楊麗萍

（廣東遠順建筑設計有限公司，廣東 惠州516003）

1 工程概況

某商業(yè)建筑工程總建設面積為3.3×105m2，主要包括裙房、地下室和2棟塔樓，地下1層～裙房7層主要為電影院、超市、餐飲等，地下2層～地下5層為設備用房和車庫。其中，電影院、超市2個業(yè)態(tài)使用冰蓄冷空調系統(tǒng)進行制冷。本文以此工程為例，對商業(yè)建筑冰蓄冷空調系統(tǒng)的設計進行分析和探討。

2 冰蓄冷空調的介紹

冰蓄冷空調系統(tǒng)主要是利用蓄能技術移峰填谷，并維持電網(wǎng)峰谷的負荷平衡，提升電力設備的發(fā)電效率，進而達到降低費用、節(jié)省運營成本的目的。因為電力價格在用電高峰期時會升高，通過利用峰谷期之間的差價，可以降低空調系統(tǒng)的運行費用【1】。而且冰蓄冷空調系統(tǒng)中冷水機組容量相對來說會減小，主機設備的一次性投資會有所降低，配電容量和配電設施費用也會降低，可以顯著降低空調系統(tǒng)電力增容費。此外，冰蓄冷空調系統(tǒng)還安裝有應急冷源，可以顯著提升空調系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是對于一些因線路老化經常停電的區(qū)域具有非常顯著的應用優(yōu)勢。

3 商業(yè)建筑冰蓄冷空調系統(tǒng)的設計研究

一般情況下，冰蓄冷系統(tǒng)方案主要包括部分蓄冷和全量蓄冷2種。部分蓄冷指的是在夜間低谷電期運行制冷主機進行制冰蓄冷，然后在白天由融冰裝置和制冷主機聯(lián)合向空調供給負荷，該方案的制冷效率比較高，冰的儲蓄量較少，初期投資低，但后期的運行費用要高于全量蓄冷方案【2】。全量蓄冷方案指的是由蓄冰裝置融冰供給日間空調需要的全部負荷，這種方案可以將移峰填谷的作用充分發(fā)揮出來，運營費用相對來說也比較低，但對蓄冰裝置和制冷機械的裝機容量要求比較高，初期投資大。所以，在進行冰蓄空調系統(tǒng)設計時，如何根據(jù)項目的實際情況設計出最優(yōu)的蓄冰方案是設計工作的重點。

3.1 冰蓄冷空調系統(tǒng)配置

本工程選用內容式冰盤管，并串聯(lián)主機上游，冷水系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)使用間接連接的方式進行連接。制冷主機為雙工況螺桿式制冷機，一共有3臺。蓄冰工況時每一臺的制冷量可以達到1 200kW，空調工況時每一臺的制冷量可以達到1 600kW。在基載負荷下總冷量較小或者夜間供冷負荷不大時，如果單獨布置基載機會使系統(tǒng)的負荷增大，并增大投資，因此不需要布置基載機。為了達到夜間基載負荷要求，主機制冰工況下旁設一分支系統(tǒng)。經過計算后發(fā)現(xiàn)，本工程基載冷負荷＞350kW，因此，使用一臺離心式制冷機作為基載機，該設備制冷量可以達到2 000kW，使用18組冰盤管作為蓄冰裝置，蓄冰總量為26 068kW·h。

3.2 系統(tǒng)運行分析

在系統(tǒng)運行過程中，通過分析末端荷載側的需求和變化情況，可以調整工況和運行策略。本工程受空間因素的影響，使用優(yōu)先控制的策略對制冷機進行控制，即當空調負荷超過制冷機組的容量時，對制冷機進行優(yōu)化運行；不足的部分利用蓄冰裝置補充，進而使蓄冰裝置的容積得以減少。通過轉換工況閥門，系統(tǒng)可以實現(xiàn)制冷機供冷工況、蓄冰工況、制冷機和融冰聯(lián)合工況、冰槽供冷工況4種運行模式。

在運行過程中，首先將制冷劑供冷溫度確定好，然后利用此溫度對制冷機出水溫度進行控制。常規(guī)的制冷劑供水溫度控制在7～12℃，壓縮機的運轉主要是利用7℃的出水溫度進行控制。該冰蓄冷空調系統(tǒng)的原理也基本一致，利用冷源側的出水溫度控制冷機壓縮機的運轉情況。本工程冰蓄冷系統(tǒng)使用閉式系統(tǒng)，使用質量分數(shù)為25%的乙二醇水溶液作為載冷劑。在空調工況下，載冷劑進口和出口的溫度保持在3.3～10.5℃，以達到融冰的目的。在蓄冰工況下，制冷機為蓄冷裝置提供-5.5～-2.5℃的低溫載冷劑。蓄冰裝置在制冷機出水溫度為3.3℃，且負荷較小時會終止運行。制冷機負荷保持滿荷運行依然無法滿足設計要求時，再次使蓄冰設備投入運行，確保冷源側出水溫度持續(xù)保持在3.3℃。商業(yè)樓晚上則使用基載機進行供冷。一般情況下，基載機是在系統(tǒng)中并聯(lián)的，和換熱器供水溫度都保持在4.5～11.5℃。在系統(tǒng)中增設V6和V5調節(jié)閥，利用調節(jié)閥既可以使基載機在6.5～11.5℃的溫度下運行，又可以提高換熱器進口和出口位置的水溫差，并且基載機蒸發(fā)溫度也會有所提升，所以，設置基載機有助于降低輸送能耗，提升基載機的運行效率。

4 設計計算分析

4.1 空載負荷的特點和計算結果

由于冰蓄冷空調系統(tǒng)中加裝了蓄冷裝置，在對負荷進行計算時，需要引入時間累計的概念，不僅要將建筑物設計日的逐時負荷計算出來，還需要將設計日逐時的累計總負荷計算出來，從整體的角度進行分析【3】。

在進行計算時，要考慮2個細節(jié)：（1）要考慮大樓的運行設備和運行時間、人員的使用系數(shù)等。由于建筑物中的燈光、人員、設備等時間不同，負荷峰值時刻不同，負荷的轉移率也有所不同，分析電力峰值和設計負荷峰值之間的關系非常重要。（2）要計算冷水管路熱量、水泵發(fā)熱量、水泵機械傳動時產生的摩擦熱量等附加熱量。此外，蓄冷槽、外冷水管路和環(huán)境之間的溫差也會導致冷水溫度升高。根據(jù)經驗，附加負荷占到了建筑負荷的3%～5%，需要將其考慮進來。經過計算，本工程夏季冷負荷的最大值為8 159kW，冷負荷指標為83W/m2。

4.2 計算蓄冷設備和制冷設備的容量

本商業(yè)建筑的空調系統(tǒng)在工作時段保持連續(xù)運行，因此適合使用部分負荷蓄冰的方式進行運行。一般可以使用式（1）、式（2）計算制冷機標定制冷量和蓄冰裝置有效容量：

式中，Qs為蓄冰裝置有效容量，kW·h；n1為制冷機晚上制冰工況下的運行時間，h；ci為制冰過程中制冷機制冷能力的變化率；qc為標定的制冷機制冷量，kW；n2為制冷機白天空調的運，行時間為商業(yè)建筑累計冷負荷。

經過計算，蓄冰裝置有效容量值為26 068kW·h，融冰供冷容量占到了設計負荷量的25.5%，經濟性高。制冷機單臺的制冷量值為1 583kW。

4.3 計算全年負荷

商業(yè)建筑冰蓄冷空調設計除了要達到設計符合要求，還要達到全年運行要求。所以，計算負荷時要進一步分析全年負荷。在進行分析時，使用DeST軟件進行計算。經過分析發(fā)現(xiàn)，總供冷天數(shù)中，負荷率在20%～80%的天數(shù)占70%。

5 自動控制冷源逐時運行圖和蓄冰系統(tǒng)

5.1 冷源系統(tǒng)逐時運行情況分析

按照設計的冷負荷平衡情況和冰蓄冷系統(tǒng)的具體情況，在運行過程中，高峰冷時段負荷率會達到100%，制冷機和融冰共同進行供冷時，設計采用制冷劑優(yōu)先的原則進行控制，但在實際運行中，需要在電價高峰期盡量減少制冷機的運行，并更多地融冰。其次，在部分負荷時，盡量在高峰電價時段完全融冰，并可以使用制冷機徹底關閉。經過分析證明，40%以下的負荷率已經完全可以達到融冰的運行模式，有效降低了運行成本。

5.2 自動控制冰蓄冷系統(tǒng)

本工程系統(tǒng)初期采用自定義的模式運行，預測出空調逐時負荷，并將其作為系統(tǒng)運行過程中的參考參數(shù)，根據(jù)相關參數(shù)設定系統(tǒng)運行參數(shù)。在運行數(shù)據(jù)不斷增多的同時，對預測數(shù)據(jù)進行修正，提高預測數(shù)據(jù)的準確性。運行數(shù)據(jù)積累到一定的程度后，系統(tǒng)會逐步進入自動控制狀態(tài)下，然后通過負荷軟件根據(jù)當?shù)氐碾妰r政策、負荷預測情況來分配融冰負荷和制冷負荷，從而使運行策略達到最優(yōu)。此外，要通過對已有數(shù)據(jù)進行不斷總結和統(tǒng)計后制定具體的控制策略，以進一步簡化控制邏輯，提高操作的便利性。

6 經濟性分析和節(jié)能評價

實踐證明，本商業(yè)建筑工程采用的冰蓄冷空調系統(tǒng)為設計空調日累計運行負荷的25.4%，達到了規(guī)定要求。通過在用電低谷期運行蓄能空調系統(tǒng)，蓄能設備裝機容量為設計總采暖能量的20%，達到了設計要求。方案確定后，對比分析了常規(guī)制冷系統(tǒng)和冰蓄冷空調系統(tǒng)的投資情況。冰蓄冷系統(tǒng)初期投資比常規(guī)制冷系統(tǒng)多200萬元左右，按照供冷季節(jié)每年節(jié)省58萬元的電費計算，需要3a左右才能收回多出的成本。通過調研分析，當追加投資回收期超過5a，那么不建議使用冰蓄冷系統(tǒng)。因此，本商業(yè)建筑使用冰蓄冷空調系統(tǒng)可以取得良好的經濟效益。

7 結語

在商業(yè)建筑中使用冰蓄冷空調系統(tǒng)，不僅可以降低成本，而且可以緩解電能的供需矛盾。在進行設計時，除了要考慮空調運行時段和電力峰谷時段之間的關系，還需結合建筑的類型進行優(yōu)化和計算，并確定出最佳的運行模式。本文以實際工程為例，對商業(yè)建筑冰蓄冷空調系統(tǒng)的設計進行了分析，所得結果值得類似工程借鑒和參考。