冰蓄冷空調系統的設計及分析和測算

宋智軍

(大同市規劃設計院，山西大同 037006)

1 工程概況

北京金融街A5地塊寫字樓位于西城區西二環路東側，金融大街與武定候街交叉口西北角，A5大廈由兩幢17層板樓及2層裙房組成，總建筑面積9萬m2，其中地上建筑面積6萬m2，地下建筑面積3萬m2。夏季小時最大冷負荷為8 111 kW。

2 設計思路

北京金融街施行峰谷電價，尖峰電價1．265 3元/kWh，低谷電價0．301 9元/kWh，電價的絕對差值0．963 4元/kWh;本項目的冷負荷高峰時段與電網高峰時段重合，而且在電網低谷時段空調冷負荷較小，因此，本項目適宜采用冰蓄冷技術。冰蓄冷技術主要為了平衡電網的晝夜峰谷差，在夜間電力低谷時段向蓄冷設備儲蓄冷量，在日間電力高峰時段釋放其蓄得的冷量，減少電力高峰時段制冷設備的電力消耗，是電力部門“削峰填谷”的最佳途徑。而且冰蓄冷系統具有諸多優點:1)減小機組的裝機容量。機組提供的最大冷負荷可以小于建筑物的峰值負荷，也就是說，可以按照建筑物峰值負荷的60%～70%來選配制冷/蓄冰機組。2)無后顧之憂。由于近年來國內夏季用電負荷日趨緊張，一些地區已經采取拉閘限電，以及對各單位限制時段用電量等多項舉措。而蓄冰技術正是在夜間電力低谷時段向蓄冰設備蓄得冷量，在日間電力高峰時段釋放其蓄得的冷量，將大量本應是電力高峰時段使用的電力轉移到夜間電力低谷時段使用，減少電力高峰時段制冷設備的電力消耗，是解決該問題的最佳途徑。用戶也不必為了限電而停工停產，從而造成巨大的損失。3)運行費用更低。由于使用晚上較低費用的低谷電蓄冷，而在白天將儲存的冷量釋放出來，最大限度的節省費用。所以，其制冷運行費用僅為常規空調系統的50%～60%左右。4)一機兩用、充分挖掘機組的潛能。冷水機組可以同時兩工況工作，即在白天制冷，夜間蓄冰。

3 主機和蓄冰設備配置

選用2臺螺桿式雙工況冷水機組，每臺機組的制冷工況下的冷量2 633 kW，功率542 kW，冷凍水溫度12℃ ～7℃;冷卻水溫度30℃/35℃;蓄冰工況下的冷量1 771 kW，功率430 kW，冰水溫度－2℃/－6℃，冷卻水溫度27℃/31℃。同時選用480 m3冰球蓄冰設備。蓄冰球的性能參數見表1。

表1 蓄冰球的性能參數

2臺制冷主機的最大制冷量5 266 kW，是峰值負荷的65%，也即是常規空調系統裝機容量的65%。

4 冰蓄冷系統的設計和運行

4．1 方案論述

冰蓄冷空調系統設備選型及流程設計是以該系統的設計日(最不利情況)逐時負荷分布為依據的，本工程空調設計峰值冷負荷為8 111 kW，夏季設計日(最不利情況)逐時冷負荷詳見圖1。

圖1 空調設計日逐時冷負荷分布圖

根據上述負荷分布圖可以看出本項目的冷負荷結構，冷負荷高峰時段與電網高峰時段重合，而且在電網低谷時段空調冷負荷較小，尤其在夜間谷電時段23:00～7:00不需要供冷，因此采用冰蓄冷系統具有相當大的優勢。本項目冰蓄冷系統選用負荷均衡的部分蓄冰方式，采用可以制取較低冷凍水溫度(空調末端系統采用風機動力型VAV BOX，需要提供1．0℃冷凍水)的主機下游的串聯系統。系統流程圖見圖2。

圖2 系統流程圖

4．2 負荷平衡策略

1)100%負荷段冷負荷平衡策略。冷水機組在夜間的谷電時段23:00～7:00滿負荷蓄冰，由于100%冷負荷較大，日間2臺機組在平電時段滿開，而蓄存的冷量盡量用在電力高峰時段上(見圖3)。

圖3 100%負荷段蓄冰系統運行負荷分布圖

2)80%負荷段冷負荷平衡策略。該時段逐時冷負荷比較大，冷水機組在夜間的谷電時段23:00～7:00滿負荷蓄冰，日間2臺機組在平電時段滿開，而蓄存的冷量盡量用在電力高峰時段上(見圖4)。

圖4 80%負荷段蓄冰系統運行負荷分布圖

3)60%負荷段負荷平衡策略。冷水機組在夜間的谷電時段23:00～7:00滿負荷蓄冰，平電時段15:00～17:00內開啟2臺冷水機組，其他時段的全部冷負荷由蓄冰設備單獨提供(見圖5)。

圖5 60%負荷段蓄冰系統運行負荷分布圖

4)40%負荷段負荷平衡策略。40%負荷段在北京市的整個空調期出現的時間也是比較長的，在谷電時段23:00～7:00冷水機組滿負荷蓄冰，只需在電力平段15:00～16:00內開啟2臺冷水機組，其他時段的全部冷負荷由蓄冰設備單獨提供(見圖6)。

5)20%負荷段負荷平衡策略。20%負荷段在北京市的整個空調期出現的時間比較短，在這個時段日間不需要開啟冷水機組來制冷。在夜間電力低谷時段23:00～4:00開啟2臺雙工況冷水機組進行蓄冰，白天的全部冷負荷由蓄冰設備單獨提供(見圖7)。

5 運行費用測算和比較

北京電網峰谷分時銷售電價表見表2。

圖6 40%負荷段蓄冰系統運行負荷分布圖

圖7 20%負荷段蓄冰系統運行負荷分布圖

表2 北京電網峰谷分時銷售電價表

5．1 冰蓄冷空調夏季運行費用

北京的夏季空調期為6月中～10月中，約120 d，運行費用統計上，采用分時段計算法，即把整個空調期劃分為5個時段:20%負荷段，40%負荷段，60%負荷段，80%負荷段和100%負荷段，分別逐時計算相應時段的運行費用，并加以匯總，就得出總的運行費用。運行電費匯總見表3。

表3 冰蓄冷系統夏季運行費用

5．2 常規空調夏季運行費用

常規空調系統的運行費用測算方法同冰蓄冷空調系統，運行電費匯總見表4。

表4 常規系統夏季運行費用

5．3 分析比較

冰蓄冷空調系統的全年運行費用為99．46萬元，合每平方米11．04元;常規空調系統的全年運行費用為186．65萬元，合每平方米20．72元;由此可知，冰蓄冷空調系統的運行費用是常規空調系統運行費用的53%。

6 結語

通過上述對冰蓄冷空調系統的設計、分析和測算可知:1)冰蓄冷系統可以減小機組的裝機容量，是常規空調系統裝機容量的65%;2)極大程度地降低了運行費用，其運行費用僅為常規空調系統的53%;3)冰蓄冷技術在晚上谷電時段電蓄冷，在白天的峰電時段釋放冷量來供冷，制冷機組不用開啟(用電極少)，一些在電網高峰時段用電的用戶不必為了限電而停工停產，沒有了后顧之憂。

綜上所述，冰蓄冷技術有諸多特點，比較適用于冷熱負荷差較大的辦公型建筑，優勢適用于冷負荷高峰時段與電網高峰時段重合，而且在電網低谷時段空調冷負荷較小的辦公樓。