蓄冷的介質(zhì)用球體封裝起來,冰球內(nèi)的相變物質(zhì)液凍結(jié)或融化來進(jìn)行蓄冷或放冷。

3)動(dòng)態(tài)制冰 (冰漿式和冰片滑落式)。冰漿式就是通過制冷機(jī)組把水過冷至-2℃左右,再讓過冷水凝結(jié)成細(xì)小的冰漿,與水形成漿狀冰水混合物儲(chǔ)存在槽內(nèi)。此系統(tǒng)制冰速度快、融冰效率較高,供冷溫度低,可達(dá)1℃,但對(duì)控制的要求較高,同時(shí),由于利用水的過冷度,所以對(duì)水質(zhì)的要求較高。冰片滑落式,采用制冷劑直接蒸發(fā)制冰,在蒸發(fā)板上形成片狀冰,通過熱氣脫冰的方法,片狀冰破裂成碎片冰保存在蓄冰槽中,融冰速率較高。

現(xiàn)我們以廣州白云國際機(jī)場2號(hào)航站樓為例來分析各種蓄冷空調(diào)的特性。

2 項(xiàng)目概況

廣州白云國際機(jī)場2號(hào)航站樓位于廣州市白云區(qū),是我國主要航空樞紐之一。至今已建有航站樓49萬平方米并投入使用,其中1號(hào)航站樓面積為35萬平方米。即將建的T2航站樓總建筑面積約63萬平方米。已建的1號(hào)航站樓在2004年8月投入使用,根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行耗電量統(tǒng)計(jì)顯示,按完整的年份統(tǒng)計(jì),自2005年以來,每年主機(jī)房的耗電量均在 3.2億kWh以上,占整個(gè)航站樓用電量的30%～40%。所以設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)能、省錢的空調(diào)系統(tǒng)有非常大的必要性。

白云機(jī)場是是廣東省抽取的9個(gè)可能實(shí)施分時(shí)電價(jià)的試點(diǎn)項(xiàng)目之一。經(jīng)機(jī)場業(yè)主與發(fā)改委多次協(xié)商,初步確定白云機(jī)場的電價(jià)分兩個(gè)時(shí)段:0∶00～8∶00為用電低谷時(shí)段,電價(jià)為0.3元/kWh;其余時(shí)間用電為0.8404元/kWh。分時(shí)電價(jià)為設(shè)蓄冷空調(diào)提供了可行性。

3 建筑負(fù)荷及系統(tǒng)選擇分析

3.1 負(fù)荷分析

航站樓與其他的建筑相比,其在使用上有特殊性:旅客在室內(nèi)呆的時(shí)間相對(duì)較短,且人員數(shù)相對(duì)穩(wěn)定,外維護(hù)結(jié)構(gòu)大部分是玻璃幕墻。經(jīng)計(jì)算分析可知,室內(nèi)人員、新風(fēng)負(fù)荷約占17%,維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷約占38%,照明約占20%,室內(nèi)設(shè)備散熱約占25%。同時(shí),根據(jù)1號(hào)樓實(shí)際運(yùn)行記錄可知:基本上是每天5∶30開機(jī),23∶50停機(jī),有航班延誤的時(shí)候會(huì)推遲停機(jī),每年約有1個(gè)月的時(shí)間完全關(guān)閉主機(jī)不需制冷。每天上午開機(jī)后隨人員的增加負(fù)荷迅速增大,之后隨室外溫度的升高而增大。每天的負(fù)荷高峰出現(xiàn)在13∶00～16∶00點(diǎn)之間。根據(jù)實(shí)地調(diào)查,白云機(jī)場一期從2004年運(yùn)行以來,在最高負(fù)荷時(shí)均全部開啟制冷主機(jī),沒有余量。2號(hào)航站樓的各功能分布面積比例與一期幾乎一致,由于建筑方案還在調(diào)整之中,所以空調(diào)負(fù)荷暫時(shí)按一期的單位面積負(fù)荷指標(biāo)來進(jìn)行估算,待建筑方案確定后再進(jìn)行詳細(xì)的負(fù)荷計(jì)算:一期建筑面積負(fù)荷指標(biāo):160 W/m2T2航站樓負(fù)荷:

建筑面積:63萬m2,

冷負(fù)荷:

計(jì)算取值:Qz=28000RT=98473.5 kW

由白云機(jī)場一期一年的運(yùn)行記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,一年滿負(fù)荷運(yùn)行的天數(shù)約為 60天,75%和50%負(fù)荷運(yùn)行的天數(shù)約為120天,25%負(fù)荷運(yùn)行的天數(shù)約為30天。一天最高負(fù)荷出現(xiàn)在8月,取其最熱幾天平均值得出最高負(fù)荷日的逐時(shí)冷負(fù)荷 (見圖1)。

圖1 最高負(fù)荷日的冷負(fù)荷曲線

3.2 系統(tǒng)選擇及參數(shù)分析

按此冷負(fù)荷曲線,2號(hào)航站樓一天的最大需冷量為1 592 916kWh。根據(jù)各種蓄冷系統(tǒng)的工作原理,我們知道,系統(tǒng)的蓄冷量越大,系統(tǒng)節(jié)省的費(fèi)用將越多,為了讓各系統(tǒng)的方案更具有可比性,筆者決定制冷機(jī)組按滿負(fù)荷配置:系統(tǒng)配置14臺(tái)703.4kW(2000RT)的冷水機(jī)組。此機(jī)組在-6℃出水時(shí)產(chǎn)冷量為5099.65kW(1450RT)。由此可計(jì)算出各系統(tǒng)的最大蓄冷率:水蓄冷為40%,靜態(tài)冰蓄冷為26.9%,動(dòng)態(tài)蓄冰的蓄冷量為介于兩者之間。為了更充分的顯示各系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,我們選擇冰蓄冷均按25%的蓄冷率,水蓄冷按 25%和40%的蓄冷率來計(jì)算分析。

從對(duì)機(jī)場負(fù)荷的分布比列可知,顯熱負(fù)荷大,熱濕比大,從i-d圖分析和末端設(shè)備的換熱計(jì)算可知,適當(dāng)提高系統(tǒng)的供水溫度和供回水溫差是可以滿足末端的處理要求的。由于制冷主機(jī)冷凍水出水溫度每降1℃效率下降3%～5%,而且機(jī)場用地相對(duì)充裕,為了減少系統(tǒng)的輸送能耗,冷凍水采用6℃/16℃的供回水溫差。水蓄冷形式方面采用自然分層式,同時(shí)分析地上和地下兩種形式。冰蓄冷分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式。同時(shí)將分析結(jié)果與常規(guī)系統(tǒng)做比較。

4 系統(tǒng)方案

4.1 方案初始條件

1)系統(tǒng)總裝機(jī)容量98473.5kW(28000RT);

2)電價(jià):00∶00～8∶00:0.3元/kWh,其余時(shí)間0.8404元/kWh;

3)設(shè)計(jì)日負(fù)荷分布圖:見圖2。

4)各部分負(fù)荷的天數(shù) (見表1):

表1 各部分負(fù)荷的天數(shù)

5)每天5∶30開機(jī),24∶00關(guān)機(jī)

6)供回水溫度:6～16℃。

4.2 蓄冷方案

水蓄冷,蓄冷溫度為6℃,采用地上蓄冷罐時(shí),水體高度高于航站樓最高用冷點(diǎn),制冷機(jī)組6℃出水,蓄冷時(shí)直接向蓄冷罐供水,放冷時(shí)直接由蓄冷罐和主機(jī)供冷。采用地下蓄冷罐時(shí),由于增加了板式換熱器,制冷機(jī)組蓄冷時(shí)4℃出水,5℃蓄水,供冷時(shí)6℃出水。蓄冷罐采用自然分層技術(shù),控制斜溫層在0.3～1m。

冰蓄冷,采用雙工況制冷機(jī)組。靜態(tài)選擇冰球作為分析方案,制冷機(jī)組-6℃出水。動(dòng)態(tài)選擇冰漿式,制冷機(jī)組-2℃出水。系統(tǒng)供冷溫度均為6℃。

圖2 設(shè)計(jì)日負(fù)荷分布圖

4.3 方案分析結(jié)果比較。

結(jié)果詳見表2。

從分析的過程和結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn):

(1)對(duì)電網(wǎng)的作用:

水蓄冷采用40%的蓄冷率的時(shí)候,一年可以轉(zhuǎn)移約4.6×107kWh的電量,占總耗電量的56.3%;采用25%的蓄冷率的時(shí)候,一年可以轉(zhuǎn)移約3.1×107kWh的電量,占總耗電量的37.9%;蓄冷率越大對(duì)電網(wǎng)削峰填谷的作用越明顯。其它兩種冰蓄冷也得出相近的比例。

(2)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性:

水蓄冷池體積最大,地上水蓄冷的效率最高,投資及運(yùn)行費(fèi)用最低,回收期最短,地下水蓄冷次之。動(dòng)態(tài)冰蓄冷效率與靜態(tài)冰蓄冷接近。再從不同蓄冷率來看,運(yùn)行費(fèi)用上,40%的蓄冷率明顯比25%的蓄冷率的運(yùn)行費(fèi)用低,當(dāng)然投資額和蓄冷池也大了很多。從節(jié)能減費(fèi)的角度來看,如果空間允許,大蓄冷率的水蓄冷具有明顯優(yōu)勢。

(3)設(shè)計(jì)管理及控制:

水蓄冷,由于系統(tǒng)僅多了蓄冷泵和蓄冷罐,載冷劑均為水,未發(fā)生相變,控制較為簡單。設(shè)計(jì)上要把蓄水罐做成相對(duì)密閉,減小與大氣直接接觸的面積,以減少水質(zhì)污染的幾率和對(duì)藻類處理。對(duì)管理人員的要求相對(duì)較低。

冰蓄冷,需采用乙二醇作為載冷劑,且水發(fā)生了相變,系統(tǒng)較復(fù)雜。且對(duì)水質(zhì)的要求較高,各環(huán)節(jié)的監(jiān)控也要求較嚴(yán)格,對(duì)管理人員的要求也較高。

表2 蓄冷、冰蓄冷系統(tǒng)比較匯總

5 結(jié)束語

從廣州白云國際機(jī)場2號(hào)航站樓的分析結(jié)果可以直接總結(jié)出:在電價(jià)為00∶00～8∶00時(shí)段0.3元/kWh,其余時(shí)間0.8404元/kWh的條件可以得到實(shí)施的前提下,40%的地上水蓄冷經(jīng)濟(jì)性最好,如不允許地上設(shè)蓄冷罐,則40%的地下水蓄冷經(jīng)濟(jì)性最好。40%蓄冷率轉(zhuǎn)移電量大于25%的蓄冷率。

因此可以得出結(jié)論:蓄冷空調(diào)對(duì)電網(wǎng)削峰填谷的作用明顯,在存在電價(jià)差的前提下,水蓄冷的經(jīng)濟(jì)性最好,節(jié)省的費(fèi)用最多,但占用的空間也最大。

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