大温差水蓄冷空调系统的工程应用实例

大温差水蓄冷空调系统的
工程应用实例
同济大学 于 航
(日本)九州大学 渡边俊行
摘要 介绍了日本的一个水蓄冷空调系统的构成及运行情况,分析了实际运行数据,对系统进行了性能评价。

指出该系统采用大温差蓄冷,具有减少水蓄冷槽占地、提高系统节能效果及不增加系统初投资等优点。

关键词 空调系统 水蓄冷 大温差 性能评价
Example of an air conditioning system with
large temperature difference chilled water thermal storage
B y Y u H an g and Watanabe Tosh iyu ki
Abs t r act P r es ent s a p r oj ec t wi t h t he c hi l l ed wat e r t he r mal s t or ag e sy s t em i n J ap an.Des c r i b es i t s c ons t i t ut i on and ope r at i on.Anal y s es t he oper a t i ng da t a and e va l ua t es per f or m a nc e of t he s y s t em.P oi nt s out t ha t t he s y s t em r e duc es sp ac e t a ke n by t he c hi l l e d wa t er s t or ag e t a nk,i mpr o ves ener gy ef f i c i enc y and d oes not i nc r e as e i ni t i a l i nv es t ment of t he sy s t e m .
Keywor ds ai r c ondi t i oni ng s y s t em,c hi l l e d wat er t he r m a l s t or a ge,l a r ge t emper a t ur e di f f e r enc e ,per f or manc e e va l uat i on
Tongji Univers ity,China
0 引言
蓄冷技术在空调领域内的应用,在世界上一些先进国家起步较早。

比如在日本,1938年东日会馆即设置了水蓄冷槽,标志着蓄冷技术应用的开始。

经过半个多世纪的理论研究和工程应用经验的积累,形成了一套较为成熟的水蓄冷设计及运行控制技术。

20世纪末,冰蓄冷异军突起,受到空调界的广泛重视。

为了使水蓄冷技术更趋经济高效,提高竞争力,日本的几家大型电力会社开始尝试大温差型水蓄冷空调系统,即通过扩大水蓄冷槽的蓄冷温差,达到增加蓄冷量,减小水蓄冷槽体积,提高空调系统效率的目的
[1,2]。

笔者在日本参与了一
个大温差型水蓄冷空调系统的理论及实践研究[3],在这里对该系统作一些介绍,与国内专家商
榷。

图1 建筑物外景图
1 空调系统
图1是日本南方某电力会社办公楼,1997年6月竣工。

该建筑物为钢筋混凝土结构,建筑面积约30000m 2
,包括地上11层,地下2层,屋顶另有塔楼2层。

空
于航,女,1964年5月生,工学博士,副教授
200092上海市四平路1239号同济大学机械学院(021)65983605E mai l:yhang@ci 收稿日期:2001-12-05修回日期:2002-02-27
调设计日最高冷负荷1983kW,全日总负荷22655kWh 。

下面结合图2说明该建筑物的空调图2 空调系统示意图
系统构成。

1.1 空调用冷热源
采用4台设在屋顶上的空气源热泵机组。

其中1台为热回收型,2台为冷热水切换型,1台为冷水专用型,均为标准型空气源热泵机组,
主要技术参数见表1。

空调工况时进出口水温为12 /7 ,供热工况时进出口水温为40 /48 。

表1 主要设备和技术参数
设 备
技术参数台数空气源 热泵
热回收型(R-1)
空调或供热工况:制冷能力330kW 制热能力227kW 同时制取冷水和热水:制冷能力320kW 制热能力456kW 冷水量0.016m 3/s 热水量0.014m 3/s
1
冷热水切换型
(R-2)
制冷能力372kW 冷水量0.018m 3/s 制热能力287kW 热水量0.009m 3/s
2
冷水专用型(R-3)
制冷能力372kW 冷水量0.018m 3/s 1
水 泵
冷水一级泵
0.016m 3/s(R-1用)10.018m 3/s(R-2用)20.018m 3
/s(R-3用)
1冷水二级泵0.015m 3/s 4冷水三级泵0.015m 3/s
4热水一级泵0.014m 3/s(R-1用)10.009m 3/s(R-2用)2热水二级泵
0.008m 3/s
4
1.2 空调水系统
空调冷水系统包括3个环路:由空气源热泵、
冷水一级泵和水蓄冷槽组成的一级泵环路,为开式
环路;由水蓄冷槽、冷水二级泵和平板式水 水换热器(以下简称换热器)组成的二级泵环路,亦为开式环路;由换热器、冷水三级泵、风机盘管及空调机等组成的三级泵环路,为闭式环路。

一级泵环路与二级泵环路通过水蓄冷槽连接,三级泵环路通过换热器与二级泵环路实现热力连接和水力隔绝,防止开式环路末端设备氧化腐蚀及系统扬程增加。

该系统三级泵环路的供回水温差为8 ,比常规系统的空调供回水温差(一般为5 左右)大,旨在减少空调水量和水泵的动力消耗。

空调热水系统如图2中虚线所示。

由空气源热泵、分水器、空调机和空调末端装置、集水器及热水泵等组成。

1.3 空调送风系统
按空调负荷的特点划分为4个系统,外区为风机盘管系统,包括北区和南区风机盘管系统。

内区为全空气系统,各层分别设置空调机房。

计算机室全年要求制冷空调,由特殊空调系统对应。

空调新风由置于室外屋顶上的一次新风空调机冷却除湿处理后,与空调回风混合作为空调机的进风。

风机盘管及空调机的冷水进出口温度为10 /18 ,热水进出口温度为48 /40 。

2 水蓄冷槽
该系统的水蓄冷槽为冷水专用型,如图3所
图3 水蓄冷槽示意图
示。

日本是一个多地震的国家,许多建筑物的地下基础
部分采用双层板结构以增强抗震能力。

由于高度有
限,该结构难以用于商业用途,一般仅用作消防水槽。

采用水蓄冷空调系统可充分利用这一空间,通过保温、防水处理和适当分
隔,形成多槽连接型水蓄冷(热)槽,既节省了建造费用又不占用宝贵的建筑空间。

该系统的水蓄冷槽就是这样做的。

水蓄冷槽总容量1500m 3
,蓄水
表3 蓄冷率设定时段
时间段
夜间蓄冷22:00~8:00上午供冷8:00~13:00高峰供冷
13:00~16:00下午供热16:00~18:00预备蓄冷
18:00~22:00
深度1.750m,设计蓄冷量11638kWh,约占设计全日总负荷的51%。

该水蓄冷槽由61个分隔水槽组成,各槽间通过连通管连接。

为了保持取水槽水温的稳定,第1槽至第4槽、第57槽至第61槽间分别设两根连通管。

低温槽的设计水温为7 ,高温槽的设计水温为17 ,水蓄冷槽的设计水温差为10 。

由于设计水温差较一般水蓄冷槽的设计水温差(5~7 )大,称为大温差水蓄冷槽,水蓄冷槽的体积因此得以减小。

需要说明的是,该建筑物的第10层目前尚未出租使用,现有空气源热泵的设计容量不计该部分空调负荷,计划在将来第10层也出租使用时再增设一台空气源热泵机组。

由于水蓄冷槽的体积是根据包括第10层的预期空调负荷在内的系统总空调负荷确定的,因此蓄水量相对于现有空调负荷尚有300m 3的富裕容量。

表2 日本某电力会社的电力价
22:00~8:00 4.14日元/(kWh )8:00~22:00
16.9日元/(kWh )
3 冷源系统的运行控制方法
日本的用电高峰时间段为13:00~16:00,昼夜电力价格如表2所示,夜间电价适用于22:00~
8:00,昼夜电价比为4 1。

为了充分利用夜间电力和尽量
减少高峰时段内用电,需要控制蓄冷槽的充冷和释冷过程。

图4为该系统的蓄冷率设定值曲线。

蓄
图4 蓄冷率设定
冷率是指水蓄冷槽的实际蓄冷量与设计蓄冷量的比值,蓄冷率为0表示水蓄冷槽内无
可用蓄冷量,而蓄冷率为100%
则表示水蓄冷槽内蓄冷量达到设计蓄冷量(满蓄)。

空气源热泵依照蓄冷率设定值曲线进行运行控制,当蓄冷槽的实际蓄冷率小于该时刻的蓄冷率设定值时空气源热泵即启动运行。

根据不同时段的空气源热泵运行方案,蓄冷率设定值按表3所示的5个时间段确定。

22:00~8:00的蓄冷率设定值为100%,使水蓄冷槽在夜间时段尽可能多地蓄存冷量;控制上午的释冷速度,以保证蓄冷槽保留足够
的蓄冷量满足用电高
峰时段的空调冷量要求;16:00的蓄冷率为0,促使蓄冷槽在用电高峰时段最大限度地释放冷量,避免启动空气源热泵;18:00的蓄
冷率设定值为15%,使水蓄冷槽在正式蓄冷前先保有一定的冷量,即进行 预备蓄冷 。

这样做的理由是:由于现有空气源热泵的容量相对于水蓄冷槽的总蓄水量来说偏小(参见第2节),为了使蓄冷槽达到 满蓄 而采取的暂时性辅助措施。

当增设一台空气源热泵后, 预备蓄冷 可取消。

4 系统运行分析
图5 系统运行分析
该系统自1997年8月开始投入使用。

笔者连续跟踪进行了为期3年的系统运行分析。

数据收集通过BM S(building management system )系统自动进行,并将收集到的数据定期转存在磁盘上。

收集数据的对象包括空气源热泵、水泵、换热器、风机盘管及空调机、水蓄冷槽、室内温湿环境、室外空气温湿度等共292个测点。

其中241个点是瞬时值,如水蓄冷槽内的水温等,每隔15min 记录一次;51个点是累积值,如供电量等,每隔1h 记录一次。

图5是1999年8月10~16日的系统运行状况。

图5a 是外界气象条件,以晴天为主,白天最高气温在35 左右。

4.1 空调冷源的运行状况分析
图5b是空气源热泵的制冷量及建筑物空调负荷分布。

从图中可以看出由于水蓄冷槽的设置,空气源热泵的制冷量与空调负荷不一定同步,实现了以夜间运行为主,在用电高峰时段(13:00~16:00)停运,避峰让电的预期目标。

而且,由于空气源热泵始终处于满负荷运行状态,保证运行的高效率。

4.2 蓄冷槽内的温度分布
图5c是各分隔水槽的逐时水温分布情况,从下至上共有7条曲线,分别表示第1,7,16,25,37, 49,61槽的逐时水温变化。

水蓄冷槽蓄冷时,随着来自空气源热泵的冷水注入第1槽,第61槽的温水不断被取出送入空气源热泵,槽内形成从第1槽向第61槽的水流,随着冷量的不断补充,各槽水温逐渐降低。

高温槽的水温没有明显变化。

水蓄冷槽释冷时,冷水自第1槽取出,槽内形成从第61槽向第1槽的水流,随着冷量的不断释放,各槽水温逐渐升高,槽内可用冷量逐渐减少。

第1槽的水温没有明显变化。

4.3 空调用电的构成分析
根据实测数据分析,空调用电的构成比中空气源热泵的耗电量占总用电量的69%,一次侧水泵的耗电量占14%,这两项的和(即空调用冷源系统用电)占总用电量的83%。

其他用电量仅占17%。

4.4 性能评价
定义空调用冷源(空气源热泵+冷水一级泵)的夜间用电量与全天用电量的比值为冷源夜间转移效率。

对运行数据的分析表明该系统的冷源夜间转移效率大于80%(图6),即冷源用电的80%
图6 冷源夜间转移效率以上是夜间低谷电。

如4.3节所述,空调用冷源系统耗电占空调总用电的80%以上,所以空调冷源电力的夜间转移对整个空调系统的 移峰填谷 效果起着重要作用。

评价蓄冷空调系统的另一个
重要指标为蓄冷效率。

其定义是:从蓄冷槽中取出用于空调的冷量与制冷机投入到蓄冷槽中的冷量的比值[1]。

蓄冷效率反映蓄冷槽的使用状况和热损失程度。

图7的数据分析结果表明该系统夏季
图7 蓄冷效率
(6~8月)的蓄冷效率
大于90%,即蓄冷槽的
无效热损失小于10%。

5 结束语
大温差水蓄冷有以
下独到的优点: 可以
减小水蓄冷槽的体积,
克服水蓄冷槽体积大的
弱点。

可以使用常规
空调设备,避免带来系统初投资增加的压力。

采用大温差水蓄冷槽使得空调末端侧亦有了大温差化的可能,空调水量的减少带来水泵动力的减少。

具有均衡电力需求、 移峰填谷 的作用。

参考文献
简讯
际高集团举行地源热泵技术交流会地源热泵技术交流会于2002年4月12日在北京召开。

会议由际高集团公司之子公司际高空调装饰工程有限公司和北京暖通空调技术交流网联合主办。

会上,由际高集团公司的国际合作伙伴 奥地利Naegele公司的法拉利先生作了 利用混凝土构件汲取地能为建筑物进行供暖和空调的技术 的讲座。

在京的30多位空调行业专家认真听取了讲座,并对绿色环保新能源的应用技术进行了热烈讨论。

利用混凝土构件汲取地能为建筑物进行供暖和空调的技术也称为混凝土能量吸收技术,是近年来为节能和减少环境污染首先在欧洲发展起来的新能源应用技术。

它是在建筑物与土壤接触的混凝土构件如基桩、隔墙、基础底板等内部设置充满液体的塑料管道循环系统,冬季从地下汲取低温热,夏季向地下排放热量,再利用热泵系统进行供暖和空调。

目前际高集团公司引进了该项技术。

(魏艳萍)。