冰蓄冷系统在某项目中的设计应用

张政煜

冰蓄冷系统在某项目中的设计应用

张政煜

（上海经纬建筑规划设计研究院股份有限公司，上海200090）

通过实际工程的设计，对冰蓄冷流程，制冷机容量、乙二醇循环泵、蓄冰装置、冷却塔、系统运行策略进行选择分析。

冰蓄冷；乙二醇泵；冰槽；冷却塔

0 引言

蓄冰空调系统，是在夜间用电低谷期，采用电制冷将冷量以冰的形式贮存起来，在白天用电高峰期，把贮存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷的需求。同时，在空调用量较小的春秋季，减少电制冷机的开启，尽量融冰释冷，满足空调负荷。由此可见，蓄冰空调系统是“转移用电负荷”或“平衡用电负荷”的有效方法。

下面详细介绍下冰蓄冷在某工程实际设计中的应用。

1 工程概况

某工程由两个地块组成。两个地块内共设置了2个地下车库、10栋高层办公，2层裙房商业、长度在60-100m的连廊以及屋顶的整个顶盖将10栋办公连接在一起。总建筑面积为43万m2，其中地上部分建筑面积为33万m2，地下部分建筑面积为10万m2。主楼高度均为79m。项目逐时最大负荷为39601.7kW,最大日总冷负荷为411655.7kW，蓄冰时间为8h。

2 冰蓄冷流程选择[4]

冰蓄冷流程较多，一般来说，大温差低温送水项目适宜采用外融冰系统，常规空调系统则采用内融冰系统。

根据该项目的地块功能，末端供回水温度为5-13℃[2]，故采用冷水机组上游串联式的内融冰蓄冷系统即可满足要求，最为成熟、可靠，通过25%的乙二醇溶液为载冷剂进行蓄冰和融冰。内融冰的方式传热效率高，蓄冰速率稳定，闭式流程带来系统的防腐与承压处理简便、经济。间经济性较好，同时参考目前国家的绿建评级蓄冰量[3]的要求（不得小于设计日总负荷的30%），故蓄冰量选定123081kW h左右。由于该项目的蓄冰时间为8h，故平均每个小时蓄冰量是15385.1kW，于是选用制冰工况的能力为3867.6kW的双工况主机4台，其空调工况制冷能力约为6328.8kW。考虑到该项目总负荷较大，采用4大2小的冷冻机组合比较合理，2台小主机为基载主机，空调工况下工况，大小主机尽量以2：1的制冷能力来配置，最终选择了2台2812.8kW的基载主机。

图1 主机上游内融冰流程

主机总制冷能力为30940.8kW（高于主机容量最小值计算，满足要求），相比尖峰负荷减少了近25%的装机容量，同时这个配置需要再通过100%设计日负荷工况下24h的校核，通过模拟最大负荷日24h的运行状态，发现上述的主机配置是比较合理的。

3 主要设备设计选型

3.1 制冷机容量选择

由于该项目同时含大面积的办公以及商业，空调逐时负荷峰谷差悬殊，具有显著的不均衡性，有条件利用闲置设备蓄冷，且空调负荷高峰段与电网负荷高峰段相重合，故经经济性比较后决定采用部分负荷冰蓄冷的制冷方式。

根据设计日的逐时负荷，按主机优先模式，主机最小容量按下面公式计算：

式中CP—主机容量，kW；

TH—冰蓄冷系统所需要提供的设计负荷，kW h；

CCR—制冰容量变化率；

OH—机组直接供冷时间，h；

IH—机组蓄冰时间，h。

以上公式可大致算得系统主机的最小容量，但最终参数确定要根据设计日负荷平衡表分配后进行选择，同时参考目前国家的绿建评级最小蓄冰量要求进行主机的选择。

蓄冰量取值可以参考图2。

根据图2的曲线可以看出，蓄冰量在15%-55%之

图2 冰蓄冷投资及运行费用曲线

3.2 乙二醇循环泵

冰蓄冷运行控制逻辑有4种：制冰、双工况主机供冷、单融冰供冷以及冰槽与主机联合供冷，乙二醇泵需满足以上4种工况的运行需求。

由于乙二醇泵P-1的工作环境是乙二醇溶液，所以在计算流量中它的比热和常规的H2O是不同的。

（1）当循环泵的输送液体为25%-30%（质量比）的乙二醇水溶液时：

（2）当循环泵的输送液体为常规空调冷冻水时：

式中L—循环泵的计算流量，m3/h；

Q0—循环泵输出的最大负荷，kW；

Δt—溶液供、回液温度差，℃。

P-1乙二醇泵的运行需满足四种工况：制冰、双工况主机制冷、单融冰制冷和冰槽及主机联合供冷，详述如下：

（1）冰槽&主机联合供冷：在此工况下，冰蓄冷供冷板换一次侧的进出水温为3.5-11.5℃，其中主机完成6.5-11.5℃的5℃温差，然后通过冰槽进行3℃的二次降温，所以乙二醇泵的流量由冰蓄冷最大负荷（主机制冷+融冰量）与8℃的温差进行计算。

（2）双工况主机制冷：负荷可以按双工况主机的白天普通工况最大制冷能力6328.8kW，温差按常规5℃温差来选取。

（3）制冰：制冰工况下，其流量按主机制冰容量3867.6kW与制冰进出水温差3℃（约-2.6℃供/-5.6℃回）计算配置。

（4）单融冰供冷：流量根据最大融冰量（总蓄冰量的15%）的与8℃温差（3.5-11.5℃）计算。如果小时融冰量超过最大融冰量，会导致由于冰槽放冷量增加，融冰速度过快，冰槽的出水温度发生漂移、升高，从而无法满足设计要求。

水泵的额定流量应该为以上四种方法取大值。扬程则根据最不利工况—联合供冷工况选取，需克服板换压降、主机蒸发器压降、蓄冰盘管压降以及循环管路系统压降。

冰蓄冷系统由于其系统特殊性，乙二醇溶液粘度较大，所以建议系统中水泵的参数在计算值的基础上适当多放些余量。同时应采用变频手段来满足节能及工况切换要求。

3.3 蓄冰装置

选用总蓄冰量为123060kW h的蓄冰装置一套。蓄冰装置由蓄冰盘管与槽体组成。其中蓄冰盘管选用不完全冻结式盘管，在制冰时，低温乙二醇溶液在盘管内循环，将盘管外表面的水逐渐冻结成一定厚度的冰层，冰层之间留有空隙，槽内仍有液态水存在；融冰时，随着融冰比例的增加，冰层与盘管之间形成水环，冰层受到外界水的浮力作用从而上浮，始终与盘管之间保持良好接触。融冰后期，冰层破裂均匀散落在水中，冰槽内始终维持冰水混合物的状态。因此，可保证换热均匀，乙二醇出口温度恒定，并可控制取冷过程，取冰率可达100%。

蓄冰装置槽体目前常规的有两种做法：钢制槽体和混凝土槽体。蓄冰盘管一般工作温度长期在零度，而混凝土则不能长期浸泡在冰水中，并且经常性热胀冷缩对混凝土不利，容易导致混凝土开裂，所以混凝土的槽体一般采用内保温+内防水工艺，其成本较高，并且施工复杂，处理不好容易渗漏。

钢制槽体则采用钢板焊接拼装+外保温工艺，工艺简单，不存在泄漏隐患。一般在槽体的外壁采用100m m厚聚氨酯发泡保温就行，简单可靠。钢制槽体示意图如图3所示。

图3 钢制蓄冰槽示意图

该项目最终选择钢制蓄冰槽，主要考虑了以下几点：

（1）蓄冰盘管就位施工

1）混凝土槽体由于采用了内保温防水，而蓄冰盘管在吊装及设备就位、管道焊接时，难免会磕碰到防水层及保温层，导致保温层的失效，失效后基本上无法修补，因此对安装就位施工要求高，蓄冰槽的整体可靠性低。

2）钢制槽体采用外保温，设备就位时不存在破坏保温层的情况，对施工要求不会太苛刻。万一有漏点，钢制槽体也容易修补。

（2）设备维修便利

1）采用混凝土槽体的蓄冰装置，一旦蓄冰盘管出现问题，要将盘管吊装出来时，只能从顶部吊出来，而不能在侧壁开口，这就必须槽体顶部有足够的吊装空间，因此混凝土槽占用的空间一般比较大。

2）如采用钢制蓄冰槽，设备出问题，可以将侧壁的钢板割开后将设备运出，检修完毕后再焊接上去，可以节省冰槽的占用空间。

（3）造价分析

两者的综合造价总体来说差别不大。混凝土水槽本身虽然比钢槽造价略低，但内保温防水工艺要求高，造价不菲，以该项目蓄冰量为123081kW h的冰槽，混凝土冰槽的总体造价大约只比钢槽少约1%。

（4）考虑到如果采用混凝土槽，将需要在冰槽顶部即地下室顶板（室外地坪处）开设3个较大的检修孔，现场不具备此条件，故采用了钢槽的方式。

3.4 冷却塔

对于冰蓄冷系统来说，冷却塔的选择非常重要，因为它区别于常规系统，它多了夜间工况。该项目常规基载机2台，单台冷却水流量133L/s,冷却水温度32-37℃；双工况机组4台，空调工况的冷却水流量为304.5L/s,制冰工况冷却水流量为363.4L/s。由于这个大型项目均选择离心机作为冰蓄冷主机，因此运行安全性就显得格外重要，为了防止喘振情况的发生，必须特别注意冷却水进出水的温度。一般夜间制冰工况下当冷凝器进水温度在30℃以下时，基本都能保证设备不喘振；但是当水温提高到31℃甚至更高时，由于蒸发器的出水温度是-5.6℃左右，主机的压缩比太大，设备的安全稳定性就马上下降，容易发生喘振。故夜间冷凝器进水温度定不得高于30℃。由于冷却水泵为定频泵，主机在夜间制冰时排热量降低，冷凝器进出水温差缩小到3.5℃左右，另外主机冷却水出水温度超过34℃，主机很有喘振的可能，安全性严重下降，所以建议冷凝器出水温度还是选择33.5℃比较保险。

图4 基载主机冷却塔夜间处理水量

图5 基载主机冷却塔白天处理水量

图6 双工况主机冷却塔的夜间工况选型

图7双工况主机冷却塔的白天工况选型

图4 为常规机组的冷却塔夜间处理量：

这台塔放到白天工况运行，其冷却塔的处理能力如图5所示。

可见同一台塔，夜间的处理水量相比白天反而小，所以机组的冷却塔需要按夜间工况选，才可同时满足白天和夜间二个工况参数要求。

另外需要特别说明的是，常规机夜间冷却水工况为30-35℃，蓄冰机组冷却水工况30-33.5℃，二种不同温度的冷却水共用同一冷却水管，导致混合后冷却水温度升高了，混到近34℃。这样冷却塔的容量被进一步放大。以某项目为例，放大的结果如图6所示。

数据说明：

双工况主机白天的冷却水流量为304.5L/S,制冰工况冷却水流量为363.4L/s，假定需要2台冷却塔，则选取夜间工况冷却水量为187.13L/s的冷却塔，而这台冷却塔白天处理能力为214×2=428L/s，比需要的能力要大出30%-40%。

表1 100%负荷设计日运行策略表

4 系统运行策略

设计日采用主机优先运行方式，结合系统负荷及当地电价时段，灵活控制白天主机投入的数量，达到移峰填谷、节省运行费用的目的。通过表1中的运行策略可知，系统设计配置完全满足设计日供冷需求，同时留有一定的安全余量。

5 结语

冰蓄冷是一个较为复杂的系统工程，其设计有别于常规系统，对于冷却塔，冰槽，主机和水泵的要求比较高，各大主机、蓄冰装置厂家的设备也差别很大，所以设计冰蓄冷系统的时候必须严格按照各设备厂家的选型参数进行匹配、校核，结合专业的知识，全面的做出分析和判断，这样才能做出成功的冰蓄冷系统。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]GB50736-2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[3]GB50189-2015，公共建筑节能设计标准[S].

[4]范存养，杨国荣，叶大法.高层建筑空调设计及工程实录[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

Design of Ice Thermal Storage System in Certain Project

ZHANG Zheng-yu
（Shanghai Longilat Architectrual Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200090，China）

A ccording to practicalengineering,thisarticle givesthe analysis on selection ofice therm alflow,chiller's cooling capacity,EG pum p,ice therm alstorage tank,cooling towerand system operation strategy.

ice therm al storage；EG pum p；ice storage tank；cooling tower

TU 831

B

2095-3429（2017）01-0090-05

2016-09-27

修回日期：2017-02-27

张政煜（1982-），男，浙江人，本科，工程师，主要从事暖通设计工作。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.022