基于雙機(jī)頭串聯(lián)逆流的大溫差水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用研究

周偉

（珠海格力機(jī)電工程有限公司，廣東 珠海 519070）

由于目前我國(guó)電力消耗增長(zhǎng)迅速，高峰電力緊張，因此，如何轉(zhuǎn)移高峰電力需求，“移峰填谷”，平衡電力供應(yīng)，提高電能的有效利用，就成為當(dāng)前許多國(guó)家重點(diǎn)解決的問(wèn)題?；诖耍罾淇照{(diào)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用將成為趨勢(shì)，蓄冷技術(shù)是指利用夜間低谷負(fù)荷電力制冷并儲(chǔ)存在蓄冷裝置中，白天將所儲(chǔ)存的冷量釋放出來(lái)，以減少電網(wǎng)高峰時(shí)段空調(diào)用電負(fù)荷及空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)容量。其能夠有效利用低谷電能，具有平衡峰谷、緩解供應(yīng)緊張等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的節(jié)能效益、經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)的水蓄冷技術(shù)存在蓄冷溫差小，蓄冷占地面積大等問(wèn)題，本文在常規(guī)水蓄冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化蓄冷罐提升蓄冷溫差，減少蓄冷罐容積和投資費(fèi)用。機(jī)組采用雙機(jī)頭形式，可滿足夜間蓄冷以及白天機(jī)組與蓄冷罐聯(lián)合供冷，本系統(tǒng)充分利用了雙機(jī)頭機(jī)組、大溫差水蓄冷、兩級(jí)表冷、熱濕聯(lián)合處理的優(yōu)越性，可獲得最大程度上的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。

1 系統(tǒng)原理

基于溫濕度獨(dú)立控制的水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，本文公開(kāi)了一種基于雙冷源兩級(jí)表冷的大溫差水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)包括雙機(jī)頭主機(jī)、水蓄冷罐、冷卻塔、水泵、機(jī)房輔助設(shè)備、末端等裝置，其中冷源為雙機(jī)頭機(jī)組串聯(lián)逆流，可提供2種工況的冷卻水，水蓄冷罐為袋式隔膜水蓄冷罐，溫度呈梯度分布，可直接向末端供冷，無(wú)需安裝板式換熱器，減少換熱損耗可以實(shí)現(xiàn)大溫差供冷。相比于傳統(tǒng)水蓄冷系統(tǒng)經(jīng)板式換熱器換熱供冷的模式，系統(tǒng)的蓄冷罐容積與常規(guī)水蓄冷系統(tǒng)相比，占用空間可大幅減少。末端為組空機(jī)組，采用雙級(jí)表冷，雙機(jī)頭機(jī)組一側(cè)提供高溫水到表冷器1，水蓄冷罐提供低溫水到表冷器2，對(duì)室內(nèi)的濕負(fù)荷與冷負(fù)荷聯(lián)合處理。

圖1 系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)運(yùn)行模式包含3種模式：（1）主機(jī)向水蓄冷供冷，（2）主機(jī)與水蓄冷聯(lián)合供冷，（3）過(guò)渡季節(jié)水蓄冷單獨(dú)供冷。首先在夜間電力低谷時(shí)期，冷水機(jī)組運(yùn)行，將冷量以低溫冷水的形式儲(chǔ)存在蓄冷罐中；在白天時(shí)間，由機(jī)組與蓄冷罐共同承擔(dān)空調(diào)負(fù)荷，雙機(jī)頭主機(jī)提供12~20℃的高溫水到組空表冷器1，水蓄冷罐提供4～12℃的低溫水到組空表冷器2，混風(fēng)經(jīng)過(guò)兩級(jí)表冷達(dá)到除濕冷卻的目的；在過(guò)渡季節(jié)，室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷較小時(shí)，空調(diào)負(fù)荷全由水蓄冷罐提供。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙機(jī)頭主機(jī)采用串聯(lián)逆流技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大溫差供冷，本文將雙機(jī)頭主機(jī)與袋式隔膜水蓄冷系統(tǒng)2種技術(shù)有機(jī)組合，結(jié)合組空機(jī)組的兩級(jí)表冷，使得空調(diào)系統(tǒng)在不同季節(jié)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)不同的供冷模式。

2.1 冷源的選擇

傳統(tǒng)的水蓄冷系統(tǒng)中，制冷主機(jī)為單機(jī)頭機(jī)組，工況為7/12℃，導(dǎo)致水蓄冷罐中的溫差很小，水蓄冷罐所需體積增大。本系統(tǒng)冷源選擇了雙機(jī)頭機(jī)組，含有2個(gè)制冷循環(huán)系統(tǒng)，每臺(tái)壓縮機(jī)內(nèi)的制冷劑循環(huán)相互獨(dú)立，即壓縮機(jī)1將蒸發(fā)器1內(nèi)的制冷劑吸入其內(nèi)，然后排入冷凝器1，經(jīng)節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器1。壓縮機(jī)2流程與壓縮機(jī)1相同。換熱器的設(shè)計(jì)采用串聯(lián)逆流的方式，當(dāng)冷凍水流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)，冷凍水先經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器1降溫，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器2再次降溫，同時(shí)冷凍水與制冷劑逆向流動(dòng)換熱。

系統(tǒng)主機(jī)為雙機(jī)頭主機(jī)，采用串聯(lián)逆流的形式，制冷機(jī)容量需要滿足日間預(yù)冷的負(fù)荷需求和夜間蓄冷的需求。主機(jī)白天供冷時(shí)，一個(gè)機(jī)頭提供12～20℃的高溫水，到達(dá)表冷段1，夜晚蓄冷時(shí)2個(gè)機(jī)頭共同工作，其中一個(gè)機(jī)頭提供的12～20℃的高溫水到達(dá)另外一個(gè)機(jī)頭繼續(xù)制冷到4～12℃，低溫水到達(dá)蓄冷罐，滿足蓄冷需求。

2.2 末端設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)末端選用組空系統(tǒng)，為了達(dá)到更好的除濕效果，冷凝除濕一般要求以7℃或以下的低溫冷水作為冷媒，組空系統(tǒng)包含2個(gè)表冷段，冷源系統(tǒng)供給過(guò)來(lái)的低溫水與高溫水分別接入表冷段1和表冷段2。

室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)混合后依次經(jīng)過(guò)預(yù)冷、冷卻除濕過(guò)程，最后通過(guò)風(fēng)管送到房間內(nèi)。負(fù)責(zé)輸配的送風(fēng)機(jī)采用 EC 變頻風(fēng)機(jī)，可以根據(jù)新風(fēng)需求調(diào)節(jié)送風(fēng)量。

（1）預(yù)冷過(guò)程：新風(fēng)通過(guò)進(jìn)水水溫為16～20℃的高溫水盤(pán)管（預(yù)冷器）進(jìn)行預(yù)冷，該過(guò)程以顯熱換熱為主。

（2）冷卻除濕過(guò)程：預(yù)冷后的空氣進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻除濕，該過(guò)程以潛熱換熱為主。

2.3 空氣處理過(guò)程

該系統(tǒng)所采用的組空系統(tǒng)采用熱濕聯(lián)合處理、一次回風(fēng)、露點(diǎn)送風(fēng)的處理方式，系統(tǒng)焓濕圖如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)條件確定室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)，由室內(nèi)的余熱余濕確定熱濕比線，新風(fēng)從室外狀態(tài)點(diǎn)W與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N處的回風(fēng)混合處理到混合狀態(tài)點(diǎn)C點(diǎn)，混風(fēng)經(jīng)過(guò)表冷器1預(yù)冷，再經(jīng)過(guò)表冷器2冷卻除濕到露點(diǎn)，混風(fēng)處理到露點(diǎn)直接送入室內(nèi)。

圖2 空氣處理焓濕圖

公式（1）~（2）中：

V-混風(fēng)空氣體積；

2.4 蓄冷罐的選擇

傳統(tǒng)的水蓄冷罐為單一罐體，蓄冷時(shí)想要將蓄冷罐的高溫水變?yōu)榈蜏厮?，需要主機(jī)供給的冷量很大，在室內(nèi)負(fù)荷較小時(shí)，制冷機(jī)供給的冷量小，水蓄冷罐的溫度未達(dá)到使用要求，本系統(tǒng)采用2個(gè)水蓄冷罐，蓄冷時(shí)主機(jī)供冷先將水蓄冷罐1充滿，在蓄冷罐1全變?yōu)槔渌畷r(shí)，低溫水向蓄冷罐2供冷，釋冷時(shí)先釋放水蓄冷罐1中的冷水，低負(fù)荷情況下水蓄冷罐中蓄冷量很少，采用2個(gè)蓄冷罐時(shí)，蓄冷優(yōu)先供給一個(gè)蓄冷罐，保證第一個(gè)蓄冷罐可以供給低溫水。

系統(tǒng)采用袋式隔膜水蓄冷罐，水蓄冷罐供冷時(shí)無(wú)需板式換熱器，可以實(shí)現(xiàn)大溫差供冷。系統(tǒng)的蓄冷罐容積與常規(guī)水蓄冷系統(tǒng)相比，占用空間可大幅減少。蓄冷罐體積由主機(jī)蓄冷時(shí)工況和蓄冷時(shí)間決定。

冷水和溫水之間存在水密度差異。低溫下的水沉積在罐的下方，高溫下的水沉積在冷水之上。高溫水與低溫水間存在袋式隔膜進(jìn)行分離，供冷時(shí)無(wú)需板式換熱器；當(dāng)晚上蓄冷時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的低溫水從罐體的底部進(jìn)入，高溫水從罐體的頂部流出；當(dāng)水蓄冷罐供冷時(shí)，低溫水從罐體的底部流出，流經(jīng)組空末端表冷器2后，高溫水從罐體頂部回來(lái)。若同時(shí)合理利用消防水池，可以進(jìn)一步優(yōu)化該設(shè)計(jì)。

3 運(yùn)行模式

根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆骞入妰r(jià)政策，夜間電力在低谷時(shí)，雙機(jī)頭主機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行，供給4℃的低溫水儲(chǔ)存在蓄冷罐中；在白天空調(diào)時(shí)段時(shí)，主機(jī)供給12～20℃的高溫水到表冷器1，水蓄冷罐的冷量以4～12℃的低溫水形式供給到表冷器2；系統(tǒng)白天供冷時(shí)主機(jī)與蓄冷罐一起運(yùn)行。

所述系統(tǒng)供冷模式包括主機(jī)向水蓄冷供冷、蓄冷水罐供冷、主機(jī)與水蓄冷聯(lián)合供冷、過(guò)渡季節(jié)水蓄冷單獨(dú)供冷。根據(jù)圖1系統(tǒng)原理圖來(lái)講述各個(gè)過(guò)程所經(jīng)過(guò)的裝置。

3.1 充冷流程

夜晚電價(jià)低谷時(shí)，主機(jī)向蓄冷罐供冷時(shí)，冷凍水依次經(jīng)過(guò)的結(jié)構(gòu)為：蓄冷水罐溫水端——充冷泵——主機(jī)——蓄冷水罐冷水端。

3.2 主機(jī)與水蓄冷聯(lián)合供冷

如圖4所示，主機(jī)向表冷段1供冷時(shí)，冷凍水經(jīng)過(guò)的結(jié)構(gòu)為：末端回水——水泵——主機(jī)——表冷器1；蓄冷水罐冷水端——供冷泵——表冷器2。

3.3 過(guò)渡季節(jié)蓄冷罐供冷

如圖5所示，過(guò)渡季室內(nèi)冷負(fù)荷較小時(shí)，系統(tǒng)供冷由水蓄冷罐單獨(dú)承擔(dān)，4~12℃的低溫水由水蓄冷罐出到達(dá)表冷段2，后低溫水變成12～20℃的高溫水到達(dá)表冷段1，再回到水蓄冷罐中，低溫水所流經(jīng)的結(jié)構(gòu)為蓄冷水罐冷水端——供冷泵——表冷器2（4/12℃）——表冷器1（12/20℃）。

4 案例分析

4.1 建筑模型

以某展廳為例來(lái)對(duì)該建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行闡述，該展廳位于珠海高欄港，位于夏熱冬暖地區(qū)，濕度很大。在DEST軟件平臺(tái)上建立建筑的負(fù)荷模型，如圖3所示。

圖3 建筑全年各項(xiàng)負(fù)荷

4.2 模擬分析

展廳空調(diào)使用時(shí)間為8:00~18:00，適合利用夜間低谷電蓄冷?？照{(diào)負(fù)荷全天峰谷差較小，目前珠海地區(qū)實(shí)行峰谷電價(jià)制，且采用蓄冷空調(diào)時(shí)，將給予分時(shí)電價(jià)優(yōu)惠政策。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算案例全熱負(fù)荷約495kw，展廳的最高負(fù)荷出現(xiàn)在7~9月，在高負(fù)荷時(shí)，充分利用主機(jī)供冷與水蓄冷罐聯(lián)合供冷的優(yōu)勢(shì)；在部分負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)采用水蓄冷單獨(dú)供冷。

4.3 運(yùn)行情況

該展廳夜間空調(diào)系統(tǒng)不開(kāi)啟，選擇雙機(jī)頭主機(jī)，制冷量為495kw，夜間蓄冷4h，換熱溫差為8℃，則水蓄冷罐體積：

其中：

V-蓄冷罐體積；

Q-主機(jī)夜晚制冷量；

蓄冷罐采取低溫水從下方進(jìn)入，高溫水從上方出，合理利用溫度梯度分布，大溫差水蓄冷系統(tǒng)蓄冷密度大，占用空間更小。

模擬計(jì)算，案例全熱負(fù)荷為495kw，得到空調(diào)負(fù)荷設(shè)計(jì)日工作時(shí)段累加總冷負(fù)荷?？照{(diào)系統(tǒng)采用兩級(jí)表冷系統(tǒng)，水蓄冷向表冷段2供給低溫水，承擔(dān)深度冷卻除濕的冷負(fù)荷，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷處于100%時(shí)，主機(jī)與水蓄冷罐一起供冷，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷處于50%及以下時(shí)，空調(diào)負(fù)荷可由水蓄冷罐供冷，此時(shí)，低溫水先經(jīng)過(guò)組空表冷段2，再經(jīng)過(guò)表冷段1，最后回流到水蓄冷罐，實(shí)現(xiàn)了大溫差供冷，改善了蓄冷罐容積過(guò)大的問(wèn)題。

4.4 全年能耗分析

該辦公樓夜間空調(diào)系統(tǒng)不開(kāi)啟，基載容量不設(shè)置。冷機(jī)選擇一臺(tái)400kW雙工況冷水機(jī)組。經(jīng)計(jì)算得出，制冷機(jī)裝機(jī)容量降低了20%。經(jīng)核算，設(shè)計(jì)工況運(yùn)行蓄冷率為66%。機(jī)組夜間蓄冷，夜晚將蓄冷罐蓄滿，白天設(shè)置每小時(shí)最大低溫水供冷量，當(dāng)?shù)蜏厮罾淞坎荒艹袚?dān)建筑負(fù)荷時(shí)，多余的冷負(fù)荷由機(jī)組承擔(dān)。以此得到機(jī)組白天和晚上的耗電量及機(jī)房的能耗匯總?cè)绫?所示。

表1 機(jī)房全年能耗（單位：kw.h）

冰蓄冷系統(tǒng)選用相對(duì)較小的主機(jī)，在夜間主機(jī)蓄冰，白天主機(jī)與蓄冰裝置一起工作滿足空調(diào)負(fù)荷，全日主機(jī)利用率極大提高，用電負(fù)荷將非常平均。系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用相較于傳統(tǒng)機(jī)組能耗節(jié)省優(yōu)勢(shì)巨大。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）雙機(jī)頭水冷螺桿機(jī)組采用串聯(lián)逆流形式，機(jī)組既可以在白天供給12/20℃的高溫水到組空表冷段1，晚上又可以供給4/12℃的低溫水到水蓄冷罐，一機(jī)兩用，大幅度降低了機(jī)房側(cè)設(shè)備占用空間，減少了初投資。

（2）水蓄冷空調(diào)利用峰谷電價(jià)差，夜間蓄冷到水蓄冷罐，白天用冷，可以移峰填谷平衡電網(wǎng)用電負(fù)荷，大幅節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）組空兩級(jí)表冷，充分利用冷源系統(tǒng)供給高溫水與低溫水的優(yōu)越性，熱濕聯(lián)合處理，表冷段1對(duì)混風(fēng)預(yù)冷，表冷段2冷卻除濕，系統(tǒng)適配性好。

（4）系統(tǒng)采用大溫差蓄冷，減小了蓄冷量，改善蓄冷容量過(guò)大的問(wèn)題，更具有實(shí)用、先進(jìn)性等方面的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行費(fèi)用較常規(guī)系統(tǒng)更為節(jié)約。