水蓄冷技術在某工程中的應用

張偉力，李 恒，任鳳彥

（保定市建筑設計院有限公司，河北保定 071000）

隨著國民經濟的不斷發展，國家每年的電力消耗也在逐年增加。雖然電力部門耗用大量財力物力建設電廠，仍滿足不了每年用電量以5%～7%增長的需要。其中很重要的一個原因就是電網的負荷率低，高峰時電力嚴重不足，低谷時不能充分利用。高峰用電中空調用電就占了30%以上，這加劇了電力系統峰、谷差，極大地影響了發電的成本和電網的安全運行。空調的用電負荷在電力谷段的用電量很小，所以水蓄冷技術對城市電網具有很大的“削峰填谷”作用。

水蓄冷技術在低谷電價時段將冷量存儲在水中，在白天用電高峰時段使用儲存的低溫冷凍水提供空調用冷。將電網高峰時段的空調用電量轉移至電網低谷時使用，充分利用國家分時電價政策從而節約運行費用，并且削峰填谷，平衡電網壓力，還可減少制冷設備裝機容量，并減少電力投資費用［1－3］。

1 工程概況

某綜合樓位于河北省保定市，地下3層，均為車庫及設備用房，主樓地上28層，裙房最高5層。1～2層均用于商業。裙房3～5層、主樓3～28層均為公寓。根據甲方要求，商業及裙房公寓部分設中央空調系統，系統形式為采用風機盤管＋新風系統。夏季空調供／回水溫度為7／12 ℃，溫差為5 ℃。冬季空調供／回水溫度為60／50 ℃。熱源為市政95／70 ℃熱水進行二次換熱提供的60／50 ℃熱水。空調系統總冷負荷為1 750kW，空調冷熱源設備均布置在地下3層冷熱源站房內。

2 水蓄冷系統設計

2.1 空調冷源分析

該綜合樓位于保定市繁華的商業區，場地較為緊湊，可利用的空間很少，兩面與周圍商業建筑之間只有5m 寬的消防車道，這種特殊的場地使常規的地源熱泵系統的使用受到限制。空調運行情況如下：商場每天運行12h，早9點到晚9點；公寓每天24h運行。空調負荷高峰時主要是商業白天的冷負荷，與電網高峰時正好重合；并且晚上公寓的負荷較小，正好是電網的低谷段；空調逐時負荷的峰、谷相差較大，使用常規空調系統會導致裝機容量過大，而且系統大部分時間處于部分負荷下運行；由于該項目為一類公共建筑，需設置1 000 m3的消防水池，若將消防水池改造成蓄冷水池，對于較小的夜間冷負荷是容易滿足的，只需在常規空調系統的基礎上增加1套蓄冷裝置，在運行工況方面與常規空調基本一致，就可以將高峰時段的空調用電量轉移至低谷，達到節約運行電費的目的。同時消防水池中的水保持流動和低溫狀態，可有效防止水質變壞和藻類滋生［4－8］。綜合考慮水蓄冷作為該項目的冷源是十分理想的。

2.2 水蓄冷系統設計原則

進行水蓄冷設計時，須準確分析建筑空調負荷特點，并計算建筑物的逐時負荷，然后根據設計負荷的特點和運行策略來確定系統選型和控制策略，目標是盡可能地減少各種設備的裝機容量，并達到滿足各工作時段的負荷需求，在非滿負荷運行時應充分利用蓄冷量，減少冷水機組運行時間，從而節省運行費用［9－14］。

經過詳細地空調逐時負荷計算，結合從電力部門獲得的峰、谷電價數據，制定了夏季典型設計日負荷及電價圖表，結果見圖1。

圖1 夏季典型設計日逐時冷負荷圖表Fig.1 Bar graph of the hourly cooling load on a typical design day in summer

2.3 控制策略

水蓄冷系統通過控制閥門和設備，可以實現以下5種運行模式：1）雙工況機組夜間蓄冷；2）雙工況機組夜間蓄冷同時供冷；3）雙工況機組單獨供冷；4）蓄冷設備單獨供冷；5）雙工況機組和蓄冷設備聯合供冷［15－16］。水蓄冷系統及連接圖見圖2。

圖2 水蓄冷系統及連接圖Fig.2 Chilled water storage system and its connection diagram

3 系統運行方案

空調系統負荷隨室外氣象參數變化而變化，因此設備在全年運行中需不斷調節。對水蓄冷系統，在非滿負荷時應充分利用蓄冷量，減少機組運行時間，從而節省運行費用［17］。根據這個原則，本工程采用2臺雙工況冷水機組（日間制冷工況7～12℃、夜間蓄冷工況4～9℃）。雙工況主機在夜間電力低谷時段向蓄冷水池蓄得冷量，日間在電力高峰時段時利用夜間蓄得的冷量向建筑物供冷。為達到節省電費的目的，系統運行應該遵循：盡量不使用峰電，少使用平電，多使用谷電。

本文提出兩種運行方案，每種方案的系統配置及運行策略均不同，通過比較從中選出更優的解決方案。

3.1 消防水池水蓄冷（夜間采用邊蓄邊供方式）

3.1.1 系統配置

選擇國內外在工程中應用較成熟的設備，功能完全滿足使用需要，建立合理的控制系統同時達到最佳控制效果；實現設計中的運行節能要求并兼顧設備價格因素，配置合理的系統。主要設備見表1。

表1 系統1設備表Tab.1 Equipments involved in system 1

3.1.2 水蓄冷空調系統運行策略說明

系統運行策略如下。

22：00－06 ：00：雙工況機組蓄冷工況運行8h，向蓄冷設備蓄得冷量并承擔基載負荷；

07：00－21 ：00：蓄冷設備輸出冷量，與雙工況主機聯合供冷或單獨供冷；

06：00－07 ：00，9：00－18：00，21：00－22：00：雙工況主機制冷工況供冷。

系統能量分配：

基載主機日間空調工況最大能量輸出為1 214kW；

夜間蓄冷工況制冷量：蓄冷990kW＋基載負荷126kW；

蓄冷設備夜間儲存的可利用冷量：7 920kW·h；

蓄冷設備日間最大輸出能量：972kW·h；

削峰量：100%；蓄冷設備削減冷量占總冷量：36.5%；

方案1夏季典型設計日100%冷負荷分配見圖3。蓄冷設備：消防蓄冷水池1 000m3。

圖3 夏季典型設計日100%冷負荷分配圖（方案1）Fig.3 100%cooling load distribution graph on a typical design day in summer（scheme 1）

3.2 消防水池水蓄冷（夜間負荷由水冷渦旋機組承擔）

本方案與方案1的不同之處在于夜間基載負荷的設計。

夜間基載完全由水冷渦旋機組承擔，帶來的相應的變化如下：

1）雙工況主機容量減小，不存在夜間邊蓄邊供的工況，系統簡單；

2）夜間低負荷的制冷負荷完全由水冷渦旋冷水機組承擔；

3）水冷渦旋機組不是獨立運行的，其運行依賴于制冷機房冷卻塔系統的運行；

4）水冷渦旋機組及其配套冷卻水泵、冷凍水泵等都設置在機房內部，需要增加機房占地面積約10m2；

5）系統配置見表2。

表2 系統2設備表Tab.2 Equipments involved in system 2

方案2夏季典型設計日100%冷負荷分配見圖4。

圖4 夏季典型設計日100%冷負荷分配圖（方案2）Fig.4 100%cooling load distribution graph on a typical design day in summer（scheme 2）

通過上述2種方案的比較，第2種方案中水冷渦旋機組不存在夜間邊蓄邊供的工況，系統效率得以提高；夜間建筑冷負荷較小，而且夜間電費相對較低，制冷負荷完全由水冷渦旋冷水機組承擔，對于系統的整體效率而言是最高的。故最終選擇了水冷渦旋機組方案。

4 經濟性分析

4.1 初投資

應用水蓄冷技術后機房的初投資有所增加，消防水池布水器增加費用＋自控系統增加費用＋機房至消防水池供回水管增加費用＋板式換熱器增加費用＋增加的閥門水泵增加費用－制冷機組容量減少費用＝47 萬元，即初投資增加費用47萬元。

4.2 年運行費用

該建筑商場每天運行12h，早9點到晚9點；公寓每天24h運行。夏季運行120d，100%負荷運行時間26d，75%負荷運行時間53d，50%運行時間33d，25%運行時間8d。

則運行費用如下：常規機組年運行費用為404 366元；水蓄冷機組年運行費用為278 268 元。年節約運行費用約為12.6萬元。

5 結 語

經過成本核算，水蓄冷增加的成本靜態回收期為47／12.6＝3.73a。而水蓄冷系統的使用壽命都在20年以上，隨著電價差的持續加大，本項目節省的費用也將成倍增長。故采用水蓄冷技術將帶來巨大的社會效益和經濟效益。

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