冰蓄冷系統在科技類場館中的運行策略能耗分析與應用
——以中國科技館為例

張 碩

在我國城鎮化進程不斷加快以及人民生活水平的不斷提高的前提下，人們在追求生活質量的同時也更加看重資源的節約利用。冰蓄冷系統作為一種節能技術而被帶入到建筑空調系統設計中[1]。冰蓄冷系統在夜間用電低谷期，采用電制冷將冷量以冰的形式貯存起來，在白天用電高峰期，把貯存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調負荷的需求。

科技類場館往往用于最新科技成果的展覽展示，建筑設計過程會更加注重節能環保技術的應用，冰蓄冷系統作為一種新型節能環保技術往往就會應用到科技類場館空調系統設計中，即發揮其應用價值，又發揮其宣傳展示價值。

1 冰蓄冷系統的形式及主要運行策略

1.1 目前國內出現的主要冰蓄冷形式[2]

1）冰盤管。就是把盤管浸泡在冰槽中，通過盤管實現冷熱交換，將槽內的水部分凍結成冰儲存冷量或將冰融化釋放冷量。其放熱形式的不同，又分為外融冰和內融冰兩種。

2）冰球。也叫封裝式蓄冰裝置，將蓄冷的介質用球體封裝起來，冰球內的相變物質液凍結或融化來進行蓄冷或放冷。

3）動態制冰（冰漿式和冰片滑落式）。冰漿式就是通過制冷機組把水過冷至-2℃左右，再讓過冷水凝結成細小的冰漿，與水形成漿狀冰水混合物儲存在槽內。

1.2 主要運行策略

在冰蓄冷系統中存在兩個冷源，即制冷機和蓄冰裝置，根據兩個冷源之間的關系，運行策略可歸納為兩類：融冰優先和制冷機優先[3]。

1）融冰優先。融冰優先是優先使用蓄冰設備融冰供冷，只有在蓄冰設備不能滿足負荷需要時，才啟用制冷主機供冷，以承擔不足部分負荷。這種控制策略既要考慮最大負荷時蓄冰設備融冰供冷能力，又要考慮全天逐時冷負荷的需要，因此，實施頗為復雜。

2）制冷機優先。制冷機優先是優先使制冷主機供冷，只有當空調冷負荷超過制冷主機的供冷能力時，才啟用蓄冰設備融冰供冷，使其承擔不足部分。這種控制策略實施簡單，運行可靠，但是，蓄冰設備使用率很低，不能有效地削減峰值用電和節約運行費用。

本文以中國科學技術館冰蓄冷系統為例，進行運行策略能耗分析。

2 中國科學技術館冰蓄冷系統

2.1 基本信息

中國科學技術館（北京市朝陽區北辰東路5 號）占地為4.8 萬m2，總建筑面積為10.2 萬m2，地下一層，地上四層局部五層，建筑高度45m，層高9.5m，屬于人員高度密集場所，設計冷負荷為14 280kW，采用冷水機組上游串聯式的內融冰蓄冷系統，蓄冰承擔部分冷負荷，占設計冷負荷比例為30%。

2.2 冰蓄冷系統主要設備（見表1）

3 冰蓄冷系統運行策略能耗分析

中國科學技術館是我國唯一的國家級綜合性科技館，是實施科教興國戰略和人才強國戰略、提高全民科學素質的大型科普基礎設施，主要面向大、中、小學學生，進行科學素質教育。根據學生的日常作息規律，中國科學技術館全年就形成了寒暑假、五十、十一小長假出現人流高峰，且期間全日處于100%負荷狀態的運行規律。

我們選擇兩個典型負荷日，分別采取制冷機優先和融冰優先進行能耗分析，具體如下：

1）制冷機優先能耗分析。2015 年7 月5 日，天氣晴，室外最高溫度30℃。運行模式為3 臺雙工況機組和基載機組同時運行。啟機時間9：00，停機時間為17：00，運行時間共計8 小時。

功率消耗計算列表見表2。

供冷費用計算列表見表3。

制冷機優先運行策略供冷費用為：22 990 元/日。

2）融冰優先能耗分析。2015.8.4，天氣晴，室外最高溫度33℃。運行模式為夜間蓄冰運行8 小時，白天融冰時間為9：00—17：00，共計8 小時，1臺雙工況機組在尖峰時段運行3 小時補充不足冷量。

功能消耗計算列表見表4。

供冷費用計算列表見表5。

融冰優先運行策略供冷費用為：9 949 元/日。

從上述計算可以看出，融冰優先供冷總電費9 949 元/日較制冷機優先供冷總電費22 990 元/日節省了2.31 倍的費用，可見融冰優先策略運行明顯減低運行成本。

4 中國科學技術館冰蓄冷系統運行策略

從不同運行策略能耗分析可以得出融冰優先策略更能節約運行成本，中國科學技術館日常運行也采用這種運行策略運行，只在用電尖峰時段采用融冰與制冷機制冷聯合運行模式，同時還特別關注如下幾個方面：

1）蓄冰率，確保蓄冰容量用足。在蓄冰中后期，盤管外壁冰層增厚，冰層的熱阻增大，導致蓄冰設備單位時間蓄冰能力下降。因此，通過降低制冷主機乙二醇出口設定溫度，增加蓄冰設備單位時間內的蓄冰量，以保證蓄冰量。

2）提高融冰率，力求做到蓄冰設備融冰率接近90%。

3）峰電時段，融冰供冷優先運行，根據系統運行歷史數據，分析計算并設定各時段融冰供冷量上限值，確保在冷負荷較大供冷時段，仍有足夠的蓄冰量用于融冰供冷，與制冷主機聯合運行滿足負荷要求。

4）以系統運行歷史數據分析為基礎、結合系統實時監測數據、室外溫濕度數據，預估后續時段負荷或次日負荷，從而自動設定后續時段融冰供冷量上限值或當晚蓄冰量上限值。

5 結語

本文以中國科學技術館冰蓄冷系統為例，簡要分析了冰蓄冷系統的融冰優先和制冷機優先策略，對運行策略進行了能耗分析，得出融冰優先策略在實際運行中節能優勢明顯，同時也體現了冰蓄冷系統的節能潛力，中國科學技術館作為大型公共建筑，節能減排更是重中之重，作為項目運行管理者，要充分利用好現有系統，不斷總結經驗，收集整理運行數據，進行能耗分析，優化運行策略，提升能源管理水平。

表1

表2

表3

表4

表5