水蓄冷技术在药厂中的应用

张凤东

（北京天诚同创电气有限公司，北京 100176）

1.项目概况

1.1 项目简介

本项目为常规空调系统水蓄冷改造项目，主要供冷区域为生产车间，夏季供冷期（除去休假和厂内大修等情况）合计150d，每天24h 生产，具有稳定的冷负荷需求。

1.2 设计负荷

制冷机房内共有2 台（1 用1 备）额定制冷量1337kW冷水机组+1 台额定制冷量1597kW 冷水机组，总峰值负荷负荷为2934kW。

2.技术方案

本项目采用水蓄冷空调系统，预计最大蓄冷量为18810kWh/d，联合原系统冷水机组，共同满足厂区的全部冷负荷需求。

拟建设1 个容积为1800m³的蓄冷水罐，蓄冷罐直径9m，高度28.5m。

2.1 负荷曲线

根据实际运行情况，目前厂房冷负荷峰值约为2934kW。

冷负荷类型为工厂舒适性空调，一个自然日内随室外温度的改变各时段冷负荷有波动，峰值冷负荷出现在下午14:00 左右，典型日逐时冷负荷分布如图1 所示。

图1 典型日逐时冷负荷曲线图

2.2 系统配置

2.2.1 蓄冷/放冷工况参数（见表1 和表2）

表1 水蓄冷空调系统蓄冷工况参数表

表2 水蓄冷空调系统放冷工况参数表

2.2.2 制冷机组及其配套

制冷机房内共有2 台（1 用1 备）额定制冷量1337kW冷水机组，备用冷机处于闲置状态；1 台额定制冷量1597kW冷水机组，冷负荷峰值约为2934kW；夜间低谷电价时段采用2 台1337kW 冷水机组进行蓄冷及白天冷负荷调峰，1 台额定制冷量1597kW 冷水机组作为夜间机载机组及白天冷负荷调峰。

冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔均利旧。

冷却塔风机为变频电机，冷却水泵为工频，冷冻水泵进行变频改造。

2.2.3 蓄放冷水泵

本项目采用直接蓄冷，直接放冷的技术形式，冷量损失少，系统配置简洁，放冷量调节稳定，切换方便。

新增设3 台蓄/放冷变频水泵，2 用1 备，可灵活适应水蓄能系统的各种负荷情况，实现按需供冷。蓄放冷水泵放置于制冷机房内。

2.2.4 蓄冷水罐

新建1 个蓄冷水罐，单个容积约1800m³，蓄冷量18810kWh。

蓄冷水罐做外保温和防护处理。蓄水罐采用分层式蓄冷布水技术，内部设计有上下布水器，保证水流能够均匀细密地以层流的形式在蓄水罐内流动，进而在蓄水罐内可形成由上至下，或由下至上的缓慢的水流，使冷、温水尽可能缓和的掺混，减小斜温层高度，减小水蓄能系统能量损耗，提高蓄能效率。布水器的设计Froude＜1，以保证蓄水池在竖直方向上的温度分层。布水器的出口设计Re＜2000，降低对斜温层的干扰。

2.3 运行策略

将全年供冷分为100%、75%、50%和25% 4 个负荷时段进行测算，以设计日（100%负荷）时的运行策略为例说明：

在电力低谷时段（24：00—7：00）使用制冷站内2 台额定制冷量1337kW 的冷水机组蓄冷，蓄冷7.4h。在白天运行时，高峰电价时段，使用蓄冷水罐供冷；平价电价时段，优先使用蓄冷水罐供冷，不足部分由冷水机组补充。蓄冷水罐体积约为1800m³，水罐最大蓄冷量为18810kWh，水罐供冷量约占全年冷量需求的52%。100%冷负荷平衡图如图2 所示。

图2 100%负荷运行图

本系统供冷运行模式主要分为4 种工况：冷水机组蓄冷、蓄水罐单独供冷、冷水机组单独供冷和冷水机组＋水罐联合供冷工况。

2.4 系统投资

根据以上技术方案，水蓄冷空调系统设备配置及工程造价如表3 所示。

表3 水蓄冷空调系统设备配置清单

2.5 电力政策

推行峰谷分时电价政策，对于进行水蓄冷改造的空调系统用电，给予双蓄电价的优惠政策，10kV 双蓄电价的分时电价与两部制大工业分时电价对比表如表4 所示。

表4 双蓄与常规电价峰谷分时电价对比表（单位：元/kWh）

由表5 可见，采用水蓄冷空调系统，全年削减高峰时段电量约为43.5 万千瓦时，削减平峰时段电量约为30.5万千瓦时，填谷段电量约为55.1 万千瓦时。采用水蓄冷系统，通过耗电量移峰填谷，每年可节约运行电费60 万元（双蓄电价）。

表5 电制冷空调系统与水蓄冷空调系统全年制冷站移峰填谷电量及耗电量对比表

2.6 运行分析

根据不同的室外气象情况，将全年供冷分为100%、75%、50%和25% 4 个负荷时段进行测算。每个负荷段计算一个标准日内制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔和蓄放冷水泵在全天的逐时耗电量，得到一个标准日内的耗电量，从而计算全年的耗电总量，进而得到全年的电费总额。

2.7 电力需求响应

2020 年电网公司正式启动各省市电力交易现货试点，各省市均出台电力需求响应的相关政策。蓄能型空调，作为灵活可调节负荷，可参与电力需求响应的移峰或填谷类调节，可享受经济补助。

具体到本项目，系统的电力转移能力如表6 所示。

表6 电力转移能力表

3.水罐流场仿真验证

采用CFD 仿真模拟计算方法对蓄冷罐蓄冷放冷效果进行仿真分析，通过分析内部温度场、流场分布合理性得出最优蓄水罐设计方案，以分析解决蓄水罐可能出现的布水不均匀、无法形成斜温层出现混水或斜温层[2]过厚等问题。

本模拟过程温度场形成稳定厚度斜温层，保证了实际充冷率。实际工程，很少进行模拟仿真验证导致实际运行中不能形成斜温层，甚至整个水罐蓄满混水，导致不能放出设计工况的低温冷水，达不到蓄能效果。

4.结论

（1）水蓄冷空调系统的应用既节省了运行成本，又有利于电力市场调节，经济效益与社会效益并存。（2）通过对水罐蓄冷放冷流场模拟仿真验证，得出形成稳定温度场与速度场的流场效果，保障实际运行更加贴合设计工况。