蓄冰與變風量系統在建筑中的應用

文｜中國建筑設計研究院 劉繼興

1 工程概述

大廈建筑面積約98713m2，空調67390m2，地下層32600m2，建筑高度65m。地上由北塔樓、南塔樓和連接二棟塔樓的中庭（四層高）組成，北樓16層，南樓14層，主要功能是辦公。地下四層，是停車庫和設備機房。本樓抗震設防烈度：8度，建筑類別：一類，耐火等級：1級。

2 設計特點

（1）采用了部分負荷冰蓄冷的技術，減少制冷主機容量和配套設備的功率，制冷機運行時段80%的電量移到了谷時，設備滿負荷運行提高利用率。移峰填谷，降低運行費用，使業主支付更少的運行費用。蓄冰系統的初投資比常規系統略高（10%～20%），但年運行費用比常規電制冷系統減少了一半，還可逐步收回投資，是電制冷發展的主流趨勢。

（2）變風量空調系統改變送入房間的風量來適應負荷的變化，機組的容量按各朝向冷負荷的最大值確定，送出風量可以在各朝向的房間調整，風量的減少會使風機能耗降低。此外，與風機盤管系統相比，消除了凝水和霉變的問題。

3 設計參數及空調冷熱負荷

（1）主要房間的室內空調采暖設計參數及通風換氣參數，如表1所示。

表1

（2）全樓夏季空調耗冷量為7200kW，冷指標73W/m2。空調耗熱量為5392kW，熱指標55W/m2（熱源由市政提供，交換后向本樓提供空調水，供回水溫度為60/50℃。）。

4 空調負荷分布與制冷系統容量的確定

空調冷熱負荷按樓層逐時計算，為確定冷水機組與冰槽容量，如表2所示。

空調設計最大負荷7200kW，殘冰量流10%左右。白天主機使用時間12時，按部分蓄冰計算方法確定制冷機容量：

Q為設計日總冷量（kW），C1取0.80，n1為白天雙工況機組運行時間（時）取12；

Cf為螺桿機組為0.65～0.7，取0.7，n2為夜間雙工況機組運行時間（時）取8。

制冷主機選用三臺，空調工況制冷量1780kW，進出水溫度10.5/5℃，冷卻水溫度32/37℃。制冰工況制冷量1200kW，進出水溫度-5.6/-2.7℃，冷卻水進水溫度30℃。隨制冰時間推移，機組效率會不斷下降，主機夜間八小時制冰總量（按-5.6℃計算）不低于22276kW/h。熱源由市政提供，交換后提供60/50℃空調用熱水，為新風機組和外區有熱水盤管的末端提供熱水。

表2

5 蓄冰容量的確定與負荷預測

（1）冰蓄冷系統分別按30%、60%、80%、100%的工況計算，系統力求簡單，選用負荷均衡的部分蓄冰，制冷機組與冰蓄冷設備串聯，主機位于冰槽上游的內融冰系統。

（2）選用鋼盤管蓄冰槽，布置30組盤管，冰槽面高度為2.5m，占日總冷量的28%。

（3）按大樓使用性質，運行時間，系統不設基載主機，冷凍機均可實現供冷與制冰的功能。

（4）參考北京分時電價，尖峰時電價1.26元/ kW/h，高峰時1.16元/ kW/h，平價時0.72元/ kW/h，低谷時0.30元/ kW/h，谷電8小時制冰，白天制冷12小時，加班時間盡量不開冷凍機。

（5）部分負荷時，按融冰優先模式，在30%空調工況條件下白天基本不用開冷凍機組。

（6）蓄冷采用非完全凍結式，夜間10%冷負荷采用外融冰形式。冷水來自冰槽，使用循環水泵是BY-5，利用免費供冷的熱交換器為夜間供冷。

6 蓄冰系統控制策略

最大限度的發揮蓄冰裝置的功能去保證供冷的需求和安全性，少付電費，給業主帶來較大的經濟利益，在對空調負荷進行預測時選擇以下優化控制模式。

（1）主機制冰，從 23∶00～07∶00 的谷電時段，制冷機滿負荷運行，當蓄冰槽的蓄冰量達到要求時，自動停止蓄冰工況運行。主機蓄冰時V1、V3關，V2、V4開。

（2）主機供冷與融冰供冷是在電力峰價與平價時段，此時空調冷負荷較大，為盡量減少系統在電力峰價運行，按時段要求控制冷機處于空調工況的制冷量，出口的乙二醇和冰槽出口的乙二醇溶液混合進入板換，不足冷量由冰槽內的有效融冰量補充，在非標準設計日內，冷負荷相對減小，盡量發揮該時段冰槽分配的有效融冰量，恒定進入乙二醇進板換的溫度，再調節主機能量，V1、V2調節，V3開、V4關。

（3）融冰單獨供冷，晚上17：30～21∶00考慮有30%的加班負荷，以及在過渡季節的使用工況，該時期的冷負荷由蓄冰槽單獨提供，制冷機停止運行，循環泵運行，融冰時，V1、V2調節，V3開、V4關。

（4）主機單獨供冷是在空調冷負荷結構改變時，為了將蓄冰槽的冷量盡量用于電力高峰時段，在平峰時段內的冷負荷可以適當由制冷機單獨提供。這時蓄冰槽與系統隔離開，蓄冰主機在空調工況運行，通過換熱器向空調系統提供冷凍水。V1、V3開，V2、V4關（此工況使用情況不多）。

（5）主機制冰與融冰供冷，深夜10%的加班負荷時由蓄冰槽承擔，采用外融冰供冷方式，蓄冰同時V1、V3關，V2、V4開，V5V6開，啟動BY-5水泵循環冰槽內的冷水，切換RJC-3/4對空調水供冷。

（6）空調機組是按供水溫度5.5/12.5℃，由南北樓的變頻泵提供的。在供冷與融冰過程，一部份來自冷機的出來溫度為4.5℃～5℃的乙二醇溶液經旁通，與另一部份來自冰槽出來溫度為3℃的乙二醇溶液混合，調節水閥使得乙二醇溶液進入板式換熱器的溫度在3.9℃，保證空調水側出水溫度為5.5℃不變。

7 空調系統設計介紹

本工程標準層為大開間辦公室，空調系統采用定新風式變風量系統，外區采用帶加熱盤管的并聯動力型末端，內區采用電動節流式末端。

（1）新風集中處理，四管制設置，夏季供冷，冬季供熱，且加濕，變頻的新風機布置塔樓頂層，處理的新風經豎井送至各層空調機組。

（2）變風量空調機組按二管制設置，全年供冷。各層新風會有不同，經定風量（CAV）裝置分配，至各層變風量空調機組，與回風混合后進行冷卻處理。除通用功能段機組還配有殺毒滅菌凈化裝置。

（3）在內區，全年負荷是基本不變的，任何時間都需要供冷，末端裝置為電動節流式。但外區則在冬季是需要供熱，在建筑周邊配有熱水加熱器的并聯動力型末端，當溫度低于16℃～18℃時，啟用加熱系統對盤管加熱，增大送風溫差，送出合適溫度的空氣，把變風量系統與供暖系統結合運用到建筑的外區。

（4）新風豎井設壓力控制器，當各別層的空調停用或減少新風量時，自動改變新風機的風量。夏季新風處理到22.2℃，除濕，冬季新風處理到11℃，加濕，夏季空調機組送風溫度到14.5℃，冬季送風溫度為12.5℃比較適合，也是防止冬季空氣加熱后再預冷造成能耗浪費。

（5）樓內有十個以上的標準層空調系統，各層需要考慮風平衡，各層多余的風量除了經衛生間豎井和弱電豎井集中排室外，還設置集中空調排風系統，采用變頻調速風機，各層排風支管處設電動風閥，與對應層的空調機組聯動，當某層停用，關閉停用層的排風閥，使整樓的風量平衡，集中排風設熱回收，為新風機組預熱新風。

（6）變風量空調機組滿足末端設備風量，采用吊頂設回風口，走廊作回風通道。

（7）冬季和過渡季節，冷負荷大大低于夏季的總負荷，由冷水機組或蓄冰裝置承擔，冷卻塔共四臺，有一臺在冬季室外溫度條件允許的情況下，利用冷卻塔的冷卻能力，通過板式熱交換器，提供免費的冷水，以達到不開冷水機能的節能運行。考慮風沙較大，冷卻塔出來的冷卻水過濾處理，這臺冷卻塔平時還為特殊租戶提供冷卻水服務。冷卻塔風機采用了雙速風機，不管入塔水量及水溫如何變化，調節風機風量保證出塔水溫，降低冷卻塔的運行能耗。因冬季冷卻塔需要使用，兩個冷卻塔是設有電伴熱的。

8 自控系統介紹

變風量系統送至房間的風量，會隨房間的負荷變化而改變，因此，必然有較多的控制要求。機組是在設計送風溫度確定的工況送出一定量的空氣，而機組大部分時間會在50%～100%的風量運行，所以系統壓力控制顯得十分重要。在送風管內某一點（或二點平均值）選擇合適的定靜壓控制點，并在送風系統靜壓不變的前提下為準確。測定離送風機足夠遠，大約總風管距末端1/3處，使得任何末端風量變化對風管的靜壓產生影響，利用檢測的風道內靜壓點與設定值的差值，調節送風機頻率，保持風管設定的靜壓值不變，此方法簡單，運行可靠。同樣，在新風豎井中也設置壓力傳感器，根據壓力傳感器所測的壓力與設定值的差值，控制新風豎井的壓力，主樓排風風量根據新風機的運行情況而作自動相應調節。空調機運行時聯動本層排風閥開啟，保證房間的正壓控制。而對房間溫度控制，則是由執行器接受室內溫度器的指令動作，末端裝置測出室溫與設定溫度之差來計算出風閥的開度，對送風量進行控制。

（1）各層引入的新風經定風量閥（CAV）與空調回風混合進入機組，定風量閥配置風量傳感器、風量調節閥和風閥執行器，為壓力無關型風量控制設備，無論新風入口靜壓在適用范圍內如何變化，均能保證新風量的測量及恒定控制誤差不高于5%，目的是保證每個變風量系統的新風定量供給，滿足最小新風需求，可實時測定輸送的風量。通過與中央的通信連接監測每臺裝置實際的新風輸送量，并通過中央控制系統對每臺定風量裝置的新風設定值進行調整及修改，滿足實際運行的控制需要。正常工作時，與新風連接的定風量裝置調節至最小，滿足新風量要求，最小新風量設置點應該與預定值相同。

（2）當空調機啟動時，其變速控制器從最低流量開始調節，以便能夠維持所要求的供風管最低靜壓，最低靜壓由送風靜壓高/低限制設置點決定。隨末端風量減少時，系統總風量也要減少，風道內的壓力會增加，尤其在末端處靜壓會復得，DDC控制器會根據定壓測定值與設定值，由變頻器調整機組送風機的轉速，消除壓力波動，防止風量低負荷運行時系統末端產生多余的靜壓。正常運行變風量控制器入口設定送風壓力在（120～130Pa）。

（3）室內感溫器與變風量末端控制環網來調節每個VAV末端的節氣閥，對于單風道末端運行模式：當房間溫度處于設定點時，末端送出最小供冷風量，房間溫度升高使送風量加大，當超過設定點1.1℃時，送冷風量至最大，維持房間的冷卻設置點，這時送風為定溫度、變風量。對于并聯末端運行模式，夏季運行模式與單風道末端相同，在供熱和處理較低供冷負荷時，房間室溫會下降，風閥關至最小風量值，當低于供熱設定點0.2℃，啟動末端風機，將吊頂溫度稍高的空氣從回風送至空調區，房間溫度降至設定點以下0.1℃，末端風機停止運行。如果房間溫度降至設定點以下，啟動輔助加熱器，比例調節水閥開始啟動，低于供熱設定點1.1℃時，比例調節水閥全開。提供外區空調所需的熱負荷，這時送風為定風量、變溫度。

（4）并聯風機式的變風量末端裝置工作原理：參考TITUS，如表3所示。

所有末端的最小風量、最大風量均可在規定的范圍內進行調整。

（5）空調冷水回水管上設動態平衡電動調節閥（或裝有壓差控制器與電動二通閥），送回風溫度的傳感信號對回水管上的電動二通閥進行調節，控制表冷器的過水量。熱水回水管電動調節閥，控制新風機送風溫度。冬季新風機組停機時，熱水回水管電動調節水閥保留5%開度，以防加熱器凍裂。周邊熱水盤管，則由供熱區域的溫控器對末端回水管上的電動二通閥進行控制。

（6）冷水采用二次泵變流量系統，空調冷量減小時，系統水量會隨之變小，按遠端供回水壓差變化為依據，調整流量保持設定的壓差，二次泵變流量運行系統部分節能。

（7）制冷機的出水溫度，冷機加機與卸載，按冰蓄冷運行的模式同時輔助監測冰槽供回水溫度采用相應的控制。

（8）采用了 DDC 數字控制的變風量空調系統，提高樓宇智能化程度，優化節能。

9 需要注意的問題

（1）變風量系統較大噪聲來自機房的風機，另外是末端調節閥，動力型末端風機產生的噪聲，除了機房做好吸聲，進出機房管道布置消聲器，還要注意合理的風管布置、管道流速、分支管接法對末端裝置的選用，要注意末端標準送風量（最大與最小風量）、噪聲值、入口靜壓值與最大壓降等指標。選用的末端裝置在所需范圍，不要對其放大型號，因為末端的型號越大噪聲也越大，故在便于合理布置空調系統的前提下，盡量選用小型號的末端裝置。動力型末端過渡季節時的運行模式，會使風機時起時停，使噪聲有明顯變化。并聯末端風機位于末端箱體的回風口處，輻射噪聲及送風噪聲都容易從回風口處傳出，為避免噪聲傳出，回風口加裝消聲管。采用走廊作為回風通道，減少回風管的安裝，注意回風速度不宜過大，比摩阻小于1Pa/m。

（2）選擇標準節流型變風量末端與帶有熱水加熱盤管的并聯式風機動力型變風量末端裝置時，為了末端風量測量的精度，末端一次風接管盡量避免直角彎頭連接，連接變風量箱的入口支管，應留有1.5～3倍管徑以上長度的直管段，末端出口應有足夠的消聲段，并通過雙螺旋鋁塑復合保溫軟管至送風口。

表3 本樓標準層采用的變風量末端表

（3）有加熱的并聯動力型末端，作風平衡調試，需要注意末端風機與一次風之間的壓差不能太大，以免壓力小的一邊氣流無法送出，影響系統運行。熱水盤管安裝在末端的回風口處，只加熱回風，在空調機組同時帶內外區末端時，外區并聯末端對盤管熱水的溫度要求更高，否則空調區溫度無法滿足設計要求，并聯末端對于設計、安裝以及調試，需要的關注程度是大于其他形式的變風量末端。調試時更需細心，與串聯末端相比，要求空調機有足夠高的入口靜壓，末端入口風壓力在（120～130Pa），保證一次風能通過風閥、箱體、下游風道和散流器。

（4）由于新風是固定不變的，冬夏季送風量不同，空氣中的新風比也會不同，導致夏季內區新風小于外區，冬季外區新風小于內區，對于大開間氣流組織要求中等的場合，使用上述的系統就能輕松對應。冬季空調運行時，外區供熱內區供冷，對大空間房間，適當將外區設定的溫度低于內區1℃～2℃，使內區上部的熱空氣進入外區，外區下部的冷空氣進入內區，有利于內區產生的部分富裕熱量傳至外區，承擔外區的部分熱負荷，形成室內氣流混合，減少熱量，達到空調運行時的節能作用。

（5）設計中，對于個別內熱負荷小，人員多的房間會有新風不足的現象，應采取增加再熱，加大送風來解決。此外，還需要對特定房間提高末端最小風量與最大風量之比，改善其新風不足。對于劃分小房間，注意避免同一個末端裝置的送風口跨分隔布置。如果吊頂的空間條件允許，采用獨立新風系統是不錯的方法。

（6）特別要注意：設備安裝要請有資質的單位，風管漏風可能會對運行調試有很大影響，系統調試也要找專業人員結合現場情況完成，此外，還有對運行人員培訓，掌握系統運行要點，都是十分必要的。

（7）質量濃度為25%的乙二醇水溶液在-5℃溶液密度1044.5kg/m3，其比熱為3.66kJ/kgK，導熱系數0.44W/K，粘度為4.34mPa/s，流量修正系數1.08，所需流量應比水流量大8%，管道阻力修正系數136（-5℃）和1.22（5℃）。注意在選水泵時考慮上述條件，由于管道的溫度較低，更要做好保冷，當冷水管保溫采用（B1級）難燃型發泡橡塑材料。乙二醇管道比普通冷凍水保溫增加5mm的厚度。

上述論點若有不足之處，還請業內同行指正。