特灵空调冰蓄冷系统-中央空调节能系统设计指南三

冰蓄冷系统中央空调节能系统设计指南(三)IceStorageSystem前言3一.蓄冰技术介绍4二.蓄冰系统的组成62.1蓄冰设备62.2双工况主机72.3载冷剂82.4乙二醇泵92.5低温送风末端10三.蓄冰系统的设计113.1定义任务113.2计算蓄冰量113.3选择冰槽与主机163.4系统的布置17四.系统的控制194.1系统组件194.2工作模式214.3控制的策略234.4优化控制244.5自控系统的规模24五.三级离心机蓄冰的优势255.1三级离心机组特点255.2三级离心机蓄冰系统的特点26六.附录29目录contents目录冰蓄冷系统近年来，愈来愈严重的电荒和能源紧缺已成为阻碍经济发展的一大瓶颈，而随着全社会对能源危机意识的增强，国家明确提出将节能增效放在能源工作的首位。最近我国政府要求切实加强资源节约工作，建设节约型社会，故而各行各业必须在节约用电的同时充分利用现有电力资源。目前，电力供应紧张有两个特点：一是电网负荷率低，系统峰谷差加大，二是随着用电结构的变化，工业用电比重相对减少，城市生活、商业用电快速增长。而空调的用电量占到建筑物用电的40%，所以节约空调系统的高峰用电将是缓解缺电矛盾的重要一环，目前各省市、地区电业部门纷纷公布用电政策和峰谷分时电价，以经济手段推动电力“削峰填谷”的实现。随着蓄冰空调系统越来越多的使用，有关的设计手册及行业规范也陆续出台，如《蓄冷空调工程技术规程》、新版的《实用供热空调设计手册》也将增加“蓄冷与蓄热”一章，这些都将对从事蓄冷空调系统设计的人员提供帮助。而特灵空调公司作为一家空调主机的生产厂家，有义务发布一些有关蓄能空调系统的经验及数据，我们根据来自实验室的研究、软件模拟以及现场经验，编写了这一探索蓄冰系统设计的手册。本手册是为了与业界分享特灵公司关于蓄能系统的知识经验，主要服务对象是对技术有兴趣的业主，暖通设计师，工程顾问等。在编写手册时，我们尽量采用中立的态度以保证本手册的非商业性。本手册只讨论以乙二醇为基础的蓄冰系统，原因是在中国市场出现过很多种形式的蓄能空调系统，但随着时间的推移却逐渐消失了，只有以乙二醇为基础的蓄冰系统仍然非常流行，因为这一系统简单可靠并且与常规的系统很相似，对业主或设计师来说做一个这样的系统与常规的系统差别不大，原来用在常规系统的设备几乎都可以用在乙二醇系统上，故乙二醇系统一直流行到现在。本手册主要针对基于乙二醇蓄冰系统设计中普遍存在的问题：系统设计、蓄冰容量、冷水机组、系统布置及系统控制等做了阐述。欢迎专家学者和资深工程技术人员对本手册的内容提出宝贵的意见，以便在版本更新时作改进。前言冰蓄冷系统3前言成都中国移动通信办公大楼蓄冰技术介绍4冰蓄冷系统1.1什么是蓄冰空调蓄冰空调系统，即是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式贮存起来，在电力负荷较高的白天，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷需要的空调系统。蓄能技术是转移高峰电力、开发低谷用电，优化资源配置，保护生态环境的一项重要技术措施。冰（水）蓄能技术在中国20世纪90年代通过引进和发展，作为电能应用的一项成熟技术，已在大型商场、办公楼、商住楼、宾馆、饭店、娱乐场所、体育场馆、金融大楼、医院、学校等场所得到了广泛的应用，效果显著，有着广阔的发展前景。1.2蓄冰技术发展简介世界上采用人工制冷的蓄冰空调大约出现在1930年前后。70年代世界范围的能源危机促使蓄冰技术迅速发展，首先在美国将蓄冰技术作为电力负荷的调峰手段广泛应用在建筑物的空调降温工程建设中，80年代以后逐渐普及。欧洲和日本等经济发达国家在80年代初期就开始对蓄冰技术的应用进行研究，日本尤为重视普及冰蓄冷系统的应用和研究。近几年，日、韩等国正以更快的速度推广应用蓄冰技术。我国大陆地区在空调工程中应用蓄冰技术起步较晚，从九十年代初，开始建造水蓄冷和冰蓄冷空调系统。至今已有建成投入运行和正在施工的工程400余个，但总的看来，当前我国在空调蓄冰技术的应用与开发方面仍处于起步阶段，因此蓄冰空调系统在国内发展前景广阔。1.3蓄冰空调的适用条件合适的分时电价构成和相关优惠政策�空调负荷在用电峰谷时段有一定不均衡性�场所使用时间空调负荷大,非使用期空调负荷较小的建筑�作为特殊场所的冷源或应急备用冷源�作为区域供冷工程的冷源1.4蓄冰空调的适用范围�商业,民用建筑空调工程�大型区域供冷工程�工业制冷�食品加工�电力发电工程(进气冷却)一、蓄冰技术介绍图1-1-1典型逐时空调负荷图图1-1-2蓄冰空调系统负荷图负荷IceDischanrge溶冰供冷ChillerCool制冷主机IceMaking制冰小时小时4000350030002500200015001000500013579111315171921234000350030002500200015001000500013579111315171921235蓄冰技术介绍1.5蓄冰空调的收益政府方面的益处�转移电力高峰期的用电量,平衡电网的峰谷差,发电机组效率提高.�减少新建电厂投资�减少环境污染,有利于生态平衡�充分利用有限的不可再生资源对建筑物业主潜在的好处1）节省运行费用�减少在电价高峰期主机、冷却塔及冷却水泵的电力消耗�设备满负荷运行比例增大,充分提高设备利用率和效率�可增大冷冻水温差，减小冷冻水泵的能耗2）减少设备的容量�可减少30%~50%的主机装机容量和功率�可减少冷却塔装机容量和功率�减少相应的电力设备投资,如:变压器,配电柜等�减少管路系统及水泵的尺寸(大温差工况)3）减少初投资�众多设备容量的减少及对蓄冰系统的奖励政策可以帮助降低初投资�减少机房有效占地面积4）增加系统的安全性�可作为应急冷源,停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷冰蓄冷系统图1-5-1冰桶现场布置二、蓄冰系统的组成蓄冰系统的组成6冰蓄冷系统2.1蓄冰设备蓄冰设备特点一般来说，用在乙二醇蓄冰系统中的蓄冰设备也叫静态冰槽。静态冰槽因为没有运行部件而得名，是一个封闭式的容器，里面贮存的冰是用来蓄能的介质。蓄冰设备除了有贮存冰的功能之外，实际上也是一种高效的换热器，冰的贮存及与乙二醇的换热都是在同一个容器内进行的，蓄冰设备在蓄冰及融冰的时候也充当乙二醇与冰之间的换热器。各个厂家生产的静态冰槽的材料、结构、尺寸都不一样，典型的蓄冰设备是由钢、聚乙烯或聚丙烯等材料制作，结构上看有盘管式和封装式二大类。不同的蓄冰设备的热工性能表现也不一样，各有各的融冰曲线与制冰曲线。蓄冰槽的性能由于静态冰槽不能像冷水机组那样可以由控制中心来控制恒定的出水温度，所以蓄冰设备的热工性能更像换热器，只是这个换热器的其中一侧为冰水混合物，其温度一直维持在0℃。所以蓄冰设备的热工性能主要是由以下因素决定的。�蓄冰设备的材料及结构�蓄冰设备的换热面积�进入冰槽的乙二醇的温度�乙二醇的流速对于给定的蓄冰槽要控制融冰及结冰速率，只能通过调节进入冰槽的乙二醇的温度及流速来进行控制。一般来说进入冰槽的乙二醇流量越大，温度越高(结冰的时候是温度越低)，融(结)冰的速率越快。融冰及蓄冰的温度融冰时冰槽的最高出口温度定义为融冰温度，蓄冰结束时进入冰槽的温度定义为蓄冰温度。影响融冰温度的因素�冰槽的结构、材料�冰槽换热面积�冰槽内的剩余的冰量融冰的速率对与给定的冰槽，其结构材料换热面积已经固定，它的融冰温度主要由冰槽内贮存的冰量与融冰的速率决定。如要控制冰槽的出口温度在某个值的话，需要控制融冰的速率不超过设定值，同时还要控制冰槽内贮存的冰量不能太少。影响蓄冰温度的因素影响蓄冰温度的一个至关重要的因素是冰层厚度，因为冰就像隔在乙二醇与水之间的保温层，在结冰的初期冰层的厚度很薄，对换热的影响也很小，到了蓄冰的末期随着冰层厚度的增加，冰对换热的影响就非常的明显了，这时需要更低的乙二醇的进口温度来维持住蓄冰速率。不同的蓄冰设备的换热面积相差很多，冰层的厚度也相差非常大，从1-5cm的产品都有，故蓄冰的温度也不相同，可以从-4.4ºC（24ºF）到-8.9ºC（16ºF）。水冰蓄冰初期蓄冰末期图2-1-1蓄冰初期与末期的比较7蓄冰系统的组成2.2双工况主机双工况主机与常规主机的区别在大部分的蓄冷系统中，采用同一台主机白天制冷，夜间制冰，这样可以显著降低系统的初投资，这样的主机也叫双工况主机。空调工况与制冰工况有以下几点不同之处：a）主机的蒸发温度与冷凝温度不同夜间制冰工况下运行的时候主机的出口温度要比空调工况下运行低很多，这会使主机的制冷量与效率下降很多。制冰工况下的冷凝温度也与空调工况不同，虽然风冷机组的冷凝温度是由干球温度决定的，水冷机组的冷凝温度是由湿球温度决定的。在夜间，干球温度与湿球温度都要比白天低几度，这可以降低主机的冷凝器的温度，从而帮助主机减轻在制冰工况下制冷量与效率的下降。b）主机的控制模式不同：空调工况：主机的容量根据负载的大小调节，主机的出口温度控制在设定值。制冰工况：主机强制满载运行，如进入主机的温度降到设定值以下，主机会停止工作。制冰工况对不同主机制冷量的影响a）对容积式压缩主机制冷量的影响冰蓄冷系统3530252015干球湿球室外温度图2-2-1室外温度变化趋势午夜上午6点中午下午6点午夜运行模式冷冻水出口温度制冷剂蒸发温度制冷剂密度空调工况4.4ºC（40ºF）2.2ºC（36ºF）15.6kg/m3（0.9721b/ft3）制冰工况-5.6ºC（22ºF）-9.4ºC（15ºF）10.2kg/m3（0.6401b/ft3）现用R-134a的螺杆机为例，来说明随着出口温度的不同，制冷剂密度的变化。容积式的压缩(如：螺杆式、涡旋式、活塞式压缩机)制冷机，压缩机进口处的体积流量是固定不变的，在制冰工况下进入压缩机的制冷剂的密度降低了，在同样的体积流量下，制冷剂的质量流量会降低，制冷机的容量是制冷剂的质量流量决定的，故制冰工况下容积式的压缩机制冷量会减少。上面举的例子中，制冰工况下的制冷量约为空调工况下的66%。b）对速度式压缩主机制冷量的影响离心式的压缩机是通过将动能转化成势能来提升制冷剂气体的压力的，我们把这类的压缩机称作速度式的压缩机。速度式压缩制冷机的制冷量也是由制冷剂的质量流量决定的，对于给定尺寸的叶轮来说，其体积流量也是不变的，在制冰工况下，制冷剂的密度下降会使质量流量下降，所以速度式压缩制冷机在制冰工况下制冷量也会衰减。对于离心式的压缩机来说可以通过调节叶轮尺寸的方法来调节制冷量，而不仅仅是压缩机的型号规格，故而离心机在制冰工况下的制冷量可以在一个更宽广的范围(50%-80%)内调节，这相比螺杆机要灵活得多。表2-2-1螺杆机制冷剂密度变化蓄冰系统的组成8冰蓄冷系统制冰工况对不同主机效率的影响在制冰工况下主机的效率也会下降很多，因为要获得更低的出口温度，需要一个很低的制冷剂的蒸发温度及蒸发压力，这要求压缩机提供更高的“提升力”，使压缩机的负担加重了。压缩机负担加重及制冷量衰减，两方面的影响合在一起使主机在制冰工况下的效率要比空调工况下的效率更差。制冰工况对风冷机组效率的影响风冷机组的效率主要受干球温度的影响，夜间干球温度的下降幅度比较大，这使得风冷机组的效率在夜间制冰工况下的下降并不明显，但要注意的是风冷机组的制冷量还是会随出口温度的下降而下降。制冰工况对三级压缩机效率的影响制冰工况对三级压缩机的效率也是有影响的，但是出口温度的降低对三级压缩的制冷机效率的影响并不明显。（其原理见第五章说明）由表2-2-2可以看出三级压缩制冷机的特点如下：1.主机的出口温度对效率的影响不明显；2.在低温工况下，三级压缩效率明显更高。2.3载冷剂蓄冰系统需要通过载冷剂来传送冷量，载冷剂的冰点需要低于水的冰点，以便在制冰时仍能传送冷量。最常用的载冷剂是在水中添加防冻剂来降低其冰点，在乙二醇蓄冰系统中防冻剂一般为乙烯乙二醇（Ethyleneglycol）和丙烯乙二醇（Propyleneglycol）。载冷剂的冰点比较丙烯乙二醇的防冻能力要比乙烯乙二醇弱，故要达到同样的冰点温度，丙烯乙二醇需要的浓度较高。用不同的物质做防冻