水蓄冷在中小型建筑中的應用

2012-09-18 13:42:44賴文彬

制冷 2012年1期

賴文彬

（廣東省建筑設計研究院，廣州 510010）

0 前言

在暖通設計和管理中，當樓宇極低負荷時如何開啟運行空調系統，是個令人頭疼的問題。由于負荷低，強行開啟制冷系統會帶來系統運行費用高、制冷主機停啟頻繁等問題。為了解決這些問題，通常會采取附加一臺小容量機組或采用多聯機等辦法，但附加一臺小容量機組并不能徹底解決，而且同時會使系統運行更復雜，多聯機是一個較好的解決辦法，但往往受限于建筑形式，無法擺放室外機。為此，本人在廣州的某超高層建筑的設計中引入水蓄冷的概念，較好的解決了這些問題。

1 工程概況及系統選擇分析

該建筑總面積約5.6萬m2，其中空調面積2.5萬m2。地下室五層，地上三十二層，總建筑高度154m。避難層設于5層（21.5m標高）和 18層（80.0m標高）。裙房4層，以大堂、會議、羽毛球館為主要功能；5層以上為塔樓，以辦公、會議為主。根據業主提出：由于經常需要加班，且無規律可循，要求必須做到哪怕一間房間加班，空調系統也能開啟。塔樓每層建筑面積僅1000m2，沒有露臺，坡屋頂，裙房屋面僅有不到600m2。

同時由于辦公面積緊張，建筑專業無法另外安排出空間來擺放室外機，從而沒有設多聯機的可能性。

基于建筑的特性，只能設集中式空調系統，由于建筑屬于超高層，如果設一個系統勢必系統壓力過高，設備無法承受。要解決安全性的問題，有三個方案可考慮：（1）分設高區和低區兩套獨立的空調系統，高區制冷主機設于塔樓上，低區設于地下室；（2）設一套系統，制冷主機設于地下室，在18層避難層設板式換熱器轉換；（3）仍分設高區和低區兩套獨立的空調系統，高區和低區制冷主機均設于地下室。

分析這三個方案：

方案1：主機直接供冷，系統效率高，但屋頂沒有放冷卻塔或風冷機的空間，沒有實施的可能性。

方案2：18層以上有約1.1萬m2的空調面積，占整個建筑空調面積的44%。經過板換轉換后，整個大樓能耗增加超過6%，經濟性差，不節能。

方案3：建筑需要設空調的區域實際高度約135m，制冷機房需設于地下二層（-9.4m），空調系統工作壓力為1.85MPa。這對于制冷主機和水泵及其連接設備來說完全可以承受，但根據經驗，末端設備及配件的工作壓力控制在1.6 MPa以下才是較安全的。同時，高低區均由主機直接供冷，系統效率高。這樣只要控制好系統末端的靜壓，本方案有可行性，同時也最合理。

再來分析建筑的布局及冷量分配：一至五層，羽毛球館設在二層，且大部分開啟時間在下班后，冷量為126.6kW（36RT）。5層為避難層。5層以上是辦公，使用時間相對一致。

5層以下總冷量為844kW（240RT），選用2臺422kW（120RT）的螺桿機組，5層以上冷量為3025.5kW（860RT）。如果用120RT的機組供羽毛球館，則勢必造成機組不斷的啟停。

據了解，一般螺桿式冷水機組在停機后，至少需20分鐘才能夠安全的再次啟動。同時系統小，管路里面的水容量小，機組停機后沒有充足的回油時間即需要再次啟動，勢必造成機組的損壞幾率加大。且機組在低負荷的工況下運行，效率低。為了解決以上問題，筆者在設計時引入水蓄冷。

2 水蓄冷在低負荷時的作用

圖1 制冷機組效率曲線

蓄冷，在大部分設計師的眼中均認為只有存在電價差時才有使用的價值。其實不然。下面分析某廠家的實際選型效率曲線，見圖1（冷卻水進水恒定在32℃）。

機組在負荷由100%降到20%時機組的效率從5.67下降到4.47，下降了21%，加上水泵的功率，綜合效率下降了約30%。這是一個很大的損失。如果我們能用一個蓄冷池把冷量蓄起來，讓主機保持在100%負荷（或最高效時的負荷率）運行，其余時間由蓄冷池提供冷量，同時蓄冷池供冷時水泵采用變頻運行。這樣系統的效率將大為提高。當然，如果采用一級泵變頻的技術，在系統低負荷時綜合效率會有所提高，但實際上，水泵的變頻量是有限制的，為簡化系統分析，一級泵采用定頻控制。且當系統負荷小于單機最小負荷（冷卻水溫在32℃時最小負荷約為25%）時機組將會自動的停機，通常機組要完全安全的再次啟動需要至少約20分鐘的時間，這時系統需要蓄有足夠的冷量供用冷點使用。

我們以低區系統為例做計算：

在僅開啟羽毛球館時系統可用的水體量：系統干管、制冷機房水管、3層支管共約4.5m3

水體蓄冷量：

羽毛球館需要冷量：

管網蓄存冷量能維持時間：

顯然機組停機后并沒有得到相應的調整時間就必須重新啟動，且機組開啟后按25%負荷率運行不到15分鐘就會被要求停機，顯然對機組是非常不利的。筆者在系統中設一個150m3的蓄冷水池，水池蓄冷量為：

式中：

Cp—冷水的比熱容，取4.187kJ/kg℃；

FOM——蓄冷水槽的完善度；

αv—蓄冷水槽的體積利用率

水池蓄冷量能維持時間：

加上管網的蓄冷量，系統機組停機后可運行約5.76小時，保證羽毛球館的用冷，且放冷冷凍水泵采用變頻運行，軸功率遠小于循環泵。按此原理，系統中每一間房均可單獨的開啟。

我們再來分析主機的效率曲線：單機負荷在253.2kW（60%）時，主機的效率從5.67下降到5.34，下降了 5.8%，如果系統負荷維持在253.2kW，采用水池供冷，可維持的時間為2.78小時，這段時間內如果直接由主機連續供冷，主機和水泵的總耗電量為160.3kW.h。而改由水池供冷，主機和水泵的總耗電量為：

主機100%運行時功率：P=74.4 kW

主機滿負荷運行蓄冷時間：

主機用電量：Wl=P?Tj=124.2 kWh

循環水泵軸功率：Pb=10.25 kW

循環水泵耗電量：

放冷泵軸功率：Pf=4.2 kW

放冷泵耗電量：

總耗電量：

節省電量：W=160.3-146=14.3 kWh

耗電量減少了14.3 kWh，即節能了約9%。證明在系統低負荷及機組效率低時采用水池供冷取得良好的節能效果。

系統的高區受到條件的限制不能相應的設蓄冷水箱，為了系統同樣能夠得以運行，筆者在地下室設置板式換熱器將高區和低區系統并聯，即可做到兩個系統互為備用，解決了高區低負荷時無法運行的問題。當然這時系統的節能效果將受到影響，同時高區的末端放冷量也略有影響，但基本能滿足使用要求。

3 水蓄冷的設置和運行控制

從以上計算可知，如果系統引入水蓄冷，系統在低負荷時的運行將變得簡單安全且系統更加的節能。但如果系統完全的按常規水蓄冷的做法來設計，系統將變得較為繁瑣，占用的空間大，中小型建筑的地下室往往較小而沒有相應的空間，而且在沒有電價差的建筑內也沒有必要完全的按常規水蓄冷的做法來設計。本建筑，一層地下室僅4000 m2，除掉其它設備房、核心筒及車庫等，將沒有更充裕空間做水蓄冷池。為了解決這個問題，筆者結合建筑實際情況將系統做了調整，如圖2。

圖2 制冷系統示意圖

系統沒有像常規的水蓄冷那樣設置專門的蓄冷水泵和高大的蓄冷罐（或板式換熱器），將蓄冷水箱設在系統的最高點（5層），同時也起到膨脹水箱的作用。由于沒有電價差，也無需專門安排時間來做蓄冷運行，系統只要在正常開啟時主機保持滿負荷（或最高效時的負荷率）運行，當末端冷量需求小于1臺機組的容量，則如前面所說的將多余的冷量將通過壓差電動閥進入蓄冷水箱，至水箱冷量蓄滿。在低負荷時只需將主機和相應的冷凍水泵關閉，開啟放冷水泵即可。這樣在正常供冷時完全可以讓系統保持在高效點的工況來運行。

當末端冷量需求大于1臺、小于2臺機組的容量，且同時開啟2臺機組總體效率低時，則開啟1臺主機制冷，同時開啟放冷水泵，抽取水箱內的水實行聯合供冷，這樣可以保證主機永遠在高效的區間內運行。當然要做到這點前提條件是系統設有自控系統，調節放冷泵的頻率使之與系統本身的循環泵在系統主供水管上提供的壓力達到一致。這樣在任何時候系統都可以讓主機和水泵保持在高效的工況點運行，從而提高系統的運行效率。至于系統直接供冷和水池供冷的轉換點的確定及蓄冷水池的大小要決定于主機的效率曲線及容量，確保系統綜合高效運行。

4 結束語

由此可知，具有一定電價差的條件的系統采用水蓄冷固然有節能減費的作用，但在沒有電價差的時候，在系統中設蓄冷水池，在低負荷時由蓄冷水箱供冷，調節制冷主機的負荷率及啟停頻率，使主機保持高效運行，同時調整系統的配置，使系統的配置和控制簡單化，也可起到相應的節能減費的效果，且保證系統的安全運行。