冰蓄冷中央空调系统

冰蓄冷、水蓄冷左贤龄随着现代工业的发展和人民生活水平的提高。中央空调的应用越来越广泛，其耗电量也越来越大，一些大中城市中央空调用电量已占其高峰用电量的20%以上，使得电力系统峰谷负荷差加大，电网负荷率下降，电网不得不实行拉闸限电，严重制约着工农业生产，对人们正常的生活带来不少影响。解决该问题的有效办法之一是应用于蓄冷技术，将空调用电从白天高峰期转移到夜间低谷期，均衡城市电网负荷，达到多峰填谷的目的。蓄冷技术的原理，简而言之，是利用夜间电网多余的谷荷电力继续运转制冷机制冷，并以冰（水）的形式储存起来，在白天用电高峰时将冰融化提供空调服务，从而避免中央空调争用高峰电力，最常用的蓄冷方式主要有两大类：冰蓄冷和水蓄冷。一、冰蓄冷冰蓄冷以冰为蓄冷介质，不同的制冰方式，构成不同的蓄冷系统。通常分完全蓄冷与部分蓄冷。因为部分蓄冷方式可以削减空调制冷系统高峰耗电量，而且初投资比较低所以目前采用较多，在确定部分负荷蓄冷系统的装置容量时，一般有两种情况，1、空调系统夜间不运行，仅白天运行，或者夜间运行的空调负荷较小，在这种情况下，选择制冷机的最佳平衡计算公式应为qc=Q/（N1+CfN2）Qs=N2Cfqc；式中qc：以空调工况为基点时的制冷机制冷量，kw，Qs：蓄冰槽容量，KWH；N1：白天制冷主机在空调工况下的运行小时数，由于白天制冷机不一定均为满载运行，计算时该值可取（0.8-1.0）n.N2：夜间制冷主机在蓄冷工况下的运行小时数。Cf：冷水机组系数，即冷水机组蓄冰工况制冷能力与空调工况制冷能力的比值，一般活塞式与离心式冷水机组约为0.65，螺杆式冷水机组约为0.7.它取决于工况的温度条件和机组型号。根据公式，结合具体工程，就可得出应配置的冷水机组的制冷能力与蓄冰槽容量。2、空调系统部分夜间运行，而且所需的冷负荷比较大。在这种情况下，我样一般以夜间所需的冷负荷为依据。选择基载主机。然后从总负荷中扣除基载主机所承担的负荷，再按第一种情况合理配制冷水机与蓄冰槽。二、水蓄冷水蓄冷是利用3-7°C的低温水进行蓄冷，可直接与常规系统区配，无需其它专门设备。其优点是：投资省，维修费用少，管理比较简单。但由于水的蓄能密度低，只能储存水的显热，故蓄水槽上地面积大。如若利用高层建筑内的消防水池，在确定制冷机容量与蓄冷槽的容量时，可根据消防水池的容量来计算出蓄冷量，然后根据剩余负荷量来确定制冷机组的制冷量。最后校核一下冷水机组能否满足夜间蓄冷的需要。三、现以某工程为例来对蓄冷系统和冰蓄冷系统做一经济比较分析某高层建筑总建筑面积15000m2，空调面积12000m2，建筑物总高度54M为高一类工程。其功能主要以办公为主，空调运行时间为8：00-18：00，消防水池的有效容积为600m3。设计日全日最高负荷为：1232KW；设计日全日总冷量9854kwH，1、水蓄冷系统：因为常规顿汉布什螺杆机低温保护温度为4℃，我们设定水池取冷温度为5.5℃，回水温度12℃，则总蓄冷量为4524，考虑到冷量损失，我们确定实际能够利用的冷量为4060KW，其负担的空调面积数为5000，制冷主机的容量为6844KW，蓄冷量占总冷量的比率为场4060/9854=41%，我们选用696KW立式螺杆机组一台，满足夜间蓄冷池的蓄冷要求。因水池供冷为开式系统，为节省空调系统的运行费用，应最大限度地降低蓄冷池供冷泵的扬程，我们在进行系统设计时，将整幢主楼分成高、低两个区，低区空调面积5000m2，采用蓄冷池供冷，为开式系统，高区空调面积7000m2，采用制冷机组供冷，为闭式系统。2、冰蓄冷系统我们采用部分蓄冷方式，根据公式qc=Q/（N1+CfN2）得出qc=9854/（8.5+0.7×8）=700kw蓄冰槽容量：Qs=N2Cfqc=8×0.7×200=3920KwH根据上式我们选用一台700KW双工况水冷螺杆机组，蓄冰槽的蓄冷量为3920kwH。其冷冻站配置及概算如下：内容规格数量单位功率价格合计（KW）（万元）功率（KW）总价（万元）主机24AUJ8H71台1576815768冷却塔LBC-M-3-2001台7.557.55冷却水泵KQL150-3152台301.19302.38卤水泵KQL125-160A2台18.51.0318.52.06供热泵供热泵供热泵KQL100-200A2台18.51.0618.52.12板换270m22台27-27蓄冰槽420型3台-17.0-51.0电控2525合计231.5231.5注：造价仅供参考。以上分析比较来看，水蓄冷系统不仅从节能而且从节省初投资方面都具有很大的优越性，它充分利用了建筑的消防水池，不再占用建筑面积，节省了机房面积，但我们不能因此而完全肯定水蓄冷，否定冰蓄冷，他们各用各自的适用范围，下面我们来分析一下：根据公式qc=Q/（N1+CfN2）Qs=N2Cfqc我们可得出蓄冷比率：η=Qs/Q=（N2Cfqc）/Q=（N2Cfqc）/[（N1+CfN2）×（N2Cfqc）/Q]=1/[1+（N1/（CfN2））对于一般的办公建筑来说，N1、Cf、N2均为确定值，分别为8.5，8，0.7，则η=1（1+8.5/0.7×8）=39.7%在这个比率下，制冷机与蓄冷槽容量配置为最佳，对冰蓄冷而言，因蓄冰槽可根据蓄冷量的大小来配置，不受任何限制，我们就可根据这一比率来确定蓄冷量，从而配置出相应的制冷机与蓄冰槽，但对水蓄冷而言，因为它利用的是消防水池，而建筑物消防水池的容积只与建筑物的性质及使用功能有关，与建筑面积没有关系，那么在这一条件下限制下，对于空调面积只与建筑物的性质及使用功能有关，与建筑面积没有关系，那么在这一条件下，对空调面积较小的建筑物来说，水池所蓄存的冷量占全日总冷量的比率接近于39.7%，则我们建议采用冰蓄冷系统，对空调面积较小的建筑物来说，水池所蓄存的冷量占全日总冷量的比率接于39.7%，甚至高于39.7%，则我们应采用水蓄冷系统，同时，应与水系统的分区结合起来。12℃7℃12℃7℃7℃常规空调系统循环示意图7℃冷冻泵水水A.夜间蓄冰模式(制冰工况)冰蓄冷中央空调系统循环模式红线左侧为空调机房设备，右侧为空调末端！B.冰槽单独融冰供冷模式（融冰工况）冰蓄冷中央空调系统循环模式C.蓄冰冷机单独供冷模式（主机供冷工况）冰蓄冷中央空调系统循环模式D.蓄冰冷机和冰槽融冰联合供冷模式冰蓄冷中央空调系统循环模式其中V1、V2、V3、V4根据需要自动进行调节状态。1、中央空调主机2、蓄冰槽3、板式换热器4、乙二醇泵5、控制系统（含电动阀门）6、冷冻循环泵7、冷却塔8、冷却循环泵9、配电设施比常规空调系统多出的设备冰蓄冷空调系统设备构成地源热泵联合冰蓄冷空调系统的研究设计目前地源热泵技术在北美和欧洲已经非常成熟。冰蓄冷空调技术主要是将实际用电从电网高峰向低谷时段转移,从而提高电网效率和节约能源，是电力部门“削峰填谷”的最佳途径。目前世界发达国家都已经或正在使用冰蓄冷空调，我国目前实施推广的省市有北京、湖北、河南、湖南、江苏、浙江、广东等，尤其是在以广东为中心的华南地区，每年使用中央空调的时间长达9－10个月，使用冰蓄冷空调无论在经济效益上，还是社会效益上，意义更为重大。但这两种技术各有其局限性。地源热泵技术虽然可以供热供冷，但无法在夜间电力低谷时蓄冷，进而“削峰填谷”。冰蓄冷技术虽然可以起到“削峰填谷”的作用，却无法在冬季供暖。基于以上考虑，文章将这两项新技术嫁接到一起，“取长补短，优势互补”，并对地源热泵联合冰蓄冷空调系统进行理论研究分析。1地源热泵联合冰蓄冷空调系统地源热泵联合冰蓄冷空调系统的优点（1）以土壤为热源,由于全年土壤温度波动小,随着土壤深度的增加,土壤温度变化相对稳定,冬季土壤温度比空气温度高,夏季又比空气温度低,所以热泵的供热供冷的COP值均高。据重庆大学刘宪英教授科研组的测定,与空气源热泵相比,地源热泵COP值平均提高30%左右,因而可以大大降低空调系统的耗电量,也为用户节省了运行费用；（2）在室外气温处于极度状态时,用户对冷(热)量的需求量处于高峰期,由于土壤温度有延迟,这时它的温度并不处于极端状态,它可以提供较小的冷凝温度和较高的蒸发温度,提高机组的制冷(制热)能力,尽可能满足用户要求；（3）土壤源热泵的埋地盘管不需要除霜,减少了结霜和除霜的损失及复杂的除霜控制,从而降低了户型中央空调机组的造价；（4）土壤源热泵不需要风机,可以减少噪声和热风污染,而且运行情况好于空气源热泵,有较高的可靠性，为用户的使用带来很大的方便；（5）土壤源热泵的主机,可安装在贮藏室或车库内,完全不影响建筑外观；（6）也正是由于土壤温度的延迟作用,因而可以提高户型中央空调单机的制冷量，再加上夜间蓄冰,可减少白天机组制冷量,使机组压缩机容量减小,降低机组造价,同时还可以适应更多的单相电用户的需要；（7）夏季,即便是在夜间,土壤源热泵的冷凝温度也低于空气源热泵,因而可以减小制冷系统运行时的压缩比,这为地源热泵联合冰蓄冷空调系统利用低谷电蓄冰创造了极为有力的条件。2地源热泵联合冰蓄冷空调系统的应用前景地源热泵联合冰蓄冷空调系统有着较大的市场前景：（1）小型别墅逐年增多,地源热泵联合冰蓄冷空调系统是富裕起来的城乡居民家庭空调的首选机型，这部分居民占我国人口的比例不大,但绝对数不小；（2）城市绿化面积扩大,也为一些低层住户和小型商业，办公用户提供了使用地源热泵联合冰蓄冷空调系统的条件；（3）工矿企业的办公、计量、化验、检测等附属用房也具有使用地源热泵联合冰蓄冷空调系统的条件；（4）据国外资料介绍,在定负荷运行情况下,蓄冷空调比非蓄冷空调年节能率为13%。因此,蓄冷空调将得到国家重视和推广,并有可能获得国家补助,以降低用户的投资；（5）为解决电力负荷不均的问题,我国将进一步拉大峰谷电价比,与国际通行峰谷电价比例靠拢,以鼓励利用低谷电。随着“峰谷电价”政策的全面实行,地源热泵户型蓄冰中央空调将会有更为广阔的市场前景。3地源热泵联合冰蓄冷空调系统的设计与控制在地埋管地源热泵机组的选择上，根据不同区域建筑物的基本状况进行设备的选择。但是在我国的南方地区,建筑物夏季的冷负荷一般大于冬季的冷负荷,而热泵机组往往都是制热量大于制冷量(通常情况下热泵机组的制热量是制冷量的1.1～1.3倍)。因此在机组选择的时候,如果按照冷负荷标准选择机组,则会导致机组的制热能力大大超出建筑物的热负荷需求,造成机组投资和运行的浪费;而若按照热负荷标准选择,则会出现夏季制冷量不够,故可以按照冬季热负荷标准进行选择,以冰蓄冷空调系统作补充。这样不仅可以降低地热换热器的初投资,而且还可以实现地源热泵机组的间歇运行,有利于土壤温度场的有效恢复。此外,冰蓄冷技术只能应用于夏季空调季节,起到“削峰填谷”的作用,但却无法在冬季供暖;而地源热泵技术虽然可以供暖制冷,但却无法在夜间电力低谷时蓄冷,起到平衡电网负荷的功效。因此,地源热泵和冰蓄冷技术的联合运行,既可使用户使用到冬季廉价的地热能资源,又可使用户使用到具有良好舒适性的冰蓄冷空调制冷。这样既减轻了采用常规能源带来的环境压力,还为平衡电网负荷做出了贡献,可谓一举多得。地源热泵与冰蓄冷空调联合运行系统主要由以下系统构成:室内供热系统、三工况热泵机组工质循环系统、冰蓄冷空调系统和地热换热系统。在夏季电力低谷时段,启动热泵机组制冷工况蓄冰,将冷量储存在蓄冰槽中,白天用电高峰时段释冷。如果日间冷负荷需求较小,单独采用冰蓄冷空调制冷;若日间冷负荷需求较大,开启三工况热泵机组制冷工况,由地源热泵机组和冰蓄冷联合制冷。在冬季,采用地源热泵系统供给室内采暖。地源热泵联合冰蓄冷系统中都存在几种运行工况的必要转换，相对一般空调系统都比较复杂，为使之达到预期的效果都需要增设必要的自动控制。部分负荷蓄冰系统的控制，除了保证蓄冰工况与供冷工况之间的转换操作以及空调供水或回水温度控制以外，主要应解决热泵主机和蓄冰装置之间的供冷负荷分配问题。常用的控制策略有三种，即：制冷主机优先，蓄冰槽优先和优化控制。热泵机组优先。热泵机组优先就是尽量使制冷主机满负荷供冷。只有当空调冷负