蓄冷空调在大型公共建筑中的应用分析

2012-09-13赖文彬

制冷 2012年2期

赖文彬

(广东省建筑设计研究院,广州510010)

在欧美、日本等发达国家对节能和能源的有效利用都十分重视,蓄冷技术在这些国家已经比较成熟,有很大部分的建筑物都在使用蓄冷技术。在我国,国家电网与南方电网近年来也相继召开多次有关蓄冷空调的技术交流会,指出继续大力推广蓄冷空调技术、充分运用价格杠杆以鼓励用户采用蓄冷空调的必要性。

根据有关部门的分析认为,2012年我国用电仍然紧张,峰谷差仍然较大。据统计,夏季城市空调的用电负荷已占到城市高峰电力总负荷的40%以上,而在夜间,绝大多数中央空调停止运行,造成电力系统发送电不均衡,夜间电力系统设备闲置,使用率低,国内电力能源使用处于严重的失衡状态。这是造成电网峰谷荷差逐步加大的最主要诱因。所以,越来越多的地区相应实施峰谷电价,采取一些诸如政策性补贴的措施鼓励蓄能空调的使用和推广。在广州地区,工业领域已经实施峰谷电价,民用领域也开始出现峰谷电价的意向。根据广东省物价局 “粤价函【2009】516号文答复意见:“选择广州作为蓄冷电价政策试点地区,抽取9个现行或潜在的蓄冷空调项目……”。这就为广州地区民用建筑设蓄冷空调提供了可能性。

1 蓄冷空调形式及特性

蓄冷空调简单来说,就是在用电低谷时段采用电制冷,把冷量以冷冻水、冰或共晶盐的形式储存起来,在用电高峰的时候把冷量释放出来使用,减少在用电高峰时主机的开启时间,从而对电网起到削峰填谷的作用,对使用者也起到减少运行费用的目的。在民用建筑中常见的蓄冷可以归结为水蓄冷和冰蓄冷两大类。

水蓄冷,就是以水作为蓄能介质的蓄冷系统。利用水的潜热进行能量的储存和释放。水在蓄冷和放冷的过程中只发生温度的变化并不发生相变,所以制冷机组的出水温度较高,制冷效率高,与常规的空调系统较为接近,控制也较为简单。

水蓄冷的形式一般有3种:1)自然分层式。利用水在4℃以上时随着水温的升高,其密度在不断减小,如果不受到外力扰动,容易形成冷水在下,热水在上的自然分层状态。此形式在国内的新建机场中用得较多。2)迷宫式。采用隔板把水槽分成很多个单元格,水流按照设计的路线依次流过每个单元格,能较好地防止冷热水混合。3)隔板式。在蓄水罐内部水平布置一个活动的柔性膈膜或一个可移动的刚性隔板,来实现冷热水的分离。

冰蓄冷,利用水的的显热和相变能来蓄能。水在蓄冷和放冷时均发生相变,蓄冰时双工况制冷机组的制冷效率有所下降,蓄冷量受到一定的限制,控制较复杂。

目前国内出现的冰蓄冷形式主要有:

1)冰盘管。就是把盘管浸泡在冰槽中,通过盘管实现冷热交换,将槽内的水部分冻结成冰储存冷量或将冰融化释放冷量。其放热形式的不同,又分为外融冰和内融冰两种。

2)冰球。也叫封装式蓄冰装置,将蓄冷的介质用球体封装起来,冰球内的相变物质液冻结或融化来进行蓄冷或放冷。

3)动态制冰 (冰浆式和冰片滑落式)。冰浆式就是通过制冷机组把水过冷至-2℃左右,再让过冷水凝结成细小的冰浆,与水形成浆状冰水混合物储存在槽内。此系统制冰速度快、融冰效率较高,供冷温度低,可达1℃,但对控制的要求较高,同时,由于利用水的过冷度,所以对水质的要求较高。冰片滑落式,采用制冷剂直接蒸发制冰,在蒸发板上形成片状冰,通过热气脱冰的方法,片状冰破裂成碎片冰保存在蓄冰槽中,融冰速率较高。

现我们以广州白云国际机场2号航站楼为例来分析各种蓄冷空调的特性。

2 项目概况

广州白云国际机场2号航站楼位于广州市白云区,是我国主要航空枢纽之一。至今已建有航站楼49万平方米并投入使用,其中1号航站楼面积为35万平方米。即将建的T2航站楼总建筑面积约63万平方米。已建的1号航站楼在2004年8月投入使用,根据空调系统运行耗电量统计显示,按完整的年份统计,自2005年以来,每年主机房的耗电量均在 3.2亿kWh以上,占整个航站楼用电量的30%～40%。所以设计一个节能、省钱的空调系统有非常大的必要性。

白云机场是是广东省抽取的9个可能实施分时电价的试点项目之一。经机场业主与发改委多次协商,初步确定白云机场的电价分两个时段:0∶00～8∶00为用电低谷时段,电价为0.3元/kWh;其余时间用电为0.8404元/kWh。分时电价为设蓄冷空调提供了可行性。

3 建筑负荷及系统选择分析

3.1 负荷分析

航站楼与其他的建筑相比,其在使用上有特殊性:旅客在室内呆的时间相对较短,且人员数相对稳定,外维护结构大部分是玻璃幕墙。经计算分析可知,室内人员、新风负荷约占17%,维护结构负荷约占38%,照明约占20%,室内设备散热约占25%。同时,根据1号楼实际运行记录可知:基本上是每天5∶30开机,23∶50停机,有航班延误的时候会推迟停机,每年约有1个月的时间完全关闭主机不需制冷。每天上午开机后随人员的增加负荷迅速增大,之后随室外温度的升高而增大。每天的负荷高峰出现在13∶00～16∶00点之间。根据实地调查,白云机场一期从2004年运行以来,在最高负荷时均全部开启制冷主机,没有余量。2号航站楼的各功能分布面积比例与一期几乎一致,由于建筑方案还在调整之中,所以空调负荷暂时按一期的单位面积负荷指标来进行估算,待建筑方案确定后再进行详细的负荷计算:一期建筑面积负荷指标:160 W/m2T2航站楼负荷:

建筑面积:63万m2,

冷负荷:

计算取值:Qz=28000RT=98473.5 kW

由白云机场一期一年的运行记录统计数据可知,一年满负荷运行的天数约为 60天,75%和50%负荷运行的天数约为120天,25%负荷运行的天数约为30天。一天最高负荷出现在8月,取其最热几天平均值得出最高负荷日的逐时冷负荷 (见图1)。

图1 最高负荷日的冷负荷曲线

3.2 系统选择及参数分析

按此冷负荷曲线,2号航站楼一天的最大需冷量为1 592 916kWh。根据各种蓄冷系统的工作原理,我们知道,系统的蓄冷量越大,系统节省的费用将越多,为了让各系统的方案更具有可比性,笔者决定制冷机组按满负荷配置:系统配置14台703.4kW(2000RT)的冷水机组。此机组在-6℃出水时产冷量为5099.65kW(1450RT)。由此可计算出各系统的最大蓄冷率:水蓄冷为40%,静态冰蓄冷为26.9%,动态蓄冰的蓄冷量为介于两者之间。为了更充分的显示各系统的经济性,我们选择冰蓄冷均按25%的蓄冷率,水蓄冷按 25%和40%的蓄冷率来计算分析。

从对机场负荷的分布比列可知,显热负荷大,热湿比大,从i-d图分析和末端设备的换热计算可知,适当提高系统的供水温度和供回水温差是可以满足末端的处理要求的。由于制冷主机冷冻水出水温度每降1℃效率下降3%～5%,而且机场用地相对充裕,为了减少系统的输送能耗,冷冻水采用6℃/16℃的供回水温差。水蓄冷形式方面采用自然分层式,同时分析地上和地下两种形式。冰蓄冷分析静态和动态两种形式。同时将分析结果与常规系统做比较。