水蓄冷技術(shù)在藥廠中的應(yīng)用

張鳳東

（北京天誠同創(chuàng)電氣有限公司，北京 100176）

1.項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)水蓄冷改造項(xiàng)目，主要供冷區(qū)域?yàn)樯a(chǎn)車間，夏季供冷期（除去休假和廠內(nèi)大修等情況）合計(jì)150d，每天24h 生產(chǎn)，具有穩(wěn)定的冷負(fù)荷需求。

1.2 設(shè)計(jì)負(fù)荷

制冷機(jī)房?jī)?nèi)共有2 臺(tái)（1 用1 備）額定制冷量1337kW冷水機(jī)組+1 臺(tái)額定制冷量1597kW 冷水機(jī)組，總峰值負(fù)荷負(fù)荷為2934kW。

2.技術(shù)方案

本項(xiàng)目采用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，預(yù)計(jì)最大蓄冷量為18810kWh/d，聯(lián)合原系統(tǒng)冷水機(jī)組，共同滿足廠區(qū)的全部冷負(fù)荷需求。

擬建設(shè)1 個(gè)容積為1800m3的蓄冷水罐，蓄冷罐直徑9m，高度28.5m。

2.1 負(fù)荷曲線

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，目前廠房冷負(fù)荷峰值約為2934kW。

冷負(fù)荷類型為工廠舒適性空調(diào)，一個(gè)自然日內(nèi)隨室外溫度的改變各時(shí)段冷負(fù)荷有波動(dòng)，峰值冷負(fù)荷出現(xiàn)在下午14:00 左右，典型日逐時(shí)冷負(fù)荷分布如圖1 所示。

圖1 典型日逐時(shí)冷負(fù)荷曲線圖

2.2 系統(tǒng)配置

2.2.1 蓄冷/放冷工況參數(shù)（見表1 和表2）

表1 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)蓄冷工況參數(shù)表

表2 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)放冷工況參數(shù)表

2.2.2 制冷機(jī)組及其配套

制冷機(jī)房?jī)?nèi)共有2 臺(tái)（1 用1 備）額定制冷量1337kW冷水機(jī)組，備用冷機(jī)處于閑置狀態(tài)；1 臺(tái)額定制冷量1597kW冷水機(jī)組，冷負(fù)荷峰值約為2934kW；夜間低谷電價(jià)時(shí)段采用2 臺(tái)1337kW 冷水機(jī)組進(jìn)行蓄冷及白天冷負(fù)荷調(diào)峰，1 臺(tái)額定制冷量1597kW 冷水機(jī)組作為夜間機(jī)載機(jī)組及白天冷負(fù)荷調(diào)峰。

冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔均利舊。

冷卻塔風(fēng)機(jī)為變頻電機(jī)，冷卻水泵為工頻，冷凍水泵進(jìn)行變頻改造。

2.2.3 蓄放冷水泵

本項(xiàng)目采用直接蓄冷，直接放冷的技術(shù)形式，冷量損失少，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)潔，放冷量調(diào)節(jié)穩(wěn)定，切換方便。

新增設(shè)3 臺(tái)蓄/放冷變頻水泵，2 用1 備，可靈活適應(yīng)水蓄能系統(tǒng)的各種負(fù)荷情況，實(shí)現(xiàn)按需供冷。蓄放冷水泵放置于制冷機(jī)房?jī)?nèi)。

2.2.4 蓄冷水罐

新建1 個(gè)蓄冷水罐，單個(gè)容積約1800m3，蓄冷量18810kWh。

蓄冷水罐做外保溫和防護(hù)處理。蓄水罐采用分層式蓄冷布水技術(shù)，內(nèi)部設(shè)計(jì)有上下布水器，保證水流能夠均勻細(xì)密地以層流的形式在蓄水罐內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)而在蓄水罐內(nèi)可形成由上至下，或由下至上的緩慢的水流，使冷、溫水盡可能緩和的摻混，減小斜溫層高度，減小水蓄能系統(tǒng)能量損耗，提高蓄能效率。布水器的設(shè)計(jì)Froude＜1，以保證蓄水池在豎直方向上的溫度分層。布水器的出口設(shè)計(jì)Re＜2000，降低對(duì)斜溫層的干擾。

2.3 運(yùn)行策略

將全年供冷分為100%、75%、50%和25% 4 個(gè)負(fù)荷時(shí)段進(jìn)行測(cè)算，以設(shè)計(jì)日（100%負(fù)荷）時(shí)的運(yùn)行策略為例說明：

在電力低谷時(shí)段（24：00—7：00）使用制冷站內(nèi)2 臺(tái)額定制冷量1337kW 的冷水機(jī)組蓄冷，蓄冷7.4h。在白天運(yùn)行時(shí)，高峰電價(jià)時(shí)段，使用蓄冷水罐供冷；平價(jià)電價(jià)時(shí)段，優(yōu)先使用蓄冷水罐供冷，不足部分由冷水機(jī)組補(bǔ)充。蓄冷水罐體積約為1800m3，水罐最大蓄冷量為18810kWh，水罐供冷量約占全年冷量需求的52%。100%冷負(fù)荷平衡圖如圖2 所示。

圖2 100%負(fù)荷運(yùn)行圖

本系統(tǒng)供冷運(yùn)行模式主要分為4 種工況：冷水機(jī)組蓄冷、蓄水罐單獨(dú)供冷、冷水機(jī)組單獨(dú)供冷和冷水機(jī)組＋水罐聯(lián)合供冷工況。

2.4 系統(tǒng)投資

根據(jù)以上技術(shù)方案，水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置及工程造價(jià)如表3 所示。

表3 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置清單

2.5 電力政策

推行峰谷分時(shí)電價(jià)政策，對(duì)于進(jìn)行水蓄冷改造的空調(diào)系統(tǒng)用電，給予雙蓄電價(jià)的優(yōu)惠政策，10kV 雙蓄電價(jià)的分時(shí)電價(jià)與兩部制大工業(yè)分時(shí)電價(jià)對(duì)比表如表4 所示。

表4 雙蓄與常規(guī)電價(jià)峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)比表（單位：元/kWh）

由表5 可見，采用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，全年削減高峰時(shí)段電量約為43.5 萬千瓦時(shí)，削減平峰時(shí)段電量約為30.5萬千瓦時(shí)，填谷段電量約為55.1 萬千瓦時(shí)。采用水蓄冷系統(tǒng)，通過耗電量移峰填谷，每年可節(jié)約運(yùn)行電費(fèi)60 萬元（雙蓄電價(jià)）。

表5 電制冷空調(diào)系統(tǒng)與水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)全年制冷站移峰填谷電量及耗電量對(duì)比表

2.6 運(yùn)行分析

根據(jù)不同的室外氣象情況，將全年供冷分為100%、75%、50%和25% 4 個(gè)負(fù)荷時(shí)段進(jìn)行測(cè)算。每個(gè)負(fù)荷段計(jì)算一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)日內(nèi)制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和蓄放冷水泵在全天的逐時(shí)耗電量，得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)日內(nèi)的耗電量，從而計(jì)算全年的耗電總量，進(jìn)而得到全年的電費(fèi)總額。

2.7 電力需求響應(yīng)

2020 年電網(wǎng)公司正式啟動(dòng)各省市電力交易現(xiàn)貨試點(diǎn)，各省市均出臺(tái)電力需求響應(yīng)的相關(guān)政策。蓄能型空調(diào)，作為靈活可調(diào)節(jié)負(fù)荷，可參與電力需求響應(yīng)的移峰或填谷類調(diào)節(jié)，可享受經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助。

具體到本項(xiàng)目，系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)移能力如表6 所示。

表6 電力轉(zhuǎn)移能力表

3.水罐流場(chǎng)仿真驗(yàn)證

采用CFD 仿真模擬計(jì)算方法對(duì)蓄冷罐蓄冷放冷效果進(jìn)行仿真分析，通過分析內(nèi)部溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布合理性得出最優(yōu)蓄水罐設(shè)計(jì)方案，以分析解決蓄水罐可能出現(xiàn)的布水不均勻、無法形成斜溫層出現(xiàn)混水或斜溫層[2]過厚等問題。

本模擬過程溫度場(chǎng)形成穩(wěn)定厚度斜溫層，保證了實(shí)際充冷率。實(shí)際工程，很少進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中不能形成斜溫層，甚至整個(gè)水罐蓄滿混水，導(dǎo)致不能放出設(shè)計(jì)工況的低溫冷水，達(dá)不到蓄能效果。

4.結(jié)論

（1）水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用既節(jié)省了運(yùn)行成本，又有利于電力市場(chǎng)調(diào)節(jié)，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益并存。（2）通過對(duì)水罐蓄冷放冷流場(chǎng)模擬仿真驗(yàn)證，得出形成穩(wěn)定溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的流場(chǎng)效果，保障實(shí)際運(yùn)行更加貼合設(shè)計(jì)工況。