部分水蓄冷解决空调非常负荷的节能分析

林金典（厦门市建设工程造价管理站，福建360012）

部分水蓄冷解决空调非常负荷的节能分析

林金典
（厦门市建设工程造价管理站，福建360012）

大型空调应用中，经常出现小负荷或者极小负荷。本文提出利用消防水池蓄冷。在制冷机组停止运行时，为非常冷负荷提供冷量，并给出了运行流程图。通过实例计算分析表明，利用消防水池蓄冷，可以满足小负荷供冷，并且具有造价低、运行费用低等优点。

水蓄冷；非常负荷；节能

0　引言

在许多公共建筑的大型空调应用中，经常出现小负荷或者极小负荷情况。例如办公大楼，夜间或者节假日期间制冷系统停止运行，但此时尚有部份员工加班需供冷。如果制冷系统启用则运行十分不经济，并且当负荷过低时系统亦无法正常运行。本文提出采用部分水蓄冷措施，解决该矛盾。

非常冷负荷只是泛称，本文给予的定义是指当制冷系统停止运行后某些尚需供冷对象所需的冷负荷。制冷系统停止运行需供冷的上述房间亦称为非常冷负荷房间。

1　水蓄冷系统的特点及选择分析

1.1水蓄冷系统的特点和构成

水蓄冷空调的优点是:可使用常规的制冷机组、系统投资低、运行控制管理简单、易于常规供冷系统的扩容和改造、可以利用消防水池作为蓄冷设施。缺点是水蓄冷属温差蓄冷，蓄冷密度小，即蓄冷设施所占体积较大。

水蓄冷的水池可采用单建独立水池，也可由消防水池改造而成。通常若采用单建水池，将占用较大的建筑面积以及增加较多的工程造价，故水蓄冷空调较少为大型空调系统所采用。

1.2消防水池作为蓄冷水池的利弊分析

一般高层民用建筑消防水池有效容积在500～600m3。某些高层建筑设有雨淋、水幕等系统，则要求的消防水池更大，容量一般大于600m3。用其兼作空调系统的蓄冷水池，可以明显节约空调工程投资。

消防水池作为蓄冷水池，其不足是蓄冷容量较小。由于水蓄冷的蓄冷密度小，同时消防水池容积通常不大，故总蓄冷容量较小。与此同时，非常冷负荷一般也较小，两者结合既可以优势互补，又可以避免消防水池蓄冷容量较小的不足。

1.3消防水池蓄冷形式和可靠性问题

消防水池作为蓄冷水池蓄冷时，池内水的流动方式不同决定着蓄冷效率高低。一般可利用分层原理，减少冷热水的掺混提高蓄冷效率。

作为消防水池，其存蓄的水量不得因为它用而容量下降，以及为避免水系统变为开式系统，故存取冷量时必须采用板式换热器来实现。板式换热器换热时存在换热温差。当制冷系统供回水温度采用常规进出水温度7℃/12℃时，蓄冷水池最低也只能降至8℃。若欲使蓄冷水温度更低，制冷系统冷水机组出水温度必须下调。这将导致制冷系统运行效率下降，应尽量避免。

2　适用消防水池蓄冷的空调负荷分析

2.1非常冷负荷占总冷负荷的比例

非常冷负荷占系统总冷负荷的比例将直接影响蓄冷系统的设计构成。当比例较大时，可以启动制冷系统，按照低负荷模式运行供冷。当非常冷负荷占总冷负荷的比例较低时，制冷系统处于尴尬状态。此时若启动制冷系统，“大马拉小车”现象严重。虽然冷水机组具有自动卸载能力，但低负荷时机组能效比差。并且，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机往往难以调节到低负荷运行等情况，将导致单位冷量能耗急剧上升。因此，上述比例越低，单位冷量能耗越高。上述比例低至一定程度，制冷系统将无法正常运行。

非常冷负荷占总冷负荷比例过低，导致能耗过高现象在工程实际中经常出现。曾有位经营40间餐厅的业者向笔者抱怨:经常有某些包间顾客滞留时间较长，即餐厅只剩小量包间尚在营业。此时制冷系统还必须开启，这几间包间餐厅的营业收入还抵不上所耗电费。为此，最终为每间包间餐厅另行装上独立分体空调，以备非常冷负荷之用。

2.2非常冷负荷工作时间

在大型民用建筑空调中，需要非常冷负荷的情况经常出现。尤其办公大楼下班时间或者夜间，或者节假日期间，有部份员工加班需供冷。一般而言，非常冷负荷房间的工作时间都处于电网非高峰时段。因此，采用蓄冷方式对其供冷十分合适。

3　消防水池蓄冷的流程

3.1蓄冷的流程

利用消防水池蓄冷，运行包括蓄冷和供冷（放出冷量），图1为利用消防水池蓄冷和供冷的流程图。

图1　消防水池蓄冷和供冷的流程图

图1中板换1为板式换热器，泵1为夜间冷冻水泵，泵2为池水循环泵。

当制冷系统运行时，池水属于蓄冷阶段。此时启动池水循环泵运行，开启阀1、阀2、阀3、阀4，关闭阀5、阀6，直至消防池水的水温降低至8℃。

3.2供冷的流程

当制冷系统停止运行，需要对非常冷负荷供冷时，其流程可见图1。启动非常负荷冷冻水泵和池水循环泵，关闭阀1、阀2、阀3、阀4，开启阀5、阀6，向非常冷负荷房间供冷。供冷过程中，池水温度上升，一般当池水的温度升至11℃仍可使用。但此时空调末端设备出力将下降，相应地除湿能力亦下降。

3.3蓄冷量计算

根据文献［1］，消防水池蓄存的可用冷量可以用式（1）计算:

式中:

QX—水池的蓄冷量，kW·h；

V—水池蓄冷水的体积，m3；

ρ—蓄冷水的密度，一般取1 000 kg/m3

CP—冷水的比热容，取4.19 kJ/kg·K；

△t—放冷回水温度与蓄冷水温度的温差，℃

4　消防水池蓄冷的空调工程实例分析

4.1工程实例的空调系统配置

某高层办公大楼，建筑面积50000m2，制冷系统设置制冷量为2440kW离心式冷水机组2台，调负荷用制冷量为1220kW螺杆式冷水机组一台。调负荷用机组配套冷冻水泵30kW一台，冷却水泵30kW一台，冷却塔15kW一台。

该建筑配置了600m3消防水池。按照本文提出的水蓄冷方案，利用该建筑的600m3消防水池蓄冷，蓄存冷量供非常冷负荷使用。设置池水循环泵5kW一台，非常冷负荷冷冻水泵10kW一台，板式换热器一台。本文分析中，放冷回水温度与蓄冷水温度的温差取3℃。根据公式（1）计算，此消防水池总蓄冷量为2095kW·h。

假定节假日员工加班有50个房间需供冷，每个房间耗冷量为4kW/h，总冷负荷为200kW/h。工作时间6小时，则非常负荷需要的总蓄冷量为1200kW·h。

4.2调负荷机组运行和部分水蓄冷运行能耗比较

当非常冷负荷出现时，上述办公大楼如果采用1220kW螺杆式调负荷机组供冷，机组需调至最低负荷率约15%工况运行。查机组性能表，15%工况运行时功率约为60kW，则该运行方案消耗的最低功率如表1。

表1　采用调负荷机组供冷和部分水蓄冷供冷的功率比较

当出现非常冷负荷时，如果启用水蓄冷系统运行，同样为50个夜间冷负荷房间，每个房间耗冷量为4kW/h且工作时间6小时。此时调用蓄冷水池中蓄存冷量1200kW·h，共耗去制备该冷量时，螺杆式冷水机组功率220kW/h、冷冻水泵30kW/ h、冷却水泵30kW/h、冷却塔15kW/h、池水循环泵5kW/h、总功率为300kW，折合每小时功率50kW。水蓄冷运行的功率合计60 kW，如表1所示。

由表1可见，当出现非常冷负荷时，采用水蓄冷系统运行，本例功率仅为常规调负荷用机组运行的44%。节能效果明显。

4.3常规运行和部分水蓄冷新技术效益分析

由上可见，当出现非常冷负荷时，采用水蓄冷系统运行，节能效果明显。但对于现有系统节能改造，需要增加投资。按照本例估算，增加了消防水池池壁保温，以及增加1台板式换热器、2台池水循环泵（其中1台备用）、2台夜间负荷冷冻水泵（其中1台备用）以及若干管路，造价约需人民币10万元左右。

如果在空调系统的设计阶段，采用利用消防水池的部分水蓄冷方案，则可以考虑减少甚至取消调负荷用机组。此时增加的投资可以明显减少甚至不必增加。

以上分析中非常冷负荷还比较大，有可能采用常规调负荷用机组运行。在实际空调用户中，有许多情况非常冷负荷很小，甚至非常小。在这些情况中，由于负荷过分小导致调负荷用机组无法运行。此时，利用消防水池的部分水蓄冷措施/方案就发挥了不可替代的效果。

另一方面，目前全国各地都采用的峰谷电价，鼓励利用低谷电蓄冷。通常，低谷电价仅为高峰电价的1/3，有些省份甚至为1/5。因此，如果利用低谷电价时段来运行蓄冷，则蓄冷的效益更加明显。

实际用户情况千差万别，各地气候条件不同，各地峰谷电价政策不同，非常冷负荷的大小、用冷时间规律等可能也千差万别。因此，采用消防水池的部分水蓄冷方案来解决非常冷负荷，节能效果/效益大小也各不相同。但是，利用消防水池的部分水蓄冷方案，无疑是解决空调非常冷负荷的一种有效措施。文献［2］的测试表明，采用水蓄冷方式可以减少制冷机组频繁启停，改善空调效果。同理，利用消防水池的部分水蓄冷方案，无疑也具有同样效果。

5　结论

根据以上分析，消防水池改造为蓄冷水池，对解决大型空调系统的非常冷负荷是一种有效措施。该措施投资少，节能效益好，并且可以解决极小负荷时大型机组无法运行问题。该措施的效益根据用户情况有变化，如果在设计阶段考虑，效益将更加显著。

［1］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008

［2］郑文国.酒店建筑中采用水蓄冷空调系统的节能性研究［J］.建筑节能，2009，37（10）:35-37

Energy-Saving Analysis of Partial Chilled Water Storage for Unusual Small Load in Air Conditioning

LIN Jindian
（Xiamen construction engineering costmanagement station，Xiamen 36012）

Small/tiny load often arises in large air conditioning systems.Fire pool is used to storage cold energy in this paper.The cold energy can provide for unusual small load when refrigerating unit is turn off.The operation flow chart is designed.It is indicated based on a case study that chilled water storage with fire pool can solve unusual small load.Moreover，the low investment and operation fee can also be obtained by thismethod.

Chilled water storage；Unusual load；Energy saving

TK02；TU831 文献标示码:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.012

ISSN1005-9180（2016）02-062-04

2016-2-23

林金典（1965-），男，高级工程师，从事暖通空调系统设计方面的研究。Email:2585342584@qq.com