商业建筑冰蓄冷空调系统设计研究

2020-08-10杨丽萍

工程建设与设计 2020年15期

杨丽萍

（广东远顺建筑设计有限公司，广东惠州516003）

1 工程概况

某商业建筑工程总建设面积为3.3×105m2，主要包括裙房、地下室和2栋塔楼，地下1层～裙房7层主要为电影院、超市、餐饮等，地下2层～地下5层为设备用房和车库。其中，电影院、超市2个业态使用冰蓄冷空调系统进行制冷。本文以此工程为例，对商业建筑冰蓄冷空调系统的设计进行分析和探讨。

2 冰蓄冷空调的介绍

冰蓄冷空调系统主要是利用蓄能技术移峰填谷，并维持电网峰谷的负荷平衡，提升电力设备的发电效率，进而达到降低费用、节省运营成本的目的。因为电力价格在用电高峰期时会升高，通过利用峰谷期之间的差价，可以降低空调系统的运行费用【1】。而且冰蓄冷空调系统中冷水机组容量相对来说会减小，主机设备的一次性投资会有所降低，配电容量和配电设施费用也会降低，可以显著降低空调系统电力增容费。此外，冰蓄冷空调系统还安装有应急冷源，可以显著提升空调系统的稳定性，特别是对于一些因线路老化经常停电的区域具有非常显著的应用优势。

3 商业建筑冰蓄冷空调系统的设计研究

一般情况下，冰蓄冷系统方案主要包括部分蓄冷和全量蓄冷2种。部分蓄冷指的是在夜间低谷电期运行制冷主机进行制冰蓄冷，然后在白天由融冰装置和制冷主机联合向空调供给负荷，该方案的制冷效率比较高，冰的储蓄量较少，初期投资低，但后期的运行费用要高于全量蓄冷方案【2】。全量蓄冷方案指的是由蓄冰装置融冰供给日间空调需要的全部负荷，这种方案可以将移峰填谷的作用充分发挥出来，运营费用相对来说也比较低，但对蓄冰装置和制冷机械的装机容量要求比较高，初期投资大。所以，在进行冰蓄空调系统设计时，如何根据项目的实际情况设计出最优的蓄冰方案是设计工作的重点。

3.1 冰蓄冷空调系统配置

本工程选用内容式冰盘管，并串联主机上游，冷水系统和冰蓄冷系统使用间接连接的方式进行连接。制冷主机为双工况螺杆式制冷机，一共有3台。蓄冰工况时每一台的制冷量可以达到1 200kW，空调工况时每一台的制冷量可以达到1 600kW。在基载负荷下总冷量较小或者夜间供冷负荷不大时，如果单独布置基载机会使系统的负荷增大，并增大投资，因此不需要布置基载机。为了达到夜间基载负荷要求，主机制冰工况下旁设一分支系统。经过计算后发现，本工程基载冷负荷＞350kW，因此，使用一台离心式制冷机作为基载机，该设备制冷量可以达到2 000kW，使用18组冰盘管作为蓄冰装置，蓄冰总量为26 068kW·h。

3.2 系统运行分析

在系统运行过程中，通过分析末端荷载侧的需求和变化情况，可以调整工况和运行策略。本工程受空间因素的影响，使用优先控制的策略对制冷机进行控制，即当空调负荷超过制冷机组的容量时，对制冷机进行优化运行；不足的部分利用蓄冰装置补充，进而使蓄冰装置的容积得以减少。通过转换工况阀门，系统可以实现制冷机供冷工况、蓄冰工况、制冷机和融冰联合工况、冰槽供冷工况4种运行模式。

在运行过程中，首先将制冷剂供冷温度确定好，然后利用此温度对制冷机出水温度进行控制。常规的制冷剂供水温度控制在7～12℃，压缩机的运转主要是利用7℃的出水温度进行控制。该冰蓄冷空调系统的原理也基本一致，利用冷源侧的出水温度控制冷机压缩机的运转情况。本工程冰蓄冷系统使用闭式系统，使用质量分数为25%的乙二醇水溶液作为载冷剂。在空调工况下，载冷剂进口和出口的温度保持在3.3～10.5℃，以达到融冰的目的。在蓄冰工况下，制冷机为蓄冷装置提供-5.5～-2.5℃的低温载冷剂。蓄冰装置在制冷机出水温度为3.3℃，且负荷较小时会终止运行。制冷机负荷保持满荷运行依然无法满足设计要求时，再次使蓄冰设备投入运行，确保冷源侧出水温度持续保持在3.3℃。商业楼晚上则使用基载机进行供冷。一般情况下，基载机是在系统中并联的，和换热器供水温度都保持在4.5～11.5℃。在系统中增设V6和V5调节阀，利用调节阀既可以使基载机在6.5～11.5℃的温度下运行，又可以提高换热器进口和出口位置的水温差，并且基载机蒸发温度也会有所提升，所以，设置基载机有助于降低输送能耗，提升基载机的运行效率。

4 设计计算分析

4.1 空载负荷的特点和计算结果

由于冰蓄冷空调系统中加装了蓄冷装置，在对负荷进行计算时，需要引入时间累计的概念，不仅要将建筑物设计日的逐时负荷计算出来，还需要将设计日逐时的累计总负荷计算出来，从整体的角度进行分析【3】。

在进行计算时，要考虑2个细节：（1）要考虑大楼的运行设备和运行时间、人员的使用系数等。由于建筑物中的灯光、人员、设备等时间不同，负荷峰值时刻不同，负荷的转移率也有所不同，分析电力峰值和设计负荷峰值之间的关系非常重要。（2）要计算冷水管路热量、水泵发热量、水泵机械传动时产生的摩擦热量等附加热量。此外，蓄冷槽、外冷水管路和环境之间的温差也会导致冷水温度升高。根据经验，附加负荷占到了建筑负荷的3%～5%，需要将其考虑进来。经过计算，本工程夏季冷负荷的最大值为8 159kW，冷负荷指标为83W/m2。

4.2 计算蓄冷设备和制冷设备的容量

本商业建筑的空调系统在工作时段保持连续运行，因此适合使用部分负荷蓄冰的方式进行运行。一般可以使用式（1）、式（2）计算制冷机标定制冷量和蓄冰装置有效容量：

式中，Qs为蓄冰装置有效容量，kW·h；n1为制冷机晚上制冰工况下的运行时间，h；ci为制冰过程中制冷机制冷能力的变化率；qc为标定的制冷机制冷量，kW；n2为制冷机白天空调的运，行时间为商业建筑累计冷负荷。

经过计算，蓄冰装置有效容量值为26 068kW·h，融冰供冷容量占到了设计负荷量的25.5%，经济性高。制冷机单台的制冷量值为1 583kW。

4.3 计算全年负荷

商业建筑冰蓄冷空调设计除了要达到设计符合要求，还要达到全年运行要求。所以，计算负荷时要进一步分析全年负荷。在进行分析时，使用DeST软件进行计算。经过分析发现，总供冷天数中，负荷率在20%～80%的天数占70%。

5 自动控制冷源逐时运行图和蓄冰系统

5.1 冷源系统逐时运行情况分析

按照设计的冷负荷平衡情况和冰蓄冷系统的具体情况，在运行过程中，高峰冷时段负荷率会达到100%，制冷机和融冰共同进行供冷时，设计采用制冷剂优先的原则进行控制，但在实际运行中，需要在电价高峰期尽量减少制冷机的运行，并更多地融冰。其次，在部分负荷时，尽量在高峰电价时段完全融冰，并可以使用制冷机彻底关闭。经过分析证明，40%以下的负荷率已经完全可以达到融冰的运行模式，有效降低了运行成本。

5.2 自动控制冰蓄冷系统

本工程系统初期采用自定义的模式运行，预测出空调逐时负荷，并将其作为系统运行过程中的参考参数，根据相关参数设定系统运行参数。在运行数据不断增多的同时，对预测数据进行修正，提高预测数据的准确性。运行数据积累到一定的程度后，系统会逐步进入自动控制状态下，然后通过负荷软件根据当地的电价政策、负荷预测情况来分配融冰负荷和制冷负荷，从而使运行策略达到最优。此外，要通过对已有数据进行不断总结和统计后制定具体的控制策略，以进一步简化控制逻辑，提高操作的便利性。

6 经济性分析和节能评价

实践证明，本商业建筑工程采用的冰蓄冷空调系统为设计空调日累计运行负荷的25.4%，达到了规定要求。通过在用电低谷期运行蓄能空调系统，蓄能设备装机容量为设计总采暖能量的20%，达到了设计要求。方案确定后，对比分析了常规制冷系统和冰蓄冷空调系统的投资情况。冰蓄冷系统初期投资比常规制冷系统多200万元左右，按照供冷季节每年节省58万元的电费计算，需要3a左右才能收回多出的成本。通过调研分析，当追加投资回收期超过5a，那么不建议使用冰蓄冷系统。因此，本商业建筑使用冰蓄冷空调系统可以取得良好的经济效益。