大溫差水蓄冷技術應用及經濟性分析

葉慶俊

【摘 要】隨著我國對節能減排政策的落實，通過對電力移峰填谷的水蓄冷技術也作為國家重點節能低碳技術推廣目錄進行推廣，水蓄冷由于采用的是顯熱蓄能，相比較冰蓄冷系統的潛熱蓄能大幅提升制冷主機及放冷時的效率，而水蓄冷系統作為一種移峰填谷的技術在空調領域得以廣泛的應用，但市場上均采用的以8℃左右溫差為主，在有中低溫冷凍水需求的工業建筑空調系統中采用10度以上的大溫差水蓄冷技術，相比較一般溫差水蓄冷系統減少水泵耗電量9%，對于在實際的運行過程中節約運行費用及投資有著較好的效果。

【關鍵詞】大溫差；水蓄冷技術應用；經濟性分析

引言

水蓄冷技術作為移峰填谷間接的提升整個電網的運行效率，在不同領域予以推廣，大溫差（溫差10℃以上）水蓄冷系統具有蓄冷水罐占地少、系統運行效率高等優勢，但由于使用過程中的條件限制在實際工程中應用不多。通過對應用中的蓄冷溫度控制及放冷策略進行分析，提供解決方法，保證了該技術的成功應用并取得較好的經濟效果，對后續蓄冷項目的應用提供參考。

1項目概況

該項目位于惠州，主要生產液晶顯示屏，凈化廠房20萬m2，空調冷凍水系統分為低溫冷凍水系統和中溫冷凍水系統，低溫冷凍水由6臺（其中1臺預留）1340RT的低溫冷水機組提供，經一次泵輸送至低溫冷凍水供水總管，提供7℃/14℃的低溫冷凍水。中溫冷凍水由2980RT4臺中溫冷水機組（其中1臺預留）、1520RT1臺中溫冷水機組和中溫帶熱回收的冷水機組1520RT（熱回收量為5350kW）5臺，提供14℃/21℃的中溫冷凍水。利用當地的峰谷電價差設計水蓄冷系統，夜間利用備用和富裕的低溫機組和中溫機組串聯蓄冷。蓄冷水罐9000m3×2座，蓄冷供回水溫度為7℃/19℃。白天電價峰值時放冷，蓄冷水經過板換變溫為14℃/21℃中溫冷凍水，接至廠區中溫冷凍水系統總管。

2項目設計方案

2.1方案設計要點

（1）本水蓄冷方案針對電子凈化廠房進行設計，在制冷站附近的空地上新建蓄冷水罐；夜間利用制冷站的5臺離心機（1臺中溫大機（雙拼機），1臺中溫小機，3臺低溫機）串聯蓄冷，白天高峰時進行放冷。（2）中溫冷凍水系統供回水溫度為14～21℃，低溫冷凍水系統供回水溫度為7～14℃，考慮到部分冷凍水系統高度較高，在保證蓄冷水罐設計經濟性前提下，采用直接蓄冷間接放冷方式，其蓄冷水罐蓄冷溫差設計為12℃（19～7℃）。（4）本項目在蓄冷的同時要保證熱回收主機的開啟數量，系統熱負荷7344RT是在冬季的夜間，在60%負荷白天放冷時需保證有2臺熱回收主機的開啟，以滿足系統低溫熱水的需求。（5）因低溫負荷全年需求較少，為保證蓄冷系統的投資回收和使用效果，本水蓄冷系統只針對中溫空調系統進行放冷，不對低溫系統放冷。

2.2蓄冷水罐選型設計

根據該項目24h的逐時負荷分布，本項目按照1臺2980RT中溫大機、1臺1520RT中溫小機及3臺1340RT低溫機組串聯蓄冷8h設計，蓄冷水罐體積按照低谷蓄存的冷量需占用的體積來進行設計，谷電時段的蓄冷量為Q=（2980+1520+1340×3）×8=68160RTh。3.1.3本項目的設計難點及解決對策

（1）中、低溫主機的串聯蓄冷對于蓄冷工況時蓄冷溫度的控制

采用蓄冷泵優化調頻技術，蓄冷泵為變頻控制，控制程序以蓄冷水池進水溫度（即蓄冷溫度）作為控制目標，將實際反饋值與設定值比較進行負反饋控制，程序通過自適應增量式PID算法計算得出當前水泵的輸出頻率，對蓄冷泵進行調頻控制，以改變蓄冷泵的頻率，增減蓄冷水流量，使蓄冷主機始終滿負荷高效運行，同時將蓄冷水池進水溫度控制在設定值范圍內。為保證蓄冷主機始終處于滿負荷高效運行，在最短時間內完成蓄冷，采用系統尋優的控制策略對蓄冷泵進行頻率調節，將蓄冷泵的調頻設定溫度值稍高于蓄冷主機的出水溫度設定值，當出水溫度達到蓄冷主機設定值時，蓄冷主機達到卸載臨界狀態，此時出水溫度值已達到蓄冷泵升頻設定值，蓄冷泵將升頻運行，蓄冷機的出水溫度也將隨之高于卸載臨界值，而繼續滿負荷運行，出水溫度又將被拉低，蓄冷泵頻率隨之升高，這樣反復調節后蓄冷泵的頻率將被不斷拉高，直至蓄冷水池進水溫度達到蓄冷泵的設定值，保持穩定，此時蓄冷泵即處于高頻運行狀態，蓄冷主機也處于滿負荷運行，即保證了主機高效運行，也保證了可以在最短的時間將蓄冷水池蓄滿，從而節約蓄冷能耗。

（2）不同工況下的放冷

①預測負荷分配冷量策略。系統根據輸入的經驗數據或歷史數據預測出當天的中溫冷凍水系統的冷負荷變化規律，動態調整對中溫系統的放冷量分配，以降低中溫冷水機的負載率，或減少中溫冷水機的運行時間，在電價高峰時段充分利用放冷板換進行放冷，具體策略為：（a）根據室外安裝的溫度傳感器檢測實時氣象數據，并采用ASHRAE（美國采暖、制冷與空調工程師協會）計算方法預測當天24h逐時氣象；（b）根據預測氣象數據和歷史負荷數據預測當天24h中低溫系統的逐時負荷；（c）根據當天蓄冷量、最大逐時放冷量、峰電時段和中低溫系統逐時負荷需求量，確定放冷開始時間和峰電時段放冷方式（聯合供冷或單獨放冷）；（d）水蓄冷放冷優先滿足電價峰段放冷需求，以獲得最大的移峰填谷轉移量；（e）在聯合供冷模式下，在電價平段且能將蓄冷量放完的情況下，放冷量的調節應使中低溫系統的運行COP最高；（f）放冷模式下，精確調節放冷泵及調節閥開度，以使得回到蓄冷水池的溫度滿足設計工況回水溫度，獲得最大的放冷量和放冷收益；（g）根據蓄冷水池出水溫度和放冷累計流量計算蓄冷水池剩余冷量，當剩余冷量低于5%時，開啟中低溫系統冷機，以保證系統供冷安全。②提前減機策略。當中溫冷水系統冷量需求小于等于放冷板換額定放冷量時，群控系統自動停掉該系統冷水主機，充分利用該系統放冷板換進行放冷。控制系統通過對中溫系統的COP計算和末端負荷預測，得出系統效率處于高位所需的放冷量，進而得出放冷流量，通過實時動態調節的閥開度和放冷一次泵頻率達到該流量值。

（3）蓄冷水罐內的布水設計即斜溫層厚度的控制

做好水蓄冷系統，最重要的一點是做好溫度分層，斜溫層厚度對于項目的成敗起著關鍵的作用，而影響斜溫層的關鍵是布水器，大溫差水蓄冷由于蓄放冷時溫差較大，其斜溫層在實際運行中由于水流的“活塞”運動以及高低溫水之間的傳熱其控制難度更大，采用Fluent軟件對布水器的水流狀態及運行模擬，通過對蓄冷水罐斜溫層厚度模擬，優化布水技術減少斜溫層的衰減Froude數Fr≤1，將斜溫層厚度控制在可接受范圍之內，提升水蓄冷系統的效率。

結語

本項目已運行超過2年時間，而經過實際的運行數據分析，在保證蓄冷各項目數據均滿足要求的前提下，每年實際的節約電費在850萬元以上，進而佐證了本項目的各項模擬數據，為其他項目的應用提供了充分的依據，也為其他類似項目對于大溫差水蓄冷系統的設計提供相應參考。因此，大溫差水蓄冷系統相比一般小溫差水蓄冷系統有如下優勢：（1）提升整個冷熱源系統的效率，中溫主機出水溫度由7℃提升至13℃，蓄冷系統效率提升15%以上；（2）蓄冷水罐由于采用大溫差體積極少，其水罐的建造成本節約34%；（3）減少蓄冷系統水泵冷泵耗電量9%以上。

參考文獻：

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[2]于航，崔軍，渡邊俊行.大溫差水蓄冷空調系統的模擬研究[J].暖通空調，2003，33（4）：106-108.

[3]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

（作者單位：杭州華電華源環境工程有限公司）