水蓄冷系统节能中央空调工程设计分析

水蓄冷系统节能中央空调工程设计分析
摘要：在进行水蓄冷系统节能中央空调系统设计时, 须准确的分析建筑物空
调负荷特点, 并计算建筑物的逐时负荷, 然后根据计算负荷的特点和运行方式来
确定主机选型和控制方案, 目的是减少设备的装机容量, 满足各运行时段的负荷
需求, 保证主机效率, 充分利用水蓄冷系统装置的优势, 减少系统的能耗。

进行
系统设计时, 须结合系统的运行特点, 从系统全局的观点来考虑各设备的匹配和
综合效能, 在设计建模的过程中, 需要在满足建筑空调需求的约束条件下, 实现
运行费用目标函数最小的目标。

水蓄冷系统节能设计需要实现满足经济、可靠、
灵活、高效的设计要求。

关键词:水蓄冷;空调；节能;设计;
一、水蓄冷技术中央空调系统简介
水蓄冷中央空调系统是用水为介质，将夜间电网多余的谷段电力（低电价时）与水的显热相结合来蓄冷，以低温冷冻水形式储存冷量，并在用电高峰时段（高
电价时）使用储存的低温冷冻水来作为冷源的空调系统。

常规电制冷中央空调系
统分为两大部分：冷源和末端系统。

冷源由制冷机组提供6 ℃～8 ℃冷水给末端
系统，通过末端系统中的风机盘管，空调箱等空调设备降低房间温度，满足建筑
物舒适要求。

采用蓄冷空调系统后，可以将原常规系统中设计运行8 h或10 h
的制冷机组压缩容量35%～45%，在电网后半夜低谷时间（低电价）开机，将冷量
以冷冻水的方式蓄存起来，在电网高峰用电（高价电）时间内，制冷机组停机或
者满足部分空调负荷，其余部分用蓄存的冷量来满足，从而达到“削峰填谷”，
均衡用电及降低电力设备容量的目的。

图 1 水蓄冷改造项目的系统原理图
二、节能效益分析
2.1用户效益
水蓄冷系统可以大幅度降低用户的空调运行电费，降低经营成本。

蓄能系统的用电策略是：在低电价时段制取冷（热）量储存起来，在相对高电价时段少用或不用电，把储存的能量释放出来使用。

电力部门施行的峰谷时段的电价比可达4∶1，因此由于电价差而节省的运行电费达30%～70%。

且采用空调蓄能技术后，主机设备在储能运行时的效率相对于常规运行可提高6%～8%，空调系统总的节电
率不低于10%。

图 2 水蓄冷空调的运行方式
在用户扩容改造或新装制冷中央空调系统时，按蓄能方式设计系统，由于在空调负荷高峰时，可以使用预先储存的冷量来供冷，因此不必象常规空调系统那样按高峰负荷配备主机设备，而是按全天的平均负荷来配备空调主机设备，由于夜间蓄冷承担了白天的部分负荷，系统装机容量可减少达30%～50%。

不仅大幅度减小了制冷主机的初装机容量和初投资、而且有效降低了配电系统的容量和初投资。

2.2项目介绍
某城市电子有限公司投资建设的二期厂房项目位于某地区东路北侧, 该项目地上2层, 总建筑高度10.6m, 建筑面积约29143 m2, 空调面积约21000m2, 厂房全天24小时供冷, 全年供冷天数约为310天。

空调系统峰值负荷1000RT, 全天空调总负荷为16800RTH。

设计日逐时冷负荷分布如图3。

图3设计日逐时冷负荷分布图
由上图可以看出13点及14点时冷负荷达到最大值。

2.3制冷站及水蓄冷系统主要设备配置(如表4)
表4 制冷站及水蓄冷系统主要设备配置表
三、蓄冷水池
3.1蓄冷水池内部布水器设置
蓄水池的水槽采用自然分层水蓄冷技术, 它的原理是使水以重力流平稳地流入或引出水槽, 以便使水按不同温度相应的密度差异依次分层, 形成并维持一个稳定的斜温层, 以达到布水均匀、散流可靠的技术要求。

蓄冷水池内部应设置垂直方向的温度测量系统, 以便操作人员直观的观测到水池内斜温层的大略状况, 确保斜温层厚度应≤500mm。

3.2蓄冷水池的保温
为了减少蓄冷水池的冷量损失和减少因水池壁的传热引起斜温层的形成, 保证蓄冷水池内没有冷桥, 对蓄冷水池内壁需要进行内保温。

保温材料采用防水泡
沫玻璃, 保温材料厚5cm, 该材料耐水, 能保证长时间 (30年) 在水中保温效果不下降。

保温材料的容重:r=40kg/m3, 保温材料的导热系
数:λ=0.025+0.00023Tm。

3.3蓄冷水池的控制系统
自动控制系统的要求是实现投运制冷机组台数与蓄冷量相匹配。

在夏季的时候, 蓄冷水池的冷量不足以满足整个厂房的空调冷负荷, 因此采用制冷机组和蓄冷水池联合供冷的方式;在过渡季节, 厂房的空调冷负荷减小, 因此可采用蓄冷水池单独供冷及制冷机组和蓄冷水池联合供冷的方式。

通过对蓄冷水池、制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、冷却塔进水阀等设备的运行状态及系统水温、流量、压力、冷量、累积冷量等各项参数进行监测, 控制蓄冷系统相关设备的投运状态, 给水蓄冷节能系统提供提供稳定的供水温度。

3.4蓄冷水池的蓄冷量
式中:K—蓄冷水池实际容积, 本项目995m3;
Q—蓄冷量, (万kcal) ;
ΔTz—蓄冷水池进、出水温差, 本项目为8℃ (4—12℃) ;
η—水池的容积效率, %, 本项目为95%;
K—冷损失附加率;一般取1.01~1.05 (本项目取1.04)
C—水的热容量, 万kcal/m3.℃ (C=0.1) 。

四、设计数据分析
根据空调逐时冷负荷分布图及惠州市分时电价政策制定出设计日的水蓄冷系统节能中央空调的运行策略。

以下是各种负荷条件下的蓄冷、放冷和供冷的运行模式。

4.1 100%空调负荷 (典型日负荷)
100%空调负荷时最大负荷为1000RT, 其逐时负荷以及主机供冷、蓄冷与放冷见图5。

图5 100%空调负荷水蓄冷系统空调运行图
蓝色表示的蓄冷时段为4.8小时, 黄色表示的放冷时段为高峰时5个小时, 平段时3小时, 说明当100%空调负荷时, 采用1台500RT主机蓄冷4.8小时, 可以补充空调系统的电价高峰负荷5小时, 补充空调系统电价平段负荷3小时。

4.2 80%空调负荷 (非典型日负荷)
80%空调负荷时最大负荷为800RT, 其逐时负荷以及主机供冷、蓄冷与放冷见图6。

图6 80%空调负荷水蓄冷系统空调运行图
蓝色表示的蓄冷时段为4.8小时, 黄色表示的放冷时段为全高峰时3.8个小时, 部分高峰及部分平段时各2小时, 说明当80%空调负荷时, 采用1台500RT 主机蓄冷4.8小时, 可以补充空调系统的电价高峰负荷3.8小时, 可以补充空调系统的电价高峰和电价平段负荷各2小时。

4.3 60%空调负荷 (非典型日负荷)
60%空调负荷时最大负荷为600RT, 其逐时负荷以及主机供冷、蓄冷与放冷见图7。

图7 60%空调负荷水蓄冷系统空调运行图
蓝色表示的蓄冷时段为4.8小时, 黄色表示的放冷时段为5个小时, 说明当60%空调负荷时, 采用1台500RT主机蓄冷4.8小时, 可以补充空调系统的电价高峰负荷5小时。

结束语：
水蓄冷系统具有投资小, 运行可靠, 制冷效果好, 节能显著, 经济效益明显的特点, 采用移峰填谷每年能为用户节省可观的中央空调年运行费用, 还可实现大温差送水和应急冷源[7]。

相对于冰蓄冷系统投资大, 调试复杂, 推广难度较大的情况来说, 水蓄冷系统具有经济简单的特点, 可利用大型建筑本身具有的消防水池来进行冷量储存, 所以水蓄冷技术具有广阔的应用前景和发展潜力, 不但
可以给业主带来可观的经济效应, 还能平衡电网负荷, 保护环境, 符合国家技术经济政策发展方向。

参考文献：
[1] 张东亮 . 我国蓄冷技术的发展 [J]. 暖通空调， 2017
[2] 程德华 . 我国蓄冷技术的现状及发展中国制冷学会 2007 学术年会论文集 .2015。