水蓄冷技術(shù)在某工程中的應(yīng)用

張偉力，李 恒，任鳳彥

（保定市建筑設(shè)計院有限公司，河北保定 071000）

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國家每年的電力消耗也在逐年增加。雖然電力部門耗用大量財力物力建設(shè)電廠，仍滿足不了每年用電量以5%～7%增長的需要。其中很重要的一個原因就是電網(wǎng)的負(fù)荷率低，高峰時電力嚴(yán)重不足，低谷時不能充分利用。高峰用電中空調(diào)用電就占了30%以上，這加劇了電力系統(tǒng)峰、谷差，極大地影響了發(fā)電的成本和電網(wǎng)的安全運行?？照{(diào)的用電負(fù)荷在電力谷段的用電量很小，所以水蓄冷技術(shù)對城市電網(wǎng)具有很大的“削峰填谷”作用。

水蓄冷技術(shù)在低谷電價時段將冷量存儲在水中，在白天用電高峰時段使用儲存的低溫冷凍水提供空調(diào)用冷。將電網(wǎng)高峰時段的空調(diào)用電量轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)低谷時使用，充分利用國家分時電價政策從而節(jié)約運行費用，并且削峰填谷，平衡電網(wǎng)壓力，還可減少制冷設(shè)備裝機容量，并減少電力投資費用［1－3］。

1 工程概況

某綜合樓位于河北省保定市，地下3層，均為車庫及設(shè)備用房，主樓地上28層，裙房最高5層。1～2層均用于商業(yè)。裙房3～5層、主樓3～28層均為公寓。根據(jù)甲方要求，商業(yè)及裙房公寓部分設(shè)中央空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)形式為采用風(fēng)機盤管＋新風(fēng)系統(tǒng)。夏季空調(diào)供／回水溫度為7／12 ℃，溫差為5 ℃。冬季空調(diào)供／回水溫度為60／50 ℃。熱源為市政95／70 ℃熱水進行二次換熱提供的60／50 ℃熱水?？照{(diào)系統(tǒng)總冷負(fù)荷為1 750kW，空調(diào)冷熱源設(shè)備均布置在地下3層冷熱源站房內(nèi)。

2 水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 空調(diào)冷源分析

該綜合樓位于保定市繁華的商業(yè)區(qū)，場地較為緊湊，可利用的空間很少，兩面與周圍商業(yè)建筑之間只有5m 寬的消防車道，這種特殊的場地使常規(guī)的地源熱泵系統(tǒng)的使用受到限制?？照{(diào)運行情況如下：商場每天運行12h，早9點到晚9點；公寓每天24h運行。空調(diào)負(fù)荷高峰時主要是商業(yè)白天的冷負(fù)荷，與電網(wǎng)高峰時正好重合；并且晚上公寓的負(fù)荷較小，正好是電網(wǎng)的低谷段；空調(diào)逐時負(fù)荷的峰、谷相差較大，使用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)會導(dǎo)致裝機容量過大，而且系統(tǒng)大部分時間處于部分負(fù)荷下運行；由于該項目為一類公共建筑，需設(shè)置1 000 m3的消防水池，若將消防水池改造成蓄冷水池，對于較小的夜間冷負(fù)荷是容易滿足的，只需在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加1套蓄冷裝置，在運行工況方面與常規(guī)空調(diào)基本一致，就可以將高峰時段的空調(diào)用電量轉(zhuǎn)移至低谷，達到節(jié)約運行電費的目的。同時消防水池中的水保持流動和低溫狀態(tài)，可有效防止水質(zhì)變壞和藻類滋生［4－8］。綜合考慮水蓄冷作為該項目的冷源是十分理想的。

2.2 水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計原則

進行水蓄冷設(shè)計時，須準(zhǔn)確分析建筑空調(diào)負(fù)荷特點，并計算建筑物的逐時負(fù)荷，然后根據(jù)設(shè)計負(fù)荷的特點和運行策略來確定系統(tǒng)選型和控制策略，目標(biāo)是盡可能地減少各種設(shè)備的裝機容量，并達到滿足各工作時段的負(fù)荷需求，在非滿負(fù)荷運行時應(yīng)充分利用蓄冷量，減少冷水機組運行時間，從而節(jié)省運行費用［9－14］。

經(jīng)過詳細(xì)地空調(diào)逐時負(fù)荷計算，結(jié)合從電力部門獲得的峰、谷電價數(shù)據(jù)，制定了夏季典型設(shè)計日負(fù)荷及電價圖表，結(jié)果見圖1。

圖1 夏季典型設(shè)計日逐時冷負(fù)荷圖表Fig.1 Bar graph of the hourly cooling load on a typical design day in summer

2.3 控制策略

水蓄冷系統(tǒng)通過控制閥門和設(shè)備，可以實現(xiàn)以下5種運行模式：1）雙工況機組夜間蓄冷；2）雙工況機組夜間蓄冷同時供冷；3）雙工況機組單獨供冷；4）蓄冷設(shè)備單獨供冷；5）雙工況機組和蓄冷設(shè)備聯(lián)合供冷［15－16］。水蓄冷系統(tǒng)及連接圖見圖2。

圖2 水蓄冷系統(tǒng)及連接圖Fig.2 Chilled water storage system and its connection diagram

3 系統(tǒng)運行方案

空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷隨室外氣象參數(shù)變化而變化，因此設(shè)備在全年運行中需不斷調(diào)節(jié)。對水蓄冷系統(tǒng)，在非滿負(fù)荷時應(yīng)充分利用蓄冷量，減少機組運行時間，從而節(jié)省運行費用［17］。根據(jù)這個原則，本工程采用2臺雙工況冷水機組（日間制冷工況7～12℃、夜間蓄冷工況4～9℃）。雙工況主機在夜間電力低谷時段向蓄冷水池蓄得冷量，日間在電力高峰時段時利用夜間蓄得的冷量向建筑物供冷。為達到節(jié)省電費的目的，系統(tǒng)運行應(yīng)該遵循：盡量不使用峰電，少使用平電，多使用谷電。

本文提出兩種運行方案，每種方案的系統(tǒng)配置及運行策略均不同，通過比較從中選出更優(yōu)的解決方案。

3.1 消防水池水蓄冷（夜間采用邊蓄邊供方式）

3.1.1 系統(tǒng)配置

選擇國內(nèi)外在工程中應(yīng)用較成熟的設(shè)備，功能完全滿足使用需要，建立合理的控制系統(tǒng)同時達到最佳控制效果；實現(xiàn)設(shè)計中的運行節(jié)能要求并兼顧設(shè)備價格因素，配置合理的系統(tǒng)。主要設(shè)備見表1。

表1 系統(tǒng)1設(shè)備表Tab.1 Equipments involved in system 1

3.1.2 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行策略說明

系統(tǒng)運行策略如下。

22：00－06 ：00：雙工況機組蓄冷工況運行8h，向蓄冷設(shè)備蓄得冷量并承擔(dān)基載負(fù)荷；

07：00－21 ：00：蓄冷設(shè)備輸出冷量，與雙工況主機聯(lián)合供冷或單獨供冷；

06：00－07 ：00，9：00－18：00，21：00－22：00：雙工況主機制冷工況供冷。

系統(tǒng)能量分配：

基載主機日間空調(diào)工況最大能量輸出為1 214kW；

夜間蓄冷工況制冷量：蓄冷990kW＋基載負(fù)荷126kW；

蓄冷設(shè)備夜間儲存的可利用冷量：7 920kW·h；

蓄冷設(shè)備日間最大輸出能量：972kW·h；

削峰量：100%；蓄冷設(shè)備削減冷量占總冷量：36.5%；

方案1夏季典型設(shè)計日100%冷負(fù)荷分配見圖3。蓄冷設(shè)備：消防蓄冷水池1 000m3。

圖3 夏季典型設(shè)計日100%冷負(fù)荷分配圖（方案1）Fig.3 100%cooling load distribution graph on a typical design day in summer（scheme 1）

3.2 消防水池水蓄冷（夜間負(fù)荷由水冷渦旋機組承擔(dān)）

本方案與方案1的不同之處在于夜間基載負(fù)荷的設(shè)計。

夜間基載完全由水冷渦旋機組承擔(dān)，帶來的相應(yīng)的變化如下：

1）雙工況主機容量減小，不存在夜間邊蓄邊供的工況，系統(tǒng)簡單；

2）夜間低負(fù)荷的制冷負(fù)荷完全由水冷渦旋冷水機組承擔(dān)；

3）水冷渦旋機組不是獨立運行的，其運行依賴于制冷機房冷卻塔系統(tǒng)的運行；

4）水冷渦旋機組及其配套冷卻水泵、冷凍水泵等都設(shè)置在機房內(nèi)部，需要增加機房占地面積約10m2；

5）系統(tǒng)配置見表2。

表2 系統(tǒng)2設(shè)備表Tab.2 Equipments involved in system 2

方案2夏季典型設(shè)計日100%冷負(fù)荷分配見圖4。

圖4 夏季典型設(shè)計日100%冷負(fù)荷分配圖（方案2）Fig.4 100%cooling load distribution graph on a typical design day in summer（scheme 2）

通過上述2種方案的比較，第2種方案中水冷渦旋機組不存在夜間邊蓄邊供的工況，系統(tǒng)效率得以提高；夜間建筑冷負(fù)荷較小，而且夜間電費相對較低，制冷負(fù)荷完全由水冷渦旋冷水機組承擔(dān)，對于系統(tǒng)的整體效率而言是最高的。故最終選擇了水冷渦旋機組方案。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 初投資

應(yīng)用水蓄冷技術(shù)后機房的初投資有所增加，消防水池布水器增加費用＋自控系統(tǒng)增加費用＋機房至消防水池供回水管增加費用＋板式換熱器增加費用＋增加的閥門水泵增加費用－制冷機組容量減少費用＝47 萬元，即初投資增加費用47萬元。

4.2 年運行費用

該建筑商場每天運行12h，早9點到晚9點；公寓每天24h運行。夏季運行120d，100%負(fù)荷運行時間26d，75%負(fù)荷運行時間53d，50%運行時間33d，25%運行時間8d。

則運行費用如下：常規(guī)機組年運行費用為404 366元；水蓄冷機組年運行費用為278 268 元。年節(jié)約運行費用約為12.6萬元。

5 結(jié) 語

經(jīng)過成本核算，水蓄冷增加的成本靜態(tài)回收期為47／12.6＝3.73a。而水蓄冷系統(tǒng)的使用壽命都在20年以上，隨著電價差的持續(xù)加大，本項目節(jié)省的費用也將成倍增長。故采用水蓄冷技術(shù)將帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

／References：

［1］ 張麗君，姜梅.天津濱海國際機場二期制冷站水蓄冷空調(diào)設(shè)計［J］.制冷與空調(diào)，2012，26（4）：353－358.ZHANG Lijun，JIANG Mei.Water cool storage air－conditioning system of Tianjin Binhai international airport phase II refrigeration station［J］.Refrigeration and Air Conditioning，2012，26（4）：353－358.

［2］ 衣健光，楊國榮.建筑區(qū)域供能系統(tǒng)的冷熱源選擇［J］.暖通空調(diào)，2013，43（9）：70－73.YI Jianguang，YANG Guorong.Selection of cold and heat sources in district building energy supply system［J］.Heating Ventilating ＆Air Conditioning，2013，43（9）：70－73.

［3］ 徐齊越，王琳，曾飛雄，等.間接蓄冷直接供冷式水蓄冷系統(tǒng)［J］.暖通空調(diào)，2011，41（6）：109－112.XU Qiyue，WANG Lin，ZENG Feixiong，et al.Indirect charging and direct discharging system of chilled water storage［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2011，41（6）：109－112.

［4］ 任建平，吳喜平.開式水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與施工調(diào)試分析［J］.暖通空調(diào)，2013，43（10）：83－85.REN Jianping，WU Xiping.Design and commissioning analysis of chilled water storage air conditioning system with open loop［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2013，43（10）：83－85.

［5］ 李洋，曾遠(yuǎn).淺談水蓄冷技術(shù)［J］.山西建筑，2010，36（35）：175－176.LI Yang，ZENG Yuan.On chilled water thermal storage technique［J］.Shanxi Architecture，2010，36（35）：175－176.

［6］ 黃麗，劉秋新.水蓄冷技術(shù)在商場空調(diào)冷源中的設(shè)計應(yīng)用及節(jié)能分析［J］.建筑節(jié)能，2010，38（3）：46－48.HUANG Li，LIU Qiuxin.Design and economy analysis of the chilled water thermal storage for air－conditioning cold source in a shopping mall［J］.Construction Conserves Energy，2010，38（3）：46－48.

［7］ 趙海杰.水蓄冷空調(diào)設(shè)計方法探討［J］.山西能源與節(jié)能，2009（5）：75－77.ZHAO Haijie.Investigation into design of chilled water storage air conditioning system［J］.Shanxi Energy and Conservation，2009（5）：75－77.

［8］ 楊飛，李小華，姜言濤，等.某新建辦公樓水蓄冷集中空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)分析［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2010（1）：66－69.YANG Fei，LI Xiaohua，JIANG Yantao，et al.Technical analysis of chilled water storage system for MIIT building［J］.Contamination Control ＆ Air Conditioning Technology，2010（1）：66－69.

［9］ 秦初息.水蓄冷空調(diào)技術(shù)的運用與經(jīng)濟性分析［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2010（20）：91－93.QIN Chuxi.The applications and economic analysis of waterstorage air conditioning technique［J］.Enterprise Science and Technology ＆Development，2010（20）：91－93.

［10］ 張原.水蓄冷在工程中的應(yīng)用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2008（18）：222.ZHANG Yuan.Application of chilled water storage system in project［J］.Sci－Tech Information Development ＆ Economy，2008（18）：222.

［11］ 賴文彬.水蓄冷在中小型建筑中的應(yīng)用［J］.制冷，2012，31（1）：56－59.LAI Wenbin.An application of chilled water storage in midsmall size architecture［J］.Refrigeration，2012，31（1）：56－59.

［12］ 李洋.水蓄冷在削峰填谷中的效益分析［J］.電力需求側(cè)管理，2014，16（2）：30－32.LI Yang.Benefit analysis of water storage in peak load shifting［J］.Power Demand Side Management，2014，16（2）：30－32.

［13］ 孫春華，金鳳云.兩種空調(diào)冷負(fù)荷計算方法工程實際應(yīng)用及分析［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，40（2）：67－71.SUN Chunhua，JIN Fengyun.The engineering application and analysis of two methods in air－conditioning cooling load calculation［J］.Journal of Hebei University of Technology，2011，40（2）：67－71.

［14］ 高東媛，杜宇，趙倩倩，等.數(shù)據(jù)中心應(yīng)用新風(fēng)直接引入式系統(tǒng)的潛力分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，30（3）：61－66.GAO Dongyuan，DU Yu，ZHAO Qianqian，et al.Potential analysis of directly introducing fresh air system used in data ceuter air conditioning system［J］.Journal of Hebei University of Engineering（Natural Science Edition），2013，30（3）：61－66.

［15］ 宋孝春.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施（暖通空調(diào)·動力）［M］.北京：中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院，2009.SONG Xiaochun.National Design Technical Measures of Civil Engineering（HVAC ＆Power）［M］.Beijing：China Institute of Building Standard Design ＆Research，2009.

［16］ 陸斌.水蓄冷技術(shù)及在酒店的應(yīng)用實例［J］.電力需求側(cè)管理，2012，14（6）：27－30.LU Bin.Practice of water cool－storage technology in hotel［J］.Power Demand Side Management，2012，14（6）：27－30.

［17］ JGJ 158—2008，蓄冷空調(diào)工程技術(shù)規(guī)程［S］.JGJ 158—2008，Cool Storage Air Conditioning Engineering Discipline［S］.