冰蓄冷中央空調(diào)設(shè)計(jì)的問題分析

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高。中央空調(diào)的應(yīng)用越來越廣泛，其耗電量也越來越大，一些大中城市中央用電量已占其高峰用電量的 20%以上，使 得電力系統(tǒng)峰谷負(fù)荷差加大，電 網(wǎng)負(fù)荷率下降，電網(wǎng)不得不實(shí)行拉閘限電，嚴(yán)重制約著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，解決該問題的有效辦法之一是應(yīng)用蓄冷技術(shù)，將 空調(diào)用電從白天高峰期轉(zhuǎn)移到夜間低谷期，均 衡城市電網(wǎng)負(fù)荷，達(dá) 到多峰填谷的目的。本文通過具體實(shí)例主要分析冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的若干問題。
1、工程實(shí)例
本項(xiàng)目位于深圳市寶安區(qū)，項(xiàng) 目總占地面積 3 萬m2 ， 地 上總建筑面積約 15 萬 m 2， 地 下總建筑面積約 5萬 m2 。 建成后將是集商業(yè) MALL、博 物館為一體的項(xiàng)目?？照{(diào)面積為 16 萬 m2 ， 空 調(diào)使用時(shí)間為 9:00~23:00，夏季逐時(shí)計(jì)算冷負(fù)荷綜合最大值 MALL 為4964 RT，博 物館為 177 RT，并 夜間連續(xù)運(yùn)行，M ALL設(shè)計(jì)日總冷量為 58361 RT·h，本項(xiàng)目商業(yè) MALL、博物館設(shè)置一個(gè)集中的冰蓄冷制冷站。
1.1 基載負(fù)荷設(shè)計(jì)分析
由于此工程中，冰 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)需部分夜間運(yùn)行，而且所需的冷負(fù)荷比較大。因此，傳統(tǒng)的冰蓄冷系統(tǒng)利用夜間用電低峰時(shí)蓄冷補(bǔ)償白天高峰耗電量的優(yōu)勢不能徹底發(fā)揮，需要對夜間冷負(fù)荷做出設(shè)計(jì)預(yù)留。在這里，把此工程的夜間冷負(fù)荷稱為基載負(fù)荷。計(jì)算以夜間所需的冷負(fù)荷為依據(jù)選擇相應(yīng)的基載主機(jī)。然后從總負(fù)荷中扣除基載主機(jī)所承擔(dān)的負(fù)荷，再 配制冷主機(jī)與蓄冰槽。
1.2 設(shè)備選型計(jì)算
制冷主機(jī)容量 q c ：

式中：Q 為設(shè)計(jì)日空調(diào)總冷量，k Wh；C L 為有換熱設(shè)備時(shí)雙工況主機(jī)制冷工況系數(shù)，取 0.8；n 1 為白天雙工況主機(jī)制冷運(yùn)行小時(shí)數(shù)，取 13 h；C f 為制冷機(jī)制冰工況系數(shù)，本 項(xiàng)目采用的水冷冷水機(jī)組都取 0.65；n 2 為制冷機(jī)制冰工況下的日運(yùn)行小時(shí)數(shù)，取 8 h。
計(jì)算可得：q c==205256/(0.8 伊1 3 +0.65 伊8 ) =13157kW=3741 RT
根據(jù)以上結(jié)果選取兩臺基載工況螺桿式冷水機(jī)組（ 200 RT），三 臺雙工況離心式冷水機(jī)組（ 制冷工況1200 RT、制 冰工況 800 RT）。
1.3 蓄冰裝置容量計(jì)算蓄冰裝置容量 QS：

計(jì)算可得：Q S=8伊0 .65伊3 800=19760 RT· h根據(jù)上述分析，建 立典型設(shè)計(jì)日冰蓄冷系統(tǒng)負(fù)荷分布圖，如圖1所示：

圖 1 典型設(shè)計(jì)日冰蓄冷系統(tǒng)負(fù)荷
詳細(xì)的負(fù)荷平衡策略如下：
1）夜 間 23:00～次日 7:00，電 力谷段，共 8 h 低谷電，該時(shí)段由 3 臺1200 RT 雙工況主機(jī)滿載進(jìn)行冰蓄冷，總 蓄冷量 19560 RT· h。
2）9 :00～12:00，電價(jià)峰段，此時(shí)段空調(diào)負(fù)荷為3800~4700 RT，負(fù) 荷較大，該 時(shí)段運(yùn)行策略為優(yōu)先保證蓄冰裝置較大融冰速率供冷，基載主機(jī)滿載運(yùn)行，雙工況主機(jī)臺數(shù)適時(shí)投入。
3）1 2:00～14:00，電力平段，此時(shí)空調(diào)負(fù)荷約為4600 RT 左右，該時(shí)段供冷策略為優(yōu)先滿載運(yùn)行基載主機(jī)和雙工況主機(jī)，不 足部分由蓄冰槽補(bǔ)充。
4）1 4:00～17:00，電 價(jià)峰段，此 時(shí)空調(diào)負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)峰值，因 此該時(shí)段運(yùn)行策略為優(yōu)先保證蓄冰裝置最大融冰速率供冷，基 載主機(jī)滿載運(yùn)行，雙 工況主機(jī)臺數(shù)適時(shí)投入。
5）1 7:00～19:00，電 力平段，此 時(shí)空調(diào)負(fù)荷約 4900RT 左右，負(fù) 荷較高，供 冷策略優(yōu)先滿載運(yùn)行基載主機(jī)和雙工況主機(jī)，不 足部分由蓄冰槽補(bǔ)充。
6）1 9:00～22:00，電價(jià)峰段，此時(shí)段空調(diào)負(fù)荷為3400~4500 RT，負(fù) 荷較大，該 時(shí)段運(yùn)行策略為優(yōu)先保證蓄冰裝置較大融冰速率供冷，基 載主機(jī)滿載運(yùn)行，雙工況主機(jī)臺數(shù)適時(shí)投入。
綜上所述，蓄冰設(shè)備：選用7臺3X（ 3X318）R T·h內(nèi)融冰式蓄冰罐，總 畜冰量為 20234 RT·h。集中冷源系統(tǒng)制冷機(jī)房擬設(shè)置于地下二層，機(jī)房制冷主機(jī)區(qū)域凈高要求 5.0m，蓄 冰區(qū)域凈高要求5m；配 套冷卻塔擬設(shè)置于屋頂，冷 卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)供回水溫度為：常規(guī)工況下 32/37益，蓄 冰工況下30/33益。
2、蓄冰裝置和冷水機(jī)組串聯(lián)位置的選擇
2.1 蓄冰裝置在冷水機(jī)組下游計(jì)算首先考慮把蓄冰裝置置于冷水機(jī)組的下游，如圖2，這 種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許冷水機(jī)組最先獲得由換熱盤管出來的最熱的載冷劑。同時(shí)出冷水機(jī)組的載冷劑的溫度也較高。

圖2蓄冰裝置位于冷水機(jī)組下游
由圖 2可知，冷 水機(jī)組把載冷劑從 14.4 益冷卻到7 益，機(jī) 組的 COP 值可以達(dá)到 5.22。下游的蓄冰罐再把載冷劑從7 益冷卻到 3.5 益。在這個(gè)溫度下，蓄 冰裝置能夠提供所蓄冷的制冷量為 18772 RT· h。而為了滿足建筑空調(diào)日總冷量 58361 RT·h 的需要，還 有 39589RT· h的空調(diào)負(fù)荷需求由冷水機(jī)組制冷來滿足。假定冷水機(jī)組運(yùn)行在建筑空調(diào)負(fù)荷周期 13 小時(shí)內(nèi)，冷 水機(jī)組制冷量始終保持恒定的運(yùn)行，那 么每小時(shí)的制冷負(fù)荷就是 10710 kW，能 效比 COP為 5.22。經(jīng)計(jì)算冷水機(jī)組白天運(yùn)行平均消耗電功率是 2051 kW。
2.2 蓄冰裝置在冷水機(jī)組上游計(jì)算
若蓄冰裝置被置于冷水機(jī)組的上游，如圖3，這 種結(jié)構(gòu)允許蓄冰裝置最先獲得換熱盤管出來的最熱的載冷劑。同時(shí)，離開蓄冰裝置的載冷劑溫度也是較高的。這種情況導(dǎo)致系統(tǒng)蓄冷量的增加。

圖 3 蓄冰裝置位于冷水機(jī)組上游
如圖 3 可知，假 設(shè)流量不變，進(jìn) 入蓄冰裝置的載冷劑的溫度從 12 益，出 來冷卻到 7.9 益。（數(shù)據(jù)由廠家提供），在 這個(gè)較高溫度下，蓄 冰裝置能夠提供 21990RT·h 的制冷量。與蓄冰裝置被置于冷水機(jī)組的下游相比，蓄 冰裝置提供的制冷量提高了將近 17%。峰值的制冷需求被降低了，剩 下的36370 RT· h的制冷量需求用冷水機(jī)組來滿足。
同樣假冷水機(jī)組運(yùn)行在建筑空調(diào)負(fù)荷周期13h內(nèi)，冷水機(jī)組制冷量始終保持恒定的運(yùn)行條件下，冷水機(jī)組必須滿足的每小時(shí)的制冷負(fù)荷是 9839.7 kW。
當(dāng)冷水機(jī)組被置于下游,它必須將載冷劑的溫度從7.9 益冷卻到 3.5 益，這 種較冷的載冷劑使制冷主機(jī)組的制冷效率COP降低到4.4。因 此采用這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算冷水機(jī)組白天運(yùn)行平均消耗電功率是2342 kW。與蓄冰裝置被置于下游相比，功 率消耗上升了 9%。
從以上對比分析可以看出，將 冷水機(jī)組放置于蓄冰裝置上游與下游相比，整 個(gè)系統(tǒng)的峰值耗電量節(jié)省了 185 kW。處 在上游的制冷機(jī)在較高的蒸發(fā)溫度下工作，制 冷機(jī)的制冷效率高，同 時(shí)電力消耗被降低了。但由于蓄冰裝置位于下游使得整個(gè)系統(tǒng)取冷速效率下降，取 相同的冷量，則 需建造要更大的蓄冰裝置，蓄 冷設(shè)備和建筑成本升高了，蓄 冷空間也增大了。
當(dāng)設(shè)計(jì)較大型的冰蓄冷系統(tǒng)時(shí)，系 統(tǒng)中包含較大數(shù)量的蓄冰裝置。把蓄冰裝置置于冷水機(jī)組的上游對整個(gè)冰蓄冷系統(tǒng)中蓄冰裝置的數(shù)量的減少就會產(chǎn)生顯著的影響，安 裝成本會大幅度的降低。
3、蓄冰裝置的選擇
蓄冰裝置包括蓄冰本體及槽體。蓄冰本體用在民用建筑領(lǐng)域的主要有冰球及盤管。蓄冰本體以前用冰球系統(tǒng)的很多，但 目前使用冰球的較少，基 本上都是選用冰盤管系統(tǒng)，因 為盤管蓄冰和融冰更穩(wěn)定，而 冰球系統(tǒng)容易出現(xiàn)過度制冰或無法融冰或冰球破裂污染水體的情況。盤管又分金屬盤管與塑料盤管，金屬盤管一般有不銹鋼盤管和外表鍍鋅碳鋼盤管。這可以根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，主 要是由造價(jià)和蓄冰裝置所在的環(huán)境來定。目前市場上能見到的知名品牌中這幾種盤管均可滿足目前的冰蓄冷中央空調(diào)的各項(xiàng)要求。
對于蓄冰槽體，很 多項(xiàng)目在選擇時(shí)首選是碳鋼槽體，因 制作成本低，易 加工。但 所帶來的問題是易生銹。如果做冰蓄冷空調(diào)，蓄 冰槽體建議選用不銹鋼材質(zhì)或不易生銹的材質(zhì)制作，對 于整個(gè)項(xiàng)目的投資不會增加很多，但 帶來的運(yùn)行維護(hù)管理卻是極大的利好，對 提升整個(gè)項(xiàng)目的品質(zhì)也是大有裨益的。
不論用什么槽體，槽體保溫一定要制作好。有的項(xiàng)目采用橡塑保溫材料，這 種保溫材料如果按廠家或相關(guān)規(guī)定來制作是滿足要求的，但 有些施工單位管理不嚴(yán)，經(jīng) 常發(fā)生局部遺漏，導(dǎo) 致槽體外壁結(jié)露。建議保溫材料選用聚氨酯現(xiàn)場噴涂發(fā)泡保溫。保溫厚度至少達(dá)到 100 mm，頂 部因幾乎不與冰水接觸，保 溫厚度可以減半。在保溫層外再敷上一層金屬板作保護(hù)。
廠家提供的一體化蓄冰裝置包括槽體及盤管，還有一些相關(guān)配件。因運(yùn)輸、安 裝等問題，建 議選擇槽體不宜過大。如果選擇離心機(jī)做雙工況主機(jī)，建議把槽體總量加大 20%，因 在制冰后期，隨 著負(fù)荷的減少，雙工況主機(jī)的所需輸出的冷量也在逐漸減少，當(dāng) 少到一定程度時(shí)，離 心式雙工況主機(jī)就有可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象?而加大蓄冰槽體的目的，就 是讓主機(jī)認(rèn)為在蓄冰即將結(jié)束時(shí)，還 需輸出大量的冷量，從 而可以防止或減少制冰后期離心式雙工況主機(jī)喘振現(xiàn)象的發(fā)生。
4、冷卻塔的選擇
蓄冰工況時(shí)的冷卻塔與常規(guī)電制冷空調(diào)時(shí)的工況是不一樣的，在 選型時(shí)應(yīng)根據(jù)兩種工況進(jìn)行校核，既要滿足常規(guī)電制冷時(shí)的工況要求，也 要滿足蓄冰工況時(shí)的工況要求。因環(huán)境的濕球溫度 28 益是基本不變的，冷卻塔在蓄冰工況時(shí)冷卻水進(jìn)水溫度為 33. 3 益、出水溫度為 30益，而 常規(guī)電制冷時(shí)冷卻水進(jìn)水溫度為37 益、出 水溫度為32 益。在 蓄冰工況時(shí)，冷 卻塔的出水溫度更逼近濕球溫度，盡 管進(jìn)出水溫差變小了，但 在選型時(shí)發(fā)現(xiàn)，蓄 冰工況時(shí)要求的冷卻塔出力比常規(guī)工況需求更高。
5、結(jié)束語
冰蓄冷技術(shù)在近年來得到了大力的推廣和應(yīng)用，已經(jīng)建成及投入使用的工程實(shí)例也越來越多，實(shí) 際運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了削峰填谷，為 業(yè)主帶來了良好的收益及口碑，在 此，筆 者就自己對冰蓄冷設(shè)計(jì)、安 裝中出現(xiàn)的問題做了小結(jié)，期 望能拋磚引玉，與 廣大同仁一起把冰蓄冷技術(shù)做得更好更完美。 
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