三亞某辦公商業綜合體冰蓄冷系統設計

林群武，鄭洲

[1.中交海洋投資控股有限公司，海南三亞 572000；2.科進柏誠工程技術（北京）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518036]

一、工程概況

工程位于南方某地，總建筑面積20 萬m2，分A、B 兩地塊，地上由1～3#塔樓及4 ～11#多層商業組成，A 地塊包括2 ～5#樓，B 地塊包括1#、6 ～11#樓；A、B 地塊地下共4 層（B3 ～B1M），相互連通，主要用于地下車庫及設備機房。1#塔樓辦公（39層，高度170m，面積約7.2 萬m2）、2、3#裙房商業（約1.5 萬m2）共用一套冷源系統，制冷機房設在B2 層，面積約860m2，凈高4.8m。

本工程在方案階段對中央空調冷源多種方案的可行性進行論證，從機電系統初投資、運行費用、投資回收期、系統運行復雜程度、運行維護費用等方面對空調冷源系統進行比較分析。考慮該地區執行峰谷電價，差價較大；且經過計算，本項目空調冷負荷高峰與電網高峰時段重合，且在電網低谷時段空調負荷較小，符合文獻[1]第3.1.2 條規定。綜合比較，最終確定采用冰蓄冷系統作為本項目的冷源。

本文主要介紹本工程冰蓄冷系統冷源側的整體設計，關注部分負荷蓄冰的空調方式設計思路和方法。

二、冰蓄冷系統設計

（一）室內主要設計參數（見表1）

表1 室內主要設計參數

（二）冰蓄冷系統配置

本工程采用內融冰式冰盤管，主機上游的串聯冷源系統設計采用部分負荷冰蓄冷空調系統，采用3 臺雙工況制冷主機（空調工制冷量1817KW，蓄冰工況1181KW）和1 臺基載制冷主機（制冷量1301KW）。雙工況機和蓄冰設備采用主機上游串聯系統，基載冷機并聯運行。冰蓄冷主機采用間接供冷式，夜間電價低谷時制冰，白天電價高峰時融冰供冷。融冰時，一次側乙二醇溶液溫為3.5/11.5℃，經融冰板換熱，二次側冷凍水溫為4.5/12.5℃，基載冷機直接供應4.5/12.5℃冷凍水，匯合后供至末端使用。冷凍水泵變頻運行，冷卻水泵工頻運行，空調工況冷卻水供回水溫32/37℃.制冷機房位于地下二層，超低噪聲橫流冷卻塔布置在B 地塊左側地下車庫入口處，冷卻塔風機變頻運行。

（三）蓄冰系統運行模式

蓄冰系統有如下幾種基本的運行策略：

1.主機制冰。

2.主機與融冰聯合供冷。

3.融冰單獨供冷。

4.主機單獨供冷。

蓄冰系統運行模式與控制閥組狀態關系如下：

圖1 主機上游串聯蓄冰系統原理

表2 蓄冰系統工作模式與控制閥組狀態關系

（四）蓄冰系統運行分析

1.主機制冰模式

夜間蓄冰，該時段為電力低谷期，該時段內雙工況機滿負荷運行，通過低溫的乙二醇溶液將蓄冰槽內的水制成冰。乙二醇溶液在制冷機和蓄冰槽之間循環，隨著蓄冰量的增加和時間的推移，制冷機的出口溫度逐步降低。當蓄冰槽的蓄冰量達到要求時，制冷機自動停止蓄冰工況運行。

圖5所示為C/C-SiC復合材料截面的SEM圖。根據圖5(a)EDS能譜分析，深灰色相是SiC，淺灰色相是殘余Si，則黑色相是碳。由圖5(b)可見，熔滲過程中Si主要滲入了網胎層的短切纖維間和纖維束間的孔隙，無緯布層長纖維間滲入Si較少。

2.主機與融冰聯合模式

該時段為電力峰價與平價段，同時在該時段內空調冷負荷較大，為了盡量減少系統的電力峰價運行，冷負荷由制冷機聯合蓄冰槽供冷。在該時段內制冷機主機處于空調工況，制冷機組出口的乙二醇和蓄冰槽融冰后的乙二醇溶液混合進入板換。在非標準設計日內，空調冷負荷相對減小，通過優化控制實現蓄冰槽的有效融冰并保證滿足系統內的冷負荷需求。

3.融冰單獨供冷模式

晚上有加班負荷，以及在過渡季節的使用工況，為了避免在電力高峰期內開啟冷機以及冷機的低效運行，該時段內蓄冰槽的總融冰供冷量為空調系統負荷的全部。根據優化控制原則，同時為了減少運行電費，該時期的冷負荷由蓄冰槽單獨提供，乙二醇泵變頻運行。融冰時，恒定進入板換的乙二醇溫度設定值3.5℃，板換的另一側為空調系統提供4.5℃的冷凍水。

4.主機單獨供冷模式

蓄冰槽維修時，該時段內的冷負荷可以由制冷機單獨提供。這時蓄冰槽與系統隔離開，雙工況主機在空調工況運行，通過板式換熱器向空調系統提供冷凍水。恒定乙二醇進入板換的溫度，控制主機能量調節。

三、主要設計計算

（一）空調負荷特點及計算結采用果

表3 設計日逐時負荷及總冷負荷合計

項目夏季最大逐時冷負荷為2，666RT，設計日最大總冷負荷為27，302RT。

（二）制冷主機、蓄冰設備的容量計算

本項目為工作時段空調連續運行的辦公商業綜合體，且存在一定的夜間加班負荷，宜采用部分負荷蓄冰的空調方式，結合前述的負荷計算結果[2]，設計日空調總冷量、蓄冰裝置容量及制冷機容量由下式計算：

部分蓄冰系統：設計原則是應充分發揮所有設備的作用，均衡配置系統設備，根據蓄冷總負荷、制冷和蓄冰聯合供冷時數和制冷機制冰時數確定。

四、冷源配置方案

（一）主要設備選型

主機確定后，經過系統形式的選擇和相應的設計計算，確定其他主要設備和輔助設備的選型配置，見表4。

表4 主要設備配置

五、蓄冰比例的確定及經濟分析

表5 不同方案蓄冰比例配置運行策略

對于部分負荷蓄冰方式，運行中空調負荷要按一定比例分配給制冷機和蓄冰裝置，該比例的取值應做優化分析。為便于對冰蓄冷系統進行技術經濟分析比較，下面將對常規制冷系統和若干串聯冰蓄冷系統方案的初投資和運行費用作對比分析，以達到最佳的蓄冰量。各方案的運行策略如上。

經過對不同方案的初投資及全年按照四種典型設計日工況，即100%，75%，50%，25%負荷進行全年運行費用計算，總結如表6所示：

表6 投資回收期

從經濟角度來講，采用冰蓄冷方案初投資增加，但每年可以節省運行費用（方案三），投資回收期在4.8 年左右。整個制冷設備使用周期（按15 年計算）扣除增加的初投資后，可節省費用約816 萬元。

圖2 蓄能比例與靜態投資回收期曲線

由上面圖表可以看出，冰蓄冷系統方案的靜態投資回收期在蓄冰量27%左右出現拐點，即隨著蓄冰量的增加，系統靜態投資回收期隨之上升。如考慮到蓄冰設備占用機房土建成本、資金利息等因素，投資回收期將會有所延長。考慮國家鼓勵采用冰蓄冷的政策和當地的峰谷電價政策，本項目采用冰蓄冷具有較好的社會效益及經濟效益，其中以方案三（即蓄冰量27%）為最優。

六、冰蓄冷系統自動控制

（一）所有空調通風設備均由自控系統控制及監測

自控系統采用直接數字控制（DDC）系統，并接入BMS 系統，制冷機采用群控系統，并通過高階接口接入BMS 系統。

（二）中央冷源系統主要自控項目

制冷機房設置群控系統，統一控制制冷機組、蓄冰裝置、冷卻泵、冷凍泵及冷卻塔等按負荷需求等因素進行節能控制。冷水機組與機組出口管道上的電動閥、冷凍水泵及冷卻水泵電氣連鎖[2]。

（三）自動監控原則

冷水機組、蓄冰系統等機電一體化設備由機組所帶自控設備控制，制冷主機的廠家統一考慮制冷主機的控制及水泵的變頻控制。集中監控系統進行設備群控和主要運行狀態的監測。

制冷機房內設備在機房控制室集中監控，但主要設備的監測納入樓宇自動化管理系統總控制中心。

圖3 不同負荷運行策略

風機盤管采用風機就地手動控制、盤管水路二通閥就地自動控制，BA 系統監測。其余暖通空調動力系統采用集中自動監控，納入樓宇自動化管理系統。采用集中控制的設備和自控閥均要求就地手動和控制室自動控制，控制室能夠監測手動／自動控制狀態。

七、結束語

冰蓄冷系統是廣義節能系統，其綠色效益在于可以降低整個市政電網的高峰期用電量，提升發電廠發電機組的效率，減少電網輸配線路的熱損耗及減少二氧化碳的排放；而在用戶端可實現節省運行電費、減少配電設施的安裝容量，國家層面也在大力推廣實行供電峰谷電價政策。本項目的設計及應用具有較好的社會效益及經濟效益。