蓄能技術在辦公類建筑中的創新應用

蓄能技術在辦公類建筑中的創新應用

0 引言

加班專用系統”（以下簡稱“值班系統”），專門解決辦公類建筑中央空調系統使用不靈活的問題，供廣大設計人員和投資方參考。

冷水機組是最常用的中央空調冷源型式，具有技術成熟可靠、選擇應用方便等一系列優點，但是其存在運行盲區問題，即：低負荷運行時，當冷凍水流量過低，冷水機組會自動保護性停機，以避免發生凍壞蒸發器等事故。但是，大中型辦公類建筑——尤其是商業寫字樓，普遍存在非工作時段局部加班的情況，經常發生冷負荷太低，冷水機組無法運行的問題，給用戶、投資方、運行管理人員帶來很大的困擾[1]。

對于這個問題，現實中常見的應對方法主要有以下三種：（1）在冷源當中有意識地配置一定數量的較小型冷水機組，大小機組搭配使用，運行盲區可以縮小，服務保障性得到一定程度的提高，但是沒有從根本上解決問題；（2）冷負荷太低時，開啟大廳、食堂、多功能廳等部位的空調，很浪費地運行；（3）全大樓配置變頻多聯機系統，可以解決隨時、隨地使用空調的問題，但是造價太高，而且還有一系列其它問題，容后贅述。

鑒于此情況，作者立足于現有技術條件和社會經濟水平，提出一種以水蓄能技術為基礎的解決方案，暫定名“空調值班

1 值班系統介紹

1.1 值班系統流程

值班系統的系統流程圖如圖1。

圖1值班系統流程圖

圖1 中上半部分為典型的中央空調冷熱源系統[2]，僅作參考，值班系統通過管道與冷、熱水供回水總管連接，圖紙說明如下：

1—較大型冷水機組；2—較小型冷水機組；3—熱水機組；4—承壓蓄能水箱。①②③……水流路徑示意點：

1.2 值班系統的組成

（1）蓄能裝置：采用封閉承壓型水蓄冷/熱容器，水路與原系統直接連通，不采用中間換熱器，自然也沒有換熱損失；缺點是承壓型容器的單位蓄能量造價較高，一般的水蓄能工程不能接受如此高的造價，但是值班系統的蓄能量非常小，造價方面沒有問題，主要考慮閉式系統的運行費較低和水質容易保持。

（2）值班泵組：采用多臺變頻水泵，按流量大小銜接設置，其流量范圍上限為原冷熱源系統中最小一臺冷水機組的安全運行流量下限，其下限為中央空調系統中最小的末端設備的額定水流量。

（3）自控系統：包含智能控制器、傳感器、電動閥門等。

（4）管路系統：并聯于原冷凍水（熱水）總管。

1.3 值班系統的運行原理

由于值班系統在制冷、制熱工況下的運行原理基本一致，本文僅討論在制冷工況下的運行原理。

（1）當冷負荷逐步降低，僅有一臺最小容量的冷水機組運行、且末端冷水流量降低至該冷水機組的安全運行流量下限時，值班系統啟動；冷水在值班系統內依次流過水流路徑示意點：1-2-3-5-6-7-8-9-13-14-17，蓄冷時的流量由自力式壓差控制閥控制；此時冷水機組一邊直接向用戶供冷，一邊進行蓄冷。

（2）當蓄冷裝置達到100%蓄冷量，停止冷水機組和對應的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔，啟動值班泵組中最大的一臺變頻循環泵進行釋冷循環，冷凍水在值班系統內依次流過水流路徑示意點：17-16-14-13-9-6-5-4-2-1，變頻器根據壓差變送器的信號調節水泵轉速。

（3）當變頻器調節至最低運行頻率，壓差信號仍然偏大，則停止該變頻循環泵，啟動較小一臺變頻循環泵，依次類推，直到流量消失，則關閉值班系統。

（4）當變頻器調節至最高運行頻率，壓差信號仍然偏小，則停止該變頻循環泵，啟動較大一臺變頻循環泵，依次類推，直至超過蓄冷裝置的最大釋冷流量，則關閉值班系統，同時啟動最小一臺冷水機組直接供冷。

（5）當蓄冷裝置冷量釋放完畢，則啟動最小的一臺冷水機組，重復步驟（1）。

2 值班系統設計方法

2.1 值班系統額定制冷量計算

以一棟地上建筑面積M為30000m2的純寫字樓的典型冷源配置為例，冷熱源系統配置如圖1，總制冷量Q為1000RT，制冷主機選用兩臺400RT、一臺200RT的螺桿式冷水機組，其運行盲區為最小一臺主機——即200RT螺桿式冷水機組的安全運行下限，根據某品牌冷水機組制造商提供的資料，30%負荷率是推薦的安全運行下限，則整個空調系統的安全運行冷負荷下限QL為：

QL=200RT x 30%=60RT=211 kW（此數值即為值班系統額定制冷量）

全系統最低安全運行冷負荷率PL為：

PL=QL/Q=60/(400+400+200)x100%=6%

則大致推算可提供制冷服務的最低面積ML為：

ML=M x PL=30000 x 6%=1800m2（約為1.5個標準層的面積）

意味著低于此面積則不能提供制冷服務。

2.2 蓄能裝置的容量計算

蓄能裝置的容量計算原則——只需避免主機頻繁啟停即可。制造商推薦的最小啟停間隔時間Tmin為0.5h。現假設蓄能容器按安全運行冷負荷下限QL提供0.5h服務，冷凍水溫差⊿t按5℃，則蓄能容器的容量V應為：

V=QLx Tmin/(cxρρx⊿t x0.9)

=(211x3600x0.5)/(4.1868x1000x5x0.9)=20.15m3

式中：c為水的定壓比熱

ρ為水的密度

0.9 為蓄能裝置效率[4]關于蓄能裝置的設計計算的著述很多，此處限于篇幅不做詳細介紹。

2.3 值班泵組的選型計算

值班泵組的選型計算原則——泵組額定流量為最小一臺冷水機組安全運行的冷凍水流量下限，最小流量為整個冷凍水系統中流量最小的末端設備的額定冷凍水流量。因此，采用多臺變頻水泵按流量范圍銜接設置，值班泵組的額定流量L1——即最大一臺變頻水泵的額定流量，需銜接200RT螺桿機的安全運行下限，為：

L1=(200x3.516x0.3x3600)/(4.1868x1000x5)

=36.28m3/h

根據某水泵廠家資料，變頻水泵最小流量為額定流量的20%，則第二臺水泵的額定流量L2為：

L2=L1 x 0.2=7.26 m3/h

第三臺水泵的額定流量L3為：

L3=L2 x 0.2=1.45 m3/h

其最小流量L4為：

L4=L3 x 0.2=0.29 m3/h，已達到最小型號風機盤管的額定冷凍水流量，滿足使用要求。

值班泵組采用3臺變頻水泵，流量覆蓋范圍為0.39～36.28 m3/h，配合原冷熱源系統，可滿足中央空調系統0～100%負荷無級調節，消除了運行盲區。

3 值班系統創新性分析

常見的蓄能空調系統，其目的是賺取峰谷電價差，具有“移峰填谷”的社會效益，其冷熱量的蓄放周期為24h，蓄能容器占地面積很大，蓄能系統造價很高，仍然按上例采用常見的50%蓄能率、5℃溫差、小時平均負荷為設計負荷的50%、蓄能效率85%、每天工作10h計算，其蓄能裝置的容量VC為：

VC=（400x2+200）x 3.516 x 50%x 10 x 3600x 50%/（4.1868x1000x5x0.85[3-4]）=1778m3

則，值班系統蓄能容積與常規蓄能容積比較，V/VC= 20.15/1776 x100%=1.13%

而“值班系統”的目的是在冷水機組和熱水機組的運行盲區下保障空調服務，與峰谷電價無關，其蓄放周期短，蓄能裝置的容量僅為常規蓄能系統的1.13%，占地面積、造價與常規蓄能系統有天壤之別，屬于創造性地使用蓄能技術。該創新性內容已獲專利授權。

4 值班系統與現有解決方案的對比

唯一與值班系統具有可比性的、能夠完全解決空調系統運行盲區的現有技術方案，唯有變頻多聯機系統。此處仍以上例中30000m2的寫字樓為例，按市場占有量較大的某一線品牌變頻多聯機，與常規中央空調配值班系統做一簡單比較，中央空調系統主要設備如：冷水機組、熱水機組、水泵、冷卻塔、末端設備、電動閥、溫控器等，均采用市場占有量較大的一線品牌，兩種系統的具體產品型號均按實際情況中采用最多的型號設置，假設值班系統造價為常規中央空調系統的10%，具體比較內容見表1。

表1 值班系統與變頻多聯機系統的綜合比較

可見，與唯一具有可比性的解決方案相比，值班系統與常規中央空調相結合的方案，在投資、機房成本、折舊成本、能耗費用等方面均有很大的優勢。

5 結論（1）值班系統配合常規中央空調系統，可以解決辦公類建筑經常出現的低負荷無法開機的“老大難”問題，覆蓋了傳統中央空調的運行盲區，提高了中央空調系統的服務保障水平。

（2）可以向用戶承諾隨時開啟任意位置的中央空調，提升了建筑整體利用率，具有積極的社會意義和較大的應用價值。

（3）創新地使用了蓄能技術，無需峰谷電價差，擴大了蓄能技術的應用范圍。

（4）與唯一可比的變頻多聯機方案相比，值班系統在投資、能耗、機房價值、噪聲振動、折舊成本等方面均有明顯優勢。

（5）值班系統的適用范圍廣，既可用于新建項目，也可用于既有建筑改造。

（6）對于可能出現低負荷、主機無法啟動的空調系統，都可以采用值班系統加以解決。

（注：本解決方案已提交專利申請，故請有意采用該技術的設計、顧問、咨詢人員聯系作者本人，除非特殊情況，我們將無償授予專利使用權。）

[1]GB50736-2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012:64.

[2]賈晶，施敏琪.空調冷水系統演變與一次泵變流量系統簡介[J].制冷空調與電力機械，2007（5）：49-52.

[3]趙慶珠.蓄冷技術與系統設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2012：51.

[4]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊：2版[M].北京：中國建筑工業出版社，2008：2122-2134.

責任編輯：孫蘇，李紅

Innovative Application of Energy Storage Technology in Office Building

張熠1,文靈紅1,張永東2,楊懷3,陳金建1,傅仕華1
（1機械工業第三設計研究院建筑技術研究所，重慶400039；2西南大學工程技術學院，重慶400716；3四川省城市建筑設計研究院，四川成都610072）

以解決冷水機組運行盲區給辦公類建筑帶來的不利影響為出發點，利用蓄能技術為主要手段，提出一種較低成本、較易實施的解決方案。通過對該解決方案的設計思路、方法、創新性的闡述，及與現有解決方案的比較，證明了該解決方案在投資、能耗等方面的優越性。

蓄能技術；運行盲區；辦公類建筑；冷水機組；空調值班加班專用系統

For the adverse effect on running blind area of chiller in office building,a solution of low cost and simple implementation is presented with the main tool of energy storage technology.The design idea,method and creativity are discussed.The advantages of this new solution in investment,energy consumption are proved through the comparison with the existing solution.

energy storage technology;running blind area;office building;water chilling unit;overtime air conditioner system

TU831.4

A

1671-9107（2013）07-0031-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.07.031

2013-03-27

張熠（1972-），男，重慶人，本科，高級工程師，主要從事綠色建筑暖通及既有建筑節能改造的技術研發工作。