戴銀寶

( 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200070 )

淺談上海地區(qū)某項(xiàng)目冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴銀寶

( 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200070 )

[摘要]結(jié)合該項(xiàng)目冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷和釋冷的特點(diǎn)，分析在計(jì)算空調(diào)負(fù)荷時(shí)需要關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題以及確定設(shè)備容量的主要計(jì)算方法。為保證冰蓄冷系統(tǒng)的合理運(yùn)行，分析了系統(tǒng)在不同空調(diào)負(fù)荷率下的逐時(shí)運(yùn)行策略，并由此確定系統(tǒng)的自動(dòng)控制模式。

[關(guān)鍵詞]冰蓄冷；空調(diào)負(fù)荷；自動(dòng)控制

收稿日期：2015-6-30 2015-9-4

作者簡(jiǎn)介：戴銀寶(1987-)，男，助理工程師，主要從事暖通設(shè)計(jì)。Email：1064409928@qq.com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)04-077-05

中圖分類號(hào)：TU831文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.014

Abstract：Based on the ice storage system design of the building,according to the characteristics of the ice storage and discharge,discusses some key issues for calculating the cooling load and calculation methods to determine the main device capacity.In order to insure the normal operation of the ice storage system,analyses the hourly operational strategy under the different cooling load ratio and then determines the automatic control mode.

Introduction to the Design of Ice Storage

System of a Project in Shanghai

DAI Yinbao

( East China Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd.，Shanghai 200070 )

Key words:Ice storage;Air conditioning load;Automatic control

空調(diào)蓄冷技術(shù)的產(chǎn)生已經(jīng)有八十余年的歷史，而冰蓄冷技術(shù)又在20世紀(jì)80年代以來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。當(dāng)前，空調(diào)蓄冷技術(shù)的應(yīng)用已成為電力負(fù)荷調(diào)峰的重要手段。

1工程概況

本工程位于上海市，總建筑面積約75968m2，建筑高度約80米。其中地下室建筑面積約25555m2，地上建筑面積約50413m2。地下室共2層，為車(chē)庫(kù)、設(shè)備及輔助用房；地上建筑由三棟樓組成， 1號(hào)樓17層，其中1～3層為辦公門(mén)廳及商業(yè)，4層以上為辦公用房；2號(hào)樓10層，其中1～3層為公寓式酒店門(mén)廳及商業(yè)，4層以上為公寓式酒店；3號(hào)樓為商業(yè)裙房，局部4層，配有餐飲等商業(yè)用房。其中1號(hào)樓、3號(hào)商業(yè)裙房采用冰蓄冷系統(tǒng)，制冷機(jī)房位于地下一層，冰蓄冷機(jī)房位于地下二層。

在工程設(shè)計(jì)之初進(jìn)行了方案的可行性論證，上海地區(qū)執(zhí)行峰谷電價(jià)且差價(jià)較大，符合蓄能空調(diào)設(shè)計(jì)的基本條件，經(jīng)測(cè)算本工程冷負(fù)荷高峰與電網(wǎng)高峰時(shí)段重合，電網(wǎng)低谷時(shí)段空調(diào)負(fù)荷較小，如果按照最大負(fù)荷選擇制冷機(jī)，會(huì)導(dǎo)致裝機(jī)容量過(guò)大且經(jīng)常處于部分負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，既不經(jīng)濟(jì)，也不節(jié)能；另外考慮到建筑的層高等技術(shù)要求，也為了滿足今后降低運(yùn)行費(fèi)用，提高空調(diào)舒適度，大樓的冷源最終確定采用冰蓄冷系統(tǒng)。

本文主要介紹本工程冰蓄冷系統(tǒng)冷源側(cè)的設(shè)計(jì)，關(guān)注設(shè)計(jì)的全過(guò)程以及重要的設(shè)計(jì)思路和方法。

2冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1室內(nèi)主要設(shè)計(jì)參數(shù)(見(jiàn)表2.1)

表2.1室內(nèi)主要涉及參數(shù)

房間名稱室內(nèi)參數(shù)最小人員密度噪聲夏季冬季新風(fēng)量m2/pdB(A)T℃%T℃%m3/h·p商業(yè)26≤6018≥40203≤50餐飲25≤6020≥40302.5≤50大堂26≤6020≥402010≤45銀行26≤6020≥40194≤45公寓式酒店25≤6020≥405010≤45辦公24≤6020(外區(qū))22(內(nèi)區(qū))≥40358.5≤45

2.2冰蓄冷系統(tǒng)配置

該項(xiàng)目空調(diào)運(yùn)行時(shí)段為8∶00至22∶00共14小時(shí)，1號(hào)樓、3號(hào)商業(yè)裙房夏季空調(diào)最大冷負(fù)荷在16∶00,為5793kW(1647RT)，夏季空調(diào)冷源采用冰蓄冷系統(tǒng)，主機(jī)采用2臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量為2110kW(制冰工況制冷量為1407kW)的雙工況離心式電制冷冷水機(jī)組，并設(shè)置17臺(tái)容量為1337kWh的整體式蓄冰槽。蓄冷裝置提供的蓄冷量為22729kWh，設(shè)計(jì)日的冷量為66297kWh；蓄冷裝置提供的蓄冷量占設(shè)計(jì)日的冷量比例為34%，大于30%。

集中冷源中的冰蓄冷系統(tǒng)，由雙工況制冷機(jī)組、蓄冰裝置、板式換熱器、載冷劑溶液泵、空調(diào)冷凍水泵、冷卻塔、冷卻水泵、膨脹定壓裝置等設(shè)備和載冷劑閉式循環(huán)的管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。其中雙工況制冷機(jī)組采用離心型、冷媒為R123(R134a)；蓄冰裝置采用蛇形盤(pán)管的冰槽，容量為部分負(fù)荷蓄冰，載冷劑采用26%乙烯乙二醇溶液，并采用雙工況制冷機(jī)組在上游、冰槽在下游的串聯(lián)系統(tǒng)和蓄冰優(yōu)先的運(yùn)行策略。冰蓄冷系統(tǒng)可完成蓄冰貯冷、制冷機(jī)和冰槽串聯(lián)融冰供冷、冰槽單獨(dú)融冰供冷、雙工況制冷機(jī)單獨(dú)空調(diào)供冷等多種運(yùn)行模式；載冷劑溶液泵采用變頻調(diào)速裝置，以滿足不同運(yùn)行模式時(shí)不同的流量和壓降的需要。系統(tǒng)制冰蓄冷時(shí)，供回液溫度為-6.0℃/-3.0℃；系統(tǒng)空調(diào)供冷時(shí)，供回液溫度為10.9℃/4℃，板式換熱器初級(jí)端與乙二醇溶液管路連接，次級(jí)端與空調(diào)水系統(tǒng)管路連接，空調(diào)供、回水的溫度為6℃/12℃。

2.3系統(tǒng)原理(見(jiàn)圖1)

運(yùn)行模式主要設(shè)備和控制閥門(mén)的啟、停見(jiàn)表2.3。

1)載冷劑循環(huán)泵為變頻泵，該泵在各種模式運(yùn)行中流量不變，揚(yáng)程應(yīng)滿足串聯(lián)融冰供冷模式時(shí)最大的系統(tǒng)壓降。在其它模式運(yùn)行時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)壓降減小，變頻泵調(diào)速運(yùn)行，以滿足系統(tǒng)的壓降要求。

2)根據(jù)T4的溫度變化啟停V3以及反向比例互調(diào)調(diào)節(jié)V3和V4的流量，以控制融冰速率和供液溫度和載冷劑循環(huán)泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

3)根據(jù)T3的溫度調(diào)節(jié)V6的流量，并通過(guò)V7保持整個(gè)蓄冰系統(tǒng)的流量平衡。

4)根據(jù)T1、T2、F1的空調(diào)負(fù)荷量和T1的溫度變化值確定系統(tǒng)的運(yùn)行模式和各類設(shè)備的臺(tái)數(shù)控制?？刂圃O(shè)備啟動(dòng)的優(yōu)先程度:首選為模式3，次為模式2，最后為模式4，關(guān)停的程序與上述相反。

圖1　系統(tǒng)流程原理簡(jiǎn)圖

表2.3運(yùn)行模式主要設(shè)備和控制閥門(mén)的啟、停表

系統(tǒng)運(yùn)行模式載冷劑循環(huán)泵雙工況制冷機(jī)組蓄冰槽板式換熱器冷凍水泵V1V2V3V4V5V6V7備注1蓄冰啟啟啟停停開(kāi)關(guān)關(guān)關(guān)開(kāi)關(guān)關(guān)2串聯(lián)融冰供冷啟啟啟啟啟開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)關(guān)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)3融冰供冷啟停啟啟啟關(guān)開(kāi)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)關(guān)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)4雙工況主機(jī)供冷啟啟停啟啟開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)關(guān)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)1)2、3兩種模式中V3和V4為反相比例互調(diào)。2)V6根據(jù)空調(diào)冷凍水的供水溫度調(diào)節(jié)3)V7為差壓旁通閥

5)在模式2中，根據(jù)T1、T2、F1的空調(diào)負(fù)荷量和溫度變化控制雙工況機(jī)組的啟、停臺(tái)數(shù)。

6)T5控制單臺(tái)雙工況機(jī)組的增載和卸載。

2.4系統(tǒng)運(yùn)行分析

通過(guò)分析末端負(fù)荷側(cè)的需求和變化，可以進(jìn)行運(yùn)行策略和工況的調(diào)整，但控制策略的不同意味著計(jì)算方法的不同。常用的運(yùn)行策略包括制冷機(jī)組優(yōu)先控制策略和蓄冰裝置優(yōu)先控制策略，本工程由于建筑空間條件的限制，采用蓄冰優(yōu)先的控制策略，由蓄冰裝置的進(jìn)、出水流量，使其滿負(fù)荷運(yùn)行或限定釋冷量運(yùn)行。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷超出釋冷量時(shí)，按設(shè)定的出口溫度開(kāi)啟并運(yùn)行制冷機(jī)組，以實(shí)現(xiàn)供水溫度的恒定。該方式能最大限度地利用蓄冰裝置，可從電力低谷的電量中獲得最大的節(jié)約。通過(guò)圖1中冰蓄冷系統(tǒng)各工況閥門(mén)轉(zhuǎn)換，可以清楚地看到系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)蓄冰工況、制冷機(jī)供冷工況、冰槽供冷工況以及制冷機(jī)和融冰聯(lián)合供冷工況幾種運(yùn)行模式。

運(yùn)行時(shí)首先設(shè)定制冷機(jī)的供冷溫度，用該溫度控制制冷機(jī)的出水溫度，傳統(tǒng)的制冷機(jī)的供回水溫度為7℃/12℃，控制方法是利用7℃的出水溫度控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是反饋控制，本工程冰蓄冷系統(tǒng)按照相同的原理，由冷源側(cè)出水溫度控制制冷機(jī)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本工程冰蓄冷系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，載冷劑采用26%的乙烯乙二醇溶液，蓄冰工況時(shí)，制冷機(jī)為蓄冰裝置提供-6～-3℃低溫載冷劑；系統(tǒng)空調(diào)供冷時(shí)，供回液溫度為10.9℃/4℃，經(jīng)板式換熱器，為末端空調(diào)提供6～12℃的冷水。

3主要設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果

常規(guī)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算是計(jì)算設(shè)計(jì)日空調(diào)逐時(shí)的冷負(fù)荷，并按最大值選取制冷機(jī)和空調(diào)末端。對(duì)于冰蓄冷系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)中增加了蓄冷裝置，因此，負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別是引入了時(shí)間累計(jì)的概念，這就要求不但要計(jì)算建筑物設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷，還要計(jì)算設(shè)計(jì)日逐時(shí)累計(jì)總負(fù)荷，要跳出單個(gè)空調(diào)負(fù)荷區(qū)，將建筑變成一個(gè)整體的計(jì)算模型來(lái)考慮。

表3.1設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷分配表

空調(diào)負(fù)荷雙工況主機(jī)冰優(yōu)先制冰WRTRTRTRT0:007831:007832:007833:007834:007835:007836:007:008:00394189111216744479:004915681139895144710:0053915841533108644711:0054784171558111144712:0053845511531108444713:0054396591547110044714:0056990061620117344715:0057598621638119144716:0057926231647120044717:0057925271647120044718:00336683095751044719:00317298190245544720:00349171499354644721:00266935275931244722:0078323:00783

在計(jì)算過(guò)程中，要關(guān)注兩個(gè)細(xì)節(jié)，首先是大樓的日運(yùn)行時(shí)間表和設(shè)備、人員的同時(shí)使用系數(shù)，因?yàn)榻ㄖ飪?nèi)的人員、燈光、設(shè)備等內(nèi)擾時(shí)間不同，意味著負(fù)荷的轉(zhuǎn)移率不同，負(fù)荷峰值的時(shí)刻不同，對(duì)分析設(shè)計(jì)負(fù)荷的峰值和電力峰值之間的關(guān)系很重要；另外要注意的是附加負(fù)荷的計(jì)算，即水泵的發(fā)熱量以及蓄冰槽和冷水管路的得熱量，水泵機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中摩擦生熱，會(huì)造成水泵后的液體溫度升高，另外冷水管路和蓄冰槽與環(huán)境之間的溫差也會(huì)產(chǎn)生冷水的溫升，對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)不考慮附加溫升是因?yàn)楦郊迂?fù)荷占總負(fù)荷的比例很小，而且設(shè)備是按逐時(shí)最大負(fù)荷確定的，完全能滿足整個(gè)建筑的負(fù)荷需求，而對(duì)于蓄能空調(diào)，有時(shí)間累計(jì)的要求，如果空調(diào)系統(tǒng)一天運(yùn)行8～10h，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，附加負(fù)荷約占建筑負(fù)荷的3%～5%，這部分的附加負(fù)荷較大，不應(yīng)該忽略。

3.2制冷設(shè)備、蓄冷設(shè)備容量計(jì)算

本工程為工作時(shí)段空調(diào)連續(xù)運(yùn)行的商業(yè)建筑，宜采用部分負(fù)荷蓄冰的空調(diào)方式，根據(jù)文獻(xiàn)[1]附錄J的規(guī)定，通過(guò)前面的負(fù)荷計(jì)算，可計(jì)算出蓄冰裝置有效容量和制冷機(jī)標(biāo)定制冷量。

Qs=ni·cf·qc

(3.2-1)

(3.2-2)

式中：

Qs—蓄冰裝置有效容量，kWh；

qc—制冷機(jī)的標(biāo)定制冷量(空調(diào)工況)，kW；

qi—建筑物逐時(shí)冷負(fù)荷，kW；

ni—夜間制冷機(jī)在制冰工況下運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；

n2—白天制冷機(jī)在空調(diào)工況下運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；

cf—制冷機(jī)制冰時(shí)制冷能力的變化率，即實(shí)際制冷量與標(biāo)定制冷量的比值。

經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目蓄冰裝置的有效容量為22729 kWh，設(shè)計(jì)日的冷量為66297kWh；蓄冷裝置提供的蓄冷量占設(shè)計(jì)日的冷量比例為34%，大于30%，具有較好的經(jīng)濟(jì)性；單臺(tái)制冷機(jī)的標(biāo)定制冷量計(jì)算值為2110kW(制冰工況制冷量為1407kW)。

4冰蓄冷系統(tǒng)特點(diǎn)和主要設(shè)備容量

4.1冰蓄冷系統(tǒng)特點(diǎn)

本工程采用蛇形盤(pán)管的冰槽，鋼制盤(pán)管式。由浸沒(méi)在充滿水的蓄冰槽內(nèi)的金屬盤(pán)管作為蓄冷介質(zhì)與載冷劑的換熱面，通過(guò)載冷劑在盤(pán)管內(nèi)的流動(dòng)使盤(pán)管外表面結(jié)冰，以蓄存冷量的蓄冷系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)各蓄冷單元的冰層厚度或蓄冰量進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)設(shè)置空氣泵時(shí)，應(yīng)設(shè)置除油過(guò)濾器，以避免壓縮空氣中的油液進(jìn)入冰槽；空氣泵的發(fā)熱量應(yīng)計(jì)入蓄冰槽的冷量損失；并應(yīng)對(duì)鋼制蓄冰槽和鋼制盤(pán)管采取必要的防腐保護(hù)措施。

4.2主要設(shè)備容量

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)形式的確定和相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定主要設(shè)備和輔助設(shè)備的容量，見(jiàn)表4.2。

表4.2主要設(shè)備配置

設(shè)備數(shù)量基本參數(shù)乙二醇冷水泵3臺(tái)流量436m3/h揚(yáng)程35m一次冷水泵3臺(tái)流量415m3/h揚(yáng)程11m二次冷水泵2臺(tái)流量374m3/h揚(yáng)程23m2臺(tái)流量207m3/h揚(yáng)程18m主供冷換熱器2臺(tái)換熱量3200kW,一次側(cè)4℃/10.9℃ 二次側(cè)6℃/12℃冷卻水塔2臺(tái)流量400m3/h32℃/37℃冷卻水泵3臺(tái)流量435m3/h揚(yáng)程30m

5蓄冰系統(tǒng)自動(dòng)控制

(1)自控系統(tǒng)必須滿足集中冷源幾種不同的空調(diào)供冷模式的自動(dòng)切換和相關(guān)設(shè)備、閥門(mén)的啟停、開(kāi)關(guān)等控制；在保證空調(diào)品質(zhì)的同時(shí)，自動(dòng)選擇最節(jié)能的模式運(yùn)行。

(2)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化和節(jié)能的原則，完成蓄冰裝置、雙工況主機(jī)間的供冷負(fù)荷分配。

(3)根據(jù)負(fù)荷需求，調(diào)節(jié)和控制蓄冰槽的融冰速度。在保證穩(wěn)定的融冰速度的同時(shí)，還應(yīng)盡量保持供液溫度的恒定。

(4)根據(jù)負(fù)荷需求和節(jié)能原則，分別對(duì)雙工況主機(jī)、板式換熱器及相關(guān)輔助設(shè)備作臺(tái)數(shù)控制和能量調(diào)節(jié)。

(5)載冷劑循環(huán)泵采用變頻裝置，以滿足不同運(yùn)行模式時(shí)流量和壓降的變化。但在每一種運(yùn)行模式中，循環(huán)泵應(yīng)是定流量工作的。

(6)在雙工況制冷機(jī)、蓄冰裝置串聯(lián)供冷和蓄冰裝置單獨(dú)融冰供冷的運(yùn)行模式中，隨著空調(diào)負(fù)荷的變化，裝置在板式換熱器載冷劑回液管上的電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)載冷劑流量，以適應(yīng)負(fù)荷的變化，同時(shí)通過(guò)壓差旁通閥平衡系統(tǒng)流量，使載冷劑循環(huán)泵能在定流量的狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。

6結(jié)語(yǔ)

采用冰蓄冷系統(tǒng)可以有效地做到合理用電，緩解電力負(fù)荷的峰谷差現(xiàn)象。冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅應(yīng)關(guān)注電力峰谷時(shí)段與空調(diào)運(yùn)行時(shí)段的相互關(guān)系，還應(yīng)根據(jù)建筑的具體類型，通過(guò)計(jì)算和優(yōu)化，合理確定系統(tǒng)運(yùn)行模式；不但要關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)流程的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該重視系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行工況和運(yùn)行模式分析。通過(guò)對(duì)各種運(yùn)行模式的分析計(jì)算，可將整個(gè)冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行策略和控制邏輯提供給自控專業(yè)，使自控專業(yè)能夠充分明了空調(diào)設(shè)計(jì)的意圖，這樣才能更好地指導(dǎo)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的效果。

參考文獻(xiàn)7

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