浅谈上海地区某项目冰蓄冷系统设计

2016-01-20戴银宝

制冷 2015年4期

关键词：自动控制

戴银宝

( 华东建筑设计研究院有限公司,上海 200070 )

浅谈上海地区某项目冰蓄冷系统设计

戴银宝

( 华东建筑设计研究院有限公司,上海 200070 )

[摘要]结合该项目冰蓄冷系统设计，根据冰蓄冷系统蓄冷和释冷的特点，分析在计算空调负荷时需要关注的关键问题以及确定设备容量的主要计算方法。为保证冰蓄冷系统的合理运行，分析了系统在不同空调负荷率下的逐时运行策略，并由此确定系统的自动控制模式。

[关键词]冰蓄冷；空调负荷；自动控制

收稿日期：2015-6-30 2015-9-4

作者简介：戴银宝(1987-)，男，助理工程师，主要从事暖通设计。Email：1064409928@qq.com

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-077-05

中图分类号：TU831文献标示码：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.014

Abstract：Based on the ice storage system design of the building,according to the characteristics of the ice storage and discharge,discusses some key issues for calculating the cooling load and calculation methods to determine the main device capacity.In order to insure the normal operation of the ice storage system,analyses the hourly operational strategy under the different cooling load ratio and then determines the automatic control mode.

Introduction to the Design of Ice Storage

System of a Project in Shanghai

DAI Yinbao

( East China Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd.，Shanghai 200070 )

Key words:Ice storage;Air conditioning load;Automatic control

空调蓄冷技术的产生已经有八十余年的历史，而冰蓄冷技术又在20世纪80年代以来得到了长足的发展。当前，空调蓄冷技术的应用已成为电力负荷调峰的重要手段。

1工程概况

本工程位于上海市，总建筑面积约75968m2，建筑高度约80米。其中地下室建筑面积约25555m2，地上建筑面积约50413m2。地下室共2层，为车库、设备及辅助用房；地上建筑由三栋楼组成， 1号楼17层，其中1～3层为办公门厅及商业，4层以上为办公用房；2号楼10层，其中1～3层为公寓式酒店门厅及商业，4层以上为公寓式酒店；3号楼为商业裙房，局部4层，配有餐饮等商业用房。其中1号楼、3号商业裙房采用冰蓄冷系统，制冷机房位于地下一层，冰蓄冷机房位于地下二层。

在工程设计之初进行了方案的可行性论证，上海地区执行峰谷电价且差价较大，符合蓄能空调设计的基本条件，经测算本工程冷负荷高峰与电网高峰时段重合，电网低谷时段空调负荷较小，如果按照最大负荷选择制冷机，会导致装机容量过大且经常处于部分负荷运行的状态，既不经济，也不节能；另外考虑到建筑的层高等技术要求，也为了满足今后降低运行费用，提高空调舒适度，大楼的冷源最终确定采用冰蓄冷系统。

本文主要介绍本工程冰蓄冷系统冷源侧的设计，关注设计的全过程以及重要的设计思路和方法。

2冰蓄冷系统设计

2.1室内主要设计参数(见表2.1)

表2.1室内主要涉及参数

房间名称室内参数最小人员密度噪声夏季冬季新风量m2/pdB(A)T℃%T℃%m3/h·p商业26≤6018≥40203≤50餐饮25≤6020≥40302.5≤50大堂26≤6020≥402010≤45银行26≤6020≥40194≤45公寓式酒店25≤6020≥405010≤45办公24≤6020(外区)22(内区)≥40358.5≤45

2.2冰蓄冷系统配置

该项目空调运行时段为8∶00至22∶00共14小时，1号楼、3号商业裙房夏季空调最大冷负荷在16∶00,为5793kW(1647RT)，夏季空调冷源采用冰蓄冷系统，主机采用2台标准工况制冷量为2110kW(制冰工况制冷量为1407kW)的双工况离心式电制冷冷水机组，并设置17台容量为1337kWh的整体式蓄冰槽。蓄冷装置提供的蓄冷量为22729kWh，设计日的冷量为66297kWh；蓄冷装置提供的蓄冷量占设计日的冷量比例为34%，大于30%。

集中冷源中的冰蓄冷系统，由双工况制冷机组、蓄冰装置、板式换热器、载冷剂溶液泵、空调冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵、膨胀定压装置等设备和载冷剂闭式循环的管路系统、控制系统等组成。其中双工况制冷机组采用离心型、冷媒为R123(R134a)；蓄冰装置采用蛇形盘管的冰槽，容量为部分负荷蓄冰，载冷剂采用26%乙烯乙二醇溶液，并采用双工况制冷机组在上游、冰槽在下游的串联系统和蓄冰优先的运行策略。冰蓄冷系统可完成蓄冰贮冷、制冷机和冰槽串联融冰供冷、冰槽单独融冰供冷、双工况制冷机单独空调供冷等多种运行模式；载冷剂溶液泵采用变频调速装置，以满足不同运行模式时不同的流量和压降的需要。系统制冰蓄冷时，供回液温度为-6.0℃/-3.0℃；系统空调供冷时，供回液温度为10.9℃/4℃，板式换热器初级端与乙二醇溶液管路连接，次级端与空调水系统管路连接，空调供、回水的温度为6℃/12℃。

2.3系统原理(见图1)

运行模式主要设备和控制阀门的启、停见表2.3。

1)载冷剂循环泵为变频泵，该泵在各种模式运行中流量不变，扬程应满足串联融冰供冷模式时最大的系统压降。在其它模式运行时，当系统压降减小，变频泵调速运行，以满足系统的压降要求。

2)根据T4的温度变化启停V3以及反向比例互调调节V3和V4的流量，以控制融冰速率和供液温度和载冷剂循环泵的运行台数。

3)根据T3的温度调节V6的流量，并通过V7保持整个蓄冰系统的流量平衡。

4)根据T1、T2、F1的空调负荷量和T1的温度变化值确定系统的运行模式和各类设备的台数控制。控制设备启动的优先程度:首选为模式3，次为模式2，最后为模式4，关停的程序与上述相反。

图1　系统流程原理简图

表2.3运行模式主要设备和控制阀门的启、停表

系统运行模式载冷剂循环泵双工况制冷机组蓄冰槽板式换热器冷冻水泵V1V2V3V4V5V6V7备注1蓄冰启启启停停开关关关开关关2串联融冰供冷启启启启启开关调节调节关调节调节3融冰供冷启停启启启关开调节调节关调节调节4双工况主机供冷启启停启启开关开关关调节调节1)2、3两种模式中V3和V4为反相比例互调。2)V6根据空调冷冻水的供水温度调节3)V7为差压旁通阀

5)在模式2中，根据T1、T2、F1的空调负荷量和温度变化控制双工况机组的启、停台数。

6)T5控制单台双工况机组的增载和卸载。

2.4系统运行分析

通过分析末端负荷侧的需求和变化，可以进行运行策略和工况的调整，但控制策略的不同意味着计算方法的不同。常用的运行策略包括制冷机组优先控制策略和蓄冰装置优先控制策略，本工程由于建筑空间条件的限制，采用蓄冰优先的控制策略，由蓄冰装置的进、出水流量，使其满负荷运行或限定释冷量运行。当空调系统的负荷超出释冷量时，按设定的出口温度开启并运行制冷机组，以实现供水温度的恒定。该方式能最大限度地利用蓄冰装置，可从电力低谷的电量中获得最大的节约。通过图1中冰蓄冷系统各工况阀门转换，可以清楚地看到系统可以实现蓄冰工况、制冷机供冷工况、冰槽供冷工况以及制冷机和融冰联合供冷工况几种运行模式。

运行时首先设定制冷机的供冷温度，用该温度控制制冷机的出水温度，传统的制冷机的供回水温度为7℃/12℃，控制方法是利用7℃的出水温度控制压缩机的运转，也就是反馈控制，本工程冰蓄冷系统按照相同的原理，由冷源侧出水温度控制制冷机压缩机的运转。本工程冰蓄冷系统采用闭式系统，载冷剂采用26%的乙烯乙二醇溶液，蓄冰工况时，制冷机为蓄冰装置提供-6～-3℃低温载冷剂；系统空调供冷时，供回液温度为10.9℃/4℃，经板式换热器，为末端空调提供6～12℃的冷水。

3主要设计计算

3.1空调负荷特点及计算结果

常规空调负荷计算是计算设计日空调逐时的冷负荷，并按最大值选取制冷机和空调末端。对于冰蓄冷系统而言，由于系统中增加了蓄冷装置，因此，负荷计算与常规空调系统的区别是引入了时间累计的概念，这就要求不但要计算建筑物设计日的逐时负荷，还要计算设计日逐时累计总负荷，要跳出单个空调负荷区，将建筑变成一个整体的计算模型来考虑。

表3.1设计日逐时负荷分配表

空调负荷双工况主机冰优先制冰WRTRTRTRT0:007831:007832:007833:007834:007835:007836:007:008:00394189111216744479:004915681139895144710:0053915841533108644711:0054784171558111144712:0053845511531108444713:0054396591547110044714:0056990061620117344715:0057598621638119144716:0057926231647120044717:0057925271647120044718:00336683095751044719:00317298190245544720:00349171499354644721:00266935275931244722:0078323:00783

在计算过程中，要关注两个细节，首先是大楼的日运行时间表和设备、人员的同时使用系数，因为建筑物内的人员、灯光、设备等内扰时间不同，意味着负荷的转移率不同，负荷峰值的时刻不同，对分析设计负荷的峰值和电力峰值之间的关系很重要；另外要注意的是附加负荷的计算，即水泵的发热量以及蓄冰槽和冷水管路的得热量，水泵机械传动过程中摩擦生热，会造成水泵后的液体温度升高，另外冷水管路和蓄冰槽与环境之间的温差也会产生冷水的温升，对于常规系统不考虑附加温升是因为附加负荷占总负荷的比例很小，而且设备是按逐时最大负荷确定的，完全能满足整个建筑的负荷需求，而对于蓄能空调，有时间累计的要求，如果空调系统一天运行8～10h，根据经验，附加负荷约占建筑负荷的3%～5%，这部分的附加负荷较大，不应该忽略。

3.2制冷设备、蓄冷设备容量计算

本工程为工作时段空调连续运行的商业建筑，宜采用部分负荷蓄冰的空调方式，根据文献[1]附录J的规定，通过前面的负荷计算，可计算出蓄冰装置有效容量和制冷机标定制冷量。

Qs=ni·cf·qc

(3.2-1)

(3.2-2)

式中：

Qs—蓄冰装置有效容量，kWh；

qc—制冷机的标定制冷量(空调工况)，kW；

qi—建筑物逐时冷负荷，kW；

ni—夜间制冷机在制冰工况下运行小时数，h；

n2—白天制冷机在空调工况下运行小时数，h；

cf—制冷机制冰时制冷能力的变化率，即实际制冷量与标定制冷量的比值。

经计算，本项目蓄冰装置的有效容量为22729 kWh，设计日的冷量为66297kWh；蓄冷装置提供的蓄冷量占设计日的冷量比例为34%，大于30%，具有较好的经济性；单台制冷机的标定制冷量计算值为2110kW(制冰工况制冷量为1407kW)。

4冰蓄冷系统特点和主要设备容量

4.1冰蓄冷系统特点

本工程采用蛇形盘管的冰槽，钢制盘管式。由浸没在充满水的蓄冰槽内的金属盘管作为蓄冷介质与载冷剂的换热面，通过载冷剂在盘管内的流动使盘管外表面结冰，以蓄存冷量的蓄冷系统。设计时应对各蓄冷单元的冰层厚度或蓄冰量进行监控。当设置空气泵时，应设置除油过滤器，以避免压缩空气中的油液进入冰槽；空气泵的发热量应计入蓄冰槽的冷量损失；并应对钢制蓄冰槽和钢制盘管采取必要的防腐保护措施。

4.2主要设备容量

经过系统形式的确定和相应的设计计算，确定主要设备和辅助设备的容量，见表4.2。

表4.2主要设备配置

设备数量基本参数乙二醇冷水泵3台流量436m3/h扬程35m一次冷水泵3台流量415m3/h扬程11m二次冷水泵2台流量374m3/h扬程23m2台流量207m3/h扬程18m主供冷换热器2台换热量3200kW,一次侧4℃/10.9℃ 二次侧6℃/12℃冷却水塔2台流量400m3/h32℃/37℃冷却水泵3台流量435m3/h扬程30m

5蓄冰系统自动控制

(1)自控系统必须满足集中冷源几种不同的空调供冷模式的自动切换和相关设备、阀门的启停、开关等控制；在保证空调品质的同时，自动选择最节能的模式运行。

(2)根据空调负荷的变化和节能的原则，完成蓄冰装置、双工况主机间的供冷负荷分配。

(3)根据负荷需求，调节和控制蓄冰槽的融冰速度。在保证稳定的融冰速度的同时，还应尽量保持供液温度的恒定。

(4)根据负荷需求和节能原则，分别对双工况主机、板式换热器及相关辅助设备作台数控制和能量调节。

(5)载冷剂循环泵采用变频装置，以满足不同运行模式时流量和压降的变化。但在每一种运行模式中，循环泵应是定流量工作的。

(6)在双工况制冷机、蓄冰装置串联供冷和蓄冰装置单独融冰供冷的运行模式中，随着空调负荷的变化，装置在板式换热器载冷剂回液管上的电动二通调节阀调节载冷剂流量，以适应负荷的变化，同时通过压差旁通阀平衡系统流量，使载冷剂循环泵能在定流量的状态下平稳运行。

6结语

采用冰蓄冷系统可以有效地做到合理用电，缓解电力负荷的峰谷差现象。冰蓄冷系统设计不仅应关注电力峰谷时段与空调运行时段的相互关系，还应根据建筑的具体类型，通过计算和优化，合理确定系统运行模式；不但要关注整个系统流程的设计，更应该重视系统在部分负荷时的运行工况和运行模式分析。通过对各种运行模式的分析计算，可将整个冰蓄冷系统的运行策略和控制逻辑提供给自控专业，使自控专业能够充分明了空调设计的意图，这样才能更好地指导运行，达到节能的效果。

参考文献7

[1] 中国建筑科学研究院.GB50736-2012 民用建筑供暖通风和空气调节设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012

[2] 全国勘察设计注册工程师公用设备专业管理委员会秘书处.全国勘察设计注册公用设备工程师暖通空调专业考试复习教材[M].第三版.北京：中国建筑工业出版社，2013

[3] 中国建筑科学研究院.JGJ 158-2008蓄冷空调工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2008