冰蓄冷系統實測分析與建議

錢志博 趙雷 程港 岳玉亮

1中機十院國際工程有限公司

2北京城建十六建筑工程有限責任公司

3中國建筑科學研究院

蓄能空調就是利用蓄能設備在空調系統不需要能量的時間內將能量儲存起來，而在空調系統需要的時間將這部分能量釋放出來。將蓄能空調和電力系統的分時電價相結合，從宏觀上可以起到平衡電網，微觀上可以為空調用戶節省大量運行費用。雖然這些已經是大家的共識，但真正詳實的實測數據并不多。筆者歷經近三個月，對深圳某科技園項目進行了實地測試，掌握了該系統的實際運行效果，并對冰蓄冷系統設計，安裝，運行及管理等方面提出了一些意見，供大家參考。

1 運行調試概述

深圳某科技園冰蓄冷系統主要包括C1-C4宿舍，餐廳，餐廳，接待中心，A1-A3棟廠房以及中央廚房，其負擔空調總面積為80200m2，其中C1-C4宿舍空調面積為29800m2，廠房空調面積50400m2。宿舍空調只在中午11:30～14:00和晚間21:30～23:30開啟，已經錯過了高峰時段。該系統設置基載主機（1100RT、3臺）、雙工況主機（500RT、3臺）、FAFCO蓄冰槽（500RT、17組），總蓄冰量8500RTh。

由于現場測試條件限制，筆者主要對該項目進行兩次測試：第一次測試從8月1日至9月20日，其中8月1日至8月6日主要對空調逐時負荷進行監測，8月19日至8月26日對基載供冷進行測量，9月15日至月20日對蓄冰系統運行進行測量，第二次測試從10月13日至10月28日。

2 實際負荷分析

根據深圳市氣象資料，深圳地處亞熱帶海濱，氣候受海洋調節明顯，最高氣溫較內地為低，極端歷史最高氣溫為38.7℃，出現在1980年7月10日。且日最高溫度超過35℃的天氣出現的日數達3.5天。此次測試期間日最高溫度均達到35℃，室外最高相對濕度87.2%。另外，通過對該科技園工廠進行調研發現，該科技園在8月份是產值較大月，所以8月份工廠負荷也處于高峰時期。由以上幾條可認為測試期間為該項目峰值負荷段。故此筆者對現場實際情況進行近一周時間（8月1日-8月6日）摸底調查，以6分鐘為時間間隔，對該系統負荷情況進行了詳盡的調查，并由此計算系統實際負荷。

通過對空調系統的監測得到空調系統的供冷量，此冷量即為當時的空調負荷，通過電費比較運行費用。本次測試，溫度測試使用的是霍尼韋爾生產的溫度傳感器，其型號和測量精度如表1，圖1為系統原理圖及三個測點位置圖。

表1 測試儀器精度

圖1 系統原理圖及三個測點位置圖

3 現場測試數據

3.1 現場測試數據計算

分別記錄了系統三個測點的六分鐘瞬時值，通過下式計算得6 min的瞬時供冷量：

式中：Q為系統供冷量，RT；c為溶液比熱，kJ/(kg·℃)；k為單位轉換系數，其值為1/3.516；m為系統流經某一斷面的量，kg；Δt為系統供回水溫差，℃。

從而得到空調負荷。

3.2 數據分析

該項目負荷分布是比較均勻的，是因為深圳市晝夜溫差不大，而且室內產熱量較穩定。中午11:30至下午14:00和夜間22:00至凌晨2:00 負荷較經驗數據偏大，經分析主要是在此時段宿舍區供冷。小時逐時負荷取該時段最大值。

根據上述計算，得到逐時負荷測量值同時與設計值比較如圖2。

圖2 空調逐時冷負荷測量值分布圖（測試期間平均值）

經過以上數據可以看出，測量值的日分布情況基本與設計日分布情況相符，但測量值較均勻的比設計值小，經分析原因有二：其一，本工業園共分兩期建設，機房公用，目前僅有一期投入使用。其二，通過監控數據發現，供水溫度較設計值明顯偏高，這樣勢必導致末端除濕效果不利，經過計算當室內濕度升高20%的1kg空氣的焓值就要增加10kJ，這將是一個比較大的冷量值，預計將是空調負荷的40%。該項目設計采用基載3臺，單機制冷能力1100RTh，這使在后期測試中的部分負荷時段基載可以基本承擔系統所需負荷。

4 系統運行策略及費用分析

4.1 電價政策

本項目電價采取峰谷電價制度具體收費標準如表2：

表2 本項目峰谷電價表

4.2 計算方法

此次測試目的是，通過此次測試分析蓄冰空調系統較常規系統實際能節省的運行費用，所以測試就將從兩個方面進行——蓄冰模式和常規空調模式，常規空調模式由基載模擬，此報告中以下出現的基載運行模式均為模擬常規空調運行模式，蓄冰空調則可以直接應用蓄冰空調系統。電費測量采用現場讀表和電腦集成兩方面綜合考慮的方法，即兩種記錄方法的數據互相校核，電度表選用是長江配電柜廠生產電度表。

4.3 系統設備額定功率

表3為系統運行功率一覽表。

表3 系統運行功率一覽表

4.4 運行費用實際測量

4.4.1 第一次測量結果

此次測量的目的在于，通過對單基載運行和雙工況運行兩種運行模式的運行電費統計，計算得到蓄冰空調節省費用的統計，由于現場條件有限，此次測量只在8月19日至8月25日對系統進行了基載運行測試，和9月15日至9月20日進行了蓄冰工況的測試，由于兩次測量時間間隔比較大且負荷變化也很大，因此次測量只能用來驗證本報告后邊的其他負荷段的運行費用預測。

對本項目8月19日至8月25日的空調負荷進行了監控，經匯總得圖3。

通過測試可以得到逐時的計算負荷值，通過日總冷量與此前計算得冷量相比，可以看出此負荷段日總負荷接近最大冷負荷，同理計算得出9月15日至9月19日的負荷為最大冷負荷的85%左右。

根據現場抄表得到這種運行模式下空調的耗電量及費用如表4、5。

圖3 8月19日至8月25日逐時供冷量圖

表4 8月19日至8月25日空調用電量一覽表

表5 9月15日至9月18日空調用電量一覽表

計算得基載運行期間日平均電費為25675 元，蓄冰空調運行期間日平均電費為13854元。此費用剛好驗證了本報告后面所述的100%負荷段基載運行費用及85%負荷段蓄冰工況運行費用。

4.4.2 第二次測試

擬通過連續兩周分別對基載運行和雙工況運行的運行費用統計，進而比較出蓄冰空調系統經濟性。

先對該系統10月13日～10月27日的負荷進行監測，監測負荷的同時對系統的運行費用進行記錄，在監測期間前一周讓系統以蓄冰模式優化運行，第二周讓系統以基載模式運行，然后在這兩周中盡量取負荷最接近的空調日做分析比較。將測量期間負荷分布情況如圖4所示。

圖4 10月13日至10月23日逐時供冷量圖

表6 10月份部分負荷日空調用電量一覽表

根據圖4可知，此次測試期間系統總負荷在空調峰值總負荷的60%左右的居多，故取負荷較為接近的四天蓄冰運行工況和三天基載運行記錄做經濟性分析。測試期間由于10月14日、10月18日、10月19日超出了此次測量的范圍，還有10月20日、10月21日系統出現故障，另有10月24日、10月25日、10月26日系統負荷較低，不能用在此次測試分析中，所以這些天的運行費用不能用來分析。故取13日、15日、16日、17日為蓄冰測試日，取22日、23日、27日為常規空調測試日。

根據現場抄表得到這種運行模式下空調的耗電量及費用如表6。

現對用電費用作如下分析，得出如下三條：

1）蓄冰系統的運行費用較基載系統低4265.8元/天，耗電量高而運行費用低，說明了蓄冰空調系統將用電高峰移至電費的低谷時段。

2）此次測試結果將用于此報告后面關于50%～65%之間的運行費用節省情況的驗證。

3）同等負荷數值條件下，冰蓄冷系統總耗電量比常規耗電量約增加18%左右。

5 測試結論及建議

測試中發現，現場人員沒有按科學的運行模式運行，而是直接早上開機即以融冰方式運行，沒有在電力高峰時段開啟融冰，這樣大大降低了蓄冰空調的節能效益，筆者對系統運行進行了優化。

5.1 優化后運行策略

冰蓄冷空調優化運行模式分配圖如圖5所示：

圖5 冰蓄冷空調優化運行模式分配圖

5.2 優化后運行效果

根據計算，可以得到各負荷段每天的基載和蓄冰空調的運行費用，見表7：

表7 蓄冰空調節省費用計算表

通過表7計算可得出冰蓄冷空調系統日節省運行費用在3789～6677元之間，即年節能運行費用在125～220萬元之間，節約運行費用效果非常明顯。

筆者提出上述優化運行邏輯后，項目甲方非常重視，嚴格按筆者意見修改運行邏輯，取得了顯著的效果。日前該單位給筆者寄送了2017年全年空調運行臺賬，經筆者整理、計算、比對，該項目2017年全年節省運行費用逾201萬元，限于篇幅限制在此不再贅述。與項目增加投資的500萬元相比，年節省運行費用相當可觀。

5.3 結論及建議

1）蓄冰空調較常規系統耗電量增加。測試報告中對空調負荷做了詳盡的調查和論述，經分析，蓄冰空調較常規空調系統，同等負荷條件下耗電量增加約18%。

2）蓄冰空調系統節約運行費用明顯。從測試期間日節省的運行費用和2017年設備運行臺賬看，本系統年節省運行費用是相當可觀的，加之深圳地區空調制冷年平均運行時間達到300天以上，冰蓄冷系統的經濟效益非常顯著。

3）對設計要求高。本項目的成功關鍵在于設計嚴謹、施工質量高、運行管理科學，其中設計首當其沖。冰蓄冷系統設計先要準確計算設計日逐時負荷值，然后計算合理的蓄冰量，最后通過全年運行費用演算投資回收年限，根據投資回收年限再修改蓄冰量，這樣逐步趨近于最佳的投資回收期。在設備選型方面，當然蓄能主機和蓄冰設備是最重要的，而蓄能泵、放能泵、轉換閥門這三個設備則是容易被忽略的，這三個設備是蓄能系統的中樞，它們工作的溫差變化大，切換頻率高，需要其選型準確、性能可靠、質量過硬，這才能保證系統的平穩高效運行。

4）蓄冰系統對運行人員要求較高。通過了解發現，有些蓄冰空調系統均采用開機即融冰運行，待系統回水溫度較高時，說明冰槽冷量已經基本用完，此時開啟主機補充冷量，這樣的運行方式不能最大的發揮蓄冰系統的節省運行費用的能力，這就需要現場運行人員隨時根據負荷變化及峰谷電價情況調整運行模式，并合理調配主機和冰槽的投入比例，增加了對運行人員的要求。

5）建造質量影響實際效果。測試期間，由于電動閥、水泵、主機的質量問題，使測試多次暫停，可想在實際運行中會因建造質量問題造成運行效果不好，甚至產生事故。

通過這次測試可見，蓄冰空調系統蓄冰空調系統能夠達到節能降耗的目的，是一個好的系統。但只有設計嚴謹、施工質量高、運行管理科學，才可以發揮出蓄冰空調的實際使用意義，蓄冰空調系統才能夠達到節能降耗的目的。