基于双机头串联逆流的大温差水蓄冷空调系统应用研究

2022-10-12周伟

中国设备工程 2022年19期

周伟

（珠海格力机电工程有限公司，广东珠海 519070）

由于目前我国电力消耗增长迅速，高峰电力紧张，因此，如何转移高峰电力需求，“移峰填谷”，平衡电力供应，提高电能的有效利用，就成为当前许多国家重点解决的问题。基于此，蓄冷空调技术在我国的应用将成为趋势，蓄冷技术是指利用夜间低谷负荷电力制冷并储存在蓄冷装置中，白天将所储存的冷量释放出来，以减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量。其能够有效利用低谷电能，具有平衡峰谷、缓解供应紧张等优点，具有很好的节能效益、经济效益。

传统的水蓄冷技术存在蓄冷温差小，蓄冷占地面积大等问题，本文在常规水蓄冷系统的基础上，通过优化蓄冷罐提升蓄冷温差，减少蓄冷罐容积和投资费用。机组采用双机头形式，可满足夜间蓄冷以及白天机组与蓄冷罐联合供冷，本系统充分利用了双机头机组、大温差水蓄冷、两级表冷、热湿联合处理的优越性，可获得最大程度上的经济性和节能性。

1 系统原理

基于温湿度独立控制的水蓄冷空调系统，本文公开了一种基于双冷源两级表冷的大温差水蓄冷空调系统，其主要结构如图1所示，该系统包括双机头主机、水蓄冷罐、冷却塔、水泵、机房辅助设备、末端等装置，其中冷源为双机头机组串联逆流，可提供2种工况的冷却水，水蓄冷罐为袋式隔膜水蓄冷罐，温度呈梯度分布，可直接向末端供冷，无需安装板式换热器，减少换热损耗可以实现大温差供冷。相比于传统水蓄冷系统经板式换热器换热供冷的模式，系统的蓄冷罐容积与常规水蓄冷系统相比，占用空间可大幅减少。末端为组空机组，采用双级表冷，双机头机组一侧提供高温水到表冷器1，水蓄冷罐提供低温水到表冷器2，对室内的湿负荷与冷负荷联合处理。

图1 系统原理图

该系统运行模式包含3种模式：（1）主机向水蓄冷供冷，（2）主机与水蓄冷联合供冷，（3）过渡季节水蓄冷单独供冷。首先在夜间电力低谷时期，冷水机组运行，将冷量以低温冷水的形式储存在蓄冷罐中；在白天时间，由机组与蓄冷罐共同承担空调负荷，双机头主机提供12~20℃的高温水到组空表冷器1，水蓄冷罐提供4～12℃的低温水到组空表冷器2，混风经过两级表冷达到除湿冷却的目的；在过渡季节，室内空调负荷较小时，空调负荷全由水蓄冷罐提供。

2 系统设计

双机头主机采用串联逆流技术，可以实现大温差供冷，本文将双机头主机与袋式隔膜水蓄冷系统2种技术有机组合，结合组空机组的两级表冷，使得空调系统在不同季节对应系统不同的供冷模式。

2.1 冷源的选择

传统的水蓄冷系统中，制冷主机为单机头机组，工况为7/12℃，导致水蓄冷罐中的温差很小，水蓄冷罐所需体积增大。本系统冷源选择了双机头机组，含有2个制冷循环系统，每台压缩机内的制冷剂循环相互独立，即压缩机1将蒸发器1内的制冷剂吸入其内，然后排入冷凝器1，经节流进入蒸发器1。压缩机2流程与压缩机1相同。换热器的设计采用串联逆流的方式，当冷冻水流经蒸发器时，冷冻水先经过蒸发器1降温，再经过蒸发器2再次降温，同时冷冻水与制冷剂逆向流动换热。

系统主机为双机头主机，采用串联逆流的形式，制冷机容量需要满足日间预冷的负荷需求和夜间蓄冷的需求。主机白天供冷时，一个机头提供12～20℃的高温水，到达表冷段1，夜晚蓄冷时2个机头共同工作，其中一个机头提供的12～20℃的高温水到达另外一个机头继续制冷到4～12℃，低温水到达蓄冷罐，满足蓄冷需求。

2.2 末端设计

该系统末端选用组空系统，为了达到更好的除湿效果，冷凝除湿一般要求以7℃或以下的低温冷水作为冷媒，组空系统包含2个表冷段，冷源系统供给过来的低温水与高温水分别接入表冷段1和表冷段2。

室外新风与室内回风混合后依次经过预冷、冷却除湿过程，最后通过风管送到房间内。负责输配的送风机采用 EC 变频风机，可以根据新风需求调节送风量。

（1）预冷过程：新风通过进水水温为16～20℃的高温水盘管（预冷器）进行预冷，该过程以显热换热为主。

（2）冷却除湿过程：预冷后的空气进入蒸发器进行冷却除湿，该过程以潜热换热为主。

2.3 空气处理过程

该系统所采用的组空系统采用热湿联合处理、一次回风、露点送风的处理方式，系统焓湿图如图2所示。根据设计条件确定室内状态点，由室内的余热余湿确定热湿比线，新风从室外状态点W与室内状态点N处的回风混合处理到混合状态点C点，混风经过表冷器1预冷，再经过表冷器2冷却除湿到露点，混风处理到露点直接送入室内。

图2 空气处理焓湿图

公式（1）~（2）中：

V-混风空气体积；

2.4 蓄冷罐的选择

传统的水蓄冷罐为单一罐体，蓄冷时想要将蓄冷罐的高温水变为低温水，需要主机供给的冷量很大，在室内负荷较小时，制冷机供给的冷量小，水蓄冷罐的温度未达到使用要求，本系统采用2个水蓄冷罐，蓄冷时主机供冷先将水蓄冷罐1充满，在蓄冷罐1全变为冷水时，低温水向蓄冷罐2供冷，释冷时先释放水蓄冷罐1中的冷水，低负荷情况下水蓄冷罐中蓄冷量很少，采用2个蓄冷罐时，蓄冷优先供给一个蓄冷罐，保证第一个蓄冷罐可以供给低温水。

系统采用袋式隔膜水蓄冷罐，水蓄冷罐供冷时无需板式换热器，可以实现大温差供冷。系统的蓄冷罐容积与常规水蓄冷系统相比，占用空间可大幅减少。蓄冷罐体积由主机蓄冷时工况和蓄冷时间决定。

冷水和温水之间存在水密度差异。低温下的水沉积在罐的下方，高温下的水沉积在冷水之上。高温水与低温水间存在袋式隔膜进行分离，供冷时无需板式换热器；当晚上蓄冷时，空调系统的低温水从罐体的底部进入，高温水从罐体的顶部流出；当水蓄冷罐供冷时，低温水从罐体的底部流出，流经组空末端表冷器2后，高温水从罐体顶部回来。若同时合理利用消防水池，可以进一步优化该设计。

3 运行模式

根据当地的峰谷电价政策，夜间电力在低谷时，双机头主机全负荷运行，供给4℃的低温水储存在蓄冷罐中；在白天空调时段时，主机供给12～20℃的高温水到表冷器1，水蓄冷罐的冷量以4～12℃的低温水形式供给到表冷器2；系统白天供冷时主机与蓄冷罐一起运行。

所述系统供冷模式包括主机向水蓄冷供冷、蓄冷水罐供冷、主机与水蓄冷联合供冷、过渡季节水蓄冷单独供冷。根据图1系统原理图来讲述各个过程所经过的装置。

3.1 充冷流程

夜晚电价低谷时，主机向蓄冷罐供冷时，冷冻水依次经过的结构为：蓄冷水罐温水端——充冷泵——主机——蓄冷水罐冷水端。

3.2 主机与水蓄冷联合供冷

如图4所示，主机向表冷段1供冷时，冷冻水经过的结构为：末端回水——水泵——主机——表冷器1；蓄冷水罐冷水端——供冷泵——表冷器2。

3.3 过渡季节蓄冷罐供冷

如图5所示，过渡季室内冷负荷较小时，系统供冷由水蓄冷罐单独承担，4~12℃的低温水由水蓄冷罐出到达表冷段2，后低温水变成12～20℃的高温水到达表冷段1，再回到水蓄冷罐中，低温水所流经的结构为蓄冷水罐冷水端——供冷泵——表冷器2（4/12℃）——表冷器1（12/20℃）。

4 案例分析

4.1 建筑模型

以某展厅为例来对该建筑空调系统进行阐述，该展厅位于珠海高栏港，位于夏热冬暖地区，湿度很大。在DEST软件平台上建立建筑的负荷模型，如图3所示。

图3 建筑全年各项负荷

4.2 模拟分析

展厅空调使用时间为8:00~18:00，适合利用夜间低谷电蓄冷。空调负荷全天峰谷差较小，目前珠海地区实行峰谷电价制，且采用蓄冷空调时，将给予分时电价优惠政策。经过模拟计算案例全热负荷约495kw，展厅的最高负荷出现在7~9月，在高负荷时，充分利用主机供冷与水蓄冷罐联合供冷的优势；在部分负荷时，系统采用水蓄冷单独供冷。

4.3 运行情况

该展厅夜间空调系统不开启，选择双机头主机，制冷量为495kw，夜间蓄冷4h，换热温差为8℃，则水蓄冷罐体积：

其中：

V-蓄冷罐体积；

Q-主机夜晚制冷量；

蓄冷罐采取低温水从下方进入，高温水从上方出，合理利用温度梯度分布，大温差水蓄冷系统蓄冷密度大，占用空间更小。

模拟计算，案例全热负荷为495kw，得到空调负荷设计日工作时段累加总冷负荷。空调系统采用两级表冷系统，水蓄冷向表冷段2供给低温水，承担深度冷却除湿的冷负荷，当空调负荷处于100%时，主机与水蓄冷罐一起供冷，当空调负荷处于50%及以下时，空调负荷可由水蓄冷罐供冷，此时，低温水先经过组空表冷段2，再经过表冷段1，最后回流到水蓄冷罐，实现了大温差供冷，改善了蓄冷罐容积过大的问题。

4.4 全年能耗分析

该办公楼夜间空调系统不开启，基载容量不设置。冷机选择一台400kW双工况冷水机组。经计算得出，制冷机装机容量降低了20%。经核算，设计工况运行蓄冷率为66%。机组夜间蓄冷，夜晚将蓄冷罐蓄满，白天设置每小时最大低温水供冷量，当低温水蓄冷量不能承担建筑负荷时，多余的冷负荷由机组承担。以此得到机组白天和晚上的耗电量及机房的能耗汇总如表1所示。