宓林 林葎

摘要：冰蓄冷空調系統(tǒng)利用電力低谷期電能蓄存冷量，在電力高峰期融冰供冷，具有削峰填谷、平衡電力負荷、減小機組裝機容量、改善發(fā)電機組效率以及降低環(huán)境污染的作用。本文以清華大學藝術博物館為例，首先介紹了空調系統(tǒng)工程概況，根據(jù)夏季逐時冷負荷、不同時段電價和冰蓄冷空調技術的優(yōu)點確定選擇方案，然后從系統(tǒng)配置、蓄冰設備選擇、多工況運行自動控制等方面進行系統(tǒng)設計；最后，計算出削峰電量和節(jié)能減排量，證明冰蓄冷空調技術是值得推廣的先進技術。本文可為冰蓄冷空調系統(tǒng)的選擇和設計提供參考。

關鍵詞：冰蓄冷空調系統(tǒng)；峰谷電價；運行工況；效益分析

中圖分類號：TU831文獻標識碼：A文章編號：2095-3178（2018）19-0316-04

1工程概況

清華藝術博物館位于北京市清華大學校內，地上23.95m，地下

9.00m，總建筑面積29858.8m2，其中地上建筑面積21218.0m2，地下建筑面積8640.8m2。地下一層為設備用房及展覽藏品庫房，地上一層至四層為博物館展廳，少量后勤辦公用房。

2冰蓄冷空調系統(tǒng)方案選擇

2.1夏季逐時冷負荷

清華藝術博物館夏季空調逐時冷負荷見圖1。從圖1可以看出

早7：00-晚19：00是用電高峰；19：00-次日早晨7：00是用電低谷。

圖1夏季空調逐時冷負荷

2.2北京市不同時段電價表

北京市現(xiàn)行電價見表1。從表1可以看出，一年的用電尖峰是夏季，一天的用電高峰是中午，一天的用電低峰是午夜。尖峰期電價最貴，低谷時電價便宜。

表1北京市現(xiàn)行電價政策表

2.3冰蓄冷空調系統(tǒng)優(yōu)點分析

冰蓄冷空調系統(tǒng)是指在夜間低谷電力時段開啟制冷主機，將建

筑物所需的空調冷量部分或全部制備好，并以冰的形式儲存于蓄冰裝置中，在電力高峰時段將冰融化提供空調用冷。由于充分利用了夜間低谷電力，不僅使空調運行費用大幅度降低，而且對電網(wǎng)具有卓越的移峰填谷功能，提高了電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性[1]。圖2是辦公樓空調采用冰蓄冷前后用電情況的比較，左圖為冰蓄冷前用電，空調占比很高，右圖為冰蓄冷后用電，已經(jīng)移峰填谷，削減負荷高峰20%-30%，是電力需求側管理的重要技術手段[2]。

圖2辦公樓空調采用冰蓄冷前后用電情況比較

冰蓄冷空調技術具有以下優(yōu)點：

（1）合理利用峰谷電價差價，顯著降低空調系統(tǒng)運行費用。（2）減少制冷主機容量，減少空調系統(tǒng)電力工程貼費及配電設

施費用。

（3）平衡電網(wǎng)晝夜峰谷電力負荷，減緩電廠建設，提高電廠發(fā)

電效率。

（4）蓄冰裝置的蓄冷量可作為應急冷源，在停電時只需開啟水

泵即可供冷，提高了空調系統(tǒng)的可靠性。

（5）空調系統(tǒng)使用更加靈活，節(jié)假日、休息日等小負荷狀態(tài)下，

可融冰供冷，無需開啟制冷主機，避免制冷主機低效運行，節(jié)能效果明顯。

（6）使空調冷水機組更平穩(wěn)運行，更多時間處于滿負荷工作狀態(tài)，提高冷水機組的利用率和使用壽命。

（7）供冷啟動時間短，只需15-20分鐘即可達到所需溫度。

3冰蓄冷空調系統(tǒng)設計

3.1運行參數(shù)

空調主機制冰運行工況時，供/回水溫度分別為-5.6℃/-2.8℃；空調運行工況時，供/回水溫度分別為5.6℃/10.2℃。乙二醇系統(tǒng)供回水溫度為3.3℃/10.5℃，空調冷凍水供回水溫度為7/12℃，冷卻塔冷卻水供水溫度32℃，回水溫度37℃。

3.2系統(tǒng)配置

本工程冷源采用部分負荷內融冰，冷機上游串聯(lián)冰蓄冷系統(tǒng)，

夏季提供7/12℃冷凍水。如圖3所示。

圖3冰蓄冷空調系統(tǒng)示意圖

冷源系統(tǒng)配置：（1）350RT電壓縮螺桿式水冷冷水機組1臺，

作為系統(tǒng)基載冷機，制冷量1187kW；（2）選用240RT螺桿式水冷冷水機組2臺，制冷量844/556.6kW，作為系統(tǒng)雙工況制冷機組；（3）整體鋼制蓄冰裝置2臺，蓄冰容量2892RTH；（4）冷卻水系統(tǒng)采用開式機械循環(huán)；（5）4臺方型玻璃鋼橫流冷卻塔置于南塔樓屋頂，冷卻塔并聯(lián)運行。其中雙工況冷機冷卻塔冬季運行，配備電加熱器；

（6）乙二醇泵，采用變頻技術；（7）其他配套設備。

熱源設備包括：學校鍋爐房提供一次熱水，經(jīng)板式換熱后提供

二次空調熱水。1T蒸汽鍋爐2臺，工作壓力0.4MPa，提供冬季加濕熱源，夏季再熱熱源。過度季為恒溫區(qū)提供熱源。

3.3蓄冰設備選擇

冰蓄冷空調系統(tǒng)最關鍵的設備就是蓄冰設備，其性能的優(yōu)劣直

接影響系統(tǒng)性能好壞?，F(xiàn)有的蛇形盤管主要有兩類材質：碳鋼和塑料管。經(jīng)過調研，我們把兩種盤管性能調研結果列于表2，以供選擇。

表2鋼制蓄冰盤管和塑料蓄冰盤管性能對比[3]～[4]

經(jīng)過性能對比，鋼制蓄冰盤管的性能優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）鋼制盤管導熱性能為塑料盤管的37倍，優(yōu)勢明顯，融冰率及供水溫度穩(wěn)定，保證系統(tǒng)供冷的穩(wěn)定性；

（2）鋼制盤管沒有過多殘冰，蓄冰融冰效率接近100%，比塑料盤管高15%，高效利用低谷電價和機房空間，經(jīng)濟性更高；

（3）鋼制盤管設計制造標準高，參照執(zhí)行美國機械工程師協(xié)會（ASME）標準，工藝先進，可靠性高；

（4）鋼制盤管應用歷史及業(yè)績遠高于塑料盤管，歷經(jīng)時間及大項目的檢驗；

（5）本項目空間緊張，盤管需要雙層擺放，采用塑料盤管空間無法滿足要求；

經(jīng)過上述蓄冰設備性能對比，并考慮到藝術博物館有珍藏品庫房，空調系統(tǒng)的安全穩(wěn)定為首要考慮的，因此選用鋼制蓄冰盤管。

3.4系統(tǒng)按需要自動運行多種工況

清華大學藝術博物館作為學校的展館，使用時間受到假期和展

覽周期的影響，沒有固定規(guī)律，影響空調系統(tǒng)的利用率。冰蓄冷空調系統(tǒng)提供了很好的適應性，通過融冰量調節(jié)參與供冷，避免冷機頻繁啟停，低效運行。

圖4是藝術博物館典型負荷段的負荷分配策略柱狀圖。從圖中可以看出除了冰蓄冷常用的幾種運行工況外，供冷周期內還有基載冷機參與，與雙工況冷機和冰槽形成三個供冷冷源，三種冷源的組合形成了項目供冷資源的分配。

設計日負荷分配圖b）75%負荷分配圖

c）50%負荷分配圖d）25%負荷分配圖

圖4藝術博物館典型負荷段的負荷分配策略柱狀圖

考慮本項目可能出現(xiàn)的情況，在原有冰蓄冷系統(tǒng)常用的四種運

行工況基礎上，結合建筑負荷特性，提出了下列十種運行工況。這些運行工況可以隨著時間及負荷情況的變化由優(yōu)化控制系統(tǒng)自動切換完成。

（1）雙工況冷機蓄冰

（2）雙工況冷機邊蓄冰邊供冷

（3）雙工況冷機+冰槽聯(lián)合供冷

（4）雙工況冷機供冷

（5）雙工況冷機+冰槽+基載同時供冷

（6）雙工況冷機+基載供冷

（7）雙工況冷機蓄冰+基載供冷撒

（8）冰槽單獨供冷

（9）冰槽+基載供冷

（10）基載供冷

（10）基載供冷

系統(tǒng)運行依賴于優(yōu)化控制管理系統(tǒng)，優(yōu)化運行準則是在保證供

冷的前提下，優(yōu)化控制管理系統(tǒng)自由組合以上運行工況，匹配項目電價和負荷特性，系統(tǒng)以最經(jīng)濟的方式運行。根據(jù)系統(tǒng)能源的組成、制冷能效及成本，通過控制實現(xiàn)高峰電時段盡量多融冰，然后按需開啟基載冷機，最后再開啟雙工況冷機；平電時段，基載冷機運行優(yōu)先，雙工況隨后，融冰補充；谷電時段，雙工況冷機全力投入制冰。

（1）雙工況冷機蓄冰

23：00～07：00運行此工況。乙二醇系統(tǒng)阻力發(fā)生變化，乙二醇

溶液泵運行時變頻器設定在某個固定頻率，確保乙二醇溶液泵工作點在蒸發(fā)器額定流量下運行。調試時確定好制冰工況下乙二醇溶液泵運行的頻率。這一頻率值為蓄冰工況時乙二醇水泵的固定運行頻率，將這一頻率值固化在系統(tǒng)控制程序內。

（2）雙工況冷機邊蓄冰邊供冷

一般在制冰時23：00～07：00有冷負荷需求，基載冷機低負荷率

低效運行，則運行此工況。如25%負荷分配策略，基載冷機若在低谷時段進行冷負荷供應，負載率只有20%，此時能效很低，并且機組運行不穩(wěn)定，會造成頻繁啟停機，對冷機的運行壽命和運行安全有很大影響。

（3）雙工況冷機+冰槽聯(lián)合供冷

根據(jù)控制策略的邏輯，這種情況很少發(fā)生，因為優(yōu)先運行基載

冷機和融冰，只有在在電價高峰或者是負荷高峰時段，基載機故障時，采用此運行工況。優(yōu)化控制系統(tǒng)調節(jié)閥門，控制供冷溫度穩(wěn)定，產(chǎn)生穩(wěn)定的7℃的冷凍水，滿足空調負荷的要求。

（4）雙工況冷機供冷

雙工況冷機單獨運行供冷很少發(fā)生，優(yōu)先基載冷機運行。若基

載故障，在平電時段適用，進入蓄冰裝置管路電動閥處于關閉狀態(tài)和旁通管路電動閥處于開啟狀態(tài)，乙二醇溶液經(jīng)雙工況主機冷卻后通過蓄冰裝置旁通管路直接進入板式換熱器和冷凍水進行熱交換。

（5）雙工況冷機+冰槽+基載同時供冷

此工況，是部分負荷冰蓄冷內融冰冷機上游串聯(lián)系統(tǒng)再系統(tǒng)搭

建時的計算依據(jù)。在負荷高峰時段采用此工況，可以使系統(tǒng)經(jīng)濟。

若電價高峰，設備投入的優(yōu)先次序為：優(yōu)先開啟冰槽，然后基載，最后雙工況冷機。結合控制系統(tǒng)的負荷預測軟件，合理調配三者的供冷比例，以盡可能降低運行費用為目標，實施節(jié)能化管理。

（6）雙工況冷機+基載供冷

此工況為冷機單供工況，主要用在平價電時段，優(yōu)先開啟基載，

不能滿足供冷再開雙工況冷機。

（7）雙工況冷機蓄冰+基載供冷

23：00～07：00運行此工況。此時段內，有較大的冷負荷需求，

雙工況冷機全力投入制冰，基載冷機負責空調系統(tǒng)的冷負荷。如100%、

75%、50%負荷段的負荷分配策略。雙工況冷機全力運行進行制冰，充分利用低谷電，盡可能多制冰，以降低平高峰電價時段冷機開啟時間，減少運行電費的支出。

（8）冰槽單獨供冷

在過度季節(jié)和高峰電價時段，大功率耗電冷機停機，僅靠融冰

供冷，通過優(yōu)化控制的調節(jié)管路電動閥，始終保證進入板換的乙二醇溶液的溫度為3.5℃（可調）。乙二醇溶液和冷凍水在板式換熱器進行熱交換時，根據(jù)板式換熱器冷凍水出口的溫度控制乙二醇溶液泵的頻率，以保證冷凍水的供水溫度穩(wěn)定在設計溫度7℃（可調）。

（9）冰槽+基載供冷

優(yōu)化控制系統(tǒng)給定的模式中，若雙工況冷機不參與供冷既能保

證冷負荷需求，則采用此模式。高尖峰時段，融冰優(yōu)先，基載補充；

平價電時段，基載冷機優(yōu)先，融冰補充。

（10）基載供冷

若平價電時段或冰量不足時，開啟基載對空調系統(tǒng)進行供冷。

以上十種運行工況不是獨立的，而是在優(yōu)化控制系統(tǒng)的管理下，

嚴謹、合理、科學的實現(xiàn)節(jié)能運行。

優(yōu)化控制管理系統(tǒng)負責系統(tǒng)的在線預測及負荷的優(yōu)化分配，把

所分析出的控制結果實時的送給前臺的控制程序，以決定運行模式的自動投入及開機的控制。優(yōu)化控制管理系統(tǒng)為了保證蓄冰系統(tǒng)有計劃可靠的進行，根據(jù)室外溫度、天氣變化趨勢及以前的歷史記錄數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化軟件計算出設計日逐時負荷，對冰蓄冷系統(tǒng)的供冷量進行調節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)分析推算出最優(yōu)化控制模式，自動選擇十種運行工況的組合，以最大限度的節(jié)約費用。

4效益分析

4.1削峰電量計算

蓄冰空調系統(tǒng)將白天需要的冷量，由冷機在夜間23：00～7：00電力低谷時段制冰并儲存在蓄冰設備中，在白天電力峰值時融冰供冷，對電網(wǎng)起到削峰填谷的作用，平衡電網(wǎng)峰谷差，保障電網(wǎng)安全運行，可以減少新建電廠投資，提高現(xiàn)有發(fā)電設備和輸變電設備的使用率，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

冰蓄冷空調系統(tǒng)節(jié)電的計算方法不同于其他節(jié)能系統(tǒng)，計算節(jié)

電應從轉移電網(wǎng)高負荷時的用電量計算。移峰量計算公式為：

ΔP=Q/cop（kW）

（1）式中，ΔP—移峰量，KWh；Q—白天電價高尖峰時段，融冰供冷量，kW；Q'—平均到每個小時的融冰供冷量，kW；cop—冷機白天直接供冷時的能效。

本項目電價高峰的高負荷時段，平均單位小時融冰供冷量為Q=Q/h=1478KW；移峰量：ΔP=Q/cop（kW）=1478/4.96=298KWh。年轉移電量q計算方法如下：

設供冷季白天融冰供冷量QZ，冷機白天直接供冷時的能效比為cop（本項目根據(jù)基載機參數(shù)得cop=4.96），得出q=QZ/cop=279713KWh。

4.2節(jié)能與減排量計算

本項目冰蓄冷空調系統(tǒng)節(jié)省的煤、水，減排的二氧化碳、二氧

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