消防水池蓄冷的应用分析

文／张佳莉 上海博尚建筑工程咨询有限公司 上海 200092

引言：

现如今能源消耗问题是社会讨论的热点问题，中国政府已经明确提出2030年前碳达峰，2060年前碳中和的目标，各行各业都必须逐步推进绿色改革绿色创新，以控制能源消耗总量及增速。工业生产是电力消耗的主要部门，近年来经常发生拉闸限电的情况，就是因为供电高峰的矛盾日益严重，而低谷时的电能又没有得到充分利用。如今各地都相继出台了峰谷电价的政策，并且不同时段电价的差值还在扩大，于是蓄冷技术的发展与应用得到了极大地推动。其中发展较为成熟的是冰蓄冷和水蓄冷。而水蓄冷相比冰蓄冷的技术要求低、机组效率高、运行维护简便[1]，更加得到青睐。但因其需要的蓄冷容器占用空间太大，在一定程度上限制了它的应用。

而一般现代工业生产中，都会设有较大体积的消防水池，但是因为积水不流动，容易滋生水生物，进而引起管道阻塞的问题。若能将水蓄冷技术应用至消防水池的设计中，通过对消防水池进行保温处理后，根据消防水池的形式制定不同的水蓄冷方案，将闲置的消防水池用作蓄冷水池，既可以使消防水池内的水循环起来流动起来提高水质，不会影响消防功能，又不占用场地、节省了初投资，与原制冷系统联合运行，实现不同运行模式的切换，是工业企业都愿意主动实施的节能工程。

1、工程概述

以某日用化妆品生产工业项目为例，该项目位于广州市番禺区，总占地面积约为93871m2，分为两期建设，其中一期总建筑面积约19 万m2，主要建筑物有生产用房3 栋、高架仓库1 栋、研发办公1 栋及附属配套用房等。目前处于初步设计阶段。下表1为项目所在地工业用电峰谷价格表。

表1 项目所在地用电峰谷价格

2、消防水池水蓄冷可行性分析

2.1 项目特征

（1）根据广州气候条件及工艺需求，本项目需要制冷，不需要单独加热。冷冻站统计各单体生产仓储区域24h 需要供冷，空调用冷量为9625KW，工艺用冷量为900KW；研发办公区域的空调冷量需求主要集中在白天用电平段及高峰时段，为1672KW。（2）本项目按最大一栋生产用房室内外消火栓、喷淋和水幕计算后共需要2148m3的消防用水量，在邻近一栋生产用房的地下一层设置2 座连通的消防水池，总有效容积为2220m3。（3）生产用房为主要的供冷建筑物，能源需求较大。在最大一栋生产用房设置能源中心，冷水机组机房位于该建筑地下一层，到消防水池的冷水输送管道距离较短。（4）本项目所在地上级10KV变配电站剩余容量有限，应尽量减少设备装机负荷。

综上所述，本项目非常适合利用消防水池做水蓄冷来使整个空调系统更节能环保，也可以大幅度降低后期运行费用。

2.2 消防水池蓄冷量估算

蓄冷水池的体积可按下式计算[2]：

V=（ESC×P）/（1.163＊η＊⊿t）

式中：ESC--设计日所需水池蓄冷量KW·h。

P--容积率与贮槽结构、形式等因素有关，一般为1.08 ～1.3，对分层蓄冷型水槽可取低限，对多槽混合型及容量小者可取高限。

η-蓄冷效率与蓄槽结构、形式、保温情况等有关，一般取为0.80 ～0.90。

⊿t-水蓄冷槽可利用的进出水温差，一般为6 ～10℃。

根据以上内容，消防水池蓄冷量可按下式计算：

ESC=V＊1.163＊η＊⊿t/P

考虑本项目消防水池位于地下，并加上良好的保温措施，蓄冷效率η 取值为0.9。蓄放冷温度为4℃/11℃，⊿t 为7℃。采用自然分层结构，P 取值为1.1。由此可计算出有效容积2220m3 的消防水池蓄冷量为：

ESC=V＊1.163＊h＊⊿t/P=2220＊1.163＊0.9＊7/1.1≈147 87KW·h。

2.3 主要设备

出于二期扩建考虑，本项目暂不减少制冷机组装机容量，设置2 台制冷量为850KW 的全热回收螺杆式水冷冷水机组和3 台制冷量为3514KW 的变频离心式冷水机组。其中1 台变频离心式冷水机作为蓄冷主机，实际蓄冷量完全能够达到消防水池蓄冷量。选用变频的蓄冷水泵和放冷水泵，互为备用设计。

在消防水池蓄冷循环水和空调冷冻循环水之间通过板式换热器隔离，形成两个独立的闭式水循环系统。如果不通过板换，而是将消防水池直接并联在空调水系统中，停泵时，由于无法很严密地关紧一些阀门，小部分冷冻水会回流到消防水池，造成浪费。另外，管道内会形成真空，空气的进入既有可能造成腐蚀，还需要在下一次启泵时先排气，带来额外的麻烦。而且加设板式换热器后，消防水池的水循环路线较短，再加上定期的排污和补水，可以大大提高消防水的清洁度。发生火灾时，只需要关闭消防水池的循环水泵，启动消防泵，消防水池的水就可马上用于消防系统。

3、消防水池水蓄冷的技术措施

3.1 水蓄冷的技术简介

水蓄冷技术是利用水的显热来实现冷量的存储，较为重要的环节是蓄冷水槽的结构设计，这一设计需要达到防止储存冷水与回流热水混合的目的。通常水蓄冷系统储槽结构设计有多蓄水槽方法、迷宫法、隔板法、分层法等[3]。本项目采用最简单，有效和经济的自然分层技术，通过合理的设计，蓄冷效率可以达到85%-95%[4]。该技术利用水的物理特性，温度为4℃的水密度最大，随着水温的升高水的密度减小，从而实现高效分层，进而实现高效蓄冷。

在蓄冷过程中，温度低、密度高的冷水进入水池底部，在冷、温水分界面处会形成一个温度过渡层--斜温层，力求斜温层内水的温度呈直线上升。维持一个薄而稳定的斜温层是成功的关键。随着冷水层的扩大，斜温层从下至上逐渐升高，推动顶层温度高、温水密度小的温水慢慢流出，直至水池中全是冷水；释冷过程则相反，斜温层自上而下逐渐降低，直到水池全是温水时消失。

图1

3.2 布水器设计

在消防水池的进出口处设置稳流器，再通过布水器使水以重力流平稳地导入或引出池内，确保水流在水池内得到均匀分配，受扰动小，让水能按不同温度对应的密度而分层。

根据弗兰德常数Fr ＜2（作用于流体的惯性力与浮力之比）和雷诺准数Re=800-2000（流体的惯性力与该流体的粘滞力之比），确定散流分配管所需要的长度及分配器的散流高度。再根据稳流器设计流量Q、散流孔设计流速V=0．2m／s，计算出所需散流孔面积及散流点个数。据此，在消防水池的底部和有效水位以下设置水流精密布水系统，将水流精确而平均地分布到水平面上，使斜温层厚度尽可能减小。

顶部布水器开孔向上，避免有直接向下冲击的动量，底部布水器开孔向下，避免有直接向上的动量。运用流量均流缓冲阀件和360度布水头等多项技术，保证每个出水口的流量均等,将水力垂直扰动厚度降低到30mm 以下，提高蓄能效率。

3.3 保温防水措施

因为此项目为新建项目，在消防水池的建筑结构设计时就考虑在池底和池壁设置外防水和外保温（双层SBS 改性沥青防水卷材外加设50 厚EPS 保温板）。同时采用内保温，以避免混凝土结构梁、柱形成冷桥，尽可能减少内壁传导形成的冷温水间传热从而造成内部冷损失，并防止水温周期性变化产生的应力对结构产生破坏。水池的内保温越好，斜温层厚度越小，工作性能越好。具体做法为：

（1）在消防水池内壁涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料。它含有活性化学物质，在混凝土的微孔及毛细管中形成不溶于水的枝蔓状结晶体，对混凝土结构有补强作用，具有极强的耐水压能力，还有自我修复性能，可长期防水[5]。（2）采用聚氨酯现场发泡保温。产生闭孔率不低于95%的硬泡体化合物—聚氨酯硬泡体（PUR），热导率≤0.023W/mK，是目前工业化保温材料中导热系数最小的。且比重轻、抗老化、防水性好、对混凝土有较强的黏附力。同时它的比强度较高，可以承受工人在上面施工作业。（3）在保温层内侧采用双层热熔焊接PVC 卷材防水。其具有拉伸强度高、伸缩率好、对基层伸缩开裂适应性强的特点，可避免与保温层伸缩不一致而脱落的问题。

3.4 控制系统

控制的思路是：夜间利用低谷电价启动冷机将冷量储蓄在消防水池中，白天将消防水池中的冷量释放出来，能耗高峰期同时启动冷机，用以弥补消防水池蓄冷量的不足。

除了常规的冷水机组控制及冷冻水泵变频控制外，另设消防水池的控制，监测进出水温度、流量和水位，并在水池内部垂直方向每隔300mm 设置一个温度传感器，对温度梯度进行监测。

通过自动控制系统对阀门及设备按预定状态进行开关及启停动作，满足不同运行工况，包括主机蓄冷、消防水池单独供冷、主机单独供冷和消防水池+主机联合供冷。

4、消防水池蓄冷系统运行策略及经济分析

4.1 运行策略

由于消防水池的蓄冷量不能满足总冷负荷，运行模式可以有制冷机组优先和蓄冷装置优先两种[6]。

制冷机组优先是设计由制冷机组提供均衡的冷量，用户需求的冷量与制冷机供冷量的差值由蓄冷装置提供。但当需求冷负荷不大时，蓄冷量的利用率就不高，如果没有良好的控制系统还会造成蓄冷量的残留，使得蓄冷系统比普通系统更加耗能。

蓄冷装置优先是设计将蓄冷装置所储存的冷量全部供给系统的冷负荷，当其不能满足要求时再由制冷机组来提供。这样就更充分地利用了峰谷电价差，减少运行费用。但要合理地分配释冷量和制冷机组供冷量的比例，并通过控制系统让蓄冷装置能按照计划释冷。

本项目为了实现更高的运行经济性，更好地起到削峰的作用，考虑供冷系统的负荷分布情况，仅在谷电时段（0：00-8：00）蓄冷；空调供冷季节仅在峰电时段（14：00-17：00，19：00-22：00）释冷，冷量不足由制冷机组补充供冷；平段全部由制冷机组供冷。不需要空调供冷的季节，蓄冷量只用于工艺用冷，在峰电时段只需要蓄冷水池释冷，在平段时段优先由蓄冷水池继续释冷，冷量不足时由制冷机组补充供冷。

4.2 经济分析

粗略比较仅由制冷机组供冷和采用消防水池蓄冷的主要设备构成及出投资成本，结果如下表2：

表2 主要项目比较

采用消防水池水蓄冷的空调系统，需要增加板式换热机组、布水器、水池循环泵及消防水池内保温等，预计增加投资约260 万元。

工艺全年供冷，空调每年供冷运行的天数为180 天，其中100%设计日负荷运行天数为18 天；75%设计日负荷运行天数为90 天；50%设计日负荷运行天数为54 天；25%设计日负荷运行天数为18 天。

峰谷电价差为0.7158 元/KW·h，平谷电价差为0.3112元/KW·h，制冷机组COP 取4.5，消防水池蓄冷量通过板式换热器转换降低14%，可供冷量为12717KW·h，则每年空调供冷期可节约电费约36.4 万，非空调供冷期可节约电费24.7 万，全年可节约电费61.1 万左右，投资回收期约为4.3年。

结语：

本文结合具体的项目条件，考虑①峰谷电价差大②冷源为冷冻水且低谷电价时有空闲的制冷机组③有较大的消防水池作为蓄水空间，提出采用消防水池蓄冷系统，即将蓄冷技术应用在消防水池中，对消防水池进行良好的保温构造设计并增加稳流器、布水器、板换、水池循环泵等主要设备，同时根据使用冷负荷情况制定水蓄冷系统运行策略，比较初投资并结合项目所在地的峰谷用电价进行经济分析。可以看出，利用闲置的消防水池做成蓄冷水池，具有这些优势：（1）相比增加蓄冷罐，节约了场地，减小了初投资；（2）不影响消防水池的消防功能，能够解决消防水池水质差的问题；（3）与制冷系统联合运行，可实现不同模式的切换；（4）减少用电费用，起到削峰平谷的作用。总体来看，将蓄冷技术应用至消防水池中，在经济上具有一定的可行性，同时也与节能环保的要求相适应。

需要补充说明的几点：（1）在夜间室外温度最低时蓄冷,可以提高制冷效率，并非只节钱不节能。（2）本项目出于未来扩建考虑，未减少冷水机组配置，而实际运行时会发现至少可以减少研发办公用冷量所需要的制冷机组，消防水池夜间的蓄冷量即可满足研发办公全天的负荷需求。这样可减少初投资，进一步缩短投资回收期。（3）要提高蓄冷量的利用效率并避免由于冷机频繁启闭导致制冷效率降低，必须合理设计蓄冷水池内的冷量释放，且保持制冷机组均匀的运行情况。建议在今后的运行过程中收集负荷信息，进行智能的预测控制，实现系统运行最高效，费用最低。