冰蓄冷系統(tǒng)在某項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

張政煜

冰蓄冷系統(tǒng)在某項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

張政煜

（上海經(jīng)緯建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，上海200090）

通過(guò)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)，對(duì)冰蓄冷流程，制冷機(jī)容量、乙二醇循環(huán)泵、蓄冰裝置、冷卻塔、系統(tǒng)運(yùn)行策略進(jìn)行選擇分析。

冰蓄冷；乙二醇泵；冰槽；冷卻塔

0 引言

蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，是在夜間用電低谷期，采用電制冷將冷量以冰的形式貯存起來(lái)，在白天用電高峰期，把貯存的冷量釋放出來(lái)，以滿足建筑物空調(diào)負(fù)荷的需求。同時(shí)，在空調(diào)用量較小的春秋季，減少電制冷機(jī)的開(kāi)啟，盡量融冰釋冷，滿足空調(diào)負(fù)荷。由此可見(jiàn)，蓄冰空調(diào)系統(tǒng)是“轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷”或“平衡用電負(fù)荷”的有效方法。

下面詳細(xì)介紹下冰蓄冷在某工程實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 工程概況

某工程由兩個(gè)地塊組成。兩個(gè)地塊內(nèi)共設(shè)置了2個(gè)地下車(chē)庫(kù)、10棟高層辦公，2層裙房商業(yè)、長(zhǎng)度在60-100m的連廊以及屋頂?shù)恼麄€(gè)頂蓋將10棟辦公連接在一起。總建筑面積為43萬(wàn)m2，其中地上部分建筑面積為33萬(wàn)m2，地下部分建筑面積為10萬(wàn)m2。主樓高度均為79m。項(xiàng)目逐時(shí)最大負(fù)荷為39601.7kW,最大日總冷負(fù)荷為411655.7kW，蓄冰時(shí)間為8h。

2 冰蓄冷流程選擇[4]

冰蓄冷流程較多，一般來(lái)說(shuō)，大溫差低溫送水項(xiàng)目適宜采用外融冰系統(tǒng)，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)則采用內(nèi)融冰系統(tǒng)。

根據(jù)該項(xiàng)目的地塊功能，末端供回水溫度為5-13℃[2]，故采用冷水機(jī)組上游串聯(lián)式的內(nèi)融冰蓄冷系統(tǒng)即可滿足要求，最為成熟、可靠，通過(guò)25%的乙二醇溶液為載冷劑進(jìn)行蓄冰和融冰。內(nèi)融冰的方式傳熱效率高，蓄冰速率穩(wěn)定，閉式流程帶來(lái)系統(tǒng)的防腐與承壓處理簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。間經(jīng)濟(jì)性較好，同時(shí)參考目前國(guó)家的綠建評(píng)級(jí)蓄冰量[3]的要求（不得小于設(shè)計(jì)日總負(fù)荷的30%），故蓄冰量選定123081kW h左右。由于該項(xiàng)目的蓄冰時(shí)間為8h，故平均每個(gè)小時(shí)蓄冰量是15385.1kW，于是選用制冰工況的能力為3867.6kW的雙工況主機(jī)4臺(tái)，其空調(diào)工況制冷能力約為6328.8kW。考慮到該項(xiàng)目總負(fù)荷較大，采用4大2小的冷凍機(jī)組合比較合理，2臺(tái)小主機(jī)為基載主機(jī)，空調(diào)工況下工況，大小主機(jī)盡量以2：1的制冷能力來(lái)配置，最終選擇了2臺(tái)2812.8kW的基載主機(jī)。

圖1 主機(jī)上游內(nèi)融冰流程

主機(jī)總制冷能力為30940.8kW（高于主機(jī)容量最小值計(jì)算，滿足要求），相比尖峰負(fù)荷減少了近25%的裝機(jī)容量，同時(shí)這個(gè)配置需要再通過(guò)100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷工況下24h的校核，通過(guò)模擬最大負(fù)荷日24h的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)上述的主機(jī)配置是比較合理的。

3 主要設(shè)備設(shè)計(jì)選型

3.1 制冷機(jī)容量選擇

由于該項(xiàng)目同時(shí)含大面積的辦公以及商業(yè)，空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷峰谷差懸殊，具有顯著的不均衡性，有條件利用閑置設(shè)備蓄冷，且空調(diào)負(fù)荷高峰段與電網(wǎng)負(fù)荷高峰段相重合，故經(jīng)經(jīng)濟(jì)性比較后決定采用部分負(fù)荷冰蓄冷的制冷方式。

根據(jù)設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷，按主機(jī)優(yōu)先模式，主機(jī)最小容量按下面公式計(jì)算：

式中CP—主機(jī)容量，kW；

TH—冰蓄冷系統(tǒng)所需要提供的設(shè)計(jì)負(fù)荷，kW h；

CCR—制冰容量變化率；

OH—機(jī)組直接供冷時(shí)間，h；

IH—機(jī)組蓄冰時(shí)間，h。

以上公式可大致算得系統(tǒng)主機(jī)的最小容量，但最終參數(shù)確定要根據(jù)設(shè)計(jì)日負(fù)荷平衡表分配后進(jìn)行選擇，同時(shí)參考目前國(guó)家的綠建評(píng)級(jí)最小蓄冰量要求進(jìn)行主機(jī)的選擇。

蓄冰量取值可以參考圖2。

根據(jù)圖2的曲線可以看出，蓄冰量在15%-55%之

圖2 冰蓄冷投資及運(yùn)行費(fèi)用曲線

3.2 乙二醇循環(huán)泵

冰蓄冷運(yùn)行控制邏輯有4種：制冰、雙工況主機(jī)供冷、單融冰供冷以及冰槽與主機(jī)聯(lián)合供冷，乙二醇泵需滿足以上4種工況的運(yùn)行需求。

由于乙二醇泵P-1的工作環(huán)境是乙二醇溶液，所以在計(jì)算流量中它的比熱和常規(guī)的H2O是不同的。

（1）當(dāng)循環(huán)泵的輸送液體為25%-30%（質(zhì)量比）的乙二醇水溶液時(shí)：

（2）當(dāng)循環(huán)泵的輸送液體為常規(guī)空調(diào)冷凍水時(shí)：

式中L—循環(huán)泵的計(jì)算流量，m3/h；

Q0—循環(huán)泵輸出的最大負(fù)荷，kW；

Δt—溶液供、回液溫度差，℃。

P-1乙二醇泵的運(yùn)行需滿足四種工況：制冰、雙工況主機(jī)制冷、單融冰制冷和冰槽及主機(jī)聯(lián)合供冷，詳述如下：

（1）冰槽&主機(jī)聯(lián)合供冷：在此工況下，冰蓄冷供冷板換一次側(cè)的進(jìn)出水溫為3.5-11.5℃，其中主機(jī)完成6.5-11.5℃的5℃溫差，然后通過(guò)冰槽進(jìn)行3℃的二次降溫，所以乙二醇泵的流量由冰蓄冷最大負(fù)荷（主機(jī)制冷+融冰量）與8℃的溫差進(jìn)行計(jì)算。

（2）雙工況主機(jī)制冷：負(fù)荷可以按雙工況主機(jī)的白天普通工況最大制冷能力6328.8kW，溫差按常規(guī)5℃溫差來(lái)選取。

（3）制冰：制冰工況下，其流量按主機(jī)制冰容量3867.6kW與制冰進(jìn)出水溫差3℃（約-2.6℃供/-5.6℃回）計(jì)算配置。

（4）單融冰供冷：流量根據(jù)最大融冰量（總蓄冰量的15%）的與8℃溫差（3.5-11.5℃）計(jì)算。如果小時(shí)融冰量超過(guò)最大融冰量，會(huì)導(dǎo)致由于冰槽放冷量增加，融冰速度過(guò)快，冰槽的出水溫度發(fā)生漂移、升高，從而無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

水泵的額定流量應(yīng)該為以上四種方法取大值。揚(yáng)程則根據(jù)最不利工況—聯(lián)合供冷工況選取，需克服板換壓降、主機(jī)蒸發(fā)器壓降、蓄冰盤(pán)管壓降以及循環(huán)管路系統(tǒng)壓降。

冰蓄冷系統(tǒng)由于其系統(tǒng)特殊性，乙二醇溶液粘度較大，所以建議系統(tǒng)中水泵的參數(shù)在計(jì)算值的基礎(chǔ)上適當(dāng)多放些余量。同時(shí)應(yīng)采用變頻手段來(lái)滿足節(jié)能及工況切換要求。

3.3 蓄冰裝置

選用總蓄冰量為123060kW h的蓄冰裝置一套。蓄冰裝置由蓄冰盤(pán)管與槽體組成。其中蓄冰盤(pán)管選用不完全凍結(jié)式盤(pán)管，在制冰時(shí)，低溫乙二醇溶液在盤(pán)管內(nèi)循環(huán)，將盤(pán)管外表面的水逐漸凍結(jié)成一定厚度的冰層，冰層之間留有空隙，槽內(nèi)仍有液態(tài)水存在；融冰時(shí)，隨著融冰比例的增加，冰層與盤(pán)管之間形成水環(huán)，冰層受到外界水的浮力作用從而上浮，始終與盤(pán)管之間保持良好接觸。融冰后期，冰層破裂均勻散落在水中，冰槽內(nèi)始終維持冰水混合物的狀態(tài)。因此，可保證換熱均勻，乙二醇出口溫度恒定，并可控制取冷過(guò)程，取冰率可達(dá)100%。

蓄冰裝置槽體目前常規(guī)的有兩種做法：鋼制槽體和混凝土槽體。蓄冰盤(pán)管一般工作溫度長(zhǎng)期在零度，而混凝土則不能長(zhǎng)期浸泡在冰水中，并且經(jīng)常性熱脹冷縮對(duì)混凝土不利，容易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，所以混凝土的槽體一般采用內(nèi)保溫+內(nèi)防水工藝，其成本較高，并且施工復(fù)雜，處理不好容易滲漏。

鋼制槽體則采用鋼板焊接拼裝+外保溫工藝，工藝簡(jiǎn)單，不存在泄漏隱患。一般在槽體的外壁采用100m m厚聚氨酯發(fā)泡保溫就行，簡(jiǎn)單可靠。鋼制槽體示意圖如圖3所示。

圖3 鋼制蓄冰槽示意圖

該項(xiàng)目最終選擇鋼制蓄冰槽，主要考慮了以下幾點(diǎn)：

（1）蓄冰盤(pán)管就位施工

1）混凝土槽體由于采用了內(nèi)保溫防水，而蓄冰盤(pán)管在吊裝及設(shè)備就位、管道焊接時(shí)，難免會(huì)磕碰到防水層及保溫層，導(dǎo)致保溫層的失效，失效后基本上無(wú)法修補(bǔ)，因此對(duì)安裝就位施工要求高，蓄冰槽的整體可靠性低。

2）鋼制槽體采用外保溫，設(shè)備就位時(shí)不存在破壞保溫層的情況，對(duì)施工要求不會(huì)太苛刻。萬(wàn)一有漏點(diǎn)，鋼制槽體也容易修補(bǔ)。

（2）設(shè)備維修便利

1）采用混凝土槽體的蓄冰裝置，一旦蓄冰盤(pán)管出現(xiàn)問(wèn)題，要將盤(pán)管吊裝出來(lái)時(shí)，只能從頂部吊出來(lái)，而不能在側(cè)壁開(kāi)口，這就必須槽體頂部有足夠的吊裝空間，因此混凝土槽占用的空間一般比較大。

2）如采用鋼制蓄冰槽，設(shè)備出問(wèn)題，可以將側(cè)壁的鋼板割開(kāi)后將設(shè)備運(yùn)出，檢修完畢后再焊接上去，可以節(jié)省冰槽的占用空間。

（3）造價(jià)分析

兩者的綜合造價(jià)總體來(lái)說(shuō)差別不大。混凝土水槽本身雖然比鋼槽造價(jià)略低，但內(nèi)保溫防水工藝要求高，造價(jià)不菲，以該項(xiàng)目蓄冰量為123081kW h的冰槽，混凝土冰槽的總體造價(jià)大約只比鋼槽少約1%。

（4）考慮到如果采用混凝土槽，將需要在冰槽頂部即地下室頂板（室外地坪處）開(kāi)設(shè)3個(gè)較大的檢修孔，現(xiàn)場(chǎng)不具備此條件，故采用了鋼槽的方式。

3.4 冷卻塔

對(duì)于冰蓄冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，冷卻塔的選擇非常重要，因?yàn)樗鼌^(qū)別于常規(guī)系統(tǒng)，它多了夜間工況。該項(xiàng)目常規(guī)基載機(jī)2臺(tái)，單臺(tái)冷卻水流量133L/s,冷卻水溫度32-37℃；雙工況機(jī)組4臺(tái)，空調(diào)工況的冷卻水流量為304.5L/s,制冰工況冷卻水流量為363.4L/s。由于這個(gè)大型項(xiàng)目均選擇離心機(jī)作為冰蓄冷主機(jī)，因此運(yùn)行安全性就顯得格外重要，為了防止喘振情況的發(fā)生，必須特別注意冷卻水進(jìn)出水的溫度。一般夜間制冰工況下當(dāng)冷凝器進(jìn)水溫度在30℃以下時(shí)，基本都能保證設(shè)備不喘振；但是當(dāng)水溫提高到31℃甚至更高時(shí)，由于蒸發(fā)器的出水溫度是-5.6℃左右，主機(jī)的壓縮比太大，設(shè)備的安全穩(wěn)定性就馬上下降，容易發(fā)生喘振。故夜間冷凝器進(jìn)水溫度定不得高于30℃。由于冷卻水泵為定頻泵，主機(jī)在夜間制冰時(shí)排熱量降低，冷凝器進(jìn)出水溫差縮小到3.5℃左右，另外主機(jī)冷卻水出水溫度超過(guò)34℃，主機(jī)很有喘振的可能，安全性嚴(yán)重下降，所以建議冷凝器出水溫度還是選擇33.5℃比較保險(xiǎn)。

圖4 基載主機(jī)冷卻塔夜間處理水量

圖5 基載主機(jī)冷卻塔白天處理水量

圖6 雙工況主機(jī)冷卻塔的夜間工況選型

圖7雙工況主機(jī)冷卻塔的白天工況選型

圖4 為常規(guī)機(jī)組的冷卻塔夜間處理量：

這臺(tái)塔放到白天工況運(yùn)行，其冷卻塔的處理能力如圖5所示。

可見(jiàn)同一臺(tái)塔，夜間的處理水量相比白天反而小，所以機(jī)組的冷卻塔需要按夜間工況選，才可同時(shí)滿足白天和夜間二個(gè)工況參數(shù)要求。

另外需要特別說(shuō)明的是，常規(guī)機(jī)夜間冷卻水工況為30-35℃，蓄冰機(jī)組冷卻水工況30-33.5℃，二種不同溫度的冷卻水共用同一冷卻水管，導(dǎo)致混合后冷卻水溫度升高了，混到近34℃。這樣冷卻塔的容量被進(jìn)一步放大。以某項(xiàng)目為例，放大的結(jié)果如圖6所示。

數(shù)據(jù)說(shuō)明：

雙工況主機(jī)白天的冷卻水流量為304.5L/S,制冰工況冷卻水流量為363.4L/s，假定需要2臺(tái)冷卻塔，則選取夜間工況冷卻水量為187.13L/s的冷卻塔，而這臺(tái)冷卻塔白天處理能力為214×2=428L/s，比需要的能力要大出30%-40%。

表1 100%負(fù)荷設(shè)計(jì)日運(yùn)行策略表

4 系統(tǒng)運(yùn)行策略

設(shè)計(jì)日采用主機(jī)優(yōu)先運(yùn)行方式，結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷及當(dāng)?shù)仉妰r(jià)時(shí)段，靈活控制白天主機(jī)投入的數(shù)量，達(dá)到移峰填谷、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的目的。通過(guò)表1中的運(yùn)行策略可知，系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置完全滿足設(shè)計(jì)日供冷需求，同時(shí)留有一定的安全余量。

5 結(jié)語(yǔ)

冰蓄冷是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其設(shè)計(jì)有別于常規(guī)系統(tǒng)，對(duì)于冷卻塔，冰槽，主機(jī)和水泵的要求比較高，各大主機(jī)、蓄冰裝置廠家的設(shè)備也差別很大，所以設(shè)計(jì)冰蓄冷系統(tǒng)的時(shí)候必須嚴(yán)格按照各設(shè)備廠家的選型參數(shù)進(jìn)行匹配、校核，結(jié)合專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，全面的做出分析和判斷，這樣才能做出成功的冰蓄冷系統(tǒng)。

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]GB50736-2012，民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50189-2015，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]范存養(yǎng)，楊國(guó)榮，葉大法.高層建筑空調(diào)設(shè)計(jì)及工程實(shí)錄[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

Design of Ice Thermal Storage System in Certain Project

ZHANG Zheng-yu
（Shanghai Longilat Architectrual Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200090，China）

A ccording to practicalengineering,thisarticle givesthe analysis on selection ofice therm alflow,chiller's cooling capacity,EG pum p,ice therm alstorage tank,cooling towerand system operation strategy.

ice therm al storage；EG pum p；ice storage tank；cooling tower

TU 831

B

2095-3429（2017）01-0090-05

2016-09-27

修回日期：2017-02-27

張政煜（1982-），男，浙江人，本科，工程師，主要從事暖通設(shè)計(jì)工作。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.022