水蓄冷在中小型建筑中的应用

2012-09-18赖文彬

制冷 2012年1期

赖文彬

（广东省建筑设计研究院，广州 510010）

0 前言

在暖通设计和管理中，当楼宇极低负荷时如何开启运行空调系统，是个令人头疼的问题。由于负荷低，强行开启制冷系统会带来系统运行费用高、制冷主机停启频繁等问题。为了解决这些问题，通常会采取附加一台小容量机组或采用多联机等办法，但附加一台小容量机组并不能彻底解决，而且同时会使系统运行更复杂，多联机是一个较好的解决办法，但往往受限于建筑形式，无法摆放室外机。为此，本人在广州的某超高层建筑的设计中引入水蓄冷的概念，较好的解决了这些问题。

1 工程概况及系统选择分析

该建筑总面积约5.6万m2，其中空调面积2.5万m2。地下室五层，地上三十二层，总建筑高度154m。避难层设于5层（21.5m标高）和 18层（80.0m标高）。裙房4层，以大堂、会议、羽毛球馆为主要功能；5层以上为塔楼，以办公、会议为主。根据业主提出：由于经常需要加班，且无规律可循，要求必须做到哪怕一间房间加班，空调系统也能开启。塔楼每层建筑面积仅1000m2，没有露台，坡屋顶，裙房屋面仅有不到600m2。

同时由于办公面积紧张，建筑专业无法另外安排出空间来摆放室外机，从而没有设多联机的可能性。

基于建筑的特性，只能设集中式空调系统，由于建筑属于超高层，如果设一个系统势必系统压力过高，设备无法承受。要解决安全性的问题，有三个方案可考虑：（1）分设高区和低区两套独立的空调系统，高区制冷主机设于塔楼上，低区设于地下室；（2）设一套系统，制冷主机设于地下室，在18层避难层设板式换热器转换；（3）仍分设高区和低区两套独立的空调系统，高区和低区制冷主机均设于地下室。

分析这三个方案：

方案1：主机直接供冷，系统效率高，但屋顶没有放冷却塔或风冷机的空间，没有实施的可能性。

方案2：18层以上有约1.1万m2的空调面积，占整个建筑空调面积的44%。经过板换转换后，整个大楼能耗增加超过6%，经济性差，不节能。

方案3：建筑需要设空调的区域实际高度约135m，制冷机房需设于地下二层（-9.4m），空调系统工作压力为1.85MPa。这对于制冷主机和水泵及其连接设备来说完全可以承受，但根据经验，末端设备及配件的工作压力控制在1.6 MPa以下才是较安全的。同时，高低区均由主机直接供冷，系统效率高。这样只要控制好系统末端的静压，本方案有可行性，同时也最合理。

再来分析建筑的布局及冷量分配：一至五层，羽毛球馆设在二层，且大部分开启时间在下班后，冷量为126.6kW（36RT）。5层为避难层。5层以上是办公，使用时间相对一致。

5层以下总冷量为844kW（240RT），选用2台422kW（120RT）的螺杆机组，5层以上冷量为3025.5kW（860RT）。如果用120RT的机组供羽毛球馆，则势必造成机组不断的启停。

据了解，一般螺杆式冷水机组在停机后，至少需20分钟才能够安全的再次启动。同时系统小，管路里面的水容量小，机组停机后没有充足的回油时间即需要再次启动，势必造成机组的损坏几率加大。且机组在低负荷的工况下运行，效率低。为了解决以上问题，笔者在设计时引入水蓄冷。

2 水蓄冷在低负荷时的作用

图1 制冷机组效率曲线

蓄冷，在大部分设计师的眼中均认为只有存在电价差时才有使用的价值。其实不然。下面分析某厂家的实际选型效率曲线，见图1（冷却水进水恒定在32℃）。

机组在负荷由100%降到20%时机组的效率从5.67下降到4.47，下降了21%，加上水泵的功率，综合效率下降了约30%。这是一个很大的损失。如果我们能用一个蓄冷池把冷量蓄起来，让主机保持在100%负荷（或最高效时的负荷率）运行，其余时间由蓄冷池提供冷量，同时蓄冷池供冷时水泵采用变频运行。这样系统的效率将大为提高。当然，如果采用一级泵变频的技术，在系统低负荷时综合效率会有所提高，但实际上，水泵的变频量是有限制的，为简化系统分析，一级泵采用定频控制。且当系统负荷小于单机最小负荷（冷却水温在32℃时最小负荷约为25%）时机组将会自动的停机，通常机组要完全安全的再次启动需要至少约20分钟的时间，这时系统需要蓄有足够的冷量供用冷点使用。

我们以低区系统为例做计算：

在仅开启羽毛球馆时系统可用的水体量：系统干管、制冷机房水管、3层支管共约4.5m3

水体蓄冷量：

羽毛球馆需要冷量：

管网蓄存冷量能维持时间：

显然机组停机后并没有得到相应的调整时间就必须重新启动，且机组开启后按25%负荷率运行不到15分钟就会被要求停机，显然对机组是非常不利的。笔者在系统中设一个150m3的蓄冷水池，水池蓄冷量为：

式中：

Cp—冷水的比热容，取4.187kJ/kg℃；

FOM——蓄冷水槽的完善度；

αv—蓄冷水槽的体积利用率

水池蓄冷量能维持时间：

加上管网的蓄冷量，系统机组停机后可运行约5.76小时，保证羽毛球馆的用冷，且放冷冷冻水泵采用变频运行，轴功率远小于循环泵。按此原理，系统中每一间房均可单独的开启。

我们再来分析主机的效率曲线：单机负荷在253.2kW（60%）时，主机的效率从5.67下降到5.34，下降了 5.8%，如果系统负荷维持在253.2kW，采用水池供冷，可维持的时间为2.78小时，这段时间内如果直接由主机连续供冷，主机和水泵的总耗电量为160.3kW.h。而改由水池供冷，主机和水泵的总耗电量为：

主机100%运行时功率：P=74.4 kW

主机满负荷运行蓄冷时间：

主机用电量：Wl=P◦Tj=124.2 kWh

循环水泵轴功率：Pb=10.25 kW

循环水泵耗电量：

放冷泵轴功率：Pf=4.2 kW

放冷泵耗电量：

总耗电量：

节省电量：W=160.3-146=14.3 kWh

耗电量减少了14.3 kWh，即节能了约9%。证明在系统低负荷及机组效率低时采用水池供冷取得良好的节能效果。

系统的高区受到条件的限制不能相应的设蓄冷水箱，为了系统同样能够得以运行，笔者在地下室设置板式换热器将高区和低区系统并联，即可做到两个系统互为备用，解决了高区低负荷时无法运行的问题。当然这时系统的节能效果将受到影响，同时高区的末端放冷量也略有影响，但基本能满足使用要求。

3 水蓄冷的设置和运行控制

从以上计算可知，如果系统引入水蓄冷，系统在低负荷时的运行将变得简单安全且系统更加的节能。但如果系统完全的按常规水蓄冷的做法来设计，系统将变得较为繁琐，占用的空间大，中小型建筑的地下室往往较小而没有相应的空间，而且在没有电价差的建筑内也没有必要完全的按常规水蓄冷的做法来设计。本建筑，一层地下室仅4000 m2，除掉其它设备房、核心筒及车库等，将没有更充裕空间做水蓄冷池。为了解决这个问题，笔者结合建筑实际情况将系统做了调整，如图2。

图2 制冷系统示意图

系统没有像常规的水蓄冷那样设置专门的蓄冷水泵和高大的蓄冷罐（或板式换热器），将蓄冷水箱设在系统的最高点（5层），同时也起到膨胀水箱的作用。由于没有电价差，也无需专门安排时间来做蓄冷运行，系统只要在正常开启时主机保持满负荷（或最高效时的负荷率）运行，当末端冷量需求小于1台机组的容量，则如前面所说的将多余的冷量将通过压差电动阀进入蓄冷水箱，至水箱冷量蓄满。在低负荷时只需将主机和相应的冷冻水泵关闭，开启放冷水泵即可。这样在正常供冷时完全可以让系统保持在高效点的工况来运行。

当末端冷量需求大于1台、小于2台机组的容量，且同时开启2台机组总体效率低时，则开启1台主机制冷，同时开启放冷水泵，抽取水箱内的水实行联合供冷，这样可以保证主机永远在高效的区间内运行。当然要做到这点前提条件是系统设有自控系统，调节放冷泵的频率使之与系统本身的循环泵在系统主供水管上提供的压力达到一致。这样在任何时候系统都可以让主机和水泵保持在高效的工况点运行，从而提高系统的运行效率。至于系统直接供冷和水池供冷的转换点的确定及蓄冷水池的大小要决定于主机的效率曲线及容量，确保系统综合高效运行。