串并联结合水蓄冷系统应用研究

深圳市欧博工程设计顾问有限公司 吴少光 廖晓华 蔡戈锋

0 引言

随着城市化进程的快速推进，建筑能耗越来越大，建筑节能迫在眉睫。国内大多数城市相继出台了蓄冷空调峰谷电价优惠政策，鼓励使用蓄冷空调，通过电能的移峰填谷来缓解能源紧张局面。近年来，蓄冷空调技术的快速发展进一步推动了蓄冷空调的广泛应用。

水蓄冷空调因水池建设成本较低，且可利用容积较大的消防水池作为蓄冷水池，从而进一步降低建设成本，越来越得到市场的青睐。水蓄冷系统中，因主机上游的串联系统无法充分发挥蓄冷水池的蓄冷能力，而主机下游的串联系统又难以保证出水温度稳定，因此通常采用并联式系统[1]。并联式水蓄冷系统的系统原理如图1所示[1]。通过控制水泵运行状态及阀门的开/关以实现蓄冷水池蓄冷、制冷主机供冷、蓄冷水池供冷、制冷主机+蓄冷水池联合供冷、制冷主机单独供冷+蓄冷水池蓄冷等5种运行模式。由图1可以看出：并联式水蓄冷系统除了分别位于制冷主机、蓄冷水池、板式换热器进/出口，且与设备连锁开闭的3个电动阀门(V1～V3)外，还需要设置Va～Vf共6个电动阀以实现不同运行工况的切换和调节，管路连接复杂；系统控制上，控制点位多，运行中需要动作多个控制点位并监控其状态。

图1 并联式水蓄冷系统示意图

在施工调试阶段进行末端空调系统充水时，应确保V2、Vc及Ve不同时处于开启状态，否则，会出现水池与末端系统连通而导致水池溢水现象。

在运行阶段，机房群控系统的容错率低，应能准确按预设控制逻辑进行多个阀门的切换以确保按预设工况运行，当出现阀门误动作、阀门阀体故障、阀门通讯或电气故障等原因导致V2、Vc及Ve等阀门未能及时按群控系统信号动作时，将出现水池串水和溢流等现象。即使系统均按预设模式运行，因电动阀执行机构通常需要约30～90 s的动作时间，系统在切换工作模式时也会出现短暂的串水现象。

鉴于目前主流的并联式水蓄冷系统存在以上固有风险，为简化水蓄冷系统的管路连接、降低阀门误动作风险、优化系统运行控制策略、提升系统运行安全性，本文提出一种新型的水蓄冷系统——串并联结合水蓄冷系统。

1 串并联结合水蓄冷系统简介

顾名思义，串并联结合水系统中的蓄冷水泵和放冷水泵在不同工况下存在串联和并联2种不同的运行模式。与并联式水蓄冷系统一样，该种水蓄冷系统也具备5种工作模式：蓄冷水池蓄冷、制冷主机单独供冷、蓄冷水池单独供冷、制冷主机+蓄冷水池联合供冷、制冷主机供冷+蓄冷水池蓄冷。系统原理图见图2。

图2 串并联结合水蓄冷系统示意图

与并联式水蓄冷系统相比，串并联结合水蓄冷系统仅需要在制冷主机的出口端、蓄冷水池的高温水侧入口端和板式换热器的出口端各设置1个电动蝶阀，即保留各主要设备的进/出口连锁阀门V1～V3，取消Va～Vf等6个切换阀门；蓄冷水泵设于制冷主机的入口端，同时兼作制冷主机供冷时的一级冷水泵；放冷水泵设于板式换热器的入口端，同时兼作制冷主机供冷时的二级冷水泵；蓄冷式冷源侧与用户侧通过板式换热器完全隔开，冷源侧的水系统运行不受末端阻力变化的影响，运行状态较为稳定，同时避免了水池与末端水系统出现串水的问题。因此，该新型水蓄冷系统在系统配件、管路连接及冷源侧的水系统运行状态等方面与并联式水蓄冷系统相比，有了较大的改进，降低了系统的管路连接复杂度，减少了系统的控制点位数，规避了水系统串水引起的蓄冷水池溢流风险，进而提高了系统运行的安全性。

2 串并联结合水蓄冷系统运行控制策略

正如第1章所述，串并联结合水蓄冷系统具备5种运行模式，本章就该系统在设计工况下的运行模式所涉及到的控制要求进行阐述。

1) 蓄冷水池蓄冷运行模式：电动蝶阀V3关闭，放冷水泵停止运行；电动蝶阀V1、V2打开，制冷主机开启，蓄冷水泵工频运行。如图3所示。

图3 蓄冷水池蓄冷运行原理图

2) 制冷主机单独供冷运行模式：电动蝶阀V2关闭；电动蝶阀V1、V3打开，制冷主机开启，蓄冷水泵和放冷水泵分别作为一级冷水泵和二级冷水泵运行，其中，蓄冷水泵工频运行，放冷水泵变频运行，并且使放冷水泵运行流量等于蓄冷水泵运行流量。如图4所示。因蓄冷水池低温侧管路与放冷水泵吸入口相连通，蓄冷水池在该运行模式下可作为闭式水系统的膨胀水箱，起定压、补水、膨胀作用。

图4 制冷主机单独供冷运行原理图

3) 蓄冷水池单独供冷运行模式：电动蝶阀V1关闭，制冷主机停止运行，蓄冷水泵停止运行；电动蝶阀V2、V3打开，放冷水泵工频运行。如图5所示。

图5 蓄冷水池单独供冷运行原理图

4) 制冷主机+蓄冷水池联合供冷运行模式：电动蝶阀V1～V3打开，制冷主机开启，放冷水泵工频运行，蓄冷水泵作为冷水泵变频运行，如图6所示。

图6 制冷主机+蓄冷水池联合供冷运行原理图

5) 制冷主机供冷+蓄冷水池蓄冷运行模式：电动蝶阀V1～V3打开，制冷主机开启，蓄冷水泵工频运行，放冷水泵作为冷水泵变频运行，如图7所示。

图7 制冷主机供冷+蓄冷水池蓄冷运行原理图

在制冷主机单独供冷、制冷主机+蓄冷水池联合供冷和制冷主机供冷+蓄冷水池蓄冷运行模式中，水泵均需要变频运行，水泵变频的控制方式同常规二级泵水系统中二级泵的变频控制，可采用压差控制、温差控制等，本文不再赘述。

从上述运行控制策略可以看到，通过调节水泵的运行模式，可大大简化电动蝶阀的控制逻辑：在某个确定的工况下，电动蝶阀是否开启取决于其对应的设备是否投入运行。运行过程中只需判断水泵的运行状态即可确定系统的运行模式，简单明了。

3 串并联结合水蓄冷系统的设计要点

串并联结合水蓄冷系统逐时负荷计算、制冷主机和蓄冷水池的设计计算及选型等与并联式水蓄冷系统相同，文献[1-2]均有详细介绍，本文不再赘述。鉴于该系统各个运行工况的切换主要依靠蓄冷水泵和放冷水泵的运行调节实现，本章对水泵设计选型及水系统管路阻力计算要点进行详细阐述。

3.1 蓄冷水泵额定流量及额定扬程的确定

由第2章串并联结合水蓄冷系统工况分析可以看出，蓄冷水泵最不利运行工况为蓄冷水池蓄冷运行模式。因此，蓄冷水泵的选型应按该工况进行计算确定，即蓄冷水泵的额定流量根据制冷主机蓄冷模式下的额定流量确定；蓄冷水泵的额定扬程根据蓄冷水池蓄冷运行模式下的系统阻力确定，即制冷主机的回路阻力和蓄冷水池的回路阻力之和。

3.2 放冷水泵额定流量及额定扬程的确定

蓄冷系统通常设计为部分蓄冷系统，设计日峰值负荷时通常由制冷主机+蓄冷水池联合供冷。因此，放冷水泵的选型应按该工况进行计算确定。设联合供冷总流量(即板式换热器流量)为Q，制冷主机流量为Q1，蓄冷水池流量为Q2，则Q=Q1+Q2。放冷水泵的额定流量为Q(即Q1+Q2)，额定扬程为板式换热器的回路阻力和蓄冷水池的回路阻力之和。

3.3 蓄冷水泵和放冷水泵的流量、扬程校核

由第2章可知，在制冷主机+蓄冷水池联合供冷运行模式下，蓄冷水泵处于低频运行；而在制冷主机单独供冷和制冷主机供冷+蓄冷水池蓄冷运行模式下，放冷水泵处于低频运行。因此，需同时校核蓄冷水泵和放冷水泵在上述工况下的运行工况点。

蓄冷水泵最有利运行工况为制冷主机+蓄冷水池联合供冷运行模式。在该运行模式下，蓄冷水泵扬程克服的阻力=制冷主机环路阻力-蓄冷水池环路阻力。采用该最小扬程及该工况对应的运行流量校核选型水泵的频率，确保其对应运行频率不低于水泵最低运行频率，且该运行工况点在水泵的性能曲线上。

放冷水泵的最有利运行工况为制冷主机供冷+蓄冷水池蓄冷模式。该模式为夜间蓄冷时段的运行模式，在公共建筑中，夜间供冷的水流量取决于夜间空调负荷，而该时段的室内空调负荷往往远低于白天空调负荷，对应的运行流量及扬程也较低。因此，应校核放冷水泵夜间运行工况点频率是否低于最低运行频率，若运行工况点频率低于水泵最低频率，则应根据该模式下的运行流量及扬程，增设1台夜间专用的小型放冷水泵。

制冷主机单独供冷运行模式下，2台水泵串联运行，应复核该模式下放冷水泵的流量、扬程是否在水泵变频范围内，若出现不匹配，则应调整管路阻力特性设计，即增大板式换热器环路阻力，减小蓄冷水池环路阻力。

3.4 设计注意事项

根据3.3节分析可知，蓄冷水泵、放冷水泵的变频运行工况均与蓄冷水池环路阻力、制冷机房环路阻力及板式换热器环路阻力之间的相对差值息息相关。而以上3个环路均为水泵非共用管段(对水泵而言，指水泵运行时的非必经管段)，即水泵运行时是否经过某个环路取决于不同运行模式。该系统在实际应用中，蓄冷水泵及放冷水泵往往均为多台并联运行，而水泵所在支路均为共用管段(对于水泵来说，指水泵运行时的必经管段)，即任何一种运行模式下，某台水泵运行时必然经过该水泵进出口所在管路。

因此，设计中，对于3个水泵非共用管段，应采取以下设计原则：尽可能降低蓄冷水池回路的阻力，如取该环路管路比摩阻为常规设计的1/3～1/2，布水器选用低阻力甚至无阻力产品，蓄冷水池尽量贴临制冷机房布置以减少输送距离；而制冷主机环路和板式换热器环路阻力应尽可能适当加大，可选取相关设计手册及技术措施推荐经济流速的上限，以平衡不同工况下水泵的运行频率。

对于水泵共用管段，在不影响水泵运行平稳的情况下，可适当增大水泵出口管段阻力。该方法可以降低水泵非共用管段的阻力占比，减少非共用管段对不同运行模式下水泵扬程变化的影响，避免水泵运行工况点频率超出变频器下限值。

4 串并联结合水蓄冷系统经济性分析

为了直观体现串并联结合水蓄冷的初投资、运行费用及静态投资回收期等经济特性，以深圳国际会展中心其中一个水蓄冷制冷站作为研究对象，通过与常规集中空调水系统(下称常规系统)的对比，分析该新型水蓄冷系统的经济特性。

工程概况：逐时冷负荷峰值为33 008 kW(9 385 rt)，设计日总冷负荷为258 427 kW·h(73 480 rt·h)，服务1个建筑面积约6.6万m2的登录大厅和4个建筑面积约2万m2/个的标准展厅，蓄冷水池由消防水池兼用，总容积7 394 m3(有效容积7 275 m3)，蓄冷温差9 ℃(5 ℃/14 ℃)，总蓄冷量65 458 kW·h(18 612 rt·h)，约占设计日总冷负荷的25%。

新型水蓄冷系统配置3台6 330 kW/台的水冷式离心机组+1台3 164 kW的水冷式离心机组；常规系统的冷水机组搭配为：4台6 682 kW/台的水冷式离心机组+2台3 164 kW/台的水冷式冷水机组。该项目水蓄冷系统原理如图8所示。相比常规系统，水蓄冷系统的制冷系统、自控系统及变配电系统的初投资约增加263.3万元，系统各

图8 深圳国际会展中心2#水蓄冷制冷站空调水系统图

部分初投资估算见表1。

表1 水蓄冷系统与常规系统初投资估算 万元

为便于分析，选取100%、75%、50%、25%负荷工况点作为研究对象，空调运行天数取160 d，对比串并联结合水蓄冷系统与常规系统的运行能耗，结果如表2所示。由表2可以看出，水蓄冷系统100%、75%、50%、25%负荷工况点日耗电量分别比常规系统高10.2%、7.3%、6.7%、2.2%，年总运行电量相对常规系统约增加6.3%。日移峰填谷电量(即夜间蓄冷时段系统耗电量)为15 354 kW·h，年移峰填谷电量约2 456 640 kW·h，对于城市电网而言，有助于缓解当下能源紧张局面。

表2 水蓄冷系统与常规系统运行能耗对比

根据深圳市供电局自2019年7月1日起执行的深圳市工商业电价价目表，蓄冷空调峰平谷电价分别为：峰段电价0.907 2元/(kW·h)，平段电价0.602 4元/(kW·h)，谷段电价0.218 4元/(kW·h)，蓄冷电价0.186元/(kW·h)。相比常规系统，水蓄冷系统每年可节约运行电费约109.2万元。水蓄冷系统和常规系统运行电费如表3所示。

表3 水蓄冷系统与常规系统年运行电费

水蓄冷系统运行管理及维护工作量相对较大，假设每年增加人工费用为12万元，则该水蓄冷系统每年可节约运行费用约97.2万元。相应的静态投资回收期约为2.7 a。即从第4年开始，以当前深圳市工商业电价标准，该系统每年节约运行费用高达97.2万元，对用户而言，产生了可观的经济效益。

鉴于大多数公共建筑的消防水池较小，并且，根据文献[3]第8.7.7条第3款规定：蓄冷水池与消防水池合用时，其技术方案应经过当地消防部门的审批，并应采取切实可靠的措施保证消防供水的要求。因此，大多数项目蓄冷水池采取扩大消防水池或单独建造的方式。

仍以本章计算案例作为分析对象，假设蓄冷水池单独建造，根据初步测算，水池单独建造增加的初投资约为200万元，则总初投资相对常规系统增加463.3万元，相应的静态投资回收期约为4.8 a。

值得注意的是，该分析对象为展览类建筑，因其使用性质较为特殊，使用频率相对办公、商业、酒店及医疗等建筑类型低，每年空调运行天数也较少，因此，同等条件下，本文计算案例的静态投资回收期相对上述列举的建筑类型长。

综上，该系统的静态投资回收期随建筑空调运行天数、是否需单独建造水池及蓄冷比例等因素不同而有所差别。

5 结语

串并联结合水蓄冷系统无需设置管路切换阀，仅需在设备进口或出口处设置与对应设备连锁的电动阀即可，降低了系统管路连接的复杂度，减少了系统的控制点位数，规避了系统串水引起蓄冷水池溢流的风险，进而提升了水蓄冷系统运行稳定性和可靠性。

本文重点介绍了串并联结合水蓄冷系统的运行控制策略、蓄冷水泵和放冷水泵的选型要点及设计中的注意事项，为该系统在实际项目中的应用提供了设计思路及技术支持。

以深圳国际会展中心为计算案例，当采用串并联结合水蓄冷系统时，在消防水池兼作蓄冷水池和蓄冷水池单独建造的情况下，静态投资回收期分别为2.7 a和4.8 a，均符合文献[4]第3.1.6条“蓄能空调系统的静态投资回收期宜小于5年”的规定，即均能产生良好的经济效益。

本文计算案例——深圳国际会展中心水蓄冷制冷站于2019年9月完成系统调试并正式投入使用，已举办了宝安区产业发展博览会、深圳国际智能装备产业博览会、2019大湾区工业博览会等多个大型展览会。

2019大湾区工业博览会展览期间(2019年11月26—29日)进行了现场实测，结果为：室外温度约24～27 ℃，展厅室内平均温度约23 ℃，一次侧主干管供/回水温度约5.2 ℃/12.1 ℃，二次侧主干管供/回水温度约6.3 ℃/13.3 ℃。供水温度基本与设计相吻合。因室内空调负荷相对较小、风机盘管未设置电动调节阀(仅出口处设置电动两通阀)、组合式空调机组的比例积分调节阀的精度等因素导致流量偏大，因此，回水温度相对设计值低。