大温差水蓄冷技术应用及经济性分析

叶庆俊

【摘 要】随着我国对节能减排政策的落实，通过对电力移峰填谷的水蓄冷技术也作为国家重点节能低碳技术推广目录进行推广，水蓄冷由于采用的是显热蓄能，相比较冰蓄冷系统的潜热蓄能大幅提升制冷主机及放冷时的效率，而水蓄冷系统作为一种移峰填谷的技术在空调领域得以广泛的应用，但市场上均采用的以8℃左右温差为主，在有中低温冷冻水需求的工业建筑空调系统中采用10度以上的大温差水蓄冷技术，相比较一般温差水蓄冷系统减少水泵耗电量9%，对于在实际的运行过程中节约运行费用及投资有着较好的效果。

【关键词】大温差；水蓄冷技术应用；经济性分析

引言

水蓄冷技术作为移峰填谷间接的提升整个电网的运行效率，在不同领域予以推广，大温差（温差10℃以上）水蓄冷系统具有蓄冷水罐占地少、系统运行效率高等优势，但由于使用过程中的条件限制在实际工程中应用不多。通过对应用中的蓄冷温度控制及放冷策略进行分析，提供解决方法，保证了该技术的成功应用并取得较好的经济效果，对后续蓄冷项目的应用提供参考。

1项目概况

该项目位于惠州，主要生产液晶显示屏，净化厂房20万m2，空调冷冻水系统分为低温冷冻水系统和中温冷冻水系统，低温冷冻水由6台（其中1台预留）1340RT的低温冷水机组提供，经一次泵输送至低温冷冻水供水总管，提供7℃/14℃的低温冷冻水。中温冷冻水由2980RT4台中温冷水机组（其中1台预留）、1520RT1台中温冷水机组和中温带热回收的冷水机组1520RT（热回收量为5350kW）5台，提供14℃/21℃的中温冷冻水。利用当地的峰谷电价差设计水蓄冷系统，夜间利用备用和富裕的低温机组和中温机组串联蓄冷。蓄冷水罐9000m3×2座，蓄冷供回水温度为7℃/19℃。白天电价峰值时放冷，蓄冷水经过板换变温为14℃/21℃中温冷冻水，接至厂区中温冷冻水系统总管。

2项目设计方案

2.1方案设计要点

（1）本水蓄冷方案针对电子净化厂房进行设计，在制冷站附近的空地上新建蓄冷水罐；夜间利用制冷站的5台离心机（1台中温大机（双拼机），1台中温小机，3台低温机）串联蓄冷，白天高峰时进行放冷。（2）中温冷冻水系统供回水温度为14～21℃，低温冷冻水系统供回水温度为7～14℃，考虑到部分冷冻水系统高度较高，在保证蓄冷水罐设计经济性前提下，采用直接蓄冷间接放冷方式，其蓄冷水罐蓄冷温差设计为12℃（19～7℃）。（4）本项目在蓄冷的同时要保证热回收主机的开启数量，系统热负荷7344RT是在冬季的夜间，在60%负荷白天放冷时需保证有2台热回收主机的开启，以满足系统低温热水的需求。（5）因低温负荷全年需求较少，为保证蓄冷系统的投资回收和使用效果，本水蓄冷系统只针对中温空调系统进行放冷，不对低温系统放冷。

2.2蓄冷水罐选型设计

根據该项目24h的逐时负荷分布，本项目按照1台2980RT中温大机、1台1520RT中温小机及3台1340RT低温机组串联蓄冷8h设计，蓄冷水罐体积按照低谷蓄存的冷量需占用的体积来进行设计，谷电时段的蓄冷量为Q=（2980+1520+1340×3）×8=68160RTh。3.1.3本项目的设计难点及解决对策

（1）中、低温主机的串联蓄冷对于蓄冷工况时蓄冷温度的控制

采用蓄冷泵优化调频技术，蓄冷泵为变频控制，控制程序以蓄冷水池进水温度（即蓄冷温度）作为控制目标，将实际反馈值与设定值比较进行负反馈控制，程序通过自适应增量式PID算法计算得出当前水泵的输出频率，对蓄冷泵进行调频控制，以改变蓄冷泵的频率，增减蓄冷水流量，使蓄冷主机始终满负荷高效运行，同时将蓄冷水池进水温度控制在设定值范围内。为保证蓄冷主机始终处于满负荷高效运行，在最短时间内完成蓄冷，采用系统寻优的控制策略对蓄冷泵进行频率调节，将蓄冷泵的调频设定温度值稍高于蓄冷主机的出水温度设定值，当出水温度达到蓄冷主机设定值时，蓄冷主机达到卸载临界状态，此时出水温度值已达到蓄冷泵升频设定值，蓄冷泵将升频运行，蓄冷机的出水温度也将随之高于卸载临界值，而继续满负荷运行，出水温度又将被拉低，蓄冷泵频率随之升高，这样反复调节后蓄冷泵的频率将被不断拉高，直至蓄冷水池进水温度达到蓄冷泵的设定值，保持稳定，此时蓄冷泵即处于高频运行状态，蓄冷主机也处于满负荷运行，即保证了主机高效运行，也保证了可以在最短的时间将蓄冷水池蓄满，从而节约蓄冷能耗。

（2）不同工况下的放冷

①预测负荷分配冷量策略。系统根据输入的经验数据或历史数据预测出当天的中温冷冻水系统的冷负荷变化规律，动态调整对中温系统的放冷量分配，以降低中温冷水机的负载率，或减少中温冷水机的运行时间，在电价高峰时段充分利用放冷板换进行放冷，具体策略为：（a）根据室外安装的温度传感器检测实时气象数据，并采用ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师协会）计算方法预测当天24h逐时气象；（b）根据预测气象数据和历史负荷数据预测当天24h中低温系统的逐时负荷；（c）根据当天蓄冷量、最大逐时放冷量、峰电时段和中低温系统逐时负荷需求量，确定放冷开始时间和峰电时段放冷方式（联合供冷或单独放冷）；（d）水蓄冷放冷优先满足电价峰段放冷需求，以获得最大的移峰填谷转移量；（e）在联合供冷模式下，在电价平段且能将蓄冷量放完的情况下，放冷量的调节应使中低温系统的运行COP最高；（f）放冷模式下，精确调节放冷泵及调节阀开度，以使得回到蓄冷水池的温度满足设计工况回水温度，获得最大的放冷量和放冷收益；（g）根据蓄冷水池出水温度和放冷累计流量计算蓄冷水池剩余冷量，当剩余冷量低于5%时，开启中低温系统冷机，以保证系统供冷安全。②提前减机策略。当中温冷水系统冷量需求小于等于放冷板换额定放冷量时，群控系统自动停掉该系统冷水主机，充分利用该系统放冷板换进行放冷。控制系统通过对中温系统的COP计算和末端负荷预测，得出系统效率处于高位所需的放冷量，进而得出放冷流量，通过实时动态调节的阀开度和放冷一次泵频率达到该流量值。

（3）蓄冷水罐内的布水设计即斜温层厚度的控制

做好水蓄冷系统，最重要的一点是做好温度分层，斜温层厚度对于项目的成败起着关键的作用，而影响斜温层的关键是布水器，大温差水蓄冷由于蓄放冷时温差较大，其斜温层在实际运行中由于水流的“活塞”运动以及高低温水之间的传热其控制难度更大，采用Fluent软件对布水器的水流状态及运行模拟，通过对蓄冷水罐斜温层厚度模拟，优化布水技术减少斜温层的衰减Froude数Fr≤1，将斜温层厚度控制在可接受范围之内，提升水蓄冷系统的效率。

结语

本项目已运行超过2年时间，而经过实际的运行数据分析，在保证蓄冷各项目数据均满足要求的前提下，每年实际的节约电费在850万元以上，进而佐证了本项目的各项模拟数据，为其他项目的应用提供了充分的依据，也为其他类似项目对于大温差水蓄冷系统的设计提供相应参考。因此，大温差水蓄冷系统相比一般小温差水蓄冷系统有如下优势：（1）提升整个冷热源系统的效率，中温主机出水温度由7℃提升至13℃，蓄冷系统效率提升15%以上；（2）蓄冷水罐由于采用大温差体积极少，其水罐的建造成本节约34%；（3）减少蓄冷系统水泵冷泵耗电量9%以上。

参考文献：

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册第二版[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]于航，崔军，渡边俊行.大温差水蓄冷空调系统的模拟研究[J].暖通空调，2003，33（4）：106-108.

[3]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

（作者单位：杭州华电华源环境工程有限公司）