冰蓄冷系统在科技类场馆中的运行策略能耗分析与应用——以中国科技馆为例

张 硕

在我国城镇化进程不断加快以及人民生活水平的不断提高的前提下，人们在追求生活质量的同时也更加看重资源的节约利用。冰蓄冷系统作为一种节能技术而被带入到建筑空调系统设计中[1]。冰蓄冷系统在夜间用电低谷期，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。

科技类场馆往往用于最新科技成果的展览展示，建筑设计过程会更加注重节能环保技术的应用，冰蓄冷系统作为一种新型节能环保技术往往就会应用到科技类场馆空调系统设计中，即发挥其应用价值，又发挥其宣传展示价值。

1 冰蓄冷系统的形式及主要运行策略

1.1 目前国内出现的主要冰蓄冷形式[2]

1）冰盘管。就是把盘管浸泡在冰槽中，通过盘管实现冷热交换，将槽内的水部分冻结成冰储存冷量或将冰融化释放冷量。其放热形式的不同，又分为外融冰和内融冰两种。

2）冰球。也叫封装式蓄冰装置，将蓄冷的介质用球体封装起来，冰球内的相变物质液冻结或融化来进行蓄冷或放冷。

3）动态制冰（冰浆式和冰片滑落式）。冰浆式就是通过制冷机组把水过冷至-2℃左右，再让过冷水凝结成细小的冰浆，与水形成浆状冰水混合物储存在槽内。

1.2 主要运行策略

在冰蓄冷系统中存在两个冷源，即制冷机和蓄冰装置，根据两个冷源之间的关系，运行策略可归纳为两类：融冰优先和制冷机优先[3]。

1）融冰优先。融冰优先是优先使用蓄冰设备融冰供冷，只有在蓄冰设备不能满足负荷需要时，才启用制冷主机供冷，以承担不足部分负荷。这种控制策略既要考虑最大负荷时蓄冰设备融冰供冷能力，又要考虑全天逐时冷负荷的需要，因此，实施颇为复杂。

2）制冷机优先。制冷机优先是优先使制冷主机供冷，只有当空调冷负荷超过制冷主机的供冷能力时，才启用蓄冰设备融冰供冷，使其承担不足部分。这种控制策略实施简单，运行可靠，但是，蓄冰设备使用率很低，不能有效地削减峰值用电和节约运行费用。

本文以中国科学技术馆冰蓄冷系统为例，进行运行策略能耗分析。

2 中国科学技术馆冰蓄冷系统

2.1 基本信息

中国科学技术馆（北京市朝阳区北辰东路5 号）占地为4.8 万m2，总建筑面积为10.2 万m²，地下一层，地上四层局部五层，建筑高度45m，层高9.5m，属于人员高度密集场所，设计冷负荷为14 280kW，采用冷水机组上游串联式的内融冰蓄冷系统，蓄冰承担部分冷负荷，占设计冷负荷比例为30%。

2.2 冰蓄冷系统主要设备（见表1）

3 冰蓄冷系统运行策略能耗分析

中国科学技术馆是我国唯一的国家级综合性科技馆，是实施科教兴国战略和人才强国战略、提高全民科学素质的大型科普基础设施，主要面向大、中、小学学生，进行科学素质教育。根据学生的日常作息规律，中国科学技术馆全年就形成了寒暑假、五十、十一小长假出现人流高峰，且期间全日处于100%负荷状态的运行规律。

我们选择两个典型负荷日，分别采取制冷机优先和融冰优先进行能耗分析，具体如下：

1）制冷机优先能耗分析。2015 年7 月5 日，天气晴，室外最高温度30℃。运行模式为3 台双工况机组和基载机组同时运行。启机时间9：00，停机时间为17：00，运行时间共计8 小时。

功率消耗计算列表见表2。

供冷费用计算列表见表3。

制冷机优先运行策略供冷费用为：22 990 元/日。

2）融冰优先能耗分析。2015.8.4，天气晴，室外最高温度33℃。运行模式为夜间蓄冰运行8 小时，白天融冰时间为9：00—17：00，共计8 小时，1台双工况机组在尖峰时段运行3 小时补充不足冷量。

功能消耗计算列表见表4。

供冷费用计算列表见表5。

融冰优先运行策略供冷费用为：9 949 元/日。

从上述计算可以看出，融冰优先供冷总电费9 949 元/日较制冷机优先供冷总电费22 990 元/日节省了2.31 倍的费用，可见融冰优先策略运行明显减低运行成本。

4 中国科学技术馆冰蓄冷系统运行策略

从不同运行策略能耗分析可以得出融冰优先策略更能节约运行成本，中国科学技术馆日常运行也采用这种运行策略运行，只在用电尖峰时段采用融冰与制冷机制冷联合运行模式，同时还特别关注如下几个方面：

1）蓄冰率，确保蓄冰容量用足。在蓄冰中后期，盘管外壁冰层增厚，冰层的热阻增大，导致蓄冰设备单位时间蓄冰能力下降。因此，通过降低制冷主机乙二醇出口设定温度，增加蓄冰设备单位时间内的蓄冰量，以保证蓄冰量。

2）提高融冰率，力求做到蓄冰设备融冰率接近90%。

3）峰电时段，融冰供冷优先运行，根据系统运行历史数据，分析计算并设定各时段融冰供冷量上限值，确保在冷负荷较大供冷时段，仍有足够的蓄冰量用于融冰供冷，与制冷主机联合运行满足负荷要求。

4）以系统运行历史数据分析为基础、结合系统实时监测数据、室外温湿度数据，预估后续时段负荷或次日负荷，从而自动设定后续时段融冰供冷量上限值或当晚蓄冰量上限值。

5 结语

本文以中国科学技术馆冰蓄冷系统为例，简要分析了冰蓄冷系统的融冰优先和制冷机优先策略，对运行策略进行了能耗分析，得出融冰优先策略在实际运行中节能优势明显，同时也体现了冰蓄冷系统的节能潜力，中国科学技术馆作为大型公共建筑，节能减排更是重中之重，作为项目运行管理者，要充分利用好现有系统，不断总结经验，收集整理运行数据，进行能耗分析，优化运行策略，提升能源管理水平。

表1

表2

表3

表4

表5