清華大學(xué)藝術(shù)博物館冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)效益分析

宓林 林葎

摘要：冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)利用電力低谷期電能蓄存冷量，在電力高峰期融冰供冷，具有削峰填谷、平衡電力負(fù)荷、減小機(jī)組裝機(jī)容量、改善發(fā)電機(jī)組效率以及降低環(huán)境污染的作用。本文以清華大學(xué)藝術(shù)博物館為例，首先介紹了空調(diào)系統(tǒng)工程概況，根據(jù)夏季逐時(shí)冷負(fù)荷、不同時(shí)段電價(jià)和冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)確定選擇方案，然后從系統(tǒng)配置、蓄冰設(shè)備選擇、多工況運(yùn)行自動(dòng)控制等方面進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)；最后，計(jì)算出削峰電量和節(jié)能減排量，證明冰蓄冷空調(diào)技術(shù)是值得推廣的先進(jìn)技術(shù)。本文可為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)；峰谷電價(jià)；運(yùn)行工況；效益分析

中圖分類號(hào)：TU831文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-3178（2018）19-0316-04

1工程概況

清華藝術(shù)博物館位于北京市清華大學(xué)校內(nèi)，地上23.95m，地下

9.00m，總建筑面積29858.8m2，其中地上建筑面積21218.0m2，地下建筑面積8640.8m2。地下一層為設(shè)備用房及展覽藏品庫(kù)房，地上一層至四層為博物館展廳，少量后勤辦公用房。

2冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)方案選擇

2.1夏季逐時(shí)冷負(fù)荷

清華藝術(shù)博物館夏季空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷見圖1。從圖1可以看出

早7：00-晚19：00是用電高峰；19：00-次日早晨7：00是用電低谷。

圖1夏季空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷

2.2北京市不同時(shí)段電價(jià)表

北京市現(xiàn)行電價(jià)見表1。從表1可以看出，一年的用電尖峰是夏季，一天的用電高峰是中午，一天的用電低峰是午夜。尖峰期電價(jià)最貴，低谷時(shí)電價(jià)便宜。

表1北京市現(xiàn)行電價(jià)政策表

2.3冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)分析

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是指在夜間低谷電力時(shí)段開啟制冷主機(jī)，將建

筑物所需的空調(diào)冷量部分或全部制備好，并以冰的形式儲(chǔ)存于蓄冰裝置中，在電力高峰時(shí)段將冰融化提供空調(diào)用冷。由于充分利用了夜間低谷電力，不僅使空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用大幅度降低，而且對(duì)電網(wǎng)具有卓越的移峰填谷功能，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1]。圖2是辦公樓空調(diào)采用冰蓄冷前后用電情況的比較，左圖為冰蓄冷前用電，空調(diào)占比很高，右圖為冰蓄冷后用電，已經(jīng)移峰填谷，削減負(fù)荷高峰20%-30%，是電力需求側(cè)管理的重要技術(shù)手段[2]。

圖2辦公樓空調(diào)采用冰蓄冷前后用電情況比較

冰蓄冷空調(diào)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）合理利用峰谷電價(jià)差價(jià)，顯著降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。（2）減少制冷主機(jī)容量，減少空調(diào)系統(tǒng)電力工程貼費(fèi)及配電設(shè)

施費(fèi)用。

（3）平衡電網(wǎng)晝夜峰谷電力負(fù)荷，減緩電廠建設(shè)，提高電廠發(fā)

電效率。

（4）蓄冰裝置的蓄冷量可作為應(yīng)急冷源，在停電時(shí)只需開啟水

泵即可供冷，提高了空調(diào)系統(tǒng)的可靠性。

（5）空調(diào)系統(tǒng)使用更加靈活，節(jié)假日、休息日等小負(fù)荷狀態(tài)下，

可融冰供冷，無需開啟制冷主機(jī)，避免制冷主機(jī)低效運(yùn)行，節(jié)能效果明顯。

（6）使空調(diào)冷水機(jī)組更平穩(wěn)運(yùn)行，更多時(shí)間處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，提高冷水機(jī)組的利用率和使用壽命。

（7）供冷啟動(dòng)時(shí)間短，只需15-20分鐘即可達(dá)到所需溫度。

3冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1運(yùn)行參數(shù)

空調(diào)主機(jī)制冰運(yùn)行工況時(shí)，供/回水溫度分別為-5.6℃/-2.8℃；空調(diào)運(yùn)行工況時(shí)，供/回水溫度分別為5.6℃/10.2℃。乙二醇系統(tǒng)供回水溫度為3.3℃/10.5℃，空調(diào)冷凍水供回水溫度為7/12℃，冷卻塔冷卻水供水溫度32℃，回水溫度37℃。

3.2系統(tǒng)配置

本工程冷源采用部分負(fù)荷內(nèi)融冰，冷機(jī)上游串聯(lián)冰蓄冷系統(tǒng)，

夏季提供7/12℃冷凍水。如圖3所示。

圖3冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)示意圖

冷源系統(tǒng)配置：（1）350RT電壓縮螺桿式水冷冷水機(jī)組1臺(tái)，

作為系統(tǒng)基載冷機(jī)，制冷量1187kW；（2）選用240RT螺桿式水冷冷水機(jī)組2臺(tái)，制冷量844/556.6kW，作為系統(tǒng)雙工況制冷機(jī)組；（3）整體鋼制蓄冰裝置2臺(tái)，蓄冰容量2892RTH；（4）冷卻水系統(tǒng)采用開式機(jī)械循環(huán)；（5）4臺(tái)方型玻璃鋼橫流冷卻塔置于南塔樓屋頂，冷卻塔并聯(lián)運(yùn)行。其中雙工況冷機(jī)冷卻塔冬季運(yùn)行，配備電加熱器；

（6）乙二醇泵，采用變頻技術(shù)；（7）其他配套設(shè)備。

熱源設(shè)備包括：學(xué)校鍋爐房提供一次熱水，經(jīng)板式換熱后提供

二次空調(diào)熱水。1T蒸汽鍋爐2臺(tái)，工作壓力0.4MPa，提供冬季加濕熱源，夏季再熱熱源。過度季為恒溫區(qū)提供熱源。

3.3蓄冰設(shè)備選擇

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)備就是蓄冰設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直

接影響系統(tǒng)性能好壞。現(xiàn)有的蛇形盤管主要有兩類材質(zhì)：碳鋼和塑料管。經(jīng)過調(diào)研，我們把兩種盤管性能調(diào)研結(jié)果列于表2，以供選擇。

表2鋼制蓄冰盤管和塑料蓄冰盤管性能對(duì)比[3]～[4]

經(jīng)過性能對(duì)比，鋼制蓄冰盤管的性能優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）鋼制盤管導(dǎo)熱性能為塑料盤管的37倍，優(yōu)勢(shì)明顯，融冰率及供水溫度穩(wěn)定，保證系統(tǒng)供冷的穩(wěn)定性；

（2）鋼制盤管沒有過多殘冰，蓄冰融冰效率接近100%，比塑料盤管高15%，高效利用低谷電價(jià)和機(jī)房空間，經(jīng)濟(jì)性更高；

（3）鋼制盤管設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)高，參照?qǐng)?zhí)行美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）標(biāo)準(zhǔn)，工藝先進(jìn)，可靠性高；

（4）鋼制盤管應(yīng)用歷史及業(yè)績(jī)遠(yuǎn)高于塑料盤管，歷經(jīng)時(shí)間及大項(xiàng)目的檢驗(yàn)；

（5）本項(xiàng)目空間緊張，盤管需要雙層擺放，采用塑料盤管空間無法滿足要求；

經(jīng)過上述蓄冰設(shè)備性能對(duì)比，并考慮到藝術(shù)博物館有珍藏品庫(kù)房，空調(diào)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定為首要考慮的，因此選用鋼制蓄冰盤管。

3.4系統(tǒng)按需要自動(dòng)運(yùn)行多種工況

清華大學(xué)藝術(shù)博物館作為學(xué)校的展館，使用時(shí)間受到假期和展

覽周期的影響，沒有固定規(guī)律，影響空調(diào)系統(tǒng)的利用率。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)提供了很好的適應(yīng)性，通過融冰量調(diào)節(jié)參與供冷，避免冷機(jī)頻繁啟停，低效運(yùn)行。

圖4是藝術(shù)博物館典型負(fù)荷段的負(fù)荷分配策略柱狀圖。從圖中可以看出除了冰蓄冷常用的幾種運(yùn)行工況外，供冷周期內(nèi)還有基載冷機(jī)參與，與雙工況冷機(jī)和冰槽形成三個(gè)供冷冷源，三種冷源的組合形成了項(xiàng)目供冷資源的分配。

設(shè)計(jì)日負(fù)荷分配圖b）75%負(fù)荷分配圖

c）50%負(fù)荷分配圖d）25%負(fù)荷分配圖

圖4藝術(shù)博物館典型負(fù)荷段的負(fù)荷分配策略柱狀圖

考慮本項(xiàng)目可能出現(xiàn)的情況，在原有冰蓄冷系統(tǒng)常用的四種運(yùn)

行工況基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑負(fù)荷特性，提出了下列十種運(yùn)行工況。這些運(yùn)行工況可以隨著時(shí)間及負(fù)荷情況的變化由優(yōu)化控制系統(tǒng)自動(dòng)切換完成。

（1）雙工況冷機(jī)蓄冰

（2）雙工況冷機(jī)邊蓄冰邊供冷

（3）雙工況冷機(jī)+冰槽聯(lián)合供冷

（4）雙工況冷機(jī)供冷

（5）雙工況冷機(jī)+冰槽+基載同時(shí)供冷

（6）雙工況冷機(jī)+基載供冷

（7）雙工況冷機(jī)蓄冰+基載供冷撒

（8）冰槽單獨(dú)供冷

（9）冰槽+基載供冷

（10）基載供冷

（10）基載供冷

系統(tǒng)運(yùn)行依賴于優(yōu)化控制管理系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行準(zhǔn)則是在保證供

冷的前提下，優(yōu)化控制管理系統(tǒng)自由組合以上運(yùn)行工況，匹配項(xiàng)目電價(jià)和負(fù)荷特性，系統(tǒng)以最經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)能源的組成、制冷能效及成本，通過控制實(shí)現(xiàn)高峰電時(shí)段盡量多融冰，然后按需開啟基載冷機(jī)，最后再開啟雙工況冷機(jī)；平電時(shí)段，基載冷機(jī)運(yùn)行優(yōu)先，雙工況隨后，融冰補(bǔ)充；谷電時(shí)段，雙工況冷機(jī)全力投入制冰。

（1）雙工況冷機(jī)蓄冰

23：00～07：00運(yùn)行此工況。乙二醇系統(tǒng)阻力發(fā)生變化，乙二醇

溶液泵運(yùn)行時(shí)變頻器設(shè)定在某個(gè)固定頻率，確保乙二醇溶液泵工作點(diǎn)在蒸發(fā)器額定流量下運(yùn)行。調(diào)試時(shí)確定好制冰工況下乙二醇溶液泵運(yùn)行的頻率。這一頻率值為蓄冰工況時(shí)乙二醇水泵的固定運(yùn)行頻率，將這一頻率值固化在系統(tǒng)控制程序內(nèi)。

（2）雙工況冷機(jī)邊蓄冰邊供冷

一般在制冰時(shí)23：00～07：00有冷負(fù)荷需求，基載冷機(jī)低負(fù)荷率

低效運(yùn)行，則運(yùn)行此工況。如25%負(fù)荷分配策略，基載冷機(jī)若在低谷時(shí)段進(jìn)行冷負(fù)荷供應(yīng)，負(fù)載率只有20%，此時(shí)能效很低，并且機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，會(huì)造成頻繁啟停機(jī)，對(duì)冷機(jī)的運(yùn)行壽命和運(yùn)行安全有很大影響。

（3）雙工況冷機(jī)+冰槽聯(lián)合供冷

根據(jù)控制策略的邏輯，這種情況很少發(fā)生，因?yàn)閮?yōu)先運(yùn)行基載

冷機(jī)和融冰，只有在在電價(jià)高峰或者是負(fù)荷高峰時(shí)段，基載機(jī)故障時(shí)，采用此運(yùn)行工況。優(yōu)化控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門，控制供冷溫度穩(wěn)定，產(chǎn)生穩(wěn)定的7℃的冷凍水，滿足空調(diào)負(fù)荷的要求。

（4）雙工況冷機(jī)供冷

雙工況冷機(jī)單獨(dú)運(yùn)行供冷很少發(fā)生，優(yōu)先基載冷機(jī)運(yùn)行。若基

載故障，在平電時(shí)段適用，進(jìn)入蓄冰裝置管路電動(dòng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)和旁通管路電動(dòng)閥處于開啟狀態(tài)，乙二醇溶液經(jīng)雙工況主機(jī)冷卻后通過蓄冰裝置旁通管路直接進(jìn)入板式換熱器和冷凍水進(jìn)行熱交換。

（5）雙工況冷機(jī)+冰槽+基載同時(shí)供冷

此工況，是部分負(fù)荷冰蓄冷內(nèi)融冰冷機(jī)上游串聯(lián)系統(tǒng)再系統(tǒng)搭

建時(shí)的計(jì)算依據(jù)。在負(fù)荷高峰時(shí)段采用此工況，可以使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)。

若電價(jià)高峰，設(shè)備投入的優(yōu)先次序?yàn)椋簝?yōu)先開啟冰槽，然后基載，最后雙工況冷機(jī)。結(jié)合控制系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件，合理調(diào)配三者的供冷比例，以盡可能降低運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，實(shí)施節(jié)能化管理。

（6）雙工況冷機(jī)+基載供冷

此工況為冷機(jī)單供工況，主要用在平價(jià)電時(shí)段，優(yōu)先開啟基載，

不能滿足供冷再開雙工況冷機(jī)。

（7）雙工況冷機(jī)蓄冰+基載供冷

23：00～07：00運(yùn)行此工況。此時(shí)段內(nèi)，有較大的冷負(fù)荷需求，

雙工況冷機(jī)全力投入制冰，基載冷機(jī)負(fù)責(zé)空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷。如100%、

75%、50%負(fù)荷段的負(fù)荷分配策略。雙工況冷機(jī)全力運(yùn)行進(jìn)行制冰，充分利用低谷電，盡可能多制冰，以降低平高峰電價(jià)時(shí)段冷機(jī)開啟時(shí)間，減少運(yùn)行電費(fèi)的支出。

（8）冰槽單獨(dú)供冷

在過度季節(jié)和高峰電價(jià)時(shí)段，大功率耗電冷機(jī)停機(jī)，僅靠融冰

供冷，通過優(yōu)化控制的調(diào)節(jié)管路電動(dòng)閥，始終保證進(jìn)入板換的乙二醇溶液的溫度為3.5℃（可調(diào)）。乙二醇溶液和冷凍水在板式換熱器進(jìn)行熱交換時(shí)，根據(jù)板式換熱器冷凍水出口的溫度控制乙二醇溶液泵的頻率，以保證冷凍水的供水溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)溫度7℃（可調(diào)）。

（9）冰槽+基載供冷

優(yōu)化控制系統(tǒng)給定的模式中，若雙工況冷機(jī)不參與供冷既能保

證冷負(fù)荷需求，則采用此模式。高尖峰時(shí)段，融冰優(yōu)先，基載補(bǔ)充；

平價(jià)電時(shí)段，基載冷機(jī)優(yōu)先，融冰補(bǔ)充。

（10）基載供冷

若平價(jià)電時(shí)段或冰量不足時(shí)，開啟基載對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供冷。

以上十種運(yùn)行工況不是獨(dú)立的，而是在優(yōu)化控制系統(tǒng)的管理下，

嚴(yán)謹(jǐn)、合理、科學(xué)的實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

優(yōu)化控制管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的在線預(yù)測(cè)及負(fù)荷的優(yōu)化分配，把

所分析出的控制結(jié)果實(shí)時(shí)的送給前臺(tái)的控制程序，以決定運(yùn)行模式的自動(dòng)投入及開機(jī)的控制。優(yōu)化控制管理系統(tǒng)為了保證蓄冰系統(tǒng)有計(jì)劃可靠的進(jìn)行，根據(jù)室外溫度、天氣變化趨勢(shì)及以前的歷史記錄數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化軟件計(jì)算出設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷，對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)的供冷量進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)分析推算出最優(yōu)化控制模式，自動(dòng)選擇十種運(yùn)行工況的組合，以最大限度的節(jié)約費(fèi)用。

4效益分析

4.1削峰電量計(jì)算

蓄冰空調(diào)系統(tǒng)將白天需要的冷量，由冷機(jī)在夜間23：00～7：00電力低谷時(shí)段制冰并儲(chǔ)存在蓄冰設(shè)備中，在白天電力峰值時(shí)融冰供冷，對(duì)電網(wǎng)起到削峰填谷的作用，平衡電網(wǎng)峰谷差，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，可以減少新建電廠投資，提高現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備和輸變電設(shè)備的使用率，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電的計(jì)算方法不同于其他節(jié)能系統(tǒng)，計(jì)算節(jié)

電應(yīng)從轉(zhuǎn)移電網(wǎng)高負(fù)荷時(shí)的用電量計(jì)算。移峰量計(jì)算公式為：

ΔP=Q/cop（kW）

（1）式中，ΔP—移峰量，KWh；Q—白天電價(jià)高尖峰時(shí)段，融冰供冷量，kW；Q'—平均到每個(gè)小時(shí)的融冰供冷量，kW；cop—冷機(jī)白天直接供冷時(shí)的能效。

本項(xiàng)目電價(jià)高峰的高負(fù)荷時(shí)段，平均單位小時(shí)融冰供冷量為Q=Q/h=1478KW；移峰量：ΔP=Q/cop（kW）=1478/4.96=298KWh。年轉(zhuǎn)移電量q計(jì)算方法如下：

設(shè)供冷季白天融冰供冷量QZ，冷機(jī)白天直接供冷時(shí)的能效比為cop（本項(xiàng)目根據(jù)基載機(jī)參數(shù)得cop=4.96），得出q=QZ/cop=279713KWh。

4.2節(jié)能與減排量計(jì)算

本項(xiàng)目冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省的煤、水，減排的二氧化碳、二氧

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