消防水池蓄冷的應用分析

文／張佳莉 上海博尚建筑工程咨詢有限公司 上海 200092

引言：

現如今能源消耗問題是社會討論的熱點問題，中國政府已經明確提出2030年前碳達峰，2060年前碳中和的目標，各行各業都必須逐步推進綠色改革綠色創新，以控制能源消耗總量及增速。工業生產是電力消耗的主要部門，近年來經常發生拉閘限電的情況，就是因為供電高峰的矛盾日益嚴重，而低谷時的電能又沒有得到充分利用。如今各地都相繼出臺了峰谷電價的政策，并且不同時段電價的差值還在擴大，于是蓄冷技術的發展與應用得到了極大地推動。其中發展較為成熟的是冰蓄冷和水蓄冷。而水蓄冷相比冰蓄冷的技術要求低、機組效率高、運行維護簡便[1]，更加得到青睞。但因其需要的蓄冷容器占用空間太大，在一定程度上限制了它的應用。

而一般現代工業生產中，都會設有較大體積的消防水池，但是因為積水不流動，容易滋生水生物，進而引起管道阻塞的問題。若能將水蓄冷技術應用至消防水池的設計中，通過對消防水池進行保溫處理后，根據消防水池的形式制定不同的水蓄冷方案，將閑置的消防水池用作蓄冷水池，既可以使消防水池內的水循環起來流動起來提高水質，不會影響消防功能，又不占用場地、節省了初投資，與原制冷系統聯合運行，實現不同運行模式的切換，是工業企業都愿意主動實施的節能工程。

1、工程概述

以某日用化妝品生產工業項目為例，該項目位于廣州市番禺區，總占地面積約為93871m2，分為兩期建設，其中一期總建筑面積約19 萬m2，主要建筑物有生產用房3 棟、高架倉庫1 棟、研發辦公1 棟及附屬配套用房等。目前處于初步設計階段。下表1為項目所在地工業用電峰谷價格表。

表1 項目所在地用電峰谷價格

2、消防水池水蓄冷可行性分析

2.1 項目特征

（1）根據廣州氣候條件及工藝需求，本項目需要制冷，不需要單獨加熱。冷凍站統計各單體生產倉儲區域24h 需要供冷，空調用冷量為9625KW，工藝用冷量為900KW；研發辦公區域的空調冷量需求主要集中在白天用電平段及高峰時段，為1672KW。（2）本項目按最大一棟生產用房室內外消火栓、噴淋和水幕計算后共需要2148m3的消防用水量，在鄰近一棟生產用房的地下一層設置2 座連通的消防水池，總有效容積為2220m3。（3）生產用房為主要的供冷建筑物，能源需求較大。在最大一棟生產用房設置能源中心，冷水機組機房位于該建筑地下一層，到消防水池的冷水輸送管道距離較短。（4）本項目所在地上級10KV變配電站剩余容量有限，應盡量減少設備裝機負荷。

綜上所述，本項目非常適合利用消防水池做水蓄冷來使整個空調系統更節能環保，也可以大幅度降低后期運行費用。

2.2 消防水池蓄冷量估算

蓄冷水池的體積可按下式計算[2]：

V=（ESC×P）/（1.163＊η＊⊿t）

式中：ESC--設計日所需水池蓄冷量KW·h。

P--容積率與貯槽結構、形式等因素有關，一般為1.08 ～1.3，對分層蓄冷型水槽可取低限，對多槽混合型及容量小者可取高限。

η-蓄冷效率與蓄槽結構、形式、保溫情況等有關，一般取為0.80 ～0.90。

⊿t-水蓄冷槽可利用的進出水溫差，一般為6 ～10℃。

根據以上內容，消防水池蓄冷量可按下式計算：

ESC=V＊1.163＊η＊⊿t/P

考慮本項目消防水池位于地下，并加上良好的保溫措施，蓄冷效率η 取值為0.9。蓄放冷溫度為4℃/11℃，⊿t 為7℃。采用自然分層結構，P 取值為1.1。由此可計算出有效容積2220m3 的消防水池蓄冷量為：

ESC=V＊1.163＊h＊⊿t/P=2220＊1.163＊0.9＊7/1.1≈147 87KW·h。

2.3 主要設備

出于二期擴建考慮，本項目暫不減少制冷機組裝機容量，設置2 臺制冷量為850KW 的全熱回收螺桿式水冷冷水機組和3 臺制冷量為3514KW 的變頻離心式冷水機組。其中1 臺變頻離心式冷水機作為蓄冷主機，實際蓄冷量完全能夠達到消防水池蓄冷量。選用變頻的蓄冷水泵和放冷水泵，互為備用設計。

在消防水池蓄冷循環水和空調冷凍循環水之間通過板式換熱器隔離，形成兩個獨立的閉式水循環系統。如果不通過板換，而是將消防水池直接并聯在空調水系統中，停泵時，由于無法很嚴密地關緊一些閥門，小部分冷凍水會回流到消防水池，造成浪費。另外，管道內會形成真空，空氣的進入既有可能造成腐蝕，還需要在下一次啟泵時先排氣，帶來額外的麻煩。而且加設板式換熱器后，消防水池的水循環路線較短，再加上定期的排污和補水，可以大大提高消防水的清潔度。發生火災時，只需要關閉消防水池的循環水泵，啟動消防泵，消防水池的水就可馬上用于消防系統。

3、消防水池水蓄冷的技術措施

3.1 水蓄冷的技術簡介

水蓄冷技術是利用水的顯熱來實現冷量的存儲，較為重要的環節是蓄冷水槽的結構設計，這一設計需要達到防止儲存冷水與回流熱水混合的目的。通常水蓄冷系統儲槽結構設計有多蓄水槽方法、迷宮法、隔板法、分層法等[3]。本項目采用最簡單，有效和經濟的自然分層技術，通過合理的設計，蓄冷效率可以達到85%-95%[4]。該技術利用水的物理特性，溫度為4℃的水密度最大，隨著水溫的升高水的密度減小，從而實現高效分層，進而實現高效蓄冷。

在蓄冷過程中，溫度低、密度高的冷水進入水池底部，在冷、溫水分界面處會形成一個溫度過渡層--斜溫層，力求斜溫層內水的溫度呈直線上升。維持一個薄而穩定的斜溫層是成功的關鍵。隨著冷水層的擴大，斜溫層從下至上逐漸升高，推動頂層溫度高、溫水密度小的溫水慢慢流出，直至水池中全是冷水；釋冷過程則相反，斜溫層自上而下逐漸降低，直到水池全是溫水時消失。

圖1

3.2 布水器設計

在消防水池的進出口處設置穩流器，再通過布水器使水以重力流平穩地導入或引出池內，確保水流在水池內得到均勻分配，受擾動小，讓水能按不同溫度對應的密度而分層。

根據弗蘭德常數Fr ＜2（作用于流體的慣性力與浮力之比）和雷諾準數Re=800-2000（流體的慣性力與該流體的粘滯力之比），確定散流分配管所需要的長度及分配器的散流高度。再根據穩流器設計流量Q、散流孔設計流速V=0．2m／s，計算出所需散流孔面積及散流點個數。據此，在消防水池的底部和有效水位以下設置水流精密布水系統，將水流精確而平均地分布到水平面上，使斜溫層厚度盡可能減小。

頂部布水器開孔向上，避免有直接向下沖擊的動量，底部布水器開孔向下，避免有直接向上的動量。運用流量均流緩沖閥件和360度布水頭等多項技術，保證每個出水口的流量均等,將水力垂直擾動厚度降低到30mm 以下，提高蓄能效率。

3.3 保溫防水措施

因為此項目為新建項目，在消防水池的建筑結構設計時就考慮在池底和池壁設置外防水和外保溫（雙層SBS 改性瀝青防水卷材外加設50 厚EPS 保溫板）。同時采用內保溫，以避免混凝土結構梁、柱形成冷橋，盡可能減少內壁傳導形成的冷溫水間傳熱從而造成內部冷損失，并防止水溫周期性變化產生的應力對結構產生破壞。水池的內保溫越好，斜溫層厚度越小，工作性能越好。具體做法為：

（1）在消防水池內壁涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料。它含有活性化學物質，在混凝土的微孔及毛細管中形成不溶于水的枝蔓狀結晶體，對混凝土結構有補強作用，具有極強的耐水壓能力，還有自我修復性能，可長期防水[5]。（2）采用聚氨酯現場發泡保溫。產生閉孔率不低于95%的硬泡體化合物—聚氨酯硬泡體（PUR），熱導率≤0.023W/mK，是目前工業化保溫材料中導熱系數最小的。且比重輕、抗老化、防水性好、對混凝土有較強的黏附力。同時它的比強度較高，可以承受工人在上面施工作業。（3）在保溫層內側采用雙層熱熔焊接PVC 卷材防水。其具有拉伸強度高、伸縮率好、對基層伸縮開裂適應性強的特點，可避免與保溫層伸縮不一致而脫落的問題。

3.4 控制系統

控制的思路是：夜間利用低谷電價啟動冷機將冷量儲蓄在消防水池中，白天將消防水池中的冷量釋放出來，能耗高峰期同時啟動冷機，用以彌補消防水池蓄冷量的不足。

除了常規的冷水機組控制及冷凍水泵變頻控制外，另設消防水池的控制，監測進出水溫度、流量和水位，并在水池內部垂直方向每隔300mm 設置一個溫度傳感器，對溫度梯度進行監測。

通過自動控制系統對閥門及設備按預定狀態進行開關及啟停動作，滿足不同運行工況，包括主機蓄冷、消防水池單獨供冷、主機單獨供冷和消防水池+主機聯合供冷。

4、消防水池蓄冷系統運行策略及經濟分析

4.1 運行策略

由于消防水池的蓄冷量不能滿足總冷負荷，運行模式可以有制冷機組優先和蓄冷裝置優先兩種[6]。

制冷機組優先是設計由制冷機組提供均衡的冷量，用戶需求的冷量與制冷機供冷量的差值由蓄冷裝置提供。但當需求冷負荷不大時，蓄冷量的利用率就不高，如果沒有良好的控制系統還會造成蓄冷量的殘留，使得蓄冷系統比普通系統更加耗能。

蓄冷裝置優先是設計將蓄冷裝置所儲存的冷量全部供給系統的冷負荷，當其不能滿足要求時再由制冷機組來提供。這樣就更充分地利用了峰谷電價差，減少運行費用。但要合理地分配釋冷量和制冷機組供冷量的比例，并通過控制系統讓蓄冷裝置能按照計劃釋冷。

本項目為了實現更高的運行經濟性，更好地起到削峰的作用，考慮供冷系統的負荷分布情況，僅在谷電時段（0：00-8：00）蓄冷；空調供冷季節僅在峰電時段（14：00-17：00，19：00-22：00）釋冷，冷量不足由制冷機組補充供冷；平段全部由制冷機組供冷。不需要空調供冷的季節，蓄冷量只用于工藝用冷，在峰電時段只需要蓄冷水池釋冷，在平段時段優先由蓄冷水池繼續釋冷，冷量不足時由制冷機組補充供冷。

4.2 經濟分析

粗略比較僅由制冷機組供冷和采用消防水池蓄冷的主要設備構成及出投資成本，結果如下表2：

表2 主要項目比較

采用消防水池水蓄冷的空調系統，需要增加板式換熱機組、布水器、水池循環泵及消防水池內保溫等，預計增加投資約260 萬元。

工藝全年供冷，空調每年供冷運行的天數為180 天，其中100%設計日負荷運行天數為18 天；75%設計日負荷運行天數為90 天；50%設計日負荷運行天數為54 天；25%設計日負荷運行天數為18 天。

峰谷電價差為0.7158 元/KW·h，平谷電價差為0.3112元/KW·h，制冷機組COP 取4.5，消防水池蓄冷量通過板式換熱器轉換降低14%，可供冷量為12717KW·h，則每年空調供冷期可節約電費約36.4 萬，非空調供冷期可節約電費24.7 萬，全年可節約電費61.1 萬左右，投資回收期約為4.3年。

結語：

本文結合具體的項目條件，考慮①峰谷電價差大②冷源為冷凍水且低谷電價時有空閑的制冷機組③有較大的消防水池作為蓄水空間，提出采用消防水池蓄冷系統，即將蓄冷技術應用在消防水池中，對消防水池進行良好的保溫構造設計并增加穩流器、布水器、板換、水池循環泵等主要設備，同時根據使用冷負荷情況制定水蓄冷系統運行策略，比較初投資并結合項目所在地的峰谷用電價進行經濟分析。可以看出，利用閑置的消防水池做成蓄冷水池，具有這些優勢：（1）相比增加蓄冷罐，節約了場地，減小了初投資；（2）不影響消防水池的消防功能，能夠解決消防水池水質差的問題；（3）與制冷系統聯合運行，可實現不同模式的切換；（4）減少用電費用，起到削峰平谷的作用。總體來看，將蓄冷技術應用至消防水池中，在經濟上具有一定的可行性，同時也與節能環保的要求相適應。

需要補充說明的幾點：（1）在夜間室外溫度最低時蓄冷,可以提高制冷效率，并非只節錢不節能。（2）本項目出于未來擴建考慮，未減少冷水機組配置，而實際運行時會發現至少可以減少研發辦公用冷量所需要的制冷機組，消防水池夜間的蓄冷量即可滿足研發辦公全天的負荷需求。這樣可減少初投資，進一步縮短投資回收期。（3）要提高蓄冷量的利用效率并避免由于冷機頻繁啟閉導致制冷效率降低，必須合理設計蓄冷水池內的冷量釋放，且保持制冷機組均勻的運行情況。建議在今后的運行過程中收集負荷信息，進行智能的預測控制，實現系統運行最高效，費用最低。