冰蓄冷空調(diào)設(shè)計要點分析

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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

改革開放以來，我國的電力工業(yè)得到了快速發(fā)展。但是，我國電力供應(yīng)緊張的矛盾仍很突出，特別是用電高峰與用電低谷之間的差距很大。冰蓄冷技術(shù)所具有的“削峰填谷”的優(yōu)點可以解決這一日益突出的矛盾。其技術(shù)原理[1-2]是在夜間用電低谷期采用電制冷機制冷，將冷量以冰的形式儲存起來，而在電力負(fù)荷較高的白天將冰融化以釋放冷量，用以部分或全部滿足建筑物空調(diào)負(fù)荷的需要。該技術(shù)已在眾多的建筑中得到了使用[3-4]。然而冰蓄冷空調(diào)工程與常規(guī)的空調(diào)工程相比，其設(shè)計選型較為復(fù)雜，投資較大，施工、調(diào)試、驗收及運行管理復(fù)雜，所以，也使得其應(yīng)用受到了很大的限制。本文從冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的主要適用場合、系統(tǒng)負(fù)荷和冰蓄冷方式的確定、設(shè)備的選擇、施工圖要求等方面，論述了冰蓄冷空調(diào)工程的設(shè)計要點。

1 冰蓄冷空調(diào)工程的主要適用場合

冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的主要適用范圍是在執(zhí)行峰谷電價且峰谷電價差較大的地區(qū)，在技術(shù)經(jīng)濟比較合理時才具有使用優(yōu)勢，具體適用場合如下：

(1)建筑物的冷負(fù)荷具有顯著的不均衡性，低谷電期間有條件利用閑置設(shè)備進行制冷時。

(2)逐時負(fù)荷的峰谷差懸殊，使用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)會導(dǎo)致裝機容量過大，且經(jīng)常處于部分負(fù)荷下運行時。

(3)空調(diào)負(fù)荷高峰與電網(wǎng)高峰時段重合，且在電網(wǎng)低谷時段空調(diào)的負(fù)荷較小。

(4)有避峰限電要求或必須設(shè)置應(yīng)急冷源的場所。

(5)采用大溫差低溫供水或低溫送風(fēng)的空調(diào)工程。

(6)采用區(qū)域集中供冷的空調(diào)工程。

(7)在新建或改建項目中，需具有放置蓄冰裝置的空間。

(8)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)能獲得很好的經(jīng)濟效益時。

2 系統(tǒng)負(fù)荷和冰蓄冷方式的確定

2.1 分析工程概況

將建筑規(guī)模、負(fù)荷等條件了解清楚，包括建筑性質(zhì)、規(guī)模(層數(shù)、面積、層高)、機房位置、變配電房位置、冷卻塔位置、設(shè)備層承載、末端管材、末端定壓方式、尖峰負(fù)荷、使用時間、分時電價情況、供回水溫度等。

2.2 負(fù)荷的確定

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)設(shè)計逐時氣象數(shù)據(jù)、建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、人員數(shù)量、照明情況、內(nèi)部設(shè)備以及使用時間，采用不穩(wěn)定計算法逐時進行計算(可采用軟件計算)。在逐時冷負(fù)荷的計算中，除建筑物冷負(fù)荷外，還應(yīng)包括附加冷負(fù)荷部分。在方案設(shè)計階段或初步設(shè)計階段，可采用逐時冷負(fù)荷系數(shù)法或平均負(fù)荷系數(shù)法，按照峰值負(fù)荷估計設(shè)計日逐時冷負(fù)荷。

2.3 確定冰蓄冷方式

冰蓄冷方式主要包括：動態(tài)型冰蓄冷、盤管外結(jié)冰式(內(nèi)融冰系統(tǒng)和外融冰系統(tǒng))和冰球系統(tǒng)。冰蓄冷系統(tǒng)的形式有主機在上游的串聯(lián)系統(tǒng)、主機在下游的串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)。具體采用何種流程，應(yīng)根據(jù)建筑物冰蓄冷周期、逐時負(fù)荷曲線、工程概況、冰蓄冷設(shè)備的特性和現(xiàn)場條件等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

2.4 確定最佳蓄冷比例

冰蓄冷運行模式有全量蓄冰模式和部分蓄冰模式。對于部分蓄冰模式，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷要按照一定的比例分配給制冷主機和蓄冰裝置。在分配負(fù)荷時，應(yīng)根據(jù)逐時冷負(fù)荷曲線、電力分時電價情況、設(shè)備初投資和投資回收情況進行優(yōu)化設(shè)計。最佳的蓄冷比例一般取30%～70%。

3 設(shè)備的選擇

3.1 設(shè)備容量的確定

(1)蓄冰裝置的容量應(yīng)滿足制冷機容量的要求及聯(lián)供時所承擔(dān)的空調(diào)負(fù)荷。

全蓄冰系統(tǒng)按照設(shè)計日總冷負(fù)荷計算，計算公式為：

Qs=ε×Q

(1)

式中：Qs——蓄冰裝置容量，kW·h；ε——蓄冰裝置的實際放大系數(shù)，取1.03～1.05；Q——設(shè)計的日總冷負(fù)荷，kW·h。 部分冰蓄冷系統(tǒng)按照部分冰蓄冷系統(tǒng)的制冷機容量進行計算，計算公式為：

Qs=ε×n2×Cf×qc

(2)

式中：n2——白天制冷機在空調(diào)工況下的運行時間，h；Cf——制冷及制冰工況系數(shù)，由生產(chǎn)廠家提供；qc——空調(diào)工況下制冷機的制冷量，kW·h。 (2)制冷機的容量應(yīng)能適應(yīng)制冷和制冰兩種工況，其制冷量應(yīng)根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的資料，對兩種工況分別計算。

全蓄冰模式時，制冷機制冷量計算公式為：

(3)

部分蓄冰時，制冷機制冷量計算公式為：

(4)

式中：n1——制冷機制冰工況下的運行時間，一般為低電價小時數(shù)，h。 如果計算得出的制冷機制冷量qc大于該時段制冷機承擔(dān)的逐時冷負(fù)荷時，則需要對n2進行修正。

(3)夜間蓄能期間需要供冷時，應(yīng)設(shè)置基載制冷機(若所需冷量較小可不設(shè))，其容量按夜間末端最大負(fù)荷確定。白天末端負(fù)荷較大，受冰蓄冷空調(diào)能力所限，大部分的負(fù)荷由常規(guī)基載提供的系統(tǒng)承擔(dān)，其基載容量按尖峰負(fù)荷減去蓄能空調(diào)所能提供的最大容量。

(4)板式換熱器的換熱量為尖峰負(fù)荷減去基載制冷機的制冷量，系統(tǒng)未配置基載制冷機時即為尖峰負(fù)荷。

(5)乙二醇定壓裝置應(yīng)按系統(tǒng)容積下25%乙二醇溶液在溫度16 ℃與-10 ℃時的密度來計算膨脹量，確定氣壓罐或開式系統(tǒng)中的水箱容積。

(6)冰球系統(tǒng)蓄冰槽容積、純乙二醇量按蓄冰量或廠家提供的數(shù)據(jù)進行估算。

(7)制冰溫度：盤管系統(tǒng)為-5.5 ℃，冰球系統(tǒng)為-6.7 ℃。

(8)板式換熱器乙二醇側(cè)的進出口溫度：盤管分別為3.5 ℃和10.5～11 ℃，冰球系統(tǒng)分別為5 ℃和10 ℃。

3.2 水泵揚程的估算

(1)乙二醇回路：主機蒸發(fā)器、盤管、板式換熱器(乙二醇側(cè))壓降按樣本或廠家提供的計算書，管道估算為8m，富余2m，總揚程在32～45m之間；一級泵系統(tǒng)的乙二醇泵負(fù)擔(dān)蒸發(fā)器、盤管、板式換熱器(乙二醇側(cè))的阻力以及所有乙二醇管路的壓降；二級泵系統(tǒng)的初級泵負(fù)擔(dān)蒸發(fā)器、盤管以及部分乙二醇管路的阻力；次級泵系統(tǒng)負(fù)擔(dān)板式換熱器以及部分乙二醇管路的阻力。

(2)冷凍水回路：板式換熱器(水側(cè))壓降、基載制冷機蒸發(fā)器壓降按樣本或廠家提供的計算書，管道(機房、末端管網(wǎng))估算為22m，總揚程在32～38m之間。

(3)冷卻水回路：主機冷凝器壓降、冷卻塔揚程按樣本或廠家提供的計算書，管道估算為6m，富余2m，總揚程在22～28m之間。

以上乙二醇管路和冷凍水管路為閉式系統(tǒng)，管路系統(tǒng)水泵揚程的計算與管道垂直距離無關(guān)；而冷卻水管道大多數(shù)為開式系統(tǒng)，需考慮低位(冷卻塔集水盤)的水提升到管路系統(tǒng)最高點的高差，供貨廠家一般在產(chǎn)品樣本中會提供冷卻塔的揚程。

4 施工圖要求

4.1 現(xiàn)場勘查

了解冷凍機房和鍋爐所在位置；標(biāo)注出機房的層高(應(yīng)為扣除梁高的凈高)，大樓總高度；標(biāo)注設(shè)備吊物孔或運輸通道的位置以及尺寸；標(biāo)注冷水、熱水管道的管徑及坡度；冷卻塔的放置位置；配電室的位置，低配動力電纜至機房的走向；排水集水井的位置以及尺寸。

4.2 設(shè)備布置要求

(1)控制室靠近大樓的配電間，控制室內(nèi)主要設(shè)備為電氣專業(yè)的動力柜、系統(tǒng)柜和上位機控制臺，房間面積約18m2。

(2)冷水機組、電鍋爐應(yīng)與控制室相近，以減少動力電纜的長度。

(3)冷水機組的其中一側(cè)需考慮檢修抽管空間(縱向)，臥式電鍋爐兩端留>900mm的電熱管更換空間，立式電鍋爐的電熱管更換空間留在鍋爐的上方。

(4)冷熱系統(tǒng)同處一個機房的應(yīng)劃分好區(qū)塊，將冷熱分塊布置，以便于管路設(shè)計和操作管理。

(5)蓄冰裝置和蓄熱裝置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離控制室，靠墻角布置。

(6)系統(tǒng)設(shè)有燃油、燃?xì)忮仩t的應(yīng)單設(shè)鍋爐房，與冷凍機房用隔墻隔開。

4.3 管道布置要求

(1)多臺設(shè)備(如水泵、冷水機組、電熱水鍋爐、蓄冰盤管等)并聯(lián)接管時應(yīng)盡可能按同程連接，但在遇到開式多臺(常壓)設(shè)備(如冷卻塔、蓄熱蓄冷水箱、常壓鍋爐等)并聯(lián)接管時不必刻意同程連接，否則會適得其反。

(2)不同高度而同一方向的管道應(yīng)盡可能布置成同一水平管位，這樣可以減少管道支、吊架的布置數(shù)量。

(3)管道布置時盡可能沿建筑物的墻、柱、梁布置，以便于設(shè)置支吊架。

(4)蓄冰槽槽體內(nèi)布管(分配管)可以采用并排沿槽體縱向兩端進行布管，也可以采用上下布管。

5 結(jié)語

隨著能源問題的加劇，冰蓄冷技術(shù)得到了很大的發(fā)展，但由于其初投資大，設(shè)計選型復(fù)雜，施工、調(diào)試、驗收及運行管理復(fù)雜等缺點，限制了其在實際空調(diào)工程中的應(yīng)用。本文從冰蓄冷空調(diào)工程的適用范圍、系統(tǒng)負(fù)荷和流程的確定、設(shè)備的選擇以及施工圖要求等方面，論述了冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的設(shè)計要點。從長遠(yuǎn)來看，還應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計，以使其經(jīng)濟性得到提高。同時應(yīng)規(guī)范冰蓄冷設(shè)備的性能參數(shù)，建立標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計選型軟件以簡化設(shè)計，使冰蓄冷空調(diào)工程應(yīng)用與發(fā)展緩慢的現(xiàn)狀得到改善。

參考文獻：

[1] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[2] 北京市建筑設(shè)計研究院.北京地區(qū)冷卻塔供冷設(shè)計指南[M].北京：中國計劃出版社，2011.

[3] 王蓓，夏偉勤.上海鐵路南站南廣場冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[J].制冷空調(diào)與電力機械，2010，31(3)：39-44.

[4] 盛曉康，董靜.中國國家博物館暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[J].暖通空調(diào)，2011，41(10)：1-6.