商業(yè)建筑冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊麗萍

（廣東遠(yuǎn)順建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 惠州516003）

1 工程概況

某商業(yè)建筑工程總建設(shè)面積為3.3×105m2，主要包括裙房、地下室和2棟塔樓，地下1層～裙房7層主要為電影院、超市、餐飲等，地下2層～地下5層為設(shè)備用房和車庫。其中，電影院、超市2個(gè)業(yè)態(tài)使用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷。本文以此工程為例，對(duì)商業(yè)建筑冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討。

2 冰蓄冷空調(diào)的介紹

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要是利用蓄能技術(shù)移峰填谷，并維持電網(wǎng)峰谷的負(fù)荷平衡，提升電力設(shè)備的發(fā)電效率，進(jìn)而達(dá)到降低費(fèi)用、節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本的目的。因?yàn)殡娏r(jià)格在用電高峰期時(shí)會(huì)升高，通過利用峰谷期之間的差價(jià)，可以降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用【1】。而且冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中冷水機(jī)組容量相對(duì)來說會(huì)減小，主機(jī)設(shè)備的一次性投資會(huì)有所降低，配電容量和配電設(shè)施費(fèi)用也會(huì)降低，可以顯著降低空調(diào)系統(tǒng)電力增容費(fèi)。此外，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)還安裝有應(yīng)急冷源，可以顯著提升空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是對(duì)于一些因線路老化經(jīng)常停電的區(qū)域具有非常顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3 商業(yè)建筑冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

一般情況下，冰蓄冷系統(tǒng)方案主要包括部分蓄冷和全量蓄冷2種。部分蓄冷指的是在夜間低谷電期運(yùn)行制冷主機(jī)進(jìn)行制冰蓄冷，然后在白天由融冰裝置和制冷主機(jī)聯(lián)合向空調(diào)供給負(fù)荷，該方案的制冷效率比較高，冰的儲(chǔ)蓄量較少，初期投資低，但后期的運(yùn)行費(fèi)用要高于全量蓄冷方案【2】。全量蓄冷方案指的是由蓄冰裝置融冰供給日間空調(diào)需要的全部負(fù)荷，這種方案可以將移峰填谷的作用充分發(fā)揮出來，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用相對(duì)來說也比較低，但對(duì)蓄冰裝置和制冷機(jī)械的裝機(jī)容量要求比較高，初期投資大。所以，在進(jìn)行冰蓄空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如何根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況設(shè)計(jì)出最優(yōu)的蓄冰方案是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。

3.1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)配置

本工程選用內(nèi)容式冰盤管，并串聯(lián)主機(jī)上游，冷水系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)使用間接連接的方式進(jìn)行連接。制冷主機(jī)為雙工況螺桿式制冷機(jī)，一共有3臺(tái)。蓄冰工況時(shí)每一臺(tái)的制冷量可以達(dá)到1 200kW，空調(diào)工況時(shí)每一臺(tái)的制冷量可以達(dá)到1 600kW。在基載負(fù)荷下總冷量較小或者夜間供冷負(fù)荷不大時(shí)，如果單獨(dú)布置基載機(jī)會(huì)使系統(tǒng)的負(fù)荷增大，并增大投資，因此不需要布置基載機(jī)。為了達(dá)到夜間基載負(fù)荷要求，主機(jī)制冰工況下旁設(shè)一分支系統(tǒng)。經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，本工程基載冷負(fù)荷＞350kW，因此，使用一臺(tái)離心式制冷機(jī)作為基載機(jī)，該設(shè)備制冷量可以達(dá)到2 000kW，使用18組冰盤管作為蓄冰裝置，蓄冰總量為26 068kW·h。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行分析

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過分析末端荷載側(cè)的需求和變化情況，可以調(diào)整工況和運(yùn)行策略。本工程受空間因素的影響，使用優(yōu)先控制的策略對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行控制，即當(dāng)空調(diào)負(fù)荷超過制冷機(jī)組的容量時(shí)，對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行；不足的部分利用蓄冰裝置補(bǔ)充，進(jìn)而使蓄冰裝置的容積得以減少。通過轉(zhuǎn)換工況閥門，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)供冷工況、蓄冰工況、制冷機(jī)和融冰聯(lián)合工況、冰槽供冷工況4種運(yùn)行模式。

在運(yùn)行過程中，首先將制冷劑供冷溫度確定好，然后利用此溫度對(duì)制冷機(jī)出水溫度進(jìn)行控制。常規(guī)的制冷劑供水溫度控制在7～12℃，壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要是利用7℃的出水溫度進(jìn)行控制。該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的原理也基本一致，利用冷源側(cè)的出水溫度控制冷機(jī)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。本工程冰蓄冷系統(tǒng)使用閉式系統(tǒng)，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的乙二醇水溶液作為載冷劑。在空調(diào)工況下，載冷劑進(jìn)口和出口的溫度保持在3.3～10.5℃，以達(dá)到融冰的目的。在蓄冰工況下，制冷機(jī)為蓄冷裝置提供-5.5～-2.5℃的低溫載冷劑。蓄冰裝置在制冷機(jī)出水溫度為3.3℃，且負(fù)荷較小時(shí)會(huì)終止運(yùn)行。制冷機(jī)負(fù)荷保持滿荷運(yùn)行依然無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，再次使蓄冰設(shè)備投入運(yùn)行，確保冷源側(cè)出水溫度持續(xù)保持在3.3℃。商業(yè)樓晚上則使用基載機(jī)進(jìn)行供冷。一般情況下，基載機(jī)是在系統(tǒng)中并聯(lián)的，和換熱器供水溫度都保持在4.5～11.5℃。在系統(tǒng)中增設(shè)V6和V5調(diào)節(jié)閥，利用調(diào)節(jié)閥既可以使基載機(jī)在6.5～11.5℃的溫度下運(yùn)行，又可以提高換熱器進(jìn)口和出口位置的水溫差，并且基載機(jī)蒸發(fā)溫度也會(huì)有所提升，所以，設(shè)置基載機(jī)有助于降低輸送能耗，提升基載機(jī)的運(yùn)行效率。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算分析

4.1 空載負(fù)荷的特點(diǎn)和計(jì)算結(jié)果

由于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中加裝了蓄冷裝置，在對(duì)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要引入時(shí)間累計(jì)的概念，不僅要將建筑物設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算出來，還需要將設(shè)計(jì)日逐時(shí)的累計(jì)總負(fù)荷計(jì)算出來，從整體的角度進(jìn)行分析【3】。

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要考慮2個(gè)細(xì)節(jié)：（1）要考慮大樓的運(yùn)行設(shè)備和運(yùn)行時(shí)間、人員的使用系數(shù)等。由于建筑物中的燈光、人員、設(shè)備等時(shí)間不同，負(fù)荷峰值時(shí)刻不同，負(fù)荷的轉(zhuǎn)移率也有所不同，分析電力峰值和設(shè)計(jì)負(fù)荷峰值之間的關(guān)系非常重要。（2）要計(jì)算冷水管路熱量、水泵發(fā)熱量、水泵機(jī)械傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱量等附加熱量。此外，蓄冷槽、外冷水管路和環(huán)境之間的溫差也會(huì)導(dǎo)致冷水溫度升高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，附加負(fù)荷占到了建筑負(fù)荷的3%～5%，需要將其考慮進(jìn)來。經(jīng)過計(jì)算，本工程夏季冷負(fù)荷的最大值為8 159kW，冷負(fù)荷指標(biāo)為83W/m2。

4.2 計(jì)算蓄冷設(shè)備和制冷設(shè)備的容量

本商業(yè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)在工作時(shí)段保持連續(xù)運(yùn)行，因此適合使用部分負(fù)荷蓄冰的方式進(jìn)行運(yùn)行。一般可以使用式（1）、式（2）計(jì)算制冷機(jī)標(biāo)定制冷量和蓄冰裝置有效容量：

式中，Qs為蓄冰裝置有效容量，kW·h；n1為制冷機(jī)晚上制冰工況下的運(yùn)行時(shí)間，h；ci為制冰過程中制冷機(jī)制冷能力的變化率；qc為標(biāo)定的制冷機(jī)制冷量，kW；n2為制冷機(jī)白天空調(diào)的運(yùn)，行時(shí)間為商業(yè)建筑累計(jì)冷負(fù)荷。

經(jīng)過計(jì)算，蓄冰裝置有效容量值為26 068kW·h，融冰供冷容量占到了設(shè)計(jì)負(fù)荷量的25.5%，經(jīng)濟(jì)性高。制冷機(jī)單臺(tái)的制冷量值為1 583kW。

4.3 計(jì)算全年負(fù)荷

商業(yè)建筑冰蓄冷空調(diào)設(shè)計(jì)除了要達(dá)到設(shè)計(jì)符合要求，還要達(dá)到全年運(yùn)行要求。所以，計(jì)算負(fù)荷時(shí)要進(jìn)一步分析全年負(fù)荷。在進(jìn)行分析時(shí)，使用DeST軟件進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，總供冷天數(shù)中，負(fù)荷率在20%～80%的天數(shù)占70%。

5 自動(dòng)控制冷源逐時(shí)運(yùn)行圖和蓄冰系統(tǒng)

5.1 冷源系統(tǒng)逐時(shí)運(yùn)行情況分析

按照設(shè)計(jì)的冷負(fù)荷平衡情況和冰蓄冷系統(tǒng)的具體情況，在運(yùn)行過程中，高峰冷時(shí)段負(fù)荷率會(huì)達(dá)到100%，制冷機(jī)和融冰共同進(jìn)行供冷時(shí)，設(shè)計(jì)采用制冷劑優(yōu)先的原則進(jìn)行控制，但在實(shí)際運(yùn)行中，需要在電價(jià)高峰期盡量減少制冷機(jī)的運(yùn)行，并更多地融冰。其次，在部分負(fù)荷時(shí)，盡量在高峰電價(jià)時(shí)段完全融冰，并可以使用制冷機(jī)徹底關(guān)閉。經(jīng)過分析證明，40%以下的負(fù)荷率已經(jīng)完全可以達(dá)到融冰的運(yùn)行模式，有效降低了運(yùn)行成本。

5.2 自動(dòng)控制冰蓄冷系統(tǒng)

本工程系統(tǒng)初期采用自定義的模式運(yùn)行，預(yù)測(cè)出空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷，并將其作為系統(tǒng)運(yùn)行過程中的參考參數(shù)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。在運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷增多的同時(shí)，對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，提高預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。運(yùn)行數(shù)據(jù)積累到一定的程度后，系統(tǒng)會(huì)逐步進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)下，然后通過負(fù)荷軟件根據(jù)當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)政策、負(fù)荷預(yù)測(cè)情況來分配融冰負(fù)荷和制冷負(fù)荷，從而使運(yùn)行策略達(dá)到最優(yōu)。此外，要通過對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷總結(jié)和統(tǒng)計(jì)后制定具體的控制策略，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化控制邏輯，提高操作的便利性。

6 經(jīng)濟(jì)性分析和節(jié)能評(píng)價(jià)

實(shí)踐證明，本商業(yè)建筑工程采用的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)空調(diào)日累計(jì)運(yùn)行負(fù)荷的25.4%，達(dá)到了規(guī)定要求。通過在用電低谷期運(yùn)行蓄能空調(diào)系統(tǒng)，蓄能設(shè)備裝機(jī)容量為設(shè)計(jì)總采暖能量的20%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。方案確定后，對(duì)比分析了常規(guī)制冷系統(tǒng)和冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的投資情況。冰蓄冷系統(tǒng)初期投資比常規(guī)制冷系統(tǒng)多200萬元左右，按照供冷季節(jié)每年節(jié)省58萬元的電費(fèi)計(jì)算，需要3a左右才能收回多出的成本。通過調(diào)研分析，當(dāng)追加投資回收期超過5a，那么不建議使用冰蓄冷系統(tǒng)。因此，本商業(yè)建筑使用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語

在商業(yè)建筑中使用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，不僅可以降低成本，而且可以緩解電能的供需矛盾。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮空調(diào)運(yùn)行時(shí)段和電力峰谷時(shí)段之間的關(guān)系，還需結(jié)合建筑的類型進(jìn)行優(yōu)化和計(jì)算，并確定出最佳的運(yùn)行模式。本文以實(shí)際工程為例，對(duì)商業(yè)建筑冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，所得結(jié)果值得類似工程借鑒和參考。