蓄冰空调系统设计

5．3．2　蓄冰空调系统设计

冰蓄冷空调代表着当今世界中央空调的先进水平，预示着中央空调的发展方向，有如下优点：

①减少空调机组装机容量25%～45%；

②减少建筑物中能源消耗量15%～38%；

③减少电厂发电设备装机容量8%～34%；

④增加电厂使用率约25%；

⑤减少建筑物电力设备初投资15%～25%；

⑥提高空调机组使用效率15%～25%；

⑦提高了机组操作灵活性；

⑧具有较好的应急作用；

⑨减少烟尘和CO₂的排放量及CFC用量，具有环保效益。

1）蓄冰系统运行策略

蓄冰空调系统应转移多少高峰负荷、储存多少冷量才具有最佳的经济性，首先取决于采用何种运行策略。根据建筑物空调负荷分布、电费计价结构、设备容量及机房空间等因素的，有全量蓄冷和部分蓄冷两种策略可供选择。

（1）全量蓄冷策略

制冷机组在电价低谷时段全负荷运行，制得所需要的全部冷量。在电价高峰时段，不必开启制冷机组，所需冷负荷全部由融冰来满足。该运行策略适用于白天供冷时间较短的场所（如体育馆、教堂、舞厅等）或峰谷电价差价很大的地区。

①优点

最大限度的转移了电力高峰期的用电量，使运行成本降低。

系统控制简单，易于系统调试及运行管理。

②缺点

系统蓄冰容量、制冷机组及配套设备的容量较大，系统的初期投资较高。

（2）按负荷均衡的部分蓄冷策略

制冷机组在设计日工况下以满负荷运行；当制冷机组的供冷量小于冷负荷量时，不足部分由融冰供冷来满足。制冷机组在电力低谷期全负荷运行，制得所需要补充的全部冷量。

①优点

适用于高峰冷负荷时间长且各高峰冷负荷大大高于平均负荷的场合。

系统灵活，蓄冰融量及制冷机组容量较小。

初期投资小，收回周期短。

②缺点

系统运行费用较全量蓄冰策略高。

一般根据工程冷负荷、应用时段及制冷机房现有面积的实际情况，并考虑初投资的经济性，决定采用何种蓄冷策略。

2）蓄冰系统组成形式

蓄冰系统组成形式的合适与否直接关系到系统的运行效果。合理可行的组成形式将会得到稳定可靠的系统工作性能，最终保障建筑物空调系统的正常供冷要求。在蓄冰系统流程中，按制冷机组与蓄冰设备的相对位置不同，有三种组成形式可供选择：并联方式、串联（制冷机组上游）方式、串联（制冷机组下游）方式。这三种系统形式都有成功运行的工程实例。

（1）并联形式

并联连接方式如图5．7所示，制冷机组与蓄冰设备并联连接，二者的入口溶液温度相同，能均衡发挥制冷机组和蓄冰设备的效率。通常情况下，设定系统（制冷机组及蓄冰设备）出/入口温度为5/10℃。在并联方式下，制冷机组与蓄冰设备分别处于相对独立的环路中，操作控制简单灵活，系统节能效果更为显著，无论对螺杆式冷水机组或是三级离心式冷水机组均适用。

图5．7　并联连接方式图

（2）串联（制冷机组上游）形式

串联（制冷机组上游）形式如图5．8所示。

图5．8　串联连接方式（制冷机组上游）

制冷机组位于蓄冰设备的上游，在乙二醇溶液循环回路中，回水溶液先经过制冷机组冷却后，再经蓄冰设备释冷冷却至空调负荷要求的供冷温度。这种形式下主机的效率较高，蓄冰设备的效率较低。当选用螺杆式制冷机组时，由于主机的制冷效率受回液温度的影响较大，因此应优先考虑此种形式。在制冷机组蓄冰的同时需要供冷的情况下，也应采用此种系统形式。

（3）串联（制冷机组下游）形式

串联（制冷机组下游）形式如图5．9所示。

图5．9　串联连接方式（制冷机组下游）

制冷机组位于蓄冰设备的下游，在乙二醇溶液循环回路中，回水溶液先经过蓄冰设备释冷冷却后，再经制冷机组冷却至空调负荷要求的供冷温度。这种形式下蓄冰设备的效率较高，主机的效率较低。但是采用三级离心式冷水机组可以最大限度地减少主机效率的损失。

本实例中，考虑到系统容量的大小及制冷机房的面积，采用串联（制冷机组上游）形式系统。乙二醇侧系统供水温度为3．5℃，回水温度为10．5℃。空调冷水侧送水温度为7℃，回水温度为12℃。

本实例中，冷负荷主要集中在白天，从总体上看全天负荷存在较大的变化。因此可以将白天电力高峰段的部分负荷在晚间通过双工况制冷机组储存在蓄冰装置里，在白天电力高峰段通过不开或者少开主机来降低运行费用。

为节省初投资，冰蓄冷系统方式选用负荷均衡的部分蓄冰及温差可以较大的主机上游的内融冰串联系统，同时蓄冰设备选用益美高公司生产的高效蓄冰盘管。由于乙二醇水溶液的温度较低，可以保证板式换热器在为系统提供3．5℃出水的同时有较高的效率和较低的初投资。在典型设计日，空调冷负荷由制冷机和蓄冰槽共同承担；非典型设计日通过优化控制来满足冷负荷需求，并将系统运行费用降低到最低。

该系统在需要供冷时，乙二醇溶液首先经过冷机在空调工况下降温以保持较高效的工作，再经蓄冰槽的冷却使温度进一步降低，这样板式换热器的进/出口处乙二醇溶液可以达到较大的温差，从而使在相同的负荷条件下，串联系统乙二醇溶液的流量较小。

3）蓄冰空调系统运行模式

工程冰蓄冷系统运行模式主要分为四种：制冷机蓄冰、制冷机单独供冷、制冷机联合蓄冰槽供冷以及蓄冰槽供冷。

（1）蓄冰冷机夜间蓄冰（00：00～08：00）

该时段为电力低谷期，根据蓄冰系统的优化原理，制冷机在电力低谷时段充分利用当地的低价电运行制冰。在该时段内，制冷机满负荷运行，通过低温的乙二醇溶液将蓄冰槽内的水制成冰。制冷机在蓄冰工况下运行时，效率有相应降低。乙二醇溶液在制冷机、蓄冰槽及板换之间循环，随着蓄冰量的增加和时间的推移，制冷机的出口温度逐步降低。根据设计要求，标准设计日制冷机夜间8小时蓄冰量达到6　930 RTh，当蓄冰槽的蓄冰量达到要求时，制冷机自动停止蓄冰工况运行，转为常规工况运行。系统运行原理如图5．10所示。

图5．10　蓄冰冷机夜间蓄冷运行原理图

（2）冷机和蓄冰槽联合供冷

该时段为电力高峰段，同时在该时段内空调冷负荷较大，为了尽量减少系统的电力运行费用，冷负荷由制冷机联合蓄冰槽供冷。在该时段内，制冷机主机处于空调工况，蓄冰主机出口的乙二醇和蓄冰槽融冰后的乙二醇溶液混合进入板换。在非标准设计日内，空调冷负荷有相当减小，通过优化控制可实现蓄冰槽的有效融冰并保证满足系统内的冷负荷需求。系统运行原理如图5．11所示。

图5．11　冷机和蓄冰槽联合供冷运行原理图

（3）冰槽单独供冷

在过渡季节，为了避免在电力高峰期内开启冷机以及冷机的低效运行，该时段内蓄冰槽的总融冰供冷量为空调系统负荷的全部。根据优化控制原则，为了减少运行电费，该时期的冷负荷由蓄冰槽单独提供；制冷机白天停止运行，只在电力低谷段运行蓄冰。在该工况下，蓄冰槽里的冰融化，冷量经过3．5℃的乙二醇水溶液进入板换；板换的另一侧为空调系统提供7℃的冷冻水。系统运行原理如图5．12所示。

图5．12　冰槽单独供冷运行原理图

（4）蓄冰冷机单独供冷

空调冷负荷结构改变时，为了使蓄冰槽的冷量尽量用于电力高峰时段，平峰时段内的冷负荷可以适当由制冷机单独提供。这时蓄冰槽与系统隔离开，蓄冰主机以空调工况运行，通过板式换热器向空调系统提供冷冻水。系统运行原理如图5．13所示。

图5．13　蓄冰冷机单独供冷运行原理图

4）不同时段采用的工作模式说明

设计日（100%负荷）负荷分配情况：为了充分利用蓄冰槽和制冷机的供冷能力，最大的降低系统运行电费，空调冷负荷在不同时段分别由制冷机和蓄冰槽承担。结合电价政策，双工况制冷机在夜间电力低谷时段（00：00～08：00）进行蓄冰；为了合理化运行及减小设备容量，在所有的日间电力高峰段都尽量由制冷主机供冷，不足部分由冰槽补足。在这种运行策略下，可以使空调供冷得到最优化的分配，同时尽可能地降低运行电费。

（1）部分蓄冰空调设计日负荷平衡（100%），如表5．7所示。

表5．7　部分蓄冰空调设计日负荷平衡（100%）

续表5．7

供冷空调100%负荷分配如图5．14所示。

图5．14　供冷空调100%负荷分配图

（2）部分蓄冰空调设计日负荷平衡（75%），如表5．8所示。

表5．8　部分蓄冰空调设计日负荷平衡（75%）

供冷空调75%负荷分配如图5．15所示。

图5．15　供冷空调75%负荷分配图

（3）部分蓄冰空调设计日负荷平衡（50%），如表5．9所示。

表5．9　部分蓄冰空调设计日负荷平衡（50%）

供冷空调50%负荷分配如图5．16所示。

图5．16　供冷空调50%负荷分配图

（4）部分蓄冰空调设计日负荷平衡（25%），如表5．10所示。

表5．10　部分蓄冰空调设计日负荷平衡（25%）

续表5．10

供冷空调25%负荷分配如图5．17所示。

图5．17　供冷空调25%负荷分配图