间接蓄冷直接供冷式水蓄冷系统

图 3 直接蓄冷直接供冷的水蓄冷系统原理图
彦启森, 赵庆珠. 冰蓄冷系统设 计[ R ] . 全国蓄 冷空调节 能技术 工程中心, 2001
2011( 6)
徐齐越, 等: 间接蓄冷直接供冷式水蓄冷系统
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泵 P3 均为变频水泵。P1 用于一次侧的蓄冷放冷循
环; P2 用于间接蓄冷循环和用户的供冷循环; P3 仅 用于蓄冷水槽放冷时的二次侧循环。
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0 引言
水具有在常压下、4 时密度最大( 1 000 kg / m3) 的物理特性, 故无论水温高于还是低于 4 ,
其密度都会减小, 自然分层式水蓄冷槽就是依据这
个原理进行设计的。应用水蓄冷技术时, 在夜间电 网低谷时运行制冷机, 把电能转化成的冷量以低温
水的形式储存在蓄冷槽内; 在白天电网峰电时再由 蓄冷槽释冷向系统供冷, 从而达到电力移峰填谷的
图 1 直接蓄冷间接放冷的水蓄冷系统原理图
目的。水蓄冷技术既可降低夏季空调用电对电网 高峰负荷的冲击, 又可降低空调系统的运行费用, 且其初投资较低, 还可利用建筑物消防水池改造成 的蓄冷槽以节省占地面积[ 1] , 所以水蓄冷技术在国 内外已得到广泛的应用和推广。
环系统。制冷机和蓄冷水槽都通过板式换热器与 用户二次侧隔开, 一次侧是由蓄冷水槽内水位定压 的开式系统, 二次侧是闭式系统。其优点是板式换 热器两侧各自成循环系统, 运行稳定可靠; 缺点是
E m ail: x uqiyue@ 263. net 收稿日期: 2010 12 01 修回日期: 2011 03 10
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暖通空调 HV&AC 2011 年第 41 卷第 6 期
设备开发
板式换热器面积大, 投资高, 而且制冷机单供时, 需 要通过板式换热器, 有换热损失, 所以制冷机的工 作效率比较低, 系统的经济性比较差。但由于其运 行安全稳定, 所以国内外依然有很多应用实例[ 2] 。
回水再回到制冷机。此时电动开关阀 V 5 关闭, 二次侧放冷变频泵 P 3 关闭。制冷机单供时冷水循 环水不经过板式换热器, 减小了阻力损失, 保障了 高效运行。
联合供冷工况指水蓄冷槽通过板式换热器放 冷同时制冷机也直接供冷的工况。此时蓄放冷回 路的情况与蓄冷水槽单供工况相同, 制冷机直供 7
的冷水, 与板式换热器送出 7 冷水混合后送到 用户末端。此时制冷机供冷和水槽供冷为并联流 程, 两者供冷量的比例可以根据通过控制水泵 P2 和 P3 的流量进行调节。
第 3 种是制冷机直接供冷和直接蓄冷的半开 半闭式系统, 如图 3 所示, 制冷机和蓄冷水槽用电 动阀门 V 1 , V 2 , V 3 , V 4 与二次侧系 统隔开。当制 冷机单供时, 关闭电动阀门 V 3 , V 4 , 开启电动阀门 V 1, V 2, 使主机处在二次用户侧; 当制冷机蓄冷时,
第 2 种是无板式换热器系统, 即整个水蓄冷系 统都是开式系统。这种系统蓄冷放冷的温差最大, 冷量利用率最高, 没有换热损失, 而且管路相对比 较简单, 投资也较小, 经济性较高。图 2 即为其中
图 2 无板式换热器的水蓄冷系统原理图
关闭电动阀门 V 1 , V 2 , 开启电动阀门 V 3 , V 4 , 使主 机处在一次侧; 而蓄冷水槽是通过板式换热器向二 次用户侧进行间接放冷。该系统的优点是制冷机 单供时和蓄冷时没 有板式换热器的 损失, 效 率很 高; 但是由于二次侧和一次侧的界限是随工况变化 的, 工况的改变完全靠这几个电动阀门的转换, 所 以部分工况转换时阀门的一端是开式系统、另一端 是闭式系统, 这两侧会有较大的压力差, 图 3 中的 阀门 V 1 , V 2 , V 3 , V 4 也都存在着第 2 种 系统的问 题。因此这种系统在中高层建筑上使用也有一定 风险。 2 间接蓄冷直接供冷式水蓄冷系统工作原理
针对上述 3 种常用水蓄冷系统中存在的不足, 笔者提出了一种制冷机直接供冷间接蓄冷的水蓄 冷空调系统 ( 见图 4, 以下 简称 第 4 种水 蓄冷 系
的一种系统形式。但是由于蓄冷水槽一般处于系 统的低位, 该系统必须依靠阀门 V 6 保证阀前压力 为楼层高度的静水压力 , 这样才能保证末端系统 全部充满水, 在供水高度较大时, 该阀门两侧的压 差会过大, 使阀门的操作动作和灵敏度受到很大的 限制, 特别是在阀门开启和关闭的瞬间。严重时甚 至会损坏阀门的电动执行机构。另外在停机时, 如 果阀门 V 4 , V 5 , V 6 关不严, 系统的水会在重力作用 下泄到蓄冷水槽内, 又接着从蓄冷水槽的溢流管泄 到机房内。所以, 这种系统有较大的运行风险。因 此该系统通常只用于一些楼层较低的建筑, 而在中 高层建筑上几乎不被使用, 因为楼层越高, 阀门两 侧的压差越大, 风险越大。
1 当前技术 目前, 在实际水蓄冷系统工程中, 常采用 3 种
技术方案。 第 1 种是直接蓄冷间 接放冷系统, 如图 1 所
示, 制冷机和蓄冷槽都在一次侧, 二次侧是冷水循
* 徐齐越, 男, 1963 年 11 月生, 大学, 高级工程师 100083 北京市海淀区王庄路一号清华同方科技大厦 B 座 3层 ( 010) 82390611
蓄冷槽。此时制冷机关闭, 板式换热器的二次侧出
口为 7 的冷水, 供给用户末端, 然后 12 的系统 回水再进入板式换热器完成循环。阀门 V 5 , V 7 关
闭, 冷水循环水不经过制冷机, 减少了阻力损失。
制冷机单 供工况时, 蓄、放冷回路 停止运行。 制冷机直接供 7 的冷水到用户末端, 换热后 12
关键词 水蓄冷 间接蓄冷 运行策略
Indirect charging and di rect discharging system of chi lled water storage
By Xu Qiyue , Wang Lin, Zeng Feixiong and Fan Xin
Abstract Based o n the advanta ge and disa dv antag e analysis o f co mmo nly used thr ee chilled wate r sto rag e sy stems, presents the impr o ved sy stem. D escr ibes in deta il the w o rking principle and o pe rat ing str ategies a nd per f or ms the e cono mic a naly sis. A s a r esult, the sy stem fea tur es simple flow pro cess and stable and r eliable oper ation, and can so lve the pr o blems ex isted in o r ig inal syste m such as lo wer eff iciency of re fr ige ra ting m achines, ex tra ener gy co nsum pt io n o f pumps in open systems and electr ic va lv e dam age resulting f r om po ssible o ver la rg e pressur e dif fer ence.
该系统中制冷机的选用原则与常规水蓄冷系统 相同, 板式换热器需满足蓄冷和放冷两种情况, 选型 时考虑两种情况下的最大换热量即可。考虑到经济 性, 设计系统时不要使放冷的尖峰负荷过大, 即尽量 减小最大小时放冷量, 这样能减小板式换热器和蓄 放冷泵 P1 的容量, 减少初投资。蓄冷水槽的设计依 然采用有上下布水器的自然分层式结构。阀门 V6 为电动调节阀, 目的是调节供水温度, 其余均为电动 开关阀。蓄放冷泵 P1 、循环冷水泵 P2 、二次侧放冷
该系统特别适合用于中高层建筑的水蓄冷系
统, 尤其是改造系统。因为改造系统的制冷机单供 比例较大, 蓄冷设备供冷只是作为辅助, 并且该系
统相当于在现有常规空调系统上并联一个开式的
蓄放冷回路, 相比其他常用水蓄冷技术, 原有机房
内改动较小, 控制系统简明, 系统运行稳定可靠, 不 会出现系统的水泄到蓄冷槽的情况。
3 间接蓄冷直接供冷式水蓄冷系统的运行策略
该系统通过阀门和水泵调节可以完成制冷机
蓄冷、蓄冷水槽单供、制冷机单供、联合供冷、边蓄
边供等 5 种模式。阀门和水泵的控制策略如表 1
所示。
表1 设备
V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 P1 P2 P3 制冷机
间接蓄冷直接供冷式水蓄冷系统的运行策略
运行模式
制冷机蓄冷 蓄冷水槽单供 制冷机单供 联合供冷
关
开
关
开
开
关
关
关
开
关
关
关
关
开
关
开
开
关
关
关
关
关
开
调节
开
关Байду номын сангаас
关
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开
关
开
关
开
开
开
开
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关
开
开
关
开
开
关
开
关
开
开
关
开
开
制冷机蓄冷工况时, 板式换热器一次侧( 制冷机
侧) 的温度为 3 / 10 , 二次侧( 蓄冷侧) 为 4 /
11 。此时来自二次侧蓄冷水槽上布水器的 11 温水进入板式换热器被降温到 4 后进入下布水器
以上相关的温度参数也可在实际系统设计时 进行适当调整。 4 经济性分析
以北京某办公楼水蓄冷新建项目为例分析上 述 4 种 系统。该项 目 设计 日 峰值 负 荷为 4 725 kW, 设计日负荷及分时电价如图 5 所示。常规系
图 5 设计日负荷及分时电价
统需要配置 2 362 kW( 672 r t) 的制冷机 2 台; 4 种 水蓄冷系统均采用优化运行策略: 设计日时消除峰 值负荷, 非设计日时采用峰价电释冷优先, 平价电 制冷机优先的策略。由于 4 种水蓄冷系统的技术 特点不同, 所以在系统配置上也有差异。为了便于 比较, 以第 1 种的系统配置作为比较对象。经过负 荷平衡, 第 1 种系统 设计选 用额定 供冷量 1 300 kW( 370 rt ) 的制冷机 2 台, 蓄冷槽( 2 353 m3 ) , 总 蓄冷量约为 69 GJ( 5 446 rt h) 。由于系统不同, 主 机、板式换热器和蓄冷槽的选型会有较大的差别。 其中第 1 种 系统 的 板式 热 热器 换 热量 最 大, 为 4 725 kW。用户末端的供回水温度为 7 / 12 。
设备开发
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间接蓄冷直接供冷式水蓄冷系统
同方节能工程技术有限公司 徐齐越 王 琳 清华大学 曾飞雄 范 新
摘要 基于工程中常用的 3 种水蓄冷系统的优缺点分析, 提出了间接蓄冷直接供冷式水 蓄冷系统。详细介绍了该系统的工作原理和运行策略, 并进行了经济性分析。结果表明: 该系 统流程简明, 运行稳定、可靠, 解决了原来水蓄冷系统中存在的主机效率低、开式系统泵耗大且 可能存在压差大导致电动阀损坏等问题。
Keywords chilled wa ter stor ag e, indirec t charg ing, o pe rat io n str ategy
Tongfang Energy Saving Engineering Technology C o., Lt d., Beijing, China
图 4 间接蓄冷直接供冷的水蓄冷系统原理图
统) 。该系统由两个相互独立的系统组成, 一个是 在板式换热器二次侧的蓄冷放冷回路, 另一个就是 一次侧的常规空调系统, 这两个系统是通过板式换 热器隔开的, 制冷机既可以直 接供冷水给末 端系 统, 又可以通过板式换热器来蓄冷, 这样既避免了 第 2 种和第 3 种水蓄冷系统中阀门两侧压差大的 问题, 又解决了第 1 种水蓄冷系统中制冷机单供时 换热损失的问题, 而且运行起来非常稳定和安全。
到蓄冷槽。来自制冷机的 3 冷水经过板式换热器
换热后升温到 10 再回到制冷机进行降温。此时 二次侧放冷变频泵 P3 关闭, 不向用户供冷。
蓄冷水槽单供工况时, 一次侧的蓄冷水槽通过
下布水器供出 4 的冷水进板式换热器换热, 板式
换热器一次侧( 此时低温的蓄冷侧为一次侧, 系统 为二次侧) 的出水( 11 温水) 通过上布水器回到