冰蓄冷系統(tǒng)在科技類場館中的運行策略能耗分析與應(yīng)用
——以中國科技館為例

張 碩

在我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快以及人民生活水平的不斷提高的前提下，人們在追求生活質(zhì)量的同時也更加看重資源的節(jié)約利用。冰蓄冷系統(tǒng)作為一種節(jié)能技術(shù)而被帶入到建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中[1]。冰蓄冷系統(tǒng)在夜間用電低谷期，采用電制冷將冷量以冰的形式貯存起來，在白天用電高峰期，把貯存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調(diào)負(fù)荷的需求。

科技類場館往往用于最新科技成果的展覽展示，建筑設(shè)計過程會更加注重節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用，冰蓄冷系統(tǒng)作為一種新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)往往就會應(yīng)用到科技類場館空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，即發(fā)揮其應(yīng)用價值，又發(fā)揮其宣傳展示價值。

1 冰蓄冷系統(tǒng)的形式及主要運行策略

1.1 目前國內(nèi)出現(xiàn)的主要冰蓄冷形式[2]

1）冰盤管。就是把盤管浸泡在冰槽中，通過盤管實現(xiàn)冷熱交換，將槽內(nèi)的水部分凍結(jié)成冰儲存冷量或?qū)⒈诨尫爬淞?。其放熱形式的不同，又分為外融冰和?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存在槽內(nèi)。

1.2 主要運行策略

在冰蓄冷系統(tǒng)中存在兩個冷源，即制冷機(jī)和蓄冰裝置，根據(jù)兩個冷源之間的關(guān)系，運行策略可歸納為兩類：融冰優(yōu)先和制冷機(jī)優(yōu)先[3]。

1）融冰優(yōu)先。融冰優(yōu)先是優(yōu)先使用蓄冰設(shè)備融冰供冷，只有在蓄冰設(shè)備不能滿足負(fù)荷需要時，才啟用制冷主機(jī)供冷，以承擔(dān)不足部分負(fù)荷。這種控制策略既要考慮最大負(fù)荷時蓄冰設(shè)備融冰供冷能力，又要考慮全天逐時冷負(fù)荷的需要，因此，實施頗為復(fù)雜。

2）制冷機(jī)優(yōu)先。制冷機(jī)優(yōu)先是優(yōu)先使制冷主機(jī)供冷，只有當(dāng)空調(diào)冷負(fù)荷超過制冷主機(jī)的供冷能力時，才啟用蓄冰設(shè)備融冰供冷，使其承擔(dān)不足部分。這種控制策略實施簡單，運行可靠，但是，蓄冰設(shè)備使用率很低，不能有效地削減峰值用電和節(jié)約運行費用。

本文以中國科學(xué)技術(shù)館冰蓄冷系統(tǒng)為例，進(jìn)行運行策略能耗分析。

2 中國科學(xué)技術(shù)館冰蓄冷系統(tǒng)

2.1 基本信息

中國科學(xué)技術(shù)館（北京市朝陽區(qū)北辰東路5 號）占地為4.8 萬m2，總建筑面積為10.2 萬m2，地下一層，地上四層局部五層，建筑高度45m，層高9.5m，屬于人員高度密集場所，設(shè)計冷負(fù)荷為14 280kW，采用冷水機(jī)組上游串聯(lián)式的內(nèi)融冰蓄冷系統(tǒng)，蓄冰承擔(dān)部分冷負(fù)荷，占設(shè)計冷負(fù)荷比例為30%。

2.2 冰蓄冷系統(tǒng)主要設(shè)備（見表1）

3 冰蓄冷系統(tǒng)運行策略能耗分析

中國科學(xué)技術(shù)館是我國唯一的國家級綜合性科技館，是實施科教興國戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、提高全民科學(xué)素質(zhì)的大型科普基礎(chǔ)設(shè)施，主要面向大、中、小學(xué)學(xué)生，進(jìn)行科學(xué)素質(zhì)教育。根據(jù)學(xué)生的日常作息規(guī)律，中國科學(xué)技術(shù)館全年就形成了寒暑假、五十、十一小長假出現(xiàn)人流高峰，且期間全日處于100%負(fù)荷狀態(tài)的運行規(guī)律。

我們選擇兩個典型負(fù)荷日，分別采取制冷機(jī)優(yōu)先和融冰優(yōu)先進(jìn)行能耗分析，具體如下：

1）制冷機(jī)優(yōu)先能耗分析。2015 年7 月5 日，天氣晴，室外最高溫度30℃。運行模式為3 臺雙工況機(jī)組和基載機(jī)組同時運行。啟機(jī)時間9：00，停機(jī)時間為17：00，運行時間共計8 小時。

功率消耗計算列表見表2。

供冷費用計算列表見表3。

制冷機(jī)優(yōu)先運行策略供冷費用為：22 990 元/日。

2）融冰優(yōu)先能耗分析。2015.8.4，天氣晴，室外最高溫度33℃。運行模式為夜間蓄冰運行8 小時，白天融冰時間為9：00—17：00，共計8 小時，1臺雙工況機(jī)組在尖峰時段運行3 小時補(bǔ)充不足冷量。

功能消耗計算列表見表4。

供冷費用計算列表見表5。

融冰優(yōu)先運行策略供冷費用為：9 949 元/日。

從上述計算可以看出，融冰優(yōu)先供冷總電費9 949 元/日較制冷機(jī)優(yōu)先供冷總電費22 990 元/日節(jié)省了2.31 倍的費用，可見融冰優(yōu)先策略運行明顯減低運行成本。

4 中國科學(xué)技術(shù)館冰蓄冷系統(tǒng)運行策略

從不同運行策略能耗分析可以得出融冰優(yōu)先策略更能節(jié)約運行成本，中國科學(xué)技術(shù)館日常運行也采用這種運行策略運行，只在用電尖峰時段采用融冰與制冷機(jī)制冷聯(lián)合運行模式，同時還特別關(guān)注如下幾個方面：

1）蓄冰率，確保蓄冰容量用足。在蓄冰中后期，盤管外壁冰層增厚，冰層的熱阻增大，導(dǎo)致蓄冰設(shè)備單位時間蓄冰能力下降。因此，通過降低制冷主機(jī)乙二醇出口設(shè)定溫度，增加蓄冰設(shè)備單位時間內(nèi)的蓄冰量，以保證蓄冰量。

2）提高融冰率，力求做到蓄冰設(shè)備融冰率接近90%。

3）峰電時段，融冰供冷優(yōu)先運行，根據(jù)系統(tǒng)運行歷史數(shù)據(jù)，分析計算并設(shè)定各時段融冰供冷量上限值，確保在冷負(fù)荷較大供冷時段，仍有足夠的蓄冰量用于融冰供冷，與制冷主機(jī)聯(lián)合運行滿足負(fù)荷要求。

4）以系統(tǒng)運行歷史數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)、結(jié)合系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、室外溫濕度數(shù)據(jù)，預(yù)估后續(xù)時段負(fù)荷或次日負(fù)荷，從而自動設(shè)定后續(xù)時段融冰供冷量上限值或當(dāng)晚蓄冰量上限值。

5 結(jié)語

本文以中國科學(xué)技術(shù)館冰蓄冷系統(tǒng)為例，簡要分析了冰蓄冷系統(tǒng)的融冰優(yōu)先和制冷機(jī)優(yōu)先策略，對運行策略進(jìn)行了能耗分析，得出融冰優(yōu)先策略在實際運行中節(jié)能優(yōu)勢明顯，同時也體現(xiàn)了冰蓄冷系統(tǒng)的節(jié)能潛力，中國科學(xué)技術(shù)館作為大型公共建筑，節(jié)能減排更是重中之重，作為項目運行管理者，要充分利用好現(xiàn)有系統(tǒng)，不斷總結(jié)經(jīng)驗，收集整理運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行能耗分析，優(yōu)化運行策略，提升能源管理水平。

表1

表2

表3

表4

表5