張政煜

冰蓄冷系統(tǒng)在某項目中的設計應用

張政煜

（上海經(jīng)緯建筑規(guī)劃設計研究院股份有限公司，上海200090）

通過實際工程的設計，對冰蓄冷流程，制冷機容量、乙二醇循環(huán)泵、蓄冰裝置、冷卻塔、系統(tǒng)運行策略進行選擇分析。

冰蓄冷；乙二醇泵；冰槽；冷卻塔

0 引言

蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，是在夜間用電低谷期，采用電制冷將冷量以冰的形式貯存起來，在白天用電高峰期，把貯存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調(diào)負荷的需求。同時，在空調(diào)用量較小的春秋季，減少電制冷機的開啟，盡量融冰釋冷，滿足空調(diào)負荷。由此可見，蓄冰空調(diào)系統(tǒng)是“轉移用電負荷”或“平衡用電負荷”的有效方法。

下面詳細介紹下冰蓄冷在某工程實際設計中的應用。

1 工程概況

某工程由兩個地塊組成。兩個地塊內(nèi)共設置了2個地下車庫、10棟高層辦公，2層裙房商業(yè)、長度在60-100m的連廊以及屋頂?shù)恼麄€頂蓋將10棟辦公連接在一起。總建筑面積為43萬m2，其中地上部分建筑面積為33萬m2，地下部分建筑面積為10萬m2。主樓高度均為79m。項目逐時最大負荷為39601.7kW,最大日總冷負荷為411655.7kW，蓄冰時間為8h。

2 冰蓄冷流程選擇[4]

冰蓄冷流程較多，一般來說，大溫差低溫送水項目適宜采用外融冰系統(tǒng)，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)則采用內(nèi)融冰系統(tǒng)。

根據(jù)該項目的地塊功能，末端供回水溫度為5-13℃[2]，故采用冷水機組上游串聯(lián)式的內(nèi)融冰蓄冷系統(tǒng)即可滿足要求，最為成熟、可靠，通過25%的乙二醇溶液為載冷劑進行蓄冰和融冰。內(nèi)融冰的方式傳熱效率高，蓄冰速率穩(wěn)定，閉式流程帶來系統(tǒng)的防腐與承壓處理簡便、經(jīng)濟。間經(jīng)濟性較好，同時參考目前國家的綠建評級蓄冰量[3]的要求（不得小于設計日總負荷的30%），故蓄冰量選定123081kW h左右。由于該項目的蓄冰時間為8h，故平均每個小時蓄冰量是15385.1kW，于是選用制冰工況的能力為3867.6kW的雙工況主機4臺，其空調(diào)工況制冷能力約為6328.8kW?？紤]到該項目總負荷較大，采用4大2小的冷凍機組合比較合理，2臺小主機為基載主機，空調(diào)工況下工況，大小主機盡量以2：1的制冷能力來配置，最終選擇了2臺2812.8kW的基載主機。

圖1 主機上游內(nèi)融冰流程

主機總制冷能力為30940.8kW（高于主機容量最小值計算，滿足要求），相比尖峰負荷減少了近25%的裝機容量，同時這個配置需要再通過100%設計日負荷工況下24h的校核，通過模擬最大負荷日24h的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)上述的主機配置是比較合理的。

3 主要設備設計選型

3.1 制冷機容量選擇

由于該項目同時含大面積的辦公以及商業(yè)，空調(diào)逐時負荷峰谷差懸殊，具有顯著的不均衡性，有條件利用閑置設備蓄冷，且空調(diào)負荷高峰段與電網(wǎng)負荷高峰段相重合，故經(jīng)經(jīng)濟性比較后決定采用部分負荷冰蓄冷的制冷方式。

根據(jù)設計日的逐時負荷，按主機優(yōu)先模式，主機最小容量按下面公式計算：

式中CP—主機容量，kW；

TH—冰蓄冷系統(tǒng)所需要提供的設計負荷，kW h；

CCR—制冰容量變化率；

OH—機組直接供冷時間，h；

IH—機組蓄冰時間，h。

以上公式可大致算得系統(tǒng)主機的最小容量，但最終參數(shù)確定要根據(jù)設計日負荷平衡表分配后進行選擇，同時參考目前國家的綠建評級最小蓄冰量要求進行主機的選擇。

蓄冰量取值可以參考圖2。

根據(jù)圖2的曲線可以看出，蓄冰量在15%-55%之

圖2 冰蓄冷投資及運行費用曲線

3.2 乙二醇循環(huán)泵

冰蓄冷運行控制邏輯有4種：制冰、雙工況主機供冷、單融冰供冷以及冰槽與主機聯(lián)合供冷，乙二醇泵需滿足以上4種工況的運行需求。

由于乙二醇泵P-1的工作環(huán)境是乙二醇溶液，所以在計算流量中它的比熱和常規(guī)的H2O是不同的。

（1）當循環(huán)泵的輸送液體為25%-30%（質(zhì)量比）的乙二醇水溶液時：

（2）當循環(huán)泵的輸送液體為常規(guī)空調(diào)冷凍水時：

式中L—循環(huán)泵的計算流量，m3/h；

Q0—循環(huán)泵輸出的最大負荷，kW；

Δt—溶液供、回液溫度差，℃。

P-1乙二醇泵的運行需滿足四種工況：制冰、雙工況主機制冷、單融冰制冷和冰槽及主機聯(lián)合供冷，詳述如下：

（1）冰槽&主機聯(lián)合供冷：在此工況下，冰蓄冷供冷板換一次側的進出水溫為3.5-11.5℃，其中主機完成6.5-11.5℃的5℃溫差，然后通過冰槽進行3℃的二次降溫，所以乙二醇泵的流量由冰蓄冷最大負荷（主機制冷+融冰量）與8℃的溫差進行計算。

（2）雙工況主機制冷：負荷可以按雙工況主機的白天普通工況最大制冷能力6328.8kW，溫差按常規(guī)5℃溫差來選取。

（3）制冰：制冰工況下，其流量按主機制冰容量3867.6kW與制冰進出水溫差3℃（約-2.6℃供/-5.6℃回）計算配置。

（4）單融冰供冷：流量根據(jù)最大融冰量（總蓄冰量的15%）的與8℃溫差（3.5-11.5℃）計算。如果小時融冰量超過最大融冰量，會導致由于冰槽放冷量增加，融冰速度過快，冰槽的出水溫度發(fā)生漂移、升高，從而無法滿足設計要求。

水泵的額定流量應該為以上四種方法取大值。揚程則根據(jù)最不利工況—聯(lián)合供冷工況選取，需克服板換壓降、主機蒸發(fā)器壓降、蓄冰盤管壓降以及循環(huán)管路系統(tǒng)壓降。

冰蓄冷系統(tǒng)由于其系統(tǒng)特殊性，乙二醇溶液粘度較大，所以建議系統(tǒng)中水泵的參數(shù)在計算值的基礎上適當多放些余量。同時應采用變頻手段來滿足節(jié)能及工況切換要求。

3.3 蓄冰裝置

選用總蓄冰量為123060kW h的蓄冰裝置一套。蓄冰裝置由蓄冰盤管與槽體組成。其中蓄冰盤管選用不完全凍結式盤管，在制冰時，低溫乙二醇溶液在盤管內(nèi)循環(huán)，將盤管外表面的水逐漸凍結成一定厚度的冰層，冰層之間留有空隙，槽內(nèi)仍有液態(tài)水存在；融冰時，隨著融冰比例的增加，冰層與盤管之間形成水環(huán)，冰層受到外界水的浮力作用從而上浮，始終與盤管之間保持良好接觸。融冰后期，冰層破裂均勻散落在水中，冰槽內(nèi)始終維持冰水混合物的狀態(tài)。因此，可保證換熱均勻，乙二醇出口溫度恒定，并可控制取冷過程，取冰率可達100%。

蓄冰裝置槽體目前常規(guī)的有兩種做法：鋼制槽體和混凝土槽體。蓄冰盤管一般工作溫度長期在零度，而混凝土則不能長期浸泡在冰水中，并且經(jīng)常性熱脹冷縮對混凝土不利，容易導致混凝土開裂，所以混凝土的槽體一般采用內(nèi)保溫+內(nèi)防水工藝，其成本較高，并且施工復雜，處理不好容易滲漏。

鋼制槽體則采用鋼板焊接拼裝+外保溫工藝，工藝簡單，不存在泄漏隱患。一般在槽體的外壁采用100m m厚聚氨酯發(fā)泡保溫就行，簡單可靠。鋼制槽體示意圖如圖3所示。

圖3 鋼制蓄冰槽示意圖

該項目最終選擇鋼制蓄冰槽，主要考慮了以下幾點：

（1）蓄冰盤管就位施工

1）混凝土槽體由于采用了內(nèi)保溫防水，而蓄冰盤管在吊裝及設備就位、管道焊接時，難免會磕碰到防水層及保溫層，導致保溫層的失效，失效后基本上無法修補，因此對安裝就位施工要求高，蓄冰槽的整體可靠性低。

2）鋼制槽體采用外保溫，設備就位時不存在破壞保溫層的情況，對施工要求不會太苛刻。萬一有漏點，鋼制槽體也容易修補。

（2）設備維修便利

1）采用混凝土槽體的蓄冰裝置，一旦蓄冰盤管出現(xiàn)問題，要將盤管吊裝出來時，只能從頂部吊出來，而不能在側壁開口，這就必須槽體頂部有足夠的吊裝空間，因此混凝土槽占用的空間一般比較大。

2）如采用鋼制蓄冰槽，設備出問題，可以將側壁的鋼板割開后將設備運出，檢修完畢后再焊接上去，可以節(jié)省冰槽的占用空間。

（3）造價分析

兩者的綜合造價總體來說差別不大?；炷了郾旧黼m然比鋼槽造價略低，但內(nèi)保溫防水工藝要求高，造價不菲，以該項目蓄冰量為123081kW h的冰槽，混凝土冰槽的總體造價大約只比鋼槽少約1%。

（4）考慮到如果采用混凝土槽，將需要在冰槽頂部即地下室頂板（室外地坪處）開設3個較大的檢修孔，現(xiàn)場不具備此條件，故采用了鋼槽的方式。

3.4 冷卻塔

對于冰蓄冷系統(tǒng)來說，冷卻塔的選擇非常重要，因為它區(qū)別于常規(guī)系統(tǒng)，它多了夜間工況。該項目常規(guī)基載機2臺，單臺冷卻水流量133L/s,冷卻水溫度32-37℃；雙工況機組4臺，空調(diào)工況的冷卻水流量為304.5L/s,制冰工況冷卻水流量為363.4L/s。由于這個大型項目均選擇離心機作為冰蓄冷主機，因此運行安全性就顯得格外重要，為了防止喘振情況的發(fā)生，必須特別注意冷卻水進出水的溫度。一般夜間制冰工況下當冷凝器進水溫度在30℃以下時，基本都能保證設備不喘振；但是當水溫提高到31℃甚至更高時，由于蒸發(fā)器的出水溫度是-5.6℃左右，主機的壓縮比太大，設備的安全穩(wěn)定性就馬上下降，容易發(fā)生喘振。故夜間冷凝器進水溫度定不得高于30℃。由于冷卻水泵為定頻泵，主機在夜間制冰時排熱量降低，冷凝器進出水溫差縮小到3.5℃左右，另外主機冷卻水出水溫度超過34℃，主機很有喘振的可能，安全性嚴重下降，所以建議冷凝器出水溫度還是選擇33.5℃比較保險。

圖4 基載主機冷卻塔夜間處理水量

圖5 基載主機冷卻塔白天處理水量

圖6 雙工況主機冷卻塔的夜間工況選型

圖7雙工況主機冷卻塔的白天工況選型

圖4 為常規(guī)機組的冷卻塔夜間處理量：

這臺塔放到白天工況運行，其冷卻塔的處理能力如圖5所示。

可見同一臺塔，夜間的處理水量相比白天反而小，所以機組的冷卻塔需要按夜間工況選，才可同時滿足白天和夜間二個工況參數(shù)要求。

另外需要特別說明的是，常規(guī)機夜間冷卻水工況為30-35℃，蓄冰機組冷卻水工況30-33.5℃，二種不同溫度的冷卻水共用同一冷卻水管，導致混合后冷卻水溫度升高了，混到近34℃。這樣冷卻塔的容量被進一步放大。以某項目為例，放大的結果如圖6所示。

數(shù)據(jù)說明：

雙工況主機白天的冷卻水流量為304.5L/S,制冰工況冷卻水流量為363.4L/s，假定需要2臺冷卻塔，則選取夜間工況冷卻水量為187.13L/s的冷卻塔，而這臺冷卻塔白天處理能力為214×2=428L/s，比需要的能力要大出30%-40%。

表1 100%負荷設計日運行策略表

4 系統(tǒng)運行策略

設計日采用主機優(yōu)先運行方式，結合系統(tǒng)負荷及當?shù)仉妰r時段，靈活控制白天主機投入的數(shù)量，達到移峰填谷、節(jié)省運行費用的目的。通過表1中的運行策略可知，系統(tǒng)設計配置完全滿足設計日供冷需求，同時留有一定的安全余量。

5 結語

冰蓄冷是一個較為復雜的系統(tǒng)工程，其設計有別于常規(guī)系統(tǒng)，對于冷卻塔，冰槽，主機和水泵的要求比較高，各大主機、蓄冰裝置廠家的設備也差別很大，所以設計冰蓄冷系統(tǒng)的時候必須嚴格按照各設備廠家的選型參數(shù)進行匹配、校核，結合專業(yè)的知識，全面的做出分析和判斷，這樣才能做出成功的冰蓄冷系統(tǒng)。

[1]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]GB50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[S].

[3]GB50189-2015，公共建筑節(jié)能設計標準[S].

[4]范存養(yǎng)，楊國榮，葉大法.高層建筑空調(diào)設計及工程實錄[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

Design of Ice Thermal Storage System in Certain Project

ZHANG Zheng-yu
（Shanghai Longilat Architectrual Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200090，China）

A ccording to practicalengineering,thisarticle givesthe analysis on selection ofice therm alflow,chiller's cooling capacity,EG pum p,ice therm alstorage tank,cooling towerand system operation strategy.

ice therm al storage；EG pum p；ice storage tank；cooling tower

TU 831

B

2095-3429（2017）01-0090-05

2016-09-27

修回日期：2017-02-27

張政煜（1982-），男，浙江人，本科，工程師，主要從事暖通設計工作。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.022