水蓄冷系统在公共建筑节能改造中的应用

2021-11-10中国建筑标准设计研究院有限公司于晓磊刘莉馨李荣伟

暖通空调 2021年10期

中国建筑标准设计研究院有限公司于晓磊张红刘莉馨梁琳李荣伟甄楷

0 引言

20世纪90年代以来，我国经济快速发展，能源消费速度也日益增长。1990—2016年，我国总能源消费量由9.87亿t标准煤上升到43.6亿t标准煤[1]。2018年，中国建筑总量达到601亿m2，商品能耗总量10亿t标准煤，CO2排放总量20.9亿t[2]。然而，中国的人均能源资源拥有量在世界上还处于较低水平，煤炭、石油和天然气的人均占有量仅为世界平均水平的67.0%、8.0%和7.5%；中国单位国内生产总值能耗远高于发达国家。在能源利用效率方面，社会各领域、行业和部门的节能增效工作已经刻不容缓，成为当务之急。

北京地区城镇建筑总面积达到8.4亿m2，其中公共建筑面积为3.2亿m2，建筑能耗约占全社会能源消耗总量的40%[3]。其中，大型公共建筑能耗增长趋势突出，因此，进一步提高节能要求，采用各种节能技术进行系统改造，从源头降低北京市公共建筑的能耗已是首都节能工作的重点内容。

1 工程概况

该项目位于北京市海淀区，地处长安街沿线，建筑面积6.3万m2，建筑高度98 m。于1984年设计，1986年开工，经历20世纪90年代的停缓建阶段，于1996年正式建设完成。2007年二次装修改造，2009年11月重新投入使用。整体建筑地下2层、地上26层，其中主楼及裙楼1～4层是多功能区和会议区，主楼5～14层为宾馆客房区，15～24层为某国家机关办公区。建筑平面图如图1所示，南立面图见图2。

图1 平面图

图2 南立面图

图3 地下2层消防水池平面图

图4 迷宫式蓄水池设计

2 系统设计

2.1 空调系统概况

该项目供暖、空调系统分为高、低2个区域运行，其中高区为主楼1～26层，空调面积约2.57万m2，低区为裙楼及配楼区域，空调面积约2.57万m2。

项目建设时，空调系统选用了2台单台制冷量2 907 kW的双效溴化锂直燃机进行制冷。低区系统采用一级泵直供系统，高区因设备承压问题，通过2台板式换热器进行二级泵间接供冷，冬季供暖采用市政热力，末端为两管制供暖空调系统。2007年装修时因设备严重老化，进行了一次大的升级改造工程，于2009年正式竣工并投入运行。此次改造因溴化锂直燃机效率衰减及设备老化，在充分利旧的前提下新增了2台单台额定制冷量1 438 kW的螺杆式制冷机，负责高区空调系统制冷。拆除板式换热器，对高区系统采用一次泵直接供冷，减少了输配系统能耗并有效降低了冷源温度，提高空调系统效率。溴化锂直燃机仅负责低区制冷。空调系统参数如表1所示。

表1 空调系统参数

2.2 空调系统能耗统计

该项目2015、2016年空调系统能耗分别如表2、3所示。

表2 2015年空调系统能耗

表3 2016年空调系统能耗

连续2年的能耗数据显示：该项目空调系统主机及输配系统的总运行费用约为140万元。其中低区空调费用较高，约为75万～90万元。因低区空调系统在最近一次改造中未更换，仍然使用原有设备，系统匹配度不好，输配系统功率过大、耗电较高，同时双效溴化锂制冷机因机型老旧、运行年限长、效率低、设备老化，造成在夏季制冷工作时间较短的情况下运行费用仍然很高，根据上述数据及对该项目空调系统的整体评估，确定应首先对低区空调系统进行节能改造。

3 节能改造方案

将低区空调系统溴化锂直燃机及输配系统报废，新购置1台额定制冷量约为1 500 kW的螺杆式压缩机及配套输配系统，并重新启用地下蓄水池，同时应用水蓄冷技术，削峰填谷。

蓄冷系统一般由制冷、蓄冷及供冷系统组成。制冷、蓄冷系统由制冷设备、蓄冷装置、辅助设备、控制调节设备四部分通过管道和导线(包括控制导线和动力电缆等)连接组成。载冷剂通常为水或乙烯乙二醇溶液(简称乙二醇溶液)。供冷时可由制冷设备单独制冷供冷，或由蓄冷装置单独释冷供冷，或二者联合供冷[4]。蓄冷介质通常选用水、冰、共晶盐。本次改造考虑到项目现状，确定采用水蓄冷方式。

水蓄冷系统具有以下优点：

“波束成形（Beamforming）”技术是无线充电技术领域的研究热点之一。美国麻省理工大学研发的Mag-MIMO（Magnetic-MIMO）无线充电系统首次将波束成形技术应用于无线充电领域[3]。基于该技术的无线充电系统，使得原本全向传输的能量集中传输至某个或某些特定方向。这将有助于延长充电距离、提高充电效率，并增强抗干扰性[4]。

1) 降低空调制冷系统投资，制冷系统的容量按日均负荷选择即可，无需再按最大小时冷负荷选取，使装机容量减少20%～50%。

2) 直接取冷，供冷速度快，仅需10～15 min即可对末端设备进行供冷，常规系统则需1 h左右，且不像冰蓄冷系统对取冷功率有较大限制。

3) 可以利用项目现有的蓄水池或消防水池，减少初投资，适合用于改造和扩建项目。

3.1 低区空调系统冷负荷计算

经查阅相关运行资料及详细计算，该项目低区空调系统峰值冷负荷约为2 500 kW，出现在设计日13:00左右。考虑到该项目的特点，采用综合逐时负荷系数法计算出各时刻冷负荷分布，如图5所示。

图5 设计日空调逐时冷负荷

计算可得低区空调系统夏季空调设计日总冷负荷为19 875 kW·h。

3.2 蓄冷水池蓄冷量计算

蓄冷水池尺寸为27 m×27 m×2.91 m(长×宽×高)，去除分隔墙及必需的通气设备后，有效容积约为1 700 m3。

消防水池蓄冷量[5]：

Qs=ρVcpΔtFα

(1)

式中Qs为蓄冷水池内可用蓄冷量，kJ；ρ为蓄冷水的密度，取1 000 kg/m3；cp为水的比定压热容，取4.187 kJ/(kg·℃)；Δt为释冷时回水温度与蓄冷时进水温度的温差，℃；F为蓄冷水池的冷量释放系数，考虑混合和斜温层等的影响，一般为85%～90%；α为蓄冷水池的体积利用率，考虑散热器布置和蓄冷水池内其他不可利用空间的影响，一般为95%。

计算得出该项目地下蓄冷水池的总蓄冷量Qs约为11 504 kW·h。

北京地区普通商业用电峰谷分时电价见表4。

表4 北京地区商业峰谷分时电价

3.3 水蓄冷系统设置及运行策略

该方案采用开式水蓄冷系统(见图6)，可提高蓄冷系统的能源利用效率，但应注意控制水质，以及自动控制系统完整性和安全性，防止系统失水。

图6 开式水蓄冷系统原理图

系统运行模式主要分为4种工况：制冷机蓄冷、蓄冷水池单独供冷、制冷机单独供冷和制冷机+水池联合供冷工况。水蓄冷系统如图7所示。

注：T1～T6为阀门。图7 水蓄冷系统图

4种工况运行时各阀门的动作状态见表5。

表5 水蓄冷系统控制策略

4 能耗计算

根据北京地区天气情况及该项目空调系统历史运行数据等，采用简化计算的方式，将低区空调系统负荷划分为100%、65%、35% 3种情况进行分析。

4.1 100%负荷

设计日100%负荷的运行策略(见图8)：根据低区空调设计日的热负荷平衡表，在夜间的电力低谷时段(23：00至次日07：00)使用螺杆式制冷机蓄冷8 h，把蓄冷水池冷量蓄满；蓄冷水池的蓄冷量白天可满足全部高峰时刻用冷需求，其余时段运行螺杆式制冷机供冷。

图8 100%负荷空调系统运行策略

100%负荷系统运行费用计算如表6所示。

表6 100%负荷空调系统运行费用

通过逐时模拟计算，100%负荷情况下，低区空调系统日运行费用约为3 447元。

4.2 65%负荷

设计日65%负荷的系统运行策略(见图9)：由于全天的总冷负荷有所减少，所以可以减少白天的制冷机开机时间；在夜间电力低谷时段(23：00至次日07：00)使用螺杆式制冷机蓄冷8 h，把蓄冷水池冷量蓄满；蓄冷水池的蓄冷量白天可满足全部高峰时刻用冷需求，其余时段运行螺杆式制冷机供冷。

图9 65%负荷空调系统运行策略

65%负荷系统运行费用计算见表7。

表7 65%负荷空调系统运行费用

通过逐时模拟计算，65%负荷时水蓄冷系统日运行费用约为1 855元。

4.3 35%负荷

设计日35%负荷系统的运行策略(见图10)：在该负荷状态下，由于全天的冷负荷低于蓄冷水池的可蓄冷量，所以在夜间的电力低谷时段(23：00至次日07：00)，使用螺杆式制冷机蓄冷4.8 h即可满足白天空调用冷需求，不用把蓄冷水池冷量蓄满；白天所有冷负荷全部由蓄冷系统承担，只运行循环水泵即可，可以显著减少运行费用。