蓄能技術(shù)在辦公類(lèi)建筑中的創(chuàng)新應(yīng)用

0 引言

加班專(zhuān)用系統(tǒng)”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“值班系統(tǒng)”），專(zhuān)門(mén)解決辦公類(lèi)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)使用不靈活的問(wèn)題，供廣大設(shè)計(jì)人員和投資方參考。

冷水機(jī)組是最常用的中央空調(diào)冷源型式，具有技術(shù)成熟可靠、選擇應(yīng)用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是其存在運(yùn)行盲區(qū)問(wèn)題，即：低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)冷凍水流量過(guò)低，冷水機(jī)組會(huì)自動(dòng)保護(hù)性停機(jī)，以避免發(fā)生凍壞蒸發(fā)器等事故。但是，大中型辦公類(lèi)建筑——尤其是商業(yè)寫(xiě)字樓，普遍存在非工作時(shí)段局部加班的情況，經(jīng)常發(fā)生冷負(fù)荷太低，冷水機(jī)組無(wú)法運(yùn)行的問(wèn)題，給用戶(hù)、投資方、運(yùn)行管理人員帶來(lái)很大的困擾[1]。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)實(shí)中常見(jiàn)的應(yīng)對(duì)方法主要有以下三種：（1）在冷源當(dāng)中有意識(shí)地配置一定數(shù)量的較小型冷水機(jī)組，大小機(jī)組搭配使用，運(yùn)行盲區(qū)可以縮小，服務(wù)保障性得到一定程度的提高，但是沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題；（2）冷負(fù)荷太低時(shí)，開(kāi)啟大廳、食堂、多功能廳等部位的空調(diào)，很浪費(fèi)地運(yùn)行；（3）全大樓配置變頻多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，可以解決隨時(shí)、隨地使用空調(diào)的問(wèn)題，但是造價(jià)太高，而且還有一系列其它問(wèn)題，容后贅述。

鑒于此情況，作者立足于現(xiàn)有技術(shù)條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平，提出一種以水蓄能技術(shù)為基礎(chǔ)的解決方案，暫定名“空調(diào)值班

1 值班系統(tǒng)介紹

1.1 值班系統(tǒng)流程

值班系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖如圖1。

圖1值班系統(tǒng)流程圖

圖1 中上半部分為典型的中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)[2]，僅作參考，值班系統(tǒng)通過(guò)管道與冷、熱水供回水總管連接，圖紙說(shuō)明如下：

1—較大型冷水機(jī)組；2—較小型冷水機(jī)組；3—熱水機(jī)組；4—承壓蓄能水箱。①②③……水流路徑示意點(diǎn)：

1.2 值班系統(tǒng)的組成

（1）蓄能裝置：采用封閉承壓型水蓄冷/熱容器，水路與原系統(tǒng)直接連通，不采用中間換熱器，自然也沒(méi)有換熱損失；缺點(diǎn)是承壓型容器的單位蓄能量造價(jià)較高，一般的水蓄能工程不能接受如此高的造價(jià)，但是值班系統(tǒng)的蓄能量非常小，造價(jià)方面沒(méi)有問(wèn)題，主要考慮閉式系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)較低和水質(zhì)容易保持。

（2）值班泵組：采用多臺(tái)變頻水泵，按流量大小銜接設(shè)置，其流量范圍上限為原冷熱源系統(tǒng)中最小一臺(tái)冷水機(jī)組的安全運(yùn)行流量下限，其下限為中央空調(diào)系統(tǒng)中最小的末端設(shè)備的額定水流量。

（3）自控系統(tǒng)：包含智能控制器、傳感器、電動(dòng)閥門(mén)等。

（4）管路系統(tǒng)：并聯(lián)于原冷凍水（熱水）總管。

1.3 值班系統(tǒng)的運(yùn)行原理

由于值班系統(tǒng)在制冷、制熱工況下的運(yùn)行原理基本一致，本文僅討論在制冷工況下的運(yùn)行原理。

（1）當(dāng)冷負(fù)荷逐步降低，僅有一臺(tái)最小容量的冷水機(jī)組運(yùn)行、且末端冷水流量降低至該冷水機(jī)組的安全運(yùn)行流量下限時(shí)，值班系統(tǒng)啟動(dòng)；冷水在值班系統(tǒng)內(nèi)依次流過(guò)水流路徑示意點(diǎn)：1-2-3-5-6-7-8-9-13-14-17，蓄冷時(shí)的流量由自力式壓差控制閥控制；此時(shí)冷水機(jī)組一邊直接向用戶(hù)供冷，一邊進(jìn)行蓄冷。

（2）當(dāng)蓄冷裝置達(dá)到100%蓄冷量，停止冷水機(jī)組和對(duì)應(yīng)的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔，啟動(dòng)值班泵組中最大的一臺(tái)變頻循環(huán)泵進(jìn)行釋冷循環(huán)，冷凍水在值班系統(tǒng)內(nèi)依次流過(guò)水流路徑示意點(diǎn)：17-16-14-13-9-6-5-4-2-1，變頻器根據(jù)壓差變送器的信號(hào)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

（3）當(dāng)變頻器調(diào)節(jié)至最低運(yùn)行頻率，壓差信號(hào)仍然偏大，則停止該變頻循環(huán)泵，啟動(dòng)較小一臺(tái)變頻循環(huán)泵，依次類(lèi)推，直到流量消失，則關(guān)閉值班系統(tǒng)。

（4）當(dāng)變頻器調(diào)節(jié)至最高運(yùn)行頻率，壓差信號(hào)仍然偏小，則停止該變頻循環(huán)泵，啟動(dòng)較大一臺(tái)變頻循環(huán)泵，依次類(lèi)推，直至超過(guò)蓄冷裝置的最大釋冷流量，則關(guān)閉值班系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)最小一臺(tái)冷水機(jī)組直接供冷。

（5）當(dāng)蓄冷裝置冷量釋放完畢，則啟動(dòng)最小的一臺(tái)冷水機(jī)組，重復(fù)步驟（1）。

2 值班系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1 值班系統(tǒng)額定制冷量計(jì)算

以一棟地上建筑面積M為30000m2的純寫(xiě)字樓的典型冷源配置為例，冷熱源系統(tǒng)配置如圖1，總制冷量Q為1000RT，制冷主機(jī)選用兩臺(tái)400RT、一臺(tái)200RT的螺桿式冷水機(jī)組，其運(yùn)行盲區(qū)為最小一臺(tái)主機(jī)——即200RT螺桿式冷水機(jī)組的安全運(yùn)行下限，根據(jù)某品牌冷水機(jī)組制造商提供的資料，30%負(fù)荷率是推薦的安全運(yùn)行下限，則整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的安全運(yùn)行冷負(fù)荷下限QL為：

QL=200RT x 30%=60RT=211 kW（此數(shù)值即為值班系統(tǒng)額定制冷量）

全系統(tǒng)最低安全運(yùn)行冷負(fù)荷率PL為：

PL=QL/Q=60/(400+400+200)x100%=6%

則大致推算可提供制冷服務(wù)的最低面積ML為：

ML=M x PL=30000 x 6%=1800m2（約為1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層的面積）

意味著低于此面積則不能提供制冷服務(wù)。

2.2 蓄能裝置的容量計(jì)算

蓄能裝置的容量計(jì)算原則——只需避免主機(jī)頻繁啟停即可。制造商推薦的最小啟停間隔時(shí)間Tmin為0.5h?，F(xiàn)假設(shè)蓄能容器按安全運(yùn)行冷負(fù)荷下限QL提供0.5h服務(wù)，冷凍水溫差⊿t按5℃，則蓄能容器的容量V應(yīng)為：

V=QLx Tmin/(cxρρx⊿t x0.9)

=(211x3600x0.5)/(4.1868x1000x5x0.9)=20.15m3

式中：c為水的定壓比熱

ρ為水的密度

0.9 為蓄能裝置效率[4]關(guān)于蓄能裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算的著述很多，此處限于篇幅不做詳細(xì)介紹。

2.3 值班泵組的選型計(jì)算

值班泵組的選型計(jì)算原則——泵組額定流量為最小一臺(tái)冷水機(jī)組安全運(yùn)行的冷凍水流量下限，最小流量為整個(gè)冷凍水系統(tǒng)中流量最小的末端設(shè)備的額定冷凍水流量。因此，采用多臺(tái)變頻水泵按流量范圍銜接設(shè)置，值班泵組的額定流量L1——即最大一臺(tái)變頻水泵的額定流量，需銜接200RT螺桿機(jī)的安全運(yùn)行下限，為：

L1=(200x3.516x0.3x3600)/(4.1868x1000x5)

=36.28m3/h

根據(jù)某水泵廠家資料，變頻水泵最小流量為額定流量的20%，則第二臺(tái)水泵的額定流量L2為：

L2=L1 x 0.2=7.26 m3/h

第三臺(tái)水泵的額定流量L3為：

L3=L2 x 0.2=1.45 m3/h

其最小流量L4為：

L4=L3 x 0.2=0.29 m3/h，已達(dá)到最小型號(hào)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的額定冷凍水流量，滿(mǎn)足使用要求。

值班泵組采用3臺(tái)變頻水泵，流量覆蓋范圍為0.39～36.28 m3/h，配合原冷熱源系統(tǒng)，可滿(mǎn)足中央空調(diào)系統(tǒng)0～100%負(fù)荷無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，消除了運(yùn)行盲區(qū)。

3 值班系統(tǒng)創(chuàng)新性分析

常見(jiàn)的蓄能空調(diào)系統(tǒng)，其目的是賺取峰谷電價(jià)差，具有“移峰填谷”的社會(huì)效益，其冷熱量的蓄放周期為24h，蓄能容器占地面積很大，蓄能系統(tǒng)造價(jià)很高，仍然按上例采用常見(jiàn)的50%蓄能率、5℃溫差、小時(shí)平均負(fù)荷為設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%、蓄能效率85%、每天工作10h計(jì)算，其蓄能裝置的容量VC為：

VC=（400x2+200）x 3.516 x 50%x 10 x 3600x 50%/（4.1868x1000x5x0.85[3-4]）=1778m3

則，值班系統(tǒng)蓄能容積與常規(guī)蓄能容積比較，V/VC= 20.15/1776 x100%=1.13%

而“值班系統(tǒng)”的目的是在冷水機(jī)組和熱水機(jī)組的運(yùn)行盲區(qū)下保障空調(diào)服務(wù)，與峰谷電價(jià)無(wú)關(guān)，其蓄放周期短，蓄能裝置的容量?jī)H為常規(guī)蓄能系統(tǒng)的1.13%，占地面積、造價(jià)與常規(guī)蓄能系統(tǒng)有天壤之別，屬于創(chuàng)造性地使用蓄能技術(shù)。該創(chuàng)新性?xún)?nèi)容已獲專(zhuān)利授權(quán)。

4 值班系統(tǒng)與現(xiàn)有解決方案的對(duì)比

唯一與值班系統(tǒng)具有可比性的、能夠完全解決空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行盲區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)方案，唯有變頻多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。此處仍以上例中30000m2的寫(xiě)字樓為例，按市場(chǎng)占有量較大的某一線品牌變頻多聯(lián)機(jī)，與常規(guī)中央空調(diào)配值班系統(tǒng)做一簡(jiǎn)單比較，中央空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備如：冷水機(jī)組、熱水機(jī)組、水泵、冷卻塔、末端設(shè)備、電動(dòng)閥、溫控器等，均采用市場(chǎng)占有量較大的一線品牌，兩種系統(tǒng)的具體產(chǎn)品型號(hào)均按實(shí)際情況中采用最多的型號(hào)設(shè)置，假設(shè)值班系統(tǒng)造價(jià)為常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)的10%，具體比較內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 值班系統(tǒng)與變頻多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的綜合比較

可見(jiàn)，與唯一具有可比性的解決方案相比，值班系統(tǒng)與常規(guī)中央空調(diào)相結(jié)合的方案，在投資、機(jī)房成本、折舊成本、能耗費(fèi)用等方面均有很大的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論（1）值班系統(tǒng)配合常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)，可以解決辦公類(lèi)建筑經(jīng)常出現(xiàn)的低負(fù)荷無(wú)法開(kāi)機(jī)的“老大難”問(wèn)題，覆蓋了傳統(tǒng)中央空調(diào)的運(yùn)行盲區(qū)，提高了中央空調(diào)系統(tǒng)的服務(wù)保障水平。

（2）可以向用戶(hù)承諾隨時(shí)開(kāi)啟任意位置的中央空調(diào)，提升了建筑整體利用率，具有積極的社會(huì)意義和較大的應(yīng)用價(jià)值。

（3）創(chuàng)新地使用了蓄能技術(shù)，無(wú)需峰谷電價(jià)差，擴(kuò)大了蓄能技術(shù)的應(yīng)用范圍。

（4）與唯一可比的變頻多聯(lián)機(jī)方案相比，值班系統(tǒng)在投資、能耗、機(jī)房?jī)r(jià)值、噪聲振動(dòng)、折舊成本等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。

（5）值班系統(tǒng)的適用范圍廣，既可用于新建項(xiàng)目，也可用于既有建筑改造。

（6）對(duì)于可能出現(xiàn)低負(fù)荷、主機(jī)無(wú)法啟動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)，都可以采用值班系統(tǒng)加以解決。

（注：本解決方案已提交專(zhuān)利申請(qǐng)，故請(qǐng)有意采用該技術(shù)的設(shè)計(jì)、顧問(wèn)、咨詢(xún)?nèi)藛T聯(lián)系作者本人，除非特殊情況，我們將無(wú)償授予專(zhuān)利使用權(quán)。）

[1]GB50736-2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012:64.

[2]賈晶，施敏琪.空調(diào)冷水系統(tǒng)演變與一次泵變流量系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2007（5）：49-52.

[3]趙慶珠.蓄冷技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：51.

[4]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)：2版[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：2122-2134.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Innovative Application of Energy Storage Technology in Office Building

張熠1,文靈紅1,張永東2,楊懷3,陳金建1,傅仕華1
（1機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院建筑技術(shù)研究所，重慶400039；2西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶400716；3四川省城市建筑設(shè)計(jì)研究院，四川成都610072）

以解決冷水機(jī)組運(yùn)行盲區(qū)給辦公類(lèi)建筑帶來(lái)的不利影響為出發(fā)點(diǎn)，利用蓄能技術(shù)為主要手段，提出一種較低成本、較易實(shí)施的解決方案。通過(guò)對(duì)該解決方案的設(shè)計(jì)思路、方法、創(chuàng)新性的闡述，及與現(xiàn)有解決方案的比較，證明了該解決方案在投資、能耗等方面的優(yōu)越性。

蓄能技術(shù)；運(yùn)行盲區(qū)；辦公類(lèi)建筑；冷水機(jī)組；空調(diào)值班加班專(zhuān)用系統(tǒng)

For the adverse effect on running blind area of chiller in office building,a solution of low cost and simple implementation is presented with the main tool of energy storage technology.The design idea,method and creativity are discussed.The advantages of this new solution in investment,energy consumption are proved through the comparison with the existing solution.

energy storage technology;running blind area;office building;water chilling unit;overtime air conditioner system

TU831.4

A

1671-9107（2013）07-0031-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.07.031

2013-03-27

張熠（1972-），男，重慶人，本科，高級(jí)工程師，主要從事綠色建筑暖通及既有建筑節(jié)能改造的技術(shù)研發(fā)工作。