淺談上海地區(qū)某項目冰蓄冷系統(tǒng)設計

戴銀寶

( 華東建筑設計研究院有限公司,上海 200070 )

淺談上海地區(qū)某項目冰蓄冷系統(tǒng)設計

戴銀寶

( 華東建筑設計研究院有限公司,上海 200070 )

[摘要]結(jié)合該項目冰蓄冷系統(tǒng)設計，根據(jù)冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷和釋冷的特點，分析在計算空調(diào)負荷時需要關注的關鍵問題以及確定設備容量的主要計算方法。為保證冰蓄冷系統(tǒng)的合理運行，分析了系統(tǒng)在不同空調(diào)負荷率下的逐時運行策略，并由此確定系統(tǒng)的自動控制模式。

[關鍵詞]冰蓄冷；空調(diào)負荷；自動控制

收稿日期：2015-6-30 2015-9-4

作者簡介：戴銀寶(1987-)，男，助理工程師，主要從事暖通設計。Email：1064409928@qq.com

文章編號：ISSN1005-9180(2015)04-077-05

中圖分類號：TU831文獻標示碼：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.014

Abstract：Based on the ice storage system design of the building,according to the characteristics of the ice storage and discharge,discusses some key issues for calculating the cooling load and calculation methods to determine the main device capacity.In order to insure the normal operation of the ice storage system,analyses the hourly operational strategy under the different cooling load ratio and then determines the automatic control mode.

Introduction to the Design of Ice Storage

System of a Project in Shanghai

DAI Yinbao

( East China Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd.，Shanghai 200070 )

Key words:Ice storage;Air conditioning load;Automatic control

空調(diào)蓄冷技術的產(chǎn)生已經(jīng)有八十余年的歷史，而冰蓄冷技術又在20世紀80年代以來得到了長足的發(fā)展。當前，空調(diào)蓄冷技術的應用已成為電力負荷調(diào)峰的重要手段。

1工程概況

本工程位于上海市，總建筑面積約75968m2，建筑高度約80米。其中地下室建筑面積約25555m2，地上建筑面積約50413m2。地下室共2層，為車庫、設備及輔助用房；地上建筑由三棟樓組成， 1號樓17層，其中1～3層為辦公門廳及商業(yè)，4層以上為辦公用房；2號樓10層，其中1～3層為公寓式酒店門廳及商業(yè)，4層以上為公寓式酒店；3號樓為商業(yè)裙房，局部4層，配有餐飲等商業(yè)用房。其中1號樓、3號商業(yè)裙房采用冰蓄冷系統(tǒng)，制冷機房位于地下一層，冰蓄冷機房位于地下二層。

在工程設計之初進行了方案的可行性論證，上海地區(qū)執(zhí)行峰谷電價且差價較大，符合蓄能空調(diào)設計的基本條件，經(jīng)測算本工程冷負荷高峰與電網(wǎng)高峰時段重合，電網(wǎng)低谷時段空調(diào)負荷較小，如果按照最大負荷選擇制冷機，會導致裝機容量過大且經(jīng)常處于部分負荷運行的狀態(tài)，既不經(jīng)濟，也不節(jié)能；另外考慮到建筑的層高等技術要求，也為了滿足今后降低運行費用，提高空調(diào)舒適度，大樓的冷源最終確定采用冰蓄冷系統(tǒng)。

本文主要介紹本工程冰蓄冷系統(tǒng)冷源側(cè)的設計，關注設計的全過程以及重要的設計思路和方法。

2冰蓄冷系統(tǒng)設計

2.1室內(nèi)主要設計參數(shù)(見表2.1)

表2.1室內(nèi)主要涉及參數(shù)

房間名稱室內(nèi)參數(shù)最小人員密度噪聲夏季冬季新風量m2/pdB(A)T℃%T℃%m3/h·p商業(yè)26≤6018≥40203≤50餐飲25≤6020≥40302.5≤50大堂26≤6020≥402010≤45銀行26≤6020≥40194≤45公寓式酒店25≤6020≥405010≤45辦公24≤6020(外區(qū))22(內(nèi)區(qū))≥40358.5≤45

2.2冰蓄冷系統(tǒng)配置

該項目空調(diào)運行時段為8∶00至22∶00共14小時，1號樓、3號商業(yè)裙房夏季空調(diào)最大冷負荷在16∶00,為5793kW(1647RT)，夏季空調(diào)冷源采用冰蓄冷系統(tǒng)，主機采用2臺標準工況制冷量為2110kW(制冰工況制冷量為1407kW)的雙工況離心式電制冷冷水機組，并設置17臺容量為1337kWh的整體式蓄冰槽。蓄冷裝置提供的蓄冷量為22729kWh，設計日的冷量為66297kWh；蓄冷裝置提供的蓄冷量占設計日的冷量比例為34%，大于30%。

集中冷源中的冰蓄冷系統(tǒng)，由雙工況制冷機組、蓄冰裝置、板式換熱器、載冷劑溶液泵、空調(diào)冷凍水泵、冷卻塔、冷卻水泵、膨脹定壓裝置等設備和載冷劑閉式循環(huán)的管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。其中雙工況制冷機組采用離心型、冷媒為R123(R134a)；蓄冰裝置采用蛇形盤管的冰槽，容量為部分負荷蓄冰，載冷劑采用26%乙烯乙二醇溶液，并采用雙工況制冷機組在上游、冰槽在下游的串聯(lián)系統(tǒng)和蓄冰優(yōu)先的運行策略。冰蓄冷系統(tǒng)可完成蓄冰貯冷、制冷機和冰槽串聯(lián)融冰供冷、冰槽單獨融冰供冷、雙工況制冷機單獨空調(diào)供冷等多種運行模式；載冷劑溶液泵采用變頻調(diào)速裝置，以滿足不同運行模式時不同的流量和壓降的需要。系統(tǒng)制冰蓄冷時，供回液溫度為-6.0℃/-3.0℃；系統(tǒng)空調(diào)供冷時，供回液溫度為10.9℃/4℃，板式換熱器初級端與乙二醇溶液管路連接，次級端與空調(diào)水系統(tǒng)管路連接，空調(diào)供、回水的溫度為6℃/12℃。

2.3系統(tǒng)原理(見圖1)

運行模式主要設備和控制閥門的啟、停見表2.3。

1)載冷劑循環(huán)泵為變頻泵，該泵在各種模式運行中流量不變，揚程應滿足串聯(lián)融冰供冷模式時最大的系統(tǒng)壓降。在其它模式運行時，當系統(tǒng)壓降減小，變頻泵調(diào)速運行，以滿足系統(tǒng)的壓降要求。

2)根據(jù)T4的溫度變化啟停V3以及反向比例互調(diào)調(diào)節(jié)V3和V4的流量，以控制融冰速率和供液溫度和載冷劑循環(huán)泵的運行臺數(shù)。

3)根據(jù)T3的溫度調(diào)節(jié)V6的流量，并通過V7保持整個蓄冰系統(tǒng)的流量平衡。

4)根據(jù)T1、T2、F1的空調(diào)負荷量和T1的溫度變化值確定系統(tǒng)的運行模式和各類設備的臺數(shù)控制?？刂圃O備啟動的優(yōu)先程度:首選為模式3，次為模式2，最后為模式4，關停的程序與上述相反。

圖1　系統(tǒng)流程原理簡圖

表2.3運行模式主要設備和控制閥門的啟、停表

系統(tǒng)運行模式載冷劑循環(huán)泵雙工況制冷機組蓄冰槽板式換熱器冷凍水泵V1V2V3V4V5V6V7備注1蓄冰啟啟啟停停開關關關開關關2串聯(lián)融冰供冷啟啟啟啟啟開關調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)關調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)3融冰供冷啟停啟啟啟關開調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)關調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)4雙工況主機供冷啟啟停啟啟開關開關關調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)1)2、3兩種模式中V3和V4為反相比例互調(diào)。2)V6根據(jù)空調(diào)冷凍水的供水溫度調(diào)節(jié)3)V7為差壓旁通閥

5)在模式2中，根據(jù)T1、T2、F1的空調(diào)負荷量和溫度變化控制雙工況機組的啟、停臺數(shù)。

6)T5控制單臺雙工況機組的增載和卸載。

2.4系統(tǒng)運行分析

通過分析末端負荷側(cè)的需求和變化，可以進行運行策略和工況的調(diào)整，但控制策略的不同意味著計算方法的不同。常用的運行策略包括制冷機組優(yōu)先控制策略和蓄冰裝置優(yōu)先控制策略，本工程由于建筑空間條件的限制，采用蓄冰優(yōu)先的控制策略，由蓄冰裝置的進、出水流量，使其滿負荷運行或限定釋冷量運行。當空調(diào)系統(tǒng)的負荷超出釋冷量時，按設定的出口溫度開啟并運行制冷機組，以實現(xiàn)供水溫度的恒定。該方式能最大限度地利用蓄冰裝置，可從電力低谷的電量中獲得最大的節(jié)約。通過圖1中冰蓄冷系統(tǒng)各工況閥門轉(zhuǎn)換，可以清楚地看到系統(tǒng)可以實現(xiàn)蓄冰工況、制冷機供冷工況、冰槽供冷工況以及制冷機和融冰聯(lián)合供冷工況幾種運行模式。

運行時首先設定制冷機的供冷溫度，用該溫度控制制冷機的出水溫度，傳統(tǒng)的制冷機的供回水溫度為7℃/12℃，控制方法是利用7℃的出水溫度控制壓縮機的運轉(zhuǎn)，也就是反饋控制，本工程冰蓄冷系統(tǒng)按照相同的原理，由冷源側(cè)出水溫度控制制冷機壓縮機的運轉(zhuǎn)。本工程冰蓄冷系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，載冷劑采用26%的乙烯乙二醇溶液，蓄冰工況時，制冷機為蓄冰裝置提供-6～-3℃低溫載冷劑；系統(tǒng)空調(diào)供冷時，供回液溫度為10.9℃/4℃，經(jīng)板式換熱器，為末端空調(diào)提供6～12℃的冷水。

3主要設計計算

3.1空調(diào)負荷特點及計算結(jié)果

常規(guī)空調(diào)負荷計算是計算設計日空調(diào)逐時的冷負荷，并按最大值選取制冷機和空調(diào)末端。對于冰蓄冷系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)中增加了蓄冷裝置，因此，負荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別是引入了時間累計的概念，這就要求不但要計算建筑物設計日的逐時負荷，還要計算設計日逐時累計總負荷，要跳出單個空調(diào)負荷區(qū)，將建筑變成一個整體的計算模型來考慮。

表3.1設計日逐時負荷分配表

空調(diào)負荷雙工況主機冰優(yōu)先制冰WRTRTRTRT0:007831:007832:007833:007834:007835:007836:007:008:00394189111216744479:004915681139895144710:0053915841533108644711:0054784171558111144712:0053845511531108444713:0054396591547110044714:0056990061620117344715:0057598621638119144716:0057926231647120044717:0057925271647120044718:00336683095751044719:00317298190245544720:00349171499354644721:00266935275931244722:0078323:00783

在計算過程中，要關注兩個細節(jié)，首先是大樓的日運行時間表和設備、人員的同時使用系數(shù)，因為建筑物內(nèi)的人員、燈光、設備等內(nèi)擾時間不同，意味著負荷的轉(zhuǎn)移率不同，負荷峰值的時刻不同，對分析設計負荷的峰值和電力峰值之間的關系很重要；另外要注意的是附加負荷的計算，即水泵的發(fā)熱量以及蓄冰槽和冷水管路的得熱量，水泵機械傳動過程中摩擦生熱，會造成水泵后的液體溫度升高，另外冷水管路和蓄冰槽與環(huán)境之間的溫差也會產(chǎn)生冷水的溫升，對于常規(guī)系統(tǒng)不考慮附加溫升是因為附加負荷占總負荷的比例很小，而且設備是按逐時最大負荷確定的，完全能滿足整個建筑的負荷需求，而對于蓄能空調(diào)，有時間累計的要求，如果空調(diào)系統(tǒng)一天運行8～10h，根據(jù)經(jīng)驗，附加負荷約占建筑負荷的3%～5%，這部分的附加負荷較大，不應該忽略。

3.2制冷設備、蓄冷設備容量計算

本工程為工作時段空調(diào)連續(xù)運行的商業(yè)建筑，宜采用部分負荷蓄冰的空調(diào)方式，根據(jù)文獻[1]附錄J的規(guī)定，通過前面的負荷計算，可計算出蓄冰裝置有效容量和制冷機標定制冷量。

Qs=ni·cf·qc

(3.2-1)

(3.2-2)

式中：

Qs—蓄冰裝置有效容量，kWh；

qc—制冷機的標定制冷量(空調(diào)工況)，kW；

qi—建筑物逐時冷負荷，kW；

ni—夜間制冷機在制冰工況下運行小時數(shù)，h；

n2—白天制冷機在空調(diào)工況下運行小時數(shù)，h；

cf—制冷機制冰時制冷能力的變化率，即實際制冷量與標定制冷量的比值。

經(jīng)計算，本項目蓄冰裝置的有效容量為22729 kWh，設計日的冷量為66297kWh；蓄冷裝置提供的蓄冷量占設計日的冷量比例為34%，大于30%，具有較好的經(jīng)濟性；單臺制冷機的標定制冷量計算值為2110kW(制冰工況制冷量為1407kW)。

4冰蓄冷系統(tǒng)特點和主要設備容量

4.1冰蓄冷系統(tǒng)特點

本工程采用蛇形盤管的冰槽，鋼制盤管式。由浸沒在充滿水的蓄冰槽內(nèi)的金屬盤管作為蓄冷介質(zhì)與載冷劑的換熱面，通過載冷劑在盤管內(nèi)的流動使盤管外表面結(jié)冰，以蓄存冷量的蓄冷系統(tǒng)。設計時應對各蓄冷單元的冰層厚度或蓄冰量進行監(jiān)控。當設置空氣泵時，應設置除油過濾器，以避免壓縮空氣中的油液進入冰槽；空氣泵的發(fā)熱量應計入蓄冰槽的冷量損失；并應對鋼制蓄冰槽和鋼制盤管采取必要的防腐保護措施。

4.2主要設備容量

經(jīng)過系統(tǒng)形式的確定和相應的設計計算，確定主要設備和輔助設備的容量，見表4.2。

表4.2主要設備配置

設備數(shù)量基本參數(shù)乙二醇冷水泵3臺流量436m3/h揚程35m一次冷水泵3臺流量415m3/h揚程11m二次冷水泵2臺流量374m3/h揚程23m2臺流量207m3/h揚程18m主供冷換熱器2臺換熱量3200kW,一次側(cè)4℃/10.9℃ 二次側(cè)6℃/12℃冷卻水塔2臺流量400m3/h32℃/37℃冷卻水泵3臺流量435m3/h揚程30m

5蓄冰系統(tǒng)自動控制

(1)自控系統(tǒng)必須滿足集中冷源幾種不同的空調(diào)供冷模式的自動切換和相關設備、閥門的啟停、開關等控制；在保證空調(diào)品質(zhì)的同時，自動選擇最節(jié)能的模式運行。

(2)根據(jù)空調(diào)負荷的變化和節(jié)能的原則，完成蓄冰裝置、雙工況主機間的供冷負荷分配。

(3)根據(jù)負荷需求，調(diào)節(jié)和控制蓄冰槽的融冰速度。在保證穩(wěn)定的融冰速度的同時，還應盡量保持供液溫度的恒定。

(4)根據(jù)負荷需求和節(jié)能原則，分別對雙工況主機、板式換熱器及相關輔助設備作臺數(shù)控制和能量調(diào)節(jié)。

(5)載冷劑循環(huán)泵采用變頻裝置，以滿足不同運行模式時流量和壓降的變化。但在每一種運行模式中，循環(huán)泵應是定流量工作的。

(6)在雙工況制冷機、蓄冰裝置串聯(lián)供冷和蓄冰裝置單獨融冰供冷的運行模式中，隨著空調(diào)負荷的變化，裝置在板式換熱器載冷劑回液管上的電動二通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)載冷劑流量，以適應負荷的變化，同時通過壓差旁通閥平衡系統(tǒng)流量，使載冷劑循環(huán)泵能在定流量的狀態(tài)下平穩(wěn)運行。

6結(jié)語

采用冰蓄冷系統(tǒng)可以有效地做到合理用電，緩解電力負荷的峰谷差現(xiàn)象。冰蓄冷系統(tǒng)設計不僅應關注電力峰谷時段與空調(diào)運行時段的相互關系，還應根據(jù)建筑的具體類型，通過計算和優(yōu)化，合理確定系統(tǒng)運行模式；不但要關注整個系統(tǒng)流程的設計，更應該重視系統(tǒng)在部分負荷時的運行工況和運行模式分析。通過對各種運行模式的分析計算，可將整個冰蓄冷系統(tǒng)的運行策略和控制邏輯提供給自控專業(yè)，使自控專業(yè)能夠充分明了空調(diào)設計的意圖，這樣才能更好地指導運行，達到節(jié)能的效果。

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科創(chuàng)項目：廣東海洋大學2014年大學生科技創(chuàng)新培育資助項目(DKC-2014-08)