冰蓄冷技术在区域供冷中的应用与运行策略研究
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201804 ， China ；2 . College of Architecture and Urban Planning ， Tongji University ， Shanghai 200029 ， China ） ［Abstract ］ In this paper ， based on the practical design of a district cooling project ， the advantages and disadvantages of icefrom the viewpoint of cooling period and based on the storage priority strategy and water chiller priority strategy were analyzed. And then ， principle of using the ice-storage as much as possible during the electricity peak period ， control strategies under different load characteristic conditions were put forward ， which could improve the capacity of peak load shifting and also reduce the operation cost. ［Keywords ］ ice-storage air-conditioning system ， district cooling ， ice-storage priority ， control strategy
3
冰蓄冷系统设计
本工程的冰蓄冷系统设计采用目前应用最为普
第 12 期
徐
旭， 等：冰蓄冷技术在区域供冷中的应用与运行策略研究
51
遍的静态制冰， 形式为制冷机组处于上游 、 蓄冷装置 处于下游 的 串 连 流 程 。 整 个 空 调 系 统 峰 值 负 荷 为 13 787 kW ， 发生在 15 ：00 ， 如图 1 所示 。
［ 1］
后从整个供冷期和 运 行 费 用 角 度 出 发， 提出了较优 的控制策略 。
2
工程概况
该工程由 2 栋高层办公楼（ 地下 2 层， 地上分别
为 17 层和 20 层） 和 1 栋 高 层 会 展 建 筑 组 成 。 总 建
2 地上和地下部分建筑面积分 筑面积 为 145 639 m ， 2 2 别为 95 893 m 和 49 746 m 。 其 中 地 下 2 层 为 库
图2
不完全冻结式盘管碎冰机理
4
冰蓄冷系统运行策略探讨
冰蓄 冷 系 统 蓄 冷 量 的 大 小 主 要 取 决 于 蓄 冷 模
式、 运行策略和初投资能力， 本文主要从运行策略与 经济性角度进行探讨 。 冰蓄冷系统通过制冷机组和
图1 夏季设计日系统逐时负荷分布图
蓄冷装置同时给建筑物供冷， 在某一确定时刻， 根据 制冷机组与蓄冷装 置 所 提 供 冷 量 的 配 比， 可从优化 控制的角度分为制冷机组优先与蓄冷装置优先 2 种 模式 。 图 3 给出了冰蓄冷系统流程图 。 4. 1 2 种策略的比较 制冷机组优先运行策略的特点是主机首先直接 供冷， 不足部 分 用 蓄 冷 装 置 补 足 （ 见 图 4 ） 。 这 种 模 式计算所得的双工况制冷机组和蓄冷装置的容量相 对较 小， 初 投 资 较 低， 主 机 利 用 的 效 率 较 高， 但“移 峰填谷 ” 效果有限 。 在制冷机组优 先 运 行 策 略 下， 双工况机组容量 计算式为：
房、 设备用房 、 自行车库及停车库， 高层办公楼 1 ～ 2 3 层以上为标准办公用 层分 别 为 门 厅 和 商 业 用 房， 房 。 该建筑是集会务 、 展览 、 办公和商务于一体的建 筑综合体， 空调使用时间为 8 ：00 ～ 18 ：00 。 以及各种运行
［ 0423 收稿日期 ］ 2010 ［基金项目 ］ “ 十一五” 国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 （ 2006 BAC02 A03 ， 2006BAJ11B08 ） ［作者简介 ］ 徐 旭（ 1984 -） ， 男， 硕士， 助工 ［联系方式 ］ 23xx@ tjadri. com
q max 为空气 调 节 系 统 的 最 大 小 时 冷 负 荷， kW ； 式中， 其余参数含义同前 。 经计算可知此运行策略下制冷机组标定制冷量
（3）
第 12 期
徐
旭， 等：冰蓄冷技术在区域供冷中的应用与运行策略研究
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A、 B、 C 和 D 分 别 为 机 组 在 100% 、 75% 、 50% 式中， 41. 5% 、 46. 1% 和 25% 负 荷 时 的 性 能 系 数； 2. 3% 、 和 10. 1% 为运行期内各负荷值所占的比例 。 在冰蓄冷整个 供 冷 期 内， 采用这种负荷值的划 分和权重比例系数的方式来制定合理经济的运行策 略比较符合实际运行中现场的情况 。 在保证系统供 尽可 能 在 电 价 峰 值 时 段 使 用 蓄 冷 系 冷量的前提下， 统的冷量， 在电价 平 时 段， 蓄 冷 量 不 足 时， 可采用机 组制冷补充 。 即采用双工况制冷机组和蓄冷装置联 75% 和 50% 设 计 日 负 合供冷的 优 化 模 式 。 100% 、 荷的运行策略分别见图 6 ～ 8 。
52
建 筑 科 学
第 26 卷
图3
冰蓄冷系统流程图
为 9 100 kW ， 由此可确定该工程实际 运 行 的 系 统 方 案。 4. 2 全年运行策略探讨 蓄冷装置 经 济 性 的 本 质 是 峰 谷 电 价 的 绝 对 差 最经济的 运 行 策 略 应 当 将 夜 间 制 冰 所 得 值ห้องสมุดไป่ตู้。 因此， 冷量最大可能地用在白天电价峰值时段 。 表 1 给出
［ 24］
1
引
言
控制策略的经 济 性 与 可 行 性 分 析
。本文通过某
区域供冷工程设计实例， 介绍了其基本设计概况， 而 冰蓄冷是利用 夜 间 低 谷 电 力 制 冰 并 蓄 存 起 来， 在白天用电高峰时段用蓄存的冰作为冷源供给空调 系统的技术 。 冰蓄冷技术与常规技术相比称不上节 能， 且不适用于所 有 民 用 建 筑 。 该 技 术 的 优 势 在 于 其移峰填谷的能力， 即可缓解电力负荷峰谷差现象， 提高一次能源利用率 。 当峰谷电价差距达到一定水 平时， 可节省空调 系 统 的 运 行 费 用 。 从 这 些 角 度 而 言， 冰蓄 冷 技 术 也 可 作 为 一 项“节 能 技 术 ” 加以推 广。 近年来关于冰蓄冷控制策略的研究大多是关于 设计日工 况 下 各 种 策 略 的 优 缺 点
［ 5］ 上 海 供 冷 天 数 为 150 d ， 随着供冷期内负荷
图5
蓄冷装置优先运行策略图示
的变化， 系统运行策略也应做出相应的调整， 达到优 化和减少运 行 费 用 的 目 的 。 制 冷 机 组 IPLV 值 的 计
［ 6］ 算式为 ： IPLV = 2. 3 % A + 41. 5 % B + 46. 1 % C + 10. 1 % D
（ 1. 同济大学建筑设计研究院 ， 上海 201804 ；2. 同济大学 建筑与城市规划学院 ， 上海 200092 ） ［摘 要 ］ 本文通过对某区域供冷工程实例的设计， 分析了常用的制冷机组优先与蓄冷装置 优 先 模 式 的 优 缺 点 。 基 于 蓄 冷量最大限度用于电价峰值时段的原则， 从供冷周期角度出发， 提出了在不 同 负 荷 特 性 下 的 控 制 策 略 。 此 控 制 策 略 可 提 高 系 统移峰填谷的能力， 同时可减小系统运行的经济成本 。 ［关键词 ］ 冰蓄冷空调系统；区域供冷；蓄冷装置优先；运行策略 ［中图分类号 ］ TU831. 6 ［文献标识码 ］ A
24
3. 1
冷冻机房设计 系统配置 3 台 标 况 下 制 冷 量 为 3 165 kW （ 900
RT ） 的双工 况 离 心 式 冷 水 机 组 。 在 设 计 日 工 况 下， 22 ：00 ～ 6 ：00 为 电 价 波 谷 时 段， 系统在制冰模式下 运行 。 另配 1 台 冷 量 为 1 760 kW （ 500 RT ） 的 螺 杆 以满 足 夜 间 供 冷 的 需 要 。 冷 冻 水 系 统 式冷水机组， 设计供 、 回水温度为 6 /13 ℃ ， 制冷机组自动根据空 调负荷的变化进行 冷 量 调 节， 调节方式是改变冷冻 而不改变其温 度 。 能 源 中 心 （ 制 冷 机 组 ） 水的流量， 产生的载冷剂乙二 醇 经 分 水 器 分 为 4 路， 通过板式 1 号 办 公 楼、 2 号 换热器将冷冻水分 别 供 给 会 展 楼 、 办公楼和商业群房 。 3. 2 蓄冷装置 当机组与蓄冷装置 该工程制冷机 组 处 于 上 游， 联合供冷时， 载冷剂乙二醇入口温度较低， 对于装置 的融冰率要求较高 。 蓄冷装置采用上下双层纳米导 热负荷蓄冷盘管， 下层蓄冷量为 41 908 kWh （ 11 916 RTh ） ， 上层蓄冷量为 12 907 kWh （ 3 670 RTh ） ， 总蓄 冷量可达 51 300 kWh （ 14 586 RTh ） 。 蓄冷盘管的形 式 为 乙 二 醇 管 内 流 动 、 管外结冰 的不完全 冻 结 式 盘 管 。 融 冰 时 采 用 特 有 的 碎 冰 机 理：制冰时盘管周围形成冰柱， 冰柱与冰柱之间不相 连；融冰时由于冰 密 度 小， 冰 上 浮；冰 柱 与 盘 管 接 触 处先融化直至破碎， 最后形成稳定温度的冰水混合 物（ 见图 2 ） 。 根据气候条件 和 空 调 负 荷， 冰蓄冷系统可按以 下 3 种模式运行：双 工 况 制 冷 机 组 与 蓄 冷 装 置 联 合 供冷模式；蓄冷装置单独供冷模式；双工况制冷机组 单独供冷模式 。
第 26 卷第 12 期 2010 年 12 月 ［ 10028528 （ 2010 ） 12005004 文章编号 ］
建
筑
科
学
Vol. 26 ， No. 12 Dec. 2010
BUILDING SCIENCE
冰蓄冷技术在区域供冷中的应用与 运行策略研究
徐
1 旭 ， 王 2 1 1 婧 ， 钱必华 ， 谭立民
Study on the Technology Application of Ice-storage in District Cooling and Its Control Strategy
XU Xu 1 ， WANG Jing 2 ， QIAN Bi-hua 1 ， TAN Li-min 1 （ 1 . Architectural Design and Research Institute of Tongji University ， Shanghai
∑q
qc =
i=1
i
n2 + n1 cf
（1）
q c 为制冷机组标定制冷量， kW ； q i 为建筑物逐 式中， kW ； n 2 为白 天 制 冷 机 组 在 空 调 工 况 下 运 时冷负荷， h ； n 1 为夜 间 制 冷 机 组 在 蓄 冷 工 况 下 运 行的小时数， h； cf 为 制 冷 机 组 蓄 冷 时 制 冷 能 力 的 变 行的 小 时 数， 化率 。 通过计算可知， 此运行策略下制冷机组标定制 冷量为 8 200 kW 。 蓄冷装置优先运行策略的特点是蓄冷设备优先 释冷， 不足部 分 由 制 冷 机 组 补 足 （ 见 图 5 ） 。 这 种 方 法计算所得双工况制冷机组和蓄冷装置的容量较制 “移 峰 填 谷 ” 冷机组优先运行策略的要 大， 但 效果较 好。 在蓄冷装置优 先 运 行 策 略 下， 双工况机组容量 计算式为： qc = q max n 2 n2 + n1 cf （2）
图4 制冷机组优先运行策略图示
了分时电价的具体设置情况 。
表1
时段 峰时段 平时段 谷时段
分时电价
电价 / （ 元 / kWh ） 1. 049 0. 646 0. 239
时间 8 ：00 ～ 11 ：00 ， 13 ：00 ～ 15 ：00 ， 18 ：00 ～ 21 ：00 6 ：00 ～ 8 ：00 ， 11 ：00 ～ 13 ：00 ， 15 ：00 ～ 18 ：00 22 ：00 ～ 6 ：00
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冰蓄冷系统设计
本工程的冰蓄冷系统设计采用目前应用最为普
第 12 期
徐
旭， 等：冰蓄冷技术在区域供冷中的应用与运行策略研究
51
遍的静态制冰， 形式为制冷机组处于上游 、 蓄冷装置 处于下游 的 串 连 流 程 。 整 个 空 调 系 统 峰 值 负 荷 为 13 787 kW ， 发生在 15 ：00 ， 如图 1 所示 。
［ 1］
后从整个供冷期和 运 行 费 用 角 度 出 发， 提出了较优 的控制策略 。
2
工程概况
该工程由 2 栋高层办公楼（ 地下 2 层， 地上分别
为 17 层和 20 层） 和 1 栋 高 层 会 展 建 筑 组 成 。 总 建
2 地上和地下部分建筑面积分 筑面积 为 145 639 m ， 2 2 别为 95 893 m 和 49 746 m 。 其 中 地 下 2 层 为 库
图2
不完全冻结式盘管碎冰机理
4
冰蓄冷系统运行策略探讨
冰蓄 冷 系 统 蓄 冷 量 的 大 小 主 要 取 决 于 蓄 冷 模
式、 运行策略和初投资能力， 本文主要从运行策略与 经济性角度进行探讨 。 冰蓄冷系统通过制冷机组和
图1 夏季设计日系统逐时负荷分布图
蓄冷装置同时给建筑物供冷， 在某一确定时刻， 根据 制冷机组与蓄冷装 置 所 提 供 冷 量 的 配 比， 可从优化 控制的角度分为制冷机组优先与蓄冷装置优先 2 种 模式 。 图 3 给出了冰蓄冷系统流程图 。 4. 1 2 种策略的比较 制冷机组优先运行策略的特点是主机首先直接 供冷， 不足部 分 用 蓄 冷 装 置 补 足 （ 见 图 4 ） 。 这 种 模 式计算所得的双工况制冷机组和蓄冷装置的容量相 对较 小， 初 投 资 较 低， 主 机 利 用 的 效 率 较 高， 但“移 峰填谷 ” 效果有限 。 在制冷机组优 先 运 行 策 略 下， 双工况机组容量 计算式为：
房、 设备用房 、 自行车库及停车库， 高层办公楼 1 ～ 2 3 层以上为标准办公用 层分 别 为 门 厅 和 商 业 用 房， 房 。 该建筑是集会务 、 展览 、 办公和商务于一体的建 筑综合体， 空调使用时间为 8 ：00 ～ 18 ：00 。 以及各种运行
［ 0423 收稿日期 ］ 2010 ［基金项目 ］ “ 十一五” 国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 （ 2006 BAC02 A03 ， 2006BAJ11B08 ） ［作者简介 ］ 徐 旭（ 1984 -） ， 男， 硕士， 助工 ［联系方式 ］ 23xx@ tjadri. com
q max 为空气 调 节 系 统 的 最 大 小 时 冷 负 荷， kW ； 式中， 其余参数含义同前 。 经计算可知此运行策略下制冷机组标定制冷量
（3）
第 12 期
徐
旭， 等：冰蓄冷技术在区域供冷中的应用与运行策略研究
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A、 B、 C 和 D 分 别 为 机 组 在 100% 、 75% 、 50% 式中， 41. 5% 、 46. 1% 和 25% 负 荷 时 的 性 能 系 数； 2. 3% 、 和 10. 1% 为运行期内各负荷值所占的比例 。 在冰蓄冷整个 供 冷 期 内， 采用这种负荷值的划 分和权重比例系数的方式来制定合理经济的运行策 略比较符合实际运行中现场的情况 。 在保证系统供 尽可 能 在 电 价 峰 值 时 段 使 用 蓄 冷 系 冷量的前提下， 统的冷量， 在电价 平 时 段， 蓄 冷 量 不 足 时， 可采用机 组制冷补充 。 即采用双工况制冷机组和蓄冷装置联 75% 和 50% 设 计 日 负 合供冷的 优 化 模 式 。 100% 、 荷的运行策略分别见图 6 ～ 8 。
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建 筑 科 学
第 26 卷
图3
冰蓄冷系统流程图
为 9 100 kW ， 由此可确定该工程实际 运 行 的 系 统 方 案。 4. 2 全年运行策略探讨 蓄冷装置 经 济 性 的 本 质 是 峰 谷 电 价 的 绝 对 差 最经济的 运 行 策 略 应 当 将 夜 间 制 冰 所 得 值ห้องสมุดไป่ตู้。 因此， 冷量最大可能地用在白天电价峰值时段 。 表 1 给出
［ 24］
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引
言
控制策略的经 济 性 与 可 行 性 分 析
。本文通过某
区域供冷工程设计实例， 介绍了其基本设计概况， 而 冰蓄冷是利用 夜 间 低 谷 电 力 制 冰 并 蓄 存 起 来， 在白天用电高峰时段用蓄存的冰作为冷源供给空调 系统的技术 。 冰蓄冷技术与常规技术相比称不上节 能， 且不适用于所 有 民 用 建 筑 。 该 技 术 的 优 势 在 于 其移峰填谷的能力， 即可缓解电力负荷峰谷差现象， 提高一次能源利用率 。 当峰谷电价差距达到一定水 平时， 可节省空调 系 统 的 运 行 费 用 。 从 这 些 角 度 而 言， 冰蓄 冷 技 术 也 可 作 为 一 项“节 能 技 术 ” 加以推 广。 近年来关于冰蓄冷控制策略的研究大多是关于 设计日工 况 下 各 种 策 略 的 优 缺 点
［ 5］ 上 海 供 冷 天 数 为 150 d ， 随着供冷期内负荷
图5
蓄冷装置优先运行策略图示
的变化， 系统运行策略也应做出相应的调整， 达到优 化和减少运 行 费 用 的 目 的 。 制 冷 机 组 IPLV 值 的 计
［ 6］ 算式为 ： IPLV = 2. 3 % A + 41. 5 % B + 46. 1 % C + 10. 1 % D
（ 1. 同济大学建筑设计研究院 ， 上海 201804 ；2. 同济大学 建筑与城市规划学院 ， 上海 200092 ） ［摘 要 ］ 本文通过对某区域供冷工程实例的设计， 分析了常用的制冷机组优先与蓄冷装置 优 先 模 式 的 优 缺 点 。 基 于 蓄 冷量最大限度用于电价峰值时段的原则， 从供冷周期角度出发， 提出了在不 同 负 荷 特 性 下 的 控 制 策 略 。 此 控 制 策 略 可 提 高 系 统移峰填谷的能力， 同时可减小系统运行的经济成本 。 ［关键词 ］ 冰蓄冷空调系统；区域供冷；蓄冷装置优先；运行策略 ［中图分类号 ］ TU831. 6 ［文献标识码 ］ A
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3. 1
冷冻机房设计 系统配置 3 台 标 况 下 制 冷 量 为 3 165 kW （ 900
RT ） 的双工 况 离 心 式 冷 水 机 组 。 在 设 计 日 工 况 下， 22 ：00 ～ 6 ：00 为 电 价 波 谷 时 段， 系统在制冰模式下 运行 。 另配 1 台 冷 量 为 1 760 kW （ 500 RT ） 的 螺 杆 以满 足 夜 间 供 冷 的 需 要 。 冷 冻 水 系 统 式冷水机组， 设计供 、 回水温度为 6 /13 ℃ ， 制冷机组自动根据空 调负荷的变化进行 冷 量 调 节， 调节方式是改变冷冻 而不改变其温 度 。 能 源 中 心 （ 制 冷 机 组 ） 水的流量， 产生的载冷剂乙二 醇 经 分 水 器 分 为 4 路， 通过板式 1 号 办 公 楼、 2 号 换热器将冷冻水分 别 供 给 会 展 楼 、 办公楼和商业群房 。 3. 2 蓄冷装置 当机组与蓄冷装置 该工程制冷机 组 处 于 上 游， 联合供冷时， 载冷剂乙二醇入口温度较低， 对于装置 的融冰率要求较高 。 蓄冷装置采用上下双层纳米导 热负荷蓄冷盘管， 下层蓄冷量为 41 908 kWh （ 11 916 RTh ） ， 上层蓄冷量为 12 907 kWh （ 3 670 RTh ） ， 总蓄 冷量可达 51 300 kWh （ 14 586 RTh ） 。 蓄冷盘管的形 式 为 乙 二 醇 管 内 流 动 、 管外结冰 的不完全 冻 结 式 盘 管 。 融 冰 时 采 用 特 有 的 碎 冰 机 理：制冰时盘管周围形成冰柱， 冰柱与冰柱之间不相 连；融冰时由于冰 密 度 小， 冰 上 浮；冰 柱 与 盘 管 接 触 处先融化直至破碎， 最后形成稳定温度的冰水混合 物（ 见图 2 ） 。 根据气候条件 和 空 调 负 荷， 冰蓄冷系统可按以 下 3 种模式运行：双 工 况 制 冷 机 组 与 蓄 冷 装 置 联 合 供冷模式；蓄冷装置单独供冷模式；双工况制冷机组 单独供冷模式 。
第 26 卷第 12 期 2010 年 12 月 ［ 10028528 （ 2010 ） 12005004 文章编号 ］
建
筑
科
学
Vol. 26 ， No. 12 Dec. 2010
BUILDING SCIENCE
冰蓄冷技术在区域供冷中的应用与 运行策略研究
徐
1 旭 ， 王 2 1 1 婧 ， 钱必华 ， 谭立民
Study on the Technology Application of Ice-storage in District Cooling and Its Control Strategy
XU Xu 1 ， WANG Jing 2 ， QIAN Bi-hua 1 ， TAN Li-min 1 （ 1 . Architectural Design and Research Institute of Tongji University ， Shanghai
∑q
qc =
i=1
i
n2 + n1 cf
（1）
q c 为制冷机组标定制冷量， kW ； q i 为建筑物逐 式中， kW ； n 2 为白 天 制 冷 机 组 在 空 调 工 况 下 运 时冷负荷， h ； n 1 为夜 间 制 冷 机 组 在 蓄 冷 工 况 下 运 行的小时数， h； cf 为 制 冷 机 组 蓄 冷 时 制 冷 能 力 的 变 行的 小 时 数， 化率 。 通过计算可知， 此运行策略下制冷机组标定制 冷量为 8 200 kW 。 蓄冷装置优先运行策略的特点是蓄冷设备优先 释冷， 不足部 分 由 制 冷 机 组 补 足 （ 见 图 5 ） 。 这 种 方 法计算所得双工况制冷机组和蓄冷装置的容量较制 “移 峰 填 谷 ” 冷机组优先运行策略的要 大， 但 效果较 好。 在蓄冷装置优 先 运 行 策 略 下， 双工况机组容量 计算式为： qc = q max n 2 n2 + n1 cf （2）
图4 制冷机组优先运行策略图示
了分时电价的具体设置情况 。
表1
时段 峰时段 平时段 谷时段
分时电价
电价 / （ 元 / kWh ） 1. 049 0. 646 0. 239
时间 8 ：00 ～ 11 ：00 ， 13 ：00 ～ 15 ：00 ， 18 ：00 ～ 21 ：00 6 ：00 ～ 8 ：00 ， 11 ：00 ～ 13 ：00 ， 15 ：00 ～ 18 ：00 22 ：00 ～ 6 ：00