部分水蓄冷解決空調(diào)非常負荷的節(jié)能分析

林金典（廈門市建設(shè)工程造價管理站，福建360012）

部分水蓄冷解決空調(diào)非常負荷的節(jié)能分析

林金典
（廈門市建設(shè)工程造價管理站，福建360012）

大型空調(diào)應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)小負荷或者極小負荷。本文提出利用消防水池蓄冷。在制冷機組停止運行時，為非常冷負荷提供冷量，并給出了運行流程圖。通過實例計算分析表明，利用消防水池蓄冷，可以滿足小負荷供冷，并且具有造價低、運行費用低等優(yōu)點。

水蓄冷；非常負荷；節(jié)能

0　引言

在許多公共建筑的大型空調(diào)應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)小負荷或者極小負荷情況。例如辦公大樓，夜間或者節(jié)假日期間制冷系統(tǒng)停止運行，但此時尚有部份員工加班需供冷。如果制冷系統(tǒng)啟用則運行十分不經(jīng)濟，并且當負荷過低時系統(tǒng)亦無法正常運行。本文提出采用部分水蓄冷措施，解決該矛盾。

非常冷負荷只是泛稱，本文給予的定義是指當制冷系統(tǒng)停止運行后某些尚需供冷對象所需的冷負荷。制冷系統(tǒng)停止運行需供冷的上述房間亦稱為非常冷負荷房間。

1　水蓄冷系統(tǒng)的特點及選擇分析

1.1水蓄冷系統(tǒng)的特點和構(gòu)成

水蓄冷空調(diào)的優(yōu)點是:可使用常規(guī)的制冷機組、系統(tǒng)投資低、運行控制管理簡單、易于常規(guī)供冷系統(tǒng)的擴容和改造、可以利用消防水池作為蓄冷設(shè)施。缺點是水蓄冷屬溫差蓄冷，蓄冷密度小，即蓄冷設(shè)施所占體積較大。

水蓄冷的水池可采用單建獨立水池，也可由消防水池改造而成。通常若采用單建水池，將占用較大的建筑面積以及增加較多的工程造價，故水蓄冷空調(diào)較少為大型空調(diào)系統(tǒng)所采用。

1.2消防水池作為蓄冷水池的利弊分析

一般高層民用建筑消防水池有效容積在500～600m3。某些高層建筑設(shè)有雨淋、水幕等系統(tǒng)，則要求的消防水池更大，容量一般大于600m3。用其兼作空調(diào)系統(tǒng)的蓄冷水池，可以明顯節(jié)約空調(diào)工程投資。

消防水池作為蓄冷水池，其不足是蓄冷容量較小。由于水蓄冷的蓄冷密度小，同時消防水池容積通常不大，故總蓄冷容量較小。與此同時，非常冷負荷一般也較小，兩者結(jié)合既可以優(yōu)勢互補，又可以避免消防水池蓄冷容量較小的不足。

1.3消防水池蓄冷形式和可靠性問題

消防水池作為蓄冷水池蓄冷時，池內(nèi)水的流動方式不同決定著蓄冷效率高低。一般可利用分層原理，減少冷熱水的摻混提高蓄冷效率。

作為消防水池，其存蓄的水量不得因為它用而容量下降，以及為避免水系統(tǒng)變?yōu)殚_式系統(tǒng)，故存取冷量時必須采用板式換熱器來實現(xiàn)。板式換熱器換熱時存在換熱溫差。當制冷系統(tǒng)供回水溫度采用常規(guī)進出水溫度7℃/12℃時，蓄冷水池最低也只能降至8℃。若欲使蓄冷水溫度更低，制冷系統(tǒng)冷水機組出水溫度必須下調(diào)。這將導致制冷系統(tǒng)運行效率下降，應(yīng)盡量避免。

2　適用消防水池蓄冷的空調(diào)負荷分析

2.1非常冷負荷占總冷負荷的比例

非常冷負荷占系統(tǒng)總冷負荷的比例將直接影響蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)成。當比例較大時，可以啟動制冷系統(tǒng)，按照低負荷模式運行供冷。當非常冷負荷占總冷負荷的比例較低時，制冷系統(tǒng)處于尷尬狀態(tài)。此時若啟動制冷系統(tǒng)，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重。雖然冷水機組具有自動卸載能力，但低負荷時機組能效比差。并且，冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機往往難以調(diào)節(jié)到低負荷運行等情況，將導致單位冷量能耗急劇上升。因此，上述比例越低，單位冷量能耗越高。上述比例低至一定程度，制冷系統(tǒng)將無法正常運行。

非常冷負荷占總冷負荷比例過低，導致能耗過高現(xiàn)象在工程實際中經(jīng)常出現(xiàn)。曾有位經(jīng)營40間餐廳的業(yè)者向筆者抱怨:經(jīng)常有某些包間顧客滯留時間較長，即餐廳只剩小量包間尚在營業(yè)。此時制冷系統(tǒng)還必須開啟，這幾間包間餐廳的營業(yè)收入還抵不上所耗電費。為此，最終為每間包間餐廳另行裝上獨立分體空調(diào)，以備非常冷負荷之用。

2.2非常冷負荷工作時間

在大型民用建筑空調(diào)中，需要非常冷負荷的情況經(jīng)常出現(xiàn)。尤其辦公大樓下班時間或者夜間，或者節(jié)假日期間，有部份員工加班需供冷。一般而言，非常冷負荷房間的工作時間都處于電網(wǎng)非高峰時段。因此，采用蓄冷方式對其供冷十分合適。

3　消防水池蓄冷的流程

3.1蓄冷的流程

利用消防水池蓄冷，運行包括蓄冷和供冷（放出冷量），圖1為利用消防水池蓄冷和供冷的流程圖。

圖1　消防水池蓄冷和供冷的流程圖

圖1中板換1為板式換熱器，泵1為夜間冷凍水泵，泵2為池水循環(huán)泵。

當制冷系統(tǒng)運行時，池水屬于蓄冷階段。此時啟動池水循環(huán)泵運行，開啟閥1、閥2、閥3、閥4，關(guān)閉閥5、閥6，直至消防池水的水溫降低至8℃。

3.2供冷的流程

當制冷系統(tǒng)停止運行，需要對非常冷負荷供冷時，其流程可見圖1。啟動非常負荷冷凍水泵和池水循環(huán)泵，關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4，開啟閥5、閥6，向非常冷負荷房間供冷。供冷過程中，池水溫度上升，一般當池水的溫度升至11℃仍可使用。但此時空調(diào)末端設(shè)備出力將下降，相應(yīng)地除濕能力亦下降。

3.3蓄冷量計算

根據(jù)文獻［1］，消防水池蓄存的可用冷量可以用式（1）計算:

式中:

QX—水池的蓄冷量，kW·h；

V—水池蓄冷水的體積，m3；

ρ—蓄冷水的密度，一般取1 000 kg/m3

CP—冷水的比熱容，取4.19 kJ/kg·K；

△t—放冷回水溫度與蓄冷水溫度的溫差，℃

4　消防水池蓄冷的空調(diào)工程實例分析

4.1工程實例的空調(diào)系統(tǒng)配置

某高層辦公大樓，建筑面積50000m2，制冷系統(tǒng)設(shè)置制冷量為2440kW離心式冷水機組2臺，調(diào)負荷用制冷量為1220kW螺桿式冷水機組一臺。調(diào)負荷用機組配套冷凍水泵30kW一臺，冷卻水泵30kW一臺，冷卻塔15kW一臺。

該建筑配置了600m3消防水池。按照本文提出的水蓄冷方案，利用該建筑的600m3消防水池蓄冷，蓄存冷量供非常冷負荷使用。設(shè)置池水循環(huán)泵5kW一臺，非常冷負荷冷凍水泵10kW一臺，板式換熱器一臺。本文分析中，放冷回水溫度與蓄冷水溫度的溫差取3℃。根據(jù)公式（1）計算，此消防水池總蓄冷量為2095kW·h。

假定節(jié)假日員工加班有50個房間需供冷，每個房間耗冷量為4kW/h，總冷負荷為200kW/h。工作時間6小時，則非常負荷需要的總蓄冷量為1200kW·h。

4.2調(diào)負荷機組運行和部分水蓄冷運行能耗比較

當非常冷負荷出現(xiàn)時，上述辦公大樓如果采用1220kW螺桿式調(diào)負荷機組供冷，機組需調(diào)至最低負荷率約15%工況運行。查機組性能表，15%工況運行時功率約為60kW，則該運行方案消耗的最低功率如表1。

表1　采用調(diào)負荷機組供冷和部分水蓄冷供冷的功率比較

當出現(xiàn)非常冷負荷時，如果啟用水蓄冷系統(tǒng)運行，同樣為50個夜間冷負荷房間，每個房間耗冷量為4kW/h且工作時間6小時。此時調(diào)用蓄冷水池中蓄存冷量1200kW·h，共耗去制備該冷量時，螺桿式冷水機組功率220kW/h、冷凍水泵30kW/ h、冷卻水泵30kW/h、冷卻塔15kW/h、池水循環(huán)泵5kW/h、總功率為300kW，折合每小時功率50kW。水蓄冷運行的功率合計60 kW，如表1所示。

由表1可見，當出現(xiàn)非常冷負荷時，采用水蓄冷系統(tǒng)運行，本例功率僅為常規(guī)調(diào)負荷用機組運行的44%。節(jié)能效果明顯。

4.3常規(guī)運行和部分水蓄冷新技術(shù)效益分析

由上可見，當出現(xiàn)非常冷負荷時，采用水蓄冷系統(tǒng)運行，節(jié)能效果明顯。但對于現(xiàn)有系統(tǒng)節(jié)能改造，需要增加投資。按照本例估算，增加了消防水池池壁保溫，以及增加1臺板式換熱器、2臺池水循環(huán)泵（其中1臺備用）、2臺夜間負荷冷凍水泵（其中1臺備用）以及若干管路，造價約需人民幣10萬元左右。

如果在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計階段，采用利用消防水池的部分水蓄冷方案，則可以考慮減少甚至取消調(diào)負荷用機組。此時增加的投資可以明顯減少甚至不必增加。

以上分析中非常冷負荷還比較大，有可能采用常規(guī)調(diào)負荷用機組運行。在實際空調(diào)用戶中，有許多情況非常冷負荷很小，甚至非常小。在這些情況中，由于負荷過分小導致調(diào)負荷用機組無法運行。此時，利用消防水池的部分水蓄冷措施/方案就發(fā)揮了不可替代的效果。

另一方面，目前全國各地都采用的峰谷電價，鼓勵利用低谷電蓄冷。通常，低谷電價僅為高峰電價的1/3，有些省份甚至為1/5。因此，如果利用低谷電價時段來運行蓄冷，則蓄冷的效益更加明顯。

實際用戶情況千差萬別，各地氣候條件不同，各地峰谷電價政策不同，非常冷負荷的大小、用冷時間規(guī)律等可能也千差萬別。因此，采用消防水池的部分水蓄冷方案來解決非常冷負荷，節(jié)能效果/效益大小也各不相同。但是，利用消防水池的部分水蓄冷方案，無疑是解決空調(diào)非常冷負荷的一種有效措施。文獻［2］的測試表明，采用水蓄冷方式可以減少制冷機組頻繁啟停，改善空調(diào)效果。同理，利用消防水池的部分水蓄冷方案，無疑也具有同樣效果。

5　結(jié)論

根據(jù)以上分析，消防水池改造為蓄冷水池，對解決大型空調(diào)系統(tǒng)的非常冷負荷是一種有效措施。該措施投資少，節(jié)能效益好，并且可以解決極小負荷時大型機組無法運行問題。該措施的效益根據(jù)用戶情況有變化，如果在設(shè)計階段考慮，效益將更加顯著。

［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，2008

［2］鄭文國.酒店建筑中采用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性研究［J］.建筑節(jié)能，2009，37（10）:35-37

Energy-Saving Analysis of Partial Chilled Water Storage for Unusual Small Load in Air Conditioning

LIN Jindian
（Xiamen construction engineering costmanagement station，Xiamen 36012）

Small/tiny load often arises in large air conditioning systems.Fire pool is used to storage cold energy in this paper.The cold energy can provide for unusual small load when refrigerating unit is turn off.The operation flow chart is designed.It is indicated based on a case study that chilled water storage with fire pool can solve unusual small load.Moreover，the low investment and operation fee can also be obtained by thismethod.

Chilled water storage；Unusual load；Energy saving

TK02；TU831 文獻標示碼:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.012

ISSN1005-9180（2016）02-062-04

2016-2-23

林金典（1965-），男，高級工程師，從事暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。Email:2585342584@qq.com