蓄冷空調在大型公共建筑中的應用分析

賴文彬

(廣東省建筑設計研究院,廣州510010)

在歐美、日本等發達國家對節能和能源的有效利用都十分重視,蓄冷技術在這些國家已經比較成熟,有很大部分的建筑物都在使用蓄冷技術。在我國,國家電網與南方電網近年來也相繼召開多次有關蓄冷空調的技術交流會,指出繼續大力推廣蓄冷空調技術、充分運用價格杠桿以鼓勵用戶采用蓄冷空調的必要性。

根據有關部門的分析認為,2012年我國用電仍然緊張,峰谷差仍然較大。據統計,夏季城市空調的用電負荷已占到城市高峰電力總負荷的40%以上,而在夜間,絕大多數中央空調停止運行,造成電力系統發送電不均衡,夜間電力系統設備閑置,使用率低,國內電力能源使用處于嚴重的失衡狀態。這是造成電網峰谷荷差逐步加大的最主要誘因。所以,越來越多的地區相應實施峰谷電價,采取一些諸如政策性補貼的措施鼓勵蓄能空調的使用和推廣。在廣州地區,工業領域已經實施峰谷電價,民用領域也開始出現峰谷電價的意向。根據廣東省物價局 “粵價函 【2009】516號文答復意見:“選擇廣州作為蓄冷電價政策試點地區,抽取9個現行或潛在的蓄冷空調項目……”。這就為廣州地區民用建筑設蓄冷空調提供了可能性。

1 蓄冷空調形式及特性

蓄冷空調簡單來說,就是在用電低谷時段采用電制冷,把冷量以冷凍水、冰或共晶鹽的形式儲存起來,在用電高峰的時候把冷量釋放出來使用,減少在用電高峰時主機的開啟時間,從而對電網起到削峰填谷的作用,對使用者也起到減少運行費用的目的。在民用建筑中常見的蓄冷可以歸結為水蓄冷和冰蓄冷兩大類。

水蓄冷,就是以水作為蓄能介質的蓄冷系統。利用水的潛熱進行能量的儲存和釋放。水在蓄冷和放冷的過程中只發生溫度的變化并不發生相變,所以制冷機組的出水溫度較高,制冷效率高,與常規的空調系統較為接近,控制也較為簡單。

水蓄冷的形式一般有3種:1)自然分層式。利用水在4℃以上時隨著水溫的升高,其密度在不斷減小,如果不受到外力擾動,容易形成冷水在下,熱水在上的自然分層狀態。此形式在國內的新建機場中用得較多。2)迷宮式。采用隔板把水槽分成很多個單元格,水流按照設計的路線依次流過每個單元格,能較好地防止冷熱水混合。3)隔板式。在蓄水罐內部水平布置一個活動的柔性膈膜或一個可移動的剛性隔板,來實現冷熱水的分離。

冰蓄冷,利用水的的顯熱和相變能來蓄能。水在蓄冷和放冷時均發生相變,蓄冰時雙工況制冷機組的制冷效率有所下降,蓄冷量受到一定的限制,控制較復雜。

目前國內出現的冰蓄冷形式主要有:

1)冰盤管。就是把盤管浸泡在冰槽中,通過盤管實現冷熱交換,將槽內的水部分凍結成冰儲存冷量或將冰融化釋放冷量。其放熱形式的不同,又分為外融冰和內融冰兩種。

2)冰球。也叫封裝式蓄冰裝置,將蓄冷的介質用球體封裝起來,冰球內的相變物質液凍結或融化來進行蓄冷或放冷。

3)動態制冰 (冰漿式和冰片滑落式)。冰漿式就是通過制冷機組把水過冷至-2℃左右,再讓過冷水凝結成細小的冰漿,與水形成漿狀冰水混合物儲存在槽內。此系統制冰速度快、融冰效率較高,供冷溫度低,可達1℃,但對控制的要求較高,同時,由于利用水的過冷度,所以對水質的要求較高。冰片滑落式,采用制冷劑直接蒸發制冰,在蒸發板上形成片狀冰,通過熱氣脫冰的方法,片狀冰破裂成碎片冰保存在蓄冰槽中,融冰速率較高。

現我們以廣州白云國際機場2號航站樓為例來分析各種蓄冷空調的特性。

2 項目概況

廣州白云國際機場2號航站樓位于廣州市白云區,是我國主要航空樞紐之一。至今已建有航站樓49萬平方米并投入使用,其中1號航站樓面積為35萬平方米。即將建的T2航站樓總建筑面積約63萬平方米。已建的1號航站樓在2004年8月投入使用,根據空調系統運行耗電量統計顯示,按完整的年份統計,自2005年以來,每年主機房的耗電量均在 3.2億kWh以上,占整個航站樓用電量的30%～40%。所以設計一個節能、省錢的空調系統有非常大的必要性。

白云機場是是廣東省抽取的9個可能實施分時電價的試點項目之一。經機場業主與發改委多次協商,初步確定白云機場的電價分兩個時段:0∶00～8∶00為用電低谷時段,電價為0.3元/kWh;其余時間用電為0.8404元/kWh。分時電價為設蓄冷空調提供了可行性。

3 建筑負荷及系統選擇分析

3.1 負荷分析

航站樓與其他的建筑相比,其在使用上有特殊性:旅客在室內呆的時間相對較短,且人員數相對穩定,外維護結構大部分是玻璃幕墻。經計算分析可知,室內人員、新風負荷約占17%,維護結構負荷約占38%,照明約占20%,室內設備散熱約占25%。同時,根據1號樓實際運行記錄可知:基本上是每天5∶30開機,23∶50停機,有航班延誤的時候會推遲停機,每年約有1個月的時間完全關閉主機不需制冷。每天上午開機后隨人員的增加負荷迅速增大,之后隨室外溫度的升高而增大。每天的負荷高峰出現在13∶00～16∶00點之間。根據實地調查,白云機場一期從2004年運行以來,在最高負荷時均全部開啟制冷主機,沒有余量。2號航站樓的各功能分布面積比例與一期幾乎一致,由于建筑方案還在調整之中,所以空調負荷暫時按一期的單位面積負荷指標來進行估算,待建筑方案確定后再進行詳細的負荷計算:一期建筑面積負荷指標:160 W/m2T2航站樓負荷:

建筑面積:63萬m2,

冷負荷:

計算取值:Qz=28000RT=98473.5 kW

由白云機場一期一年的運行記錄統計數據可知,一年滿負荷運行的天數約為 60天,75%和50%負荷運行的天數約為120天,25%負荷運行的天數約為30天。一天最高負荷出現在8月,取其最熱幾天平均值得出最高負荷日的逐時冷負荷 (見圖1)。

圖1 最高負荷日的冷負荷曲線

3.2 系統選擇及參數分析

按此冷負荷曲線,2號航站樓一天的最大需冷量為1 592 916kWh。根據各種蓄冷系統的工作原理,我們知道,系統的蓄冷量越大,系統節省的費用將越多,為了讓各系統的方案更具有可比性,筆者決定制冷機組按滿負荷配置:系統配置14臺703.4kW(2000RT)的冷水機組。此機組在-6℃出水時產冷量為5099.65kW(1450RT)。由此可計算出各系統的最大蓄冷率:水蓄冷為40%,靜態冰蓄冷為26.9%,動態蓄冰的蓄冷量為介于兩者之間。為了更充分的顯示各系統的經濟性,我們選擇冰蓄冷均按25%的蓄冷率,水蓄冷按 25%和40%的蓄冷率來計算分析。

從對機場負荷的分布比列可知,顯熱負荷大,熱濕比大,從i-d圖分析和末端設備的換熱計算可知,適當提高系統的供水溫度和供回水溫差是可以滿足末端的處理要求的。由于制冷主機冷凍水出水溫度每降1℃效率下降3%～5%,而且機場用地相對充裕,為了減少系統的輸送能耗,冷凍水采用6℃/16℃的供回水溫差。水蓄冷形式方面采用自然分層式,同時分析地上和地下兩種形式。冰蓄冷分析靜態和動態兩種形式。同時將分析結果與常規系統做比較。

4 系統方案

4.1 方案初始條件

1)系統總裝機容量98473.5kW(28000RT);

2)電價:00∶00～8∶00:0.3元/kWh,其余時間0.8404元/kWh;

3)設計日負荷分布圖:見圖2。

4)各部分負荷的天數 (見表1):

表1 各部分負荷的天數

5)每天5∶30開機,24∶00關機

6)供回水溫度:6～16℃。

4.2 蓄冷方案

水蓄冷,蓄冷溫度為6℃,采用地上蓄冷罐時,水體高度高于航站樓最高用冷點,制冷機組6℃出水,蓄冷時直接向蓄冷罐供水,放冷時直接由蓄冷罐和主機供冷。采用地下蓄冷罐時,由于增加了板式換熱器,制冷機組蓄冷時4℃出水,5℃蓄水,供冷時6℃出水。蓄冷罐采用自然分層技術,控制斜溫層在0.3～1m。

冰蓄冷,采用雙工況制冷機組。靜態選擇冰球作為分析方案,制冷機組-6℃出水。動態選擇冰漿式,制冷機組-2℃出水。系統供冷溫度均為6℃。

圖2 設計日負荷分布圖

4.3 方案分析結果比較。

結果詳見表2。

從分析的過程和結果中我們發現:

(1)對電網的作用:

水蓄冷采用40%的蓄冷率的時候,一年可以轉移約4.6×107kWh的電量,占總耗電量的56.3%;采用25%的蓄冷率的時候,一年可以轉移約3.1×107kWh的電量,占總耗電量的37.9%;蓄冷率越大對電網削峰填谷的作用越明顯。其它兩種冰蓄冷也得出相近的比例。

(2)系統的經濟性:

水蓄冷池體積最大,地上水蓄冷的效率最高,投資及運行費用最低,回收期最短,地下水蓄冷次之。動態冰蓄冷效率與靜態冰蓄冷接近。再從不同蓄冷率來看,運行費用上,40%的蓄冷率明顯比25%的蓄冷率的運行費用低,當然投資額和蓄冷池也大了很多。從節能減費的角度來看,如果空間允許,大蓄冷率的水蓄冷具有明顯優勢。

(3)設計管理及控制:

水蓄冷,由于系統僅多了蓄冷泵和蓄冷罐,載冷劑均為水,未發生相變,控制較為簡單。設計上要把蓄水罐做成相對密閉,減小與大氣直接接觸的面積,以減少水質污染的幾率和對藻類處理。對管理人員的要求相對較低。

冰蓄冷,需采用乙二醇作為載冷劑,且水發生了相變,系統較復雜。且對水質的要求較高,各環節的監控也要求較嚴格,對管理人員的要求也較高。

表2 蓄冷、冰蓄冷系統比較匯總

5 結束語

從廣州白云國際機場2號航站樓的分析結果可以直接總結出:在電價為00∶00～8∶00時段0.3元/kWh,其余時間0.8404元/kWh的條件可以得到實施的前提下,40%的地上水蓄冷經濟性最好,如不允許地上設蓄冷罐,則40%的地下水蓄冷經濟性最好。40%蓄冷率轉移電量大于25%的蓄冷率。

因此可以得出結論:蓄冷空調對電網削峰填谷的作用明顯,在存在電價差的前提下,水蓄冷的經濟性最好,節省的費用最多,但占用的空間也最大。

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊 (第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[2]楊寧,史維秀,謝朝國.冰蓄冷系統運行及控制策略探討[J].制冷,2011,30(1):55-59

[3]石玉香,尚海亮.某藥廠地源熱泵水蓄冷(熱)空調系統設計[J].制冷,2011,30(3):59-63