水蓄冷系統在公共建筑節能改造中的應用

中國建筑標準設計研究院有限公司 于曉磊 張 紅 劉莉馨 梁 琳 李榮偉 甄 楷

0 引言

20世紀90年代以來，我國經濟快速發展，能源消費速度也日益增長。1990—2016年，我國總能源消費量由9.87億t標準煤上升到43.6億t標準煤[1]。2018年，中國建筑總量達到601億m2，商品能耗總量10億t標準煤，CO2排放總量20.9億t[2]。然而，中國的人均能源資源擁有量在世界上還處于較低水平，煤炭、石油和天然氣的人均占有量僅為世界平均水平的67.0%、8.0%和7.5%；中國單位國內生產總值能耗遠高于發達國家。在能源利用效率方面，社會各領域、行業和部門的節能增效工作已經刻不容緩，成為當務之急。

北京地區城鎮建筑總面積達到8.4億m2，其中公共建筑面積為3.2億m2，建筑能耗約占全社會能源消耗總量的40%[3]。其中，大型公共建筑能耗增長趨勢突出，因此，進一步提高節能要求，采用各種節能技術進行系統改造，從源頭降低北京市公共建筑的能耗已是首都節能工作的重點內容。

1 工程概況

該項目位于北京市海淀區，地處長安街沿線，建筑面積6.3萬m2，建筑高度98 m。于1984年設計，1986年開工，經歷20世紀90年代的停緩建階段，于1996年正式建設完成。2007年二次裝修改造，2009年11月重新投入使用。整體建筑地下2層、地上26層，其中主樓及裙樓1～4層是多功能區和會議區，主樓5～14層為賓館客房區，15～24層為某國家機關辦公區。建筑平面圖如圖1所示，南立面圖見圖2。

圖1 平面圖

圖2 南立面圖

圖3 地下2層消防水池平面圖

圖4 迷宮式蓄水池設計

2 系統設計

2.1 空調系統概況

該項目供暖、空調系統分為高、低2個區域運行，其中高區為主樓1～26層，空調面積約2.57萬m2，低區為裙樓及配樓區域，空調面積約2.57萬m2。

項目建設時，空調系統選用了2臺單臺制冷量2 907 kW的雙效溴化鋰直燃機進行制冷。低區系統采用一級泵直供系統，高區因設備承壓問題，通過2臺板式換熱器進行二級泵間接供冷，冬季供暖采用市政熱力，末端為兩管制供暖空調系統。2007年裝修時因設備嚴重老化，進行了一次大的升級改造工程，于2009年正式竣工并投入運行。此次改造因溴化鋰直燃機效率衰減及設備老化，在充分利舊的前提下新增了2臺單臺額定制冷量1 438 kW的螺桿式制冷機，負責高區空調系統制冷。拆除板式換熱器，對高區系統采用一次泵直接供冷，減少了輸配系統能耗并有效降低了冷源溫度，提高空調系統效率。溴化鋰直燃機僅負責低區制冷?？照{系統參數如表1所示。

表1 空調系統參數

2.2 空調系統能耗統計

該項目2015、2016年空調系統能耗分別如表2、3所示。

表2 2015年空調系統能耗

表3 2016年空調系統能耗

連續2年的能耗數據顯示：該項目空調系統主機及輸配系統的總運行費用約為140萬元。其中低區空調費用較高，約為75萬～90萬元。因低區空調系統在最近一次改造中未更換，仍然使用原有設備，系統匹配度不好，輸配系統功率過大、耗電較高，同時雙效溴化鋰制冷機因機型老舊、運行年限長、效率低、設備老化，造成在夏季制冷工作時間較短的情況下運行費用仍然很高，根據上述數據及對該項目空調系統的整體評估，確定應首先對低區空調系統進行節能改造。

3 節能改造方案

將低區空調系統溴化鋰直燃機及輸配系統報廢，新購置1臺額定制冷量約為1 500 kW的螺桿式壓縮機及配套輸配系統，并重新啟用地下蓄水池，同時應用水蓄冷技術，削峰填谷。

蓄冷系統一般由制冷、蓄冷及供冷系統組成。制冷、蓄冷系統由制冷設備、蓄冷裝置、輔助設備、控制調節設備四部分通過管道和導線(包括控制導線和動力電纜等)連接組成。載冷劑通常為水或乙烯乙二醇溶液(簡稱乙二醇溶液)。供冷時可由制冷設備單獨制冷供冷，或由蓄冷裝置單獨釋冷供冷，或二者聯合供冷[4]。蓄冷介質通常選用水、冰、共晶鹽。本次改造考慮到項目現狀，確定采用水蓄冷方式。

水蓄冷系統具有以下優點：

“波束成形（Beamforming）”技術是無線充電技術領域的研究熱點之一。美國麻省理工大學研發的Mag-MIMO（Magnetic-MIMO）無線充電系統首次將波束成形技術應用于無線充電領域[3]?；谠摷夹g的無線充電系統，使得原本全向傳輸的能量集中傳輸至某個或某些特定方向。這將有助于延長充電距離、提高充電效率，并增強抗干擾性[4]。

1) 降低空調制冷系統投資，制冷系統的容量按日均負荷選擇即可，無需再按最大小時冷負荷選取，使裝機容量減少20%～50%。

2) 直接取冷，供冷速度快，僅需10～15 min即可對末端設備進行供冷，常規系統則需1 h左右，且不像冰蓄冷系統對取冷功率有較大限制。

3) 可以利用項目現有的蓄水池或消防水池，減少初投資，適合用于改造和擴建項目。

3.1 低區空調系統冷負荷計算

經查閱相關運行資料及詳細計算，該項目低區空調系統峰值冷負荷約為2 500 kW，出現在設計日13:00左右?？紤]到該項目的特點，采用綜合逐時負荷系數法計算出各時刻冷負荷分布，如圖5所示。

圖5 設計日空調逐時冷負荷

計算可得低區空調系統夏季空調設計日總冷負荷為19 875 kW·h。

3.2 蓄冷水池蓄冷量計算

蓄冷水池尺寸為27 m×27 m×2.91 m(長×寬×高)，去除分隔墻及必需的通氣設備后，有效容積約為1 700 m3。

消防水池蓄冷量[5]：

Qs=ρVcpΔtFα

(1)

式中Qs為蓄冷水池內可用蓄冷量，kJ；ρ為蓄冷水的密度，取1 000 kg/m3；cp為水的比定壓熱容，取4.187 kJ/(kg·℃)；Δt為釋冷時回水溫度與蓄冷時進水溫度的溫差，℃；F為蓄冷水池的冷量釋放系數，考慮混合和斜溫層等的影響，一般為85%～90%；α為蓄冷水池的體積利用率，考慮散熱器布置和蓄冷水池內其他不可利用空間的影響，一般為95%。

計算得出該項目地下蓄冷水池的總蓄冷量Qs約為11 504 kW·h。

北京地區普通商業用電峰谷分時電價見表4。

表4 北京地區商業峰谷分時電價

3.3 水蓄冷系統設置及運行策略

該方案采用開式水蓄冷系統(見圖6)，可提高蓄冷系統的能源利用效率，但應注意控制水質，以及自動控制系統完整性和安全性，防止系統失水。

圖6 開式水蓄冷系統原理圖

系統運行模式主要分為4種工況：制冷機蓄冷、蓄冷水池單獨供冷、制冷機單獨供冷和制冷機+水池聯合供冷工況。水蓄冷系統如圖7所示。

注：T1～T6為閥門。圖7 水蓄冷系統圖

4種工況運行時各閥門的動作狀態見表5。

表5 水蓄冷系統控制策略

4 能耗計算

根據北京地區天氣情況及該項目空調系統歷史運行數據等，采用簡化計算的方式，將低區空調系統負荷劃分為100%、65%、35% 3種情況進行分析。

4.1 100%負荷

設計日100%負荷的運行策略(見圖8)：根據低區空調設計日的熱負荷平衡表，在夜間的電力低谷時段(23：00至次日07：00)使用螺桿式制冷機蓄冷8 h，把蓄冷水池冷量蓄滿；蓄冷水池的蓄冷量白天可滿足全部高峰時刻用冷需求，其余時段運行螺桿式制冷機供冷。

圖8 100%負荷空調系統運行策略

100%負荷系統運行費用計算如表6所示。

表6 100%負荷空調系統運行費用

通過逐時模擬計算，100%負荷情況下，低區空調系統日運行費用約為3 447元。

4.2 65%負荷

設計日65%負荷的系統運行策略(見圖9)：由于全天的總冷負荷有所減少，所以可以減少白天的制冷機開機時間；在夜間電力低谷時段(23：00至次日07：00)使用螺桿式制冷機蓄冷8 h，把蓄冷水池冷量蓄滿；蓄冷水池的蓄冷量白天可滿足全部高峰時刻用冷需求，其余時段運行螺桿式制冷機供冷。

圖9 65%負荷空調系統運行策略

65%負荷系統運行費用計算見表7。

表7 65%負荷空調系統運行費用

通過逐時模擬計算，65%負荷時水蓄冷系統日運行費用約為1 855元。

4.3 35%負荷

設計日35%負荷系統的運行策略(見圖10)：在該負荷狀態下，由于全天的冷負荷低于蓄冷水池的可蓄冷量，所以在夜間的電力低谷時段(23：00至次日07：00)，使用螺桿式制冷機蓄冷4.8 h即可滿足白天空調用冷需求，不用把蓄冷水池冷量蓄滿；白天所有冷負荷全部由蓄冷系統承擔，只運行循環水泵即可，可以顯著減少運行費用。

圖10 35%負荷空調系統運行策略

35%負荷系統運行費用計算見表8。

表8 35%負荷空調系統運行費用

通過逐時模擬計算，35%負荷時水蓄冷系統日運行費用約為730元。

4.4 制冷季總運行費用

通過模擬分析水蓄冷系統的運行，經計算可得出蓄冷空調系統在不同負荷條件下的運行費用，制冷季為每年5月10日至9月20日，共130 d。則運行費用如表9所示。

表9 水蓄冷系統制冷季總運行費用

由表9可知，該項目改造為水蓄冷系統后夏季運行費用約為25.51萬元，較常規空調系統運行費用顯著降低。

5 水蓄冷系統經濟性

該項目改造費用如表10所示。

表10 水蓄冷系統改造費用

通過2015、2016年及其他年份的歷史數據分析，低區空調系統制冷季運行費用在75萬～95萬元之間，進行費用對比時取中間值85萬元。低區空調原系統與改造后水蓄冷系統的經濟對比如表11所示。

表11 低區空調原系統與改造后水蓄冷系統的經濟對比

6 結語

通過對該項目改造前后的技術經濟性分析可以得出，在公共建筑已有可利用的蓄冷水池等設備設施的情況下，增設蓄冷系統是一種切實可行的技術方案，不僅充分利用低谷電價，對企業產生經濟效益，而且對區域電網的晝夜平衡也起到了積極的促進作用，產生良好的社會效益。且改造初投資少，投資回收期較短，有效降低企業運營成本。

隨著能源需求的持續增長、科技的不斷進步，如何高效節能地為人們提供舒適安全的生活和工作環境，已是當代暖通空調技術研究的重點方向。大力推廣及使用以水蓄冷技術為代表的各類蓄能技術，已成為當前建筑及工業領域節能的主流方向。