張敏敏，何梅玲，吳毅學(xué)，章文杰

（1.浙江大學(xué) 建筑設(shè)計研究院有限公司，杭州 310028；2.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，南京 210094）

0 引言

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以冰作為儲能介質(zhì)，在谷電時期進(jìn)行蓄冰儲能，峰電時期融冰放能投入使用，達(dá)到了良好的“移峰填谷”的效果，極大地平衡了電力供應(yīng)，提高了電能的有效利用。通過對電價政策的調(diào)研以及商業(yè)建筑中辦公室的負(fù)荷估計，發(fā)現(xiàn)冰蓄冷空調(diào)的運(yùn)用對電網(wǎng)的健康運(yùn)行有著重大的作用[1]。

冰蓄冷技術(shù)可與多種空調(diào)形式相結(jié)合。毛細(xì)管發(fā)射空調(diào)結(jié)合冰蓄冷的技術(shù)可以在實(shí)現(xiàn)降低能耗的同時提升人們的熱舒適性[2]。當(dāng)冰蓄冷空調(diào)與空氣換熱器相結(jié)合時，所形成的新空調(diào)系統(tǒng)的能源效率比燃?xì)忮仩t系統(tǒng)有明顯的提高[3]。建立光-電能量特性的理論模型，分析系統(tǒng)之間在能量傳遞上的特性，發(fā)現(xiàn)光伏能源驅(qū)動制冰蓄冷系統(tǒng)的理論計算模型與實(shí)際數(shù)據(jù)能較好的吻合，整個系統(tǒng)中能耗最大?流發(fā)生在蒸發(fā)器上。對于系統(tǒng)的優(yōu)化則可以從蒸發(fā)器制冷模式入手[4]。在冰蓄冷低溫送風(fēng)系統(tǒng)（設(shè)計工況）中，設(shè)定新風(fēng)比，熱濕比，送風(fēng)溫差等的變量，分析節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，部分表冷器的?損率與變量成正比關(guān)系，其他表冷器的?損率則與變量成反比關(guān)系[5]。另外通過分析太陽能吸收式制冷系統(tǒng)冰蓄冷器的性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在過渡季節(jié)，冰蓄冷器可以提供5～6 h的備用時間，從而說明在陽光不強(qiáng)烈階段系統(tǒng)依然可以平穩(wěn)運(yùn)行[6]。并且，通過與傳統(tǒng)空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性分析對比發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電與冰蓄冷組合的模式可以提高光伏的消納能力，其節(jié)能優(yōu)勢顯著[7]。

冰蓄冷系統(tǒng)除了其結(jié)合形式多樣化，在運(yùn)行策略上，也展開了眾多研究。文獻(xiàn)[8]以盡量減少能源費(fèi)用、需求費(fèi)用或能源和需求組合的費(fèi)用為目的，通過預(yù)冷策略控制建筑蓄熱，從而對建筑蓄熱和冰蓄冷情況進(jìn)行了優(yōu)化控制。文獻(xiàn)[9-11]采用粒子群算法，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)膮?shù)下，粒子群算法可以有效地應(yīng)用于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，降低運(yùn)行費(fèi)用和電耗。此外，還可以獲得蓄冰罐的最佳容量。但是，隨著蓄冰罐容量的增加，其耗電量和二氧化碳排放量也隨之增加。因此，考慮到碳稅等額外的電力消耗成本，可能會相應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)配置的變化。文獻(xiàn)[12]分析了系統(tǒng)在不同空調(diào)負(fù)荷率下的逐時運(yùn)行策略，由此確定了系統(tǒng)的自動控制模式。采用追加投資回收期的靜態(tài)法對冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。文獻(xiàn)[13]對研制的回?zé)崾綉粲帽罾淇照{(diào)系統(tǒng)在蓄冷運(yùn)行、制冷蓄冷同時運(yùn)行模式下進(jìn)行了性能測試，并與不帶回?zé)崞飨到y(tǒng)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用回?zé)崞骱?，蓄冷運(yùn)行時，吸氣溫度提高近25 ℃，蒸發(fā)溫度提高近3 ℃。由此，吸氣管外結(jié)霜、結(jié)冰問題得到了解決，COP也有所提高。文獻(xiàn)[14]建立了地下蓄冰的數(shù)學(xué)模型，并用75 m3蓄冰試驗(yàn)裝置一年運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該模型在蓄冰溫度和換熱器換能方面具有較好的一致性。文獻(xiàn)[15]介紹了季節(jié)性冰蓄冷系統(tǒng)和復(fù)合蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化。以北京某實(shí)際建筑為例，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種冷庫的合理組合可以大大提高其適用性。季節(jié)性冷庫和建筑冷卻系統(tǒng)的壽命周期成本可以降低40%。文獻(xiàn)[16]引入了冰蓄冷率和電價比的概念，分別表示不同的冰蓄冷容量和不同的電價結(jié)構(gòu)。然后計算了三種控制策略（冷凍機(jī)優(yōu)先、存儲優(yōu)先和優(yōu)化）下，不同冰蓄率和電價比下各典型建筑對應(yīng)的冷凍機(jī)容量和經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)值。結(jié)果表明，在最小制冷量和最小經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)值下，存在著各自的最優(yōu)蓄冰速率。當(dāng)電價比增大到一定值時，4種典型建筑的最優(yōu)冰蓄冷率與每種控制策略下的最小經(jīng)濟(jì)費(fèi)用和最小制冷量相當(dāng)。

冰蓄冷系統(tǒng)的研究對其系統(tǒng)在實(shí)際中的運(yùn)行有重大的意義，但當(dāng)前的研究主要集中在理論模擬或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析上，對實(shí)際工程中，冰蓄冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析研究較少。本文基于一個實(shí)際的工程（富陽市電力調(diào)度通信大樓），對其實(shí)際投入運(yùn)行使用過程中，冰蓄冷系統(tǒng)在過渡季節(jié)的單融冰工況進(jìn)行分析研究。

1 研究方法

1.1 項(xiàng)目基本概況

本項(xiàng)目位于浙江省富陽市，主要功能為電力調(diào)度大樓，其總建筑面積約31 585.3 m2，建筑高度67.6 m，其中地上14層，地下兩層。本項(xiàng)目為市局級電力調(diào)度大樓，為富陽市重點(diǎn)工程，按照綠色建筑二星標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，于2018年2月竣工驗(yàn)收并投入使用。國網(wǎng)電力調(diào)度大樓的工作時間相對統(tǒng)一，除去機(jī)房區(qū)外其他區(qū)域夜間負(fù)荷非常低，故大樓冷源選用2臺雙工況水冷螺桿式冷水機(jī)組（單臺額定制冷量為844 kW）及6套蓄冷量為1 755 kW的蓄冰槽，設(shè)計工況為分量蓄冰。采用主機(jī)上游串聯(lián)式二級泵系統(tǒng)，設(shè)旁通管共5個調(diào)節(jié)工況：主機(jī)制冰，聯(lián)合供冷，主機(jī)單獨(dú)供冷，融冰單獨(dú)供冷，主機(jī)制冰同時供冷。

1.2 單融冰工況運(yùn)行情況

本次單融冰工況從6月26日22：00開始，至6月28日18：30結(jié)束，共歷時2天2夜，約45 h。其中6月26日22：00-6月27日6：50期間為蓄冰階段；6 月 27 日 7：30-18：00，6 月 28 日 7：30-18：00為融冰階段；其余時間段為停止運(yùn)行階段。單融冰工況運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 單融冰工況運(yùn)行流程

整套冰蓄冷系統(tǒng)在設(shè)備安裝階段配置了各個節(jié)點(diǎn)的溫度，流量，電量等檢測裝置。運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)收集通過江森自控系統(tǒng)實(shí)時記錄。整個調(diào)研過程中，各項(xiàng)數(shù)據(jù)每隔1 h存儲一次。

2 結(jié)果分析

2.1 單融冰工況冰槽分析

本工程中共設(shè)3個蓄冰槽，蓄冰量取3個冰槽總的蓄冰量，冰槽液位為3個冰槽的平均液位，無冰液位的平均設(shè)定高度為1.037 m，滿冰量設(shè)定為8 424 kW。制冰階段在電價谷電時間進(jìn)行，整體蓄冰22：00開始，到次日6：50蓄冰結(jié)束，蓄冰8 424 kW。冷槽蓄冰量及液位隨時間的變化如圖2所示。

圖2 冰槽蓄冰量及液位隨時間的變化情況

蓄冰過程中，蓄冰量及冰槽液位均隨著時間的增加而增加，最后在6月27日早上6：50達(dá)到頂峰。融冰過程由2天組成，2天融冰時間相同（與電力調(diào)度大樓上班時間有關(guān)），均約為11 h。第一天融冰過程中，冰槽內(nèi)的儲冰量富裕，其儲冰量與冰槽液位隨著時間的降低單調(diào)降低，且較為穩(wěn)定。第二天融冰過程，整體的冰量變化與液位變化也是同第一天，隨時間的降低而降低，但運(yùn)行至15：00之后，冰槽冰量與冰槽液位均處于較為穩(wěn)定的階段，幾乎沒有下降，冰槽液位還有微小上浮。以上變化主要原因在于，6月28日為融冰第二日，據(jù)巡檢監(jiān)測人員實(shí)地觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日15：00時，冰槽已只剩少量余冰。但冰融化之后，其水仍存在于冰槽之中，而冰量的測定為根據(jù)冰槽液位計算所得，故最后運(yùn)行的幾個小時，主要為冰槽冰水供冷，其液位基本不變導(dǎo)致了儲冰量基本不變。另外，6月28日為周五，15：00之后，工作人員提前下班，導(dǎo)致末端負(fù)荷降低而影響儲冰量的變化速率。

2.2 蓄冰階段分析

圖3所示為冷水機(jī)組單次蓄冰工況下，其兩側(cè)供、回水溫度隨時間的變化情況。穩(wěn)定工況下，冷卻水供水溫度在33 ℃左右，回水溫度為30 ℃左右，供、回水溫差約為3 ℃。冷凍水供水溫度在-5 ℃左右，冷凍水回水溫度在-2～1 ℃之間。冰槽入口冷凍水溫略高于機(jī)組冷凍水供水溫度，這是因?yàn)樵趥鬏斶^程中存在耗散，但此耗散較小。本工程的設(shè)計冷凍水供水溫度為-6 ℃，設(shè)計冷凍水回水溫度為-1 ℃。實(shí)際工程中的實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計工況偏差較小，設(shè)計合理。在22：00-23：00期間，冷水機(jī)組處于剛啟動階段，整體運(yùn)行還未穩(wěn)，冷卻供回水，冷凍供回水存在較明顯變化。6：00-7：00期間，蓄冰接近尾聲，最后機(jī)組關(guān)閉，冷卻水供回水也存在變化。整體過程中，冷卻水供水溫度嚴(yán)格大于冷卻水回水溫度，冷凍水回水溫度嚴(yán)格大于冰槽入口溫度，冰槽入口溫度嚴(yán)格大于冷凍水供水溫度，冷水機(jī)組蓄冰階段，整體運(yùn)行穩(wěn)定合理。

圖3 冷水機(jī)組蓄冰階段供、回水溫度隨時間變化情況

蓄冰階段，對冷水機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并計算其COP。冷水機(jī)組蓄冰階段的COP如表1所示。實(shí)測機(jī)組的COP值為蓄冰階段逐時計算值。由表可知，通過實(shí)測流量所得的機(jī)組COP在3～3.2之間，由蓄冰量計算所得的機(jī)組COP在3.6左右，略高于流量計算所得的COP值。23：00時，冷水機(jī)組運(yùn)行不久，其冷量主要用于降低冰槽內(nèi)的水溫，還未開始進(jìn)行蓄冰，故其制冷量計算值無意義。機(jī)組COP3為實(shí)測供回水工況下，其機(jī)組的理論COP值（由廠家提供），為4.09。機(jī)組COP4是本工程的設(shè)計工況。設(shè)計工況的冷水機(jī)組COP值與實(shí)測接近，但實(shí)測的理論COP值則與其他3個COP值存在較大差異。不同情況下的COP值差異可能是由于儀器測量的誤差性，實(shí)際運(yùn)行過程中影響因素的復(fù)雜性所導(dǎo)致的。但整體COP值均在3以上，機(jī)組運(yùn)行良好。

表1 冷水機(jī)組蓄冰階段COP

2.3 融冰階段分析

富陽電力調(diào)度大樓于工作日進(jìn)行融冰供冷。本次融冰時間為6月27日，6月28日兩天，融冰階段，板式換熱器兩側(cè)供回水溫度情況如圖4所示。

圖4 板換兩側(cè)供、回水溫度隨時間的變化情況

圖4（a）為融冰第一天，冰槽至板換的供水溫度約為13 ℃，板換至冰槽的回水溫度約為16 ℃。板換至末端供水溫度約為14 ℃，末端至板換回水溫度約為17 ℃，整體運(yùn)行過程中，回水溫度嚴(yán)格高于供水溫度，末端側(cè)溫度嚴(yán)格高于冰槽側(cè)，運(yùn)行合理。整體的供回水溫度隨著時刻的增加有所降低，后又升高，整體趨勢大致相同，且運(yùn)行穩(wěn)定。末端側(cè)，設(shè)計供回水溫度為6/13 ℃，本工程實(shí)際運(yùn)行中，其供回水溫差與設(shè)計工況偏差較大。圖4（b）為融冰第二天，板換兩側(cè)供回水溫度及其變化趨勢與第一天融冰情況類似，但整體波動較第一天要大。6月28日氣溫明顯高于6月27日，故在剛開始融冰階段，機(jī)組開始運(yùn)行前，機(jī)組起始供回水溫度較高。融冰第二天下午階段，冰槽側(cè)供水較為不穩(wěn)定，在13：00-14：00有一個明顯的下降過程，因?yàn)榭紤]末端側(cè)負(fù)荷增加，工作人員將冰槽+循環(huán)水混合后的供水設(shè)定溫度由原先的12 ℃改至10 ℃，最后幾小時實(shí)際儲冰量接近零，冰水供冷的情況使得板換兩側(cè)供回水溫度再次升回14/17 ℃。第二天融冰工況下，末端側(cè)供回水溫度也同第一天運(yùn)行情況，遠(yuǎn)高于設(shè)計溫度。

融冰階段，冰槽至板式換熱器，板式換熱器至末端均采用變頻水泵運(yùn)行，其功耗百分比隨時間的變化如圖5所示。冰槽至板換的變頻水泵在兩天的融冰過程中均處于非常穩(wěn)定的階段，分別為58.7%（第一天），59.9%（第二天），而板換至末端的水泵功耗則存在較大的波。隨著使用時刻增加，變頻水泵的功耗整體趨勢先增加，后減小。第二天板換兩側(cè)水泵的耗功率均高于第一天的水泵耗功率，這可能和第二天的室外溫度較高，末端側(cè)負(fù)荷增加，而兩天的供回水溫差異不大（見板換供回水溫分析）有關(guān)。融冰第二天在13：00時刻水泵耗功率則受冰槽+循環(huán)水混合出水設(shè)定溫度調(diào)整的影響，發(fā)生一定程度的下降。本工程中，水泵設(shè)計工況為兩用一備，而實(shí)際運(yùn)行過程中，板換兩側(cè)水泵均只有一臺開啟，這可能是由于當(dāng)前處于過度季節(jié)，室外溫度未至最高，末端側(cè)負(fù)荷還未達(dá)到峰值所致。

圖5 變頻水泵功耗隨時間變化情況

2.4 與室外參數(shù)相關(guān)性分析

表2所示為本次融冰過程中，室外溫濕度情況。第一天實(shí)測室外溫度在33～34 ℃之間，室外相對濕度在57%～66%之間，第二天實(shí)測室外溫度在34.3～41 ℃之間，室外相對濕度與第一天相差不大，但略低于第一天。氣象網(wǎng)所提供的兩天的干球溫度均低于實(shí)測的干球溫度，室外相對濕度的一天波動比實(shí)測要明顯。以上差異可能受測量裝置位置的影響以及氣象網(wǎng)參數(shù)的不精確性和地方差異性也會導(dǎo)致偏差。2天的室外干球溫度（實(shí)測+氣象）均隨著時刻先升高，再降低，而相對濕度則成相反趨勢，隨著時刻先降低，再升高。

表2 室外干球溫度和相對濕度

本次相關(guān)性分析采用SPSS軟件進(jìn)行。顯著性值小于0.05，則兩組數(shù)據(jù)之間存在顯著性相關(guān)，顯著性值小于0.01則兩組數(shù)據(jù)之間存在極顯著性相關(guān)。末端制冷量以及變頻水泵的耗功率百分比與室外溫度（實(shí)測+氣象）進(jìn)行相關(guān)性分析，其分析結(jié)果如表3所示。由下表可知末端制冷量以及變頻泵的耗工百分比均與實(shí)測溫度之間存在極顯著性相關(guān)，而其與氣象參數(shù)之間存在的相關(guān)性則不明顯。導(dǎo)致以上原因可能是實(shí)測溫度雖高于氣象溫度，但為系統(tǒng)所在地溫度，較能準(zhǔn)確地反映當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓６鴼庀鬁囟葎t為大區(qū)域的溫度，與當(dāng)?shù)販囟却嬖诓町悺Ｄ┒素?fù)荷與實(shí)測溫度的極顯著相關(guān)性可以為未來蓄冰計劃提供前饋，從而合理的調(diào)整此工程冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

表3 制冷量及水泵耗工百分比與溫度相關(guān)性分析

3 討論

當(dāng)前，針對冰蓄冷系統(tǒng)的眾多研究充分說明了冰蓄冷系統(tǒng)的存在價值，但之前的研究大量的集中于針對設(shè)計工況的理論分析或者是試驗(yàn)的分析。文獻(xiàn)[17]對非冰蓄冷制冷系統(tǒng)和冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)制冷能耗的消耗很大程度上取決于氣候條件。文獻(xiàn)[18]對冰蓄冷系統(tǒng)開式冰槽和閉式冰槽的融冰過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，封閉式冰槽冷量的釋放速率比開放式冰槽冷量的釋放速率穩(wěn)定，特別是在排放過程的后期，開放式冰槽冷量的釋放速率明顯降低。本文的研究基于了一個實(shí)際工程，系統(tǒng)規(guī)模比大部分的冰蓄冷實(shí)驗(yàn)平臺大。而且，本文的研究是在大樓實(shí)際運(yùn)行過程中進(jìn)行的分析研究，分析結(jié)果能較好的反應(yīng)實(shí)際工程的情況。另外，之前的冰蓄冷優(yōu)化方案主要以理論的整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性或者是投資加運(yùn)行的最優(yōu)化為目的而進(jìn)行的優(yōu)化。本文結(jié)合氣候條件，分析實(shí)際運(yùn)行情況，所提供的前饋結(jié)果更具有靈活性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

（1）在本工程中，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在過渡季節(jié)只需要開啟單融冰工況即可滿足大樓的空調(diào)需求，系統(tǒng)整體運(yùn)穩(wěn)定良好。主機(jī)至冰槽側(cè)，設(shè)計工況與運(yùn)行工況非常接近，但在冰槽至末端側(cè)，設(shè)計工況與運(yùn)行工況存在差異。

（2）運(yùn)行過程中，冰槽蓄冰速率穩(wěn)定，融冰速率在前期較為穩(wěn)定，但融冰末期，因受末端以及冰槽剩余冰量不足的影響，融冰速率不穩(wěn)。板換兩側(cè)供回水溫度相對穩(wěn)定，但融冰末期，受人為因素調(diào)控，溫度靈活變化。

（3）結(jié)合氣象參數(shù)與室外實(shí)測溫濕度，分析整體的運(yùn)行結(jié)果，可以為后期的運(yùn)行提供有效的前饋，從而保證冰蓄冷系統(tǒng)更加高效的運(yùn)行。