浙江中國(guó)小商品城集團(tuán)股份有限公司 萬(wàn)國(guó)榮

1 前言

隨著人們生活水平的不斷提高，中央空調(diào)的使用已十分普遍，目前所使用的中央空調(diào)形式種類比較多，如：電制冷冰蓄冷系統(tǒng)、常規(guī)電制冷冷水機(jī)組系統(tǒng)、燃油或燃?xì)怃寤嚈C(jī)組系統(tǒng)等。由于不同種類的機(jī)組具有不同特性，因此在市場(chǎng)上均有使用，主要是根據(jù)建筑及當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行選擇。

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，以冰蓄冷和常規(guī)電制冷兩種中央空調(diào)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在同一設(shè)備檔次下且末端系統(tǒng)按相同設(shè)計(jì)施工考慮，同時(shí)綜合考慮電力費(fèi)用、峰谷電價(jià)結(jié)構(gòu)、設(shè)備初期投資及運(yùn)行成本等諸因素，通過對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行科學(xué)合理的選型設(shè)計(jì)，以期達(dá)到在確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠的前提下設(shè)備壽命周期費(fèi)用最經(jīng)濟(jì)，為類似工程設(shè)計(jì)方案的確定提供借鑒。

2 工程概況

該項(xiàng)目總建筑面積約20萬(wàn)m2，地下兩層，地上四層，是一個(gè)批發(fā)性專業(yè)市場(chǎng)。結(jié)合該工程特點(diǎn)、當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的氣象條件及以往類似工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，考慮到同時(shí)使用系數(shù)，夏季空調(diào)設(shè)計(jì)日尖峰負(fù)荷為2500萬(wàn)大卡，即8266R T（見圖1）。

圖1 夏季空調(diào)設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷分布圖

3 兩種方案特點(diǎn)分析

3.1 冰蓄冷

冰蓄冷是在常規(guī)電制冷的基礎(chǔ)上減小制冷主機(jī)容量增加蓄冰裝置，利用夜間低谷低價(jià)電力時(shí)段將冷量通過冰的形式儲(chǔ)存起來，白天需要供冷時(shí)釋放出來。

1）優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少主機(jī)容量（降低一次性投資），總用電負(fù)荷少；

（2）制冷利用峰谷電價(jià)差，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用；

（3）減少建筑的配電容量，節(jié)約變配電投資約30%（空調(diào)的配電投資）；

（4）使用靈活，部分區(qū)域、過渡季節(jié)使用空調(diào)可由融冰提供，不用開主機(jī)（蓄冰除外）；

（5）具有應(yīng)急功能，在拉閘限電時(shí)更能顯示其優(yōu)勢(shì)：只要具備帶動(dòng)水泵的電力就能夠融冰供冷，不會(huì)出現(xiàn)空調(diào)不能使用的狀況，提高空調(diào)系統(tǒng)的可靠性。

2）缺點(diǎn)：

（1）蓄冰裝置需要占用較大的空間；（2）機(jī)房設(shè)備投資比常規(guī)電制冷高；（3）制冰工況能效比有所下降；

（4）自動(dòng)化程度較高，系統(tǒng)故障時(shí)一般無(wú)法手動(dòng)控制。

3.2 常規(guī)電制冷

是目前使用較多的空調(diào)形式。

1）優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)簡(jiǎn)單，占地稍??；

（2）效率高，COP（制冷效率）一般大于5.3；

（3）設(shè)備投資相對(duì)較少；

（4）控制簡(jiǎn)單，可手動(dòng)操作，維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2）缺點(diǎn)：

（1）冷水機(jī)組的數(shù)量與容量較大，相應(yīng)的其他用電設(shè)備數(shù)量、容量也增加；

（2）總用電負(fù)荷大，增加了變壓器配電容量與配電設(shè)施費(fèi)；

（3）所使用電量均為高峰電，不享受峰谷電價(jià)政策，運(yùn)行費(fèi)用高；

（4）在拉閘限電時(shí)出現(xiàn)空調(diào)不能使用的狀況。

4 冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，須依據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷的需求確定系統(tǒng)選型，盡可能地減少各種設(shè)備的裝機(jī)容量，改善主機(jī)工作條件，提高主機(jī)效率，充分利用蓄冰裝置的優(yōu)勢(shì)，盡量減少系統(tǒng)的能耗。

4.1 蓄冰模式選擇

1）全量蓄冰模式

主機(jī)在電力低谷期全負(fù)荷運(yùn)行，制得系統(tǒng)全天所需要的全部冷量。在白天電力高峰期，主機(jī)停運(yùn)，所需冷負(fù)荷全部由融冰來滿足。

（1）優(yōu)點(diǎn)：

①最大限度的轉(zhuǎn)移了電力高峰期的用電量，白天系統(tǒng)的用電容量??；

②白天全天通過融冰供冷，運(yùn)行成本低。

（2）缺點(diǎn)：

①蓄冰容量、制冷主機(jī)及及相應(yīng)設(shè)備容量較大；

②占地面積較大；

③初期投資較高。

2）分量蓄冰模式

主機(jī)在電力低谷期全負(fù)荷運(yùn)行，制得系統(tǒng)全天所需要的部分冷量；在設(shè)計(jì)日主機(jī)以與蓄冰裝置聯(lián)合提供系統(tǒng)所需的冷量。

（1）優(yōu)點(diǎn)：

①蓄冰容量、制冷主機(jī)及相應(yīng)設(shè)備容量較小；

②占地面積較小；

③初期投資最小，回收周期短。

（2）缺點(diǎn)：

①僅轉(zhuǎn)移了電力高峰期的部分用電量，白天系統(tǒng)還需較大的配電容量；

②運(yùn)行費(fèi)用較高。

本工程采用負(fù)荷均衡的分量蓄冰模式，合理配置主機(jī)容量和蓄冰容量，使系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。

4.2 蓄冰裝置

蓄冰裝置的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)于面積較大的集中式供冷中央空調(diào)，對(duì)蓄冰裝置的制冰、融冰性能和融冰率提出了較高的要求。因此所選用的蓄冰裝置須達(dá)到如下要求：

1）較高的制冰溫度，保證制冷主機(jī)制冰時(shí)具有較高的運(yùn)行效率；

2）穩(wěn)定的出口溫度，且溫度需能達(dá)到較低的水平；

3）融冰末期的溫度必須穩(wěn)定，確保供水溫度不會(huì)上升，滿足空調(diào)系統(tǒng)的供冷需求；

4）高的融冰率，保證所蓄冷量能夠利用。

蓄冰裝置根據(jù)結(jié)冰的機(jī)理不同分為不完全凍結(jié)式和完全凍結(jié)式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分為盤管式（乙二醇管內(nèi)流動(dòng)、管外結(jié)冰）和冰球式（乙二醇球外流動(dòng)、球內(nèi)結(jié)冰）。本項(xiàng)目擬采用不完全凍結(jié)式蓄冰盤管，其碎冰機(jī)理如圖2所示：

圖2 碎冰機(jī)理圖

制冰結(jié)束融冰開始時(shí)的狀態(tài)：制冰結(jié)束時(shí)冰槽中的水不全部結(jié)成冰，冰柱之間相互不連接；由于制冰時(shí)冰層較薄，冰的熱阻較小，因此制冰時(shí)制冷主機(jī)的出口溫度較高，運(yùn)行效率較高。

融冰初期：冰融化后，冰環(huán)與盤管之有水，而冰比水輕冰上浮，冰環(huán)下部與盤管直接接觸，換熱效果好。

融冰中期：冰環(huán)下部與盤管一直接觸，融冰速度高于冰環(huán)上部，因此下部的冰融完后冰環(huán)破裂，脫離盤管上浮后與上面的盤管接觸，繼續(xù)融冰。

融冰中后期：冰環(huán)破裂后冰上浮碰到上面的盤管，接觸部分融冰速度快，與過程c類似，接觸部分融完破裂，形成更小的冰。

融冰后期：經(jīng)過程c和過程d，冰破碎成小塊，形成溫度為0℃的冰水混合物，盤管浸沒在冰水混合物中，換熱穩(wěn)定且可得到較低的出水溫度，滿足系統(tǒng)的要求，直至融冰結(jié)束。

由于盤管在槽內(nèi)可以均勻的布置在每一個(gè)位置，因此不存在死角的問題；而乙二醇在管內(nèi)流動(dòng)，不存在流動(dòng)死角和融冰死角的問題；特有的碎冰機(jī)理，可以保證穩(wěn)定的融冰速度和融冰出口溫度。因此，不完全凍結(jié)式蓄冰盤管在制冰和融冰上具有高的性能，可以滿足任何階段的空調(diào)運(yùn)行需求。

4.3 系統(tǒng)形式

擬采用主機(jī)上游+冰槽下游的串聯(lián)系統(tǒng)。冰盤管串聯(lián)系統(tǒng)中的乙二醇溶液從板式換熱器回來后，先后經(jīng)過主機(jī)和冰槽二級(jí)降溫，從而保證恒定的低溫乙二醇出口溫度3.5℃，通過板式換熱器和冷凍熱交換向末端提供7.0℃的冷凍水。系統(tǒng)中主機(jī)置于循環(huán)回路的上游，主機(jī)的蒸發(fā)溫度高，主機(jī)的工作效率也相應(yīng)提高了。串聯(lián)回路減少了乙二醇管路、閥門及接頭，簡(jiǎn)化施工及維護(hù)管理，系統(tǒng)流程更簡(jiǎn)單，布置緊湊。

4.4 系統(tǒng)配置

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際冷量需求，機(jī)房選用2臺(tái)制冷量為850 R T的基載主機(jī)和3臺(tái)制冷量為1200 R T的雙工況制冷主機(jī)，其它設(shè)備配置詳見后面表1。

4.5 系統(tǒng)流程

1）乙二醇系統(tǒng)

乙二醇系統(tǒng)由雙工況主機(jī)蒸發(fā)器、乙二醇泵、蓄冰裝置、板式換熱器及相應(yīng)的管路系統(tǒng)組成。換熱完成后的溫?zé)嵋叶既芤海?1.0℃）從板式換熱器出來，經(jīng)過乙二醇泵后進(jìn)入主機(jī),進(jìn)行第一級(jí)降溫，然后再進(jìn)入冰槽，其中冰槽有一路旁通回路用于調(diào)節(jié)冰槽的出口溫度和主機(jī)單供冷工況使用。乙二醇溶液經(jīng)過主機(jī)和冰槽二級(jí)降溫后達(dá)到3.5℃，然后進(jìn)入板式換熱器和冷凍水進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生7.0℃的冷凍水。

2）冷凍水系統(tǒng)

冷凍水系統(tǒng)由板式換熱器、冷凍水泵及相應(yīng)的管路系統(tǒng)組成，其設(shè)計(jì)的供回水溫度為7.0/12.0℃。在聯(lián)合供冷以及單融冰供冷工況下，通過調(diào)節(jié)蓄冰裝置直通管路上的電動(dòng)閥和旁通管路上電動(dòng)閥的開度來控制板式換熱器一次側(cè)供液溫度為3.5℃；在制冷主機(jī)單供冷工況下，則直接設(shè)定制冷主機(jī)出口溫度為3.5℃，制冷主機(jī)自行根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化進(jìn)行冷量的調(diào)節(jié)，在以上板式換熱器一次側(cè)供液溫度穩(wěn)定在3.5℃的前提下，通過定溫度變流量的方法來響應(yīng)空調(diào)負(fù)荷的變化，即通過調(diào)節(jié)板式換熱器直通閥和板式換熱器旁通閥來改變進(jìn)入板式換熱器的乙二醇溶液的流量。調(diào)節(jié)閥門的目標(biāo)參數(shù)為空調(diào)冷凍水供水溫度，設(shè)定值為7.0℃。

為保證各空調(diào)末端各自進(jìn)行溫度控制時(shí)（調(diào)節(jié)水閥）互不影響，機(jī)房需在供冷時(shí)提供穩(wěn)定的供水壓力。通過供回水總管之間的壓差傳感器控制壓差旁通調(diào)節(jié)閥門的開啟度，以穩(wěn)定此時(shí)的冷凍水供水壓力。

3）冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)由主機(jī)冷凝器、冷卻水泵、冷卻塔、相應(yīng)的管路系統(tǒng)組成。冷卻水泵位于主機(jī)的進(jìn)口側(cè)，從主機(jī)出來的冷卻水經(jīng)過冷卻水泵后供給冷卻塔，經(jīng)冷卻塔散熱后，冷卻水溫度降至32℃（白天設(shè)計(jì)溫度），在回到主機(jī)的冷凝器，依此循環(huán)，把主機(jī)產(chǎn)生的熱量帶到冷卻塔向大氣散發(fā)。

冷卻水溫度及系統(tǒng)節(jié)能控制：主機(jī)開啟時(shí)，所對(duì)應(yīng)的冷卻塔組也開啟，通過位于每組回水管路上的溫度傳感器信號(hào)控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的開啟臺(tái)數(shù)，冷卻水的回水溫度設(shè)計(jì)為32℃（因冷卻塔容量留有余量，實(shí)際運(yùn)行時(shí)設(shè)定溫度可適當(dāng)下調(diào)，以提高主機(jī)的制冷效率）。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到冷卻水回水溫度高于設(shè)定溫度，則增加風(fēng)機(jī)開啟的臺(tái)數(shù)，反之則減少風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)。這樣，即保證了主機(jī)在安全的冷卻水溫度范圍內(nèi)工作，又盡可能地降低冷卻水的回水溫度以提高主機(jī)的效率，還最大限度地減少了冷卻塔風(fēng)機(jī)的開啟，在保證系統(tǒng)可靠工作的前提下，使系統(tǒng)的節(jié)能潛力得以充分發(fā)揮。

4.6 運(yùn)行策略

1）空調(diào)設(shè)計(jì)日

結(jié)合空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷分布圖及地區(qū)的電價(jià)政策，空調(diào)設(shè)計(jì)日系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖3所示，具體按以下4種工作模式運(yùn)行：

圖3 100%負(fù)荷設(shè)計(jì)日運(yùn)行策略圖

（1)22:00-8:00：該時(shí)段為電力低谷時(shí)段，采用雙工況主機(jī)制冰模式，3臺(tái)雙工況主機(jī)全力制冰，制得23400R T.h的冰量?jī)?chǔ)存在蓄冰裝置中。

（2)8:00-9：00：在該時(shí)段采用基載主機(jī)與雙工況主機(jī)供冷模式來滿足末端冷負(fù)荷的需求。

（3)10:00-20：00：在該時(shí)段采用基載主機(jī)、雙工況主機(jī)與蓄冰裝置聯(lián)合供冷模式，即基載主機(jī)和3臺(tái)雙工況主機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，不足部分冷量由蓄冰裝置來補(bǔ)充以滿足末端負(fù)荷的要求。

（4)20:00-21：00：在該時(shí)段采用基載主機(jī)與蓄冰裝置聯(lián)合供冷模式，即2臺(tái)基載主機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，不足部分冷量?jī)?yōu)蓄冰裝置來補(bǔ)充以滿足末端負(fù)荷的要求。

2）非設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行狀況

在天氣發(fā)生變化，當(dāng)日負(fù)荷較小時(shí)，系統(tǒng)將依據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷需求，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，在每一時(shí)段內(nèi)自動(dòng)調(diào)整蓄冰裝置融冰供冷及主機(jī)供冷的相對(duì)應(yīng)比例，以實(shí)現(xiàn)分量蓄冰模式逐步向全量蓄冰模式的運(yùn)行轉(zhuǎn)化，按照蓄冰裝置優(yōu)先供冷的原則，最大限度地限制主機(jī)在電力高峰期間的運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。非設(shè)計(jì)日系統(tǒng)按以下模式運(yùn)行（圖4、5、6）：

圖4 75%負(fù)荷設(shè)計(jì)日運(yùn)行策略圖

圖5 50%負(fù)荷設(shè)計(jì)日運(yùn)行策略圖

圖6 25%負(fù)荷設(shè)計(jì)日運(yùn)行策略圖

表1 冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)備配置及投資表

表2 常規(guī)電制冷系統(tǒng)機(jī)房設(shè)備配置及投資表

表3 浙江省蓄能空調(diào)峰谷電價(jià)

表4 系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用比較表

5 方案經(jīng)濟(jì)性能分析

5.1 機(jī)房初投資比較（見表1、表2）

5.2 年運(yùn)行費(fèi)用分析

1）電價(jià)政策（見表3）

2）供冷周期

浙江地區(qū)空調(diào)每年供冷運(yùn)行的天數(shù)為153天（一般為5月至10月），其中100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為25天；75%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為45天；50%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為55天；25%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為28天。

表5 綜合投資經(jīng)濟(jì)分析表

3）年運(yùn)行費(fèi)用分析（見表4）

5.3 綜合投資經(jīng)濟(jì)分析（見表5）

6 結(jié)論

由以上經(jīng)濟(jì)分析可以看出：采用冰蓄冷機(jī)房系統(tǒng)，綜合初投資比常規(guī)冷水機(jī)組系統(tǒng)高，但年運(yùn)行費(fèi)用比常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)低22.4%，約8.6年可回收成本，因此需要較大的峰谷電價(jià)來縮短投資回收期。