冰蓄冷系統(tǒng)在空調(diào)負(fù)荷計(jì)算中的應(yīng)用

冰蓄冷系統(tǒng)在空調(diào)負(fù)荷計(jì)算中的應(yīng)用

1空調(diào)冷源設(shè)計(jì)確定該項(xiàng)目位于北京，建筑面積約10萬米。分為南北兩層，南北兩層，共三棟樓。北樓地下4層,地上17層,建筑高度77.05m;南樓地下4層,地上14層,建筑高度64.90m。首層至3層為配套用房及餐飲用房,4層以上為標(biāo)準(zhǔn)層,建筑主要功能為高檔辦公用房,地下1層為商業(yè)用房、職工廚房和餐廳,地下2層~地下4層為汽車庫和設(shè)備用房,制冷機(jī)房位于地下4層,高度為7.2m。在工程設(shè)計(jì)之初進(jìn)行了方案的可行性論證,北京地區(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和低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)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),空調(diào)系統(tǒng)采用低溫變風(fēng)量全空氣系統(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)的全過程以及重要的設(shè)計(jì)思路和方法。2.設(shè)計(jì)冰儲(chǔ)冷系統(tǒng)2.1室內(nèi)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表12.2基載機(jī)種類的選取本工程采用內(nèi)融冰式冰盤管,主機(jī)上游的串聯(lián)布置方式,冰蓄冷系統(tǒng)與冷水系統(tǒng)采用間接連接。選用3臺(tái)雙工況螺桿式制冷機(jī)作為制冷主機(jī),空調(diào)工況時(shí)(3.3℃/10.5℃)單臺(tái)制冷量為1600kW,蓄冰工況時(shí)(-5.5℃/-2.5℃)單臺(tái)制冷量為1200kW。如果夜間供冷負(fù)荷不大,或基載負(fù)荷下的總冷量不大,單獨(dú)設(shè)置基載機(jī)可能導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜和投資增加,可以不用考慮設(shè)置基載機(jī),采用主機(jī)制冰工況時(shí)旁設(shè)一個(gè)分支系統(tǒng),滿足夜間基載負(fù)荷的需求。經(jīng)過計(jì)算,本工程基載冷負(fù)荷超過了350kW,滿足文獻(xiàn)第8.7.4條的要求,選用了1臺(tái)離心式制冷機(jī)作為基載機(jī)(5.5℃/10.5℃),制冷量為2000kW。蓄冰裝置采用18組冰盤管,總蓄冰量為26068kW·h。2.3系統(tǒng)原理見圖1各工況設(shè)備開啟狀態(tài)見表2。2.4空調(diào)冷源側(cè)出水溫度不高時(shí)運(yùn)行模式通過分析末端負(fù)荷側(cè)的需求與變化,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,采用制冷機(jī)優(yōu)先控制策略,即在空調(diào)負(fù)荷大于制冷機(jī)組容量時(shí),優(yōu)先運(yùn)行制冷機(jī),不足部分由蓄冰裝置補(bǔ)充,從而減小蓄冰裝置的容積。通過圖1中冰蓄冷系統(tǒng)各工況閥門轉(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4種運(yùn)行模式。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)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),載冷劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的乙二醇水溶液,蓄冰工況時(shí),制冷機(jī)為蓄冷裝置提供-5.5℃/-2.5℃低溫載冷劑;空調(diào)工況時(shí),載冷劑的進(jìn)出口溫度為10.5℃/3.3℃,實(shí)現(xiàn)融冰。供冷時(shí),3.3℃的載冷劑經(jīng)板式換熱器換熱,為末端空調(diào)系統(tǒng)提供4.5℃/11.5℃的冷水。當(dāng)負(fù)荷較小,制冷機(jī)出水溫度達(dá)到3.3℃時(shí),蓄冰裝置停止運(yùn)行;當(dāng)制冷機(jī)已滿負(fù)荷運(yùn)行,仍然達(dá)不到設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí),蓄冰裝置再投入運(yùn)行,保證冷源側(cè)出水溫度3.3℃恒定。大樓夜間由基載機(jī)供冷。通?；d機(jī)是并聯(lián)在系統(tǒng)中的,與換熱器的供回水溫度同為4.5℃/11.5℃,在系統(tǒng)中增設(shè)V5和V6調(diào)節(jié)閥,安裝位置見圖1,夜間基載機(jī)的供回水溫度取5.5℃/10.5℃,V5關(guān),V6開;白天基載機(jī)的供回水溫度取6.5℃/11.5℃,V5開,V6關(guān),可實(shí)現(xiàn)預(yù)冷的方案,既保證基載機(jī)在11.5℃/6.5℃溫度下運(yùn)行,又能使換熱器的進(jìn)出口水溫差加大,而且基載機(jī)的蒸發(fā)溫度也可適當(dāng)提高,因此本工程基載機(jī)的設(shè)置方式對(duì)提高基載機(jī)效率和減少系統(tǒng)輸送能耗均起到了一定作用。3主要設(shè)計(jì)計(jì)算3.1考慮負(fù)荷時(shí)的細(xì)節(jié)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)算模型來考慮。在計(jì)算過程中,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)熱量以及蓄冷槽和冷水管路的得熱量,水泵機(jī)械傳動(dòng)過程中摩擦生熱,會(huì)造成水泵后的液體溫升,另外冷水管路和蓄冷槽與環(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%,本工程測算值接近5%,這部分的附加負(fù)荷較大,不應(yīng)該忽略。經(jīng)計(jì)算夏季空調(diào)最大冷負(fù)荷為8159kW,冷負(fù)荷指標(biāo)為83W/m2,設(shè)計(jì)日空調(diào)計(jì)算負(fù)荷見表3。3.2融冰供冷能力驗(yàn)算本工程為工作時(shí)段空調(diào)連續(xù)運(yùn)行的辦公建筑,宜采用部分負(fù)荷蓄冰的空調(diào)方式,根據(jù)文獻(xiàn)附錄J的規(guī)定,通過前面的負(fù)荷計(jì)算,由下式可計(jì)算出蓄冰裝置有效容量和制冷機(jī)標(biāo)定制冷量。式(1),(2)中QS為蓄冰裝置的有效容量,kW·h;n1為夜間制冷機(jī)在制冰工況下運(yùn)行的時(shí)間,h;cf為制冷機(jī)制冰時(shí)制冷能力的變化率;qc為制冷機(jī)標(biāo)定制冷量,為建筑物逐時(shí)累計(jì)冷負(fù)荷,kW·h;n2為白天制冷機(jī)在空調(diào)工況下運(yùn)行的時(shí)間,h。冰蓄冷系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果見表3,蓄冰裝置的有效容量為26068kW·h,融冰供冷容量大約為設(shè)計(jì)日總負(fù)荷的25.5%,具有較好的經(jīng)濟(jì)性;單臺(tái)制冷機(jī)標(biāo)定制冷量計(jì)算值為1583kW。3.3全年逐時(shí)負(fù)荷率蓄冰不僅要滿足設(shè)計(jì)日的負(fù)荷需求,還要滿足全年的運(yùn)行,因此負(fù)荷計(jì)算還要包含全年負(fù)荷分析,通過DeST軟件計(jì)算,得到的全年逐時(shí)負(fù)荷見圖2,對(duì)全年逐時(shí)冷負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到的不同負(fù)荷率的天數(shù)見表4,從表4可以看出,負(fù)荷率在20%~80%之間的天數(shù)占總供冷天數(shù)的70%左右。4冷冷系統(tǒng)的蓄冷特點(diǎn)和主要設(shè)備能力4.1適當(dāng)考慮蓄冰裝置與制冷機(jī)的匹配本工程采用內(nèi)融冰式冰盤管,冰盤管安裝在混凝土槽內(nèi),蓄冷時(shí),低溫的載冷劑(或制冷劑)在蓄冰槽的盤管內(nèi)循環(huán)流動(dòng),使盤管外的水在其外表面冷卻結(jié)冰,隨著冰層厚度的增加,導(dǎo)熱熱阻增加,制冰效率大大下降,結(jié)冰到后期會(huì)越來越慢,需要制冷機(jī)的供冷溫度越來越低,即從0℃最終達(dá)到-5.5℃,因此有人提出是否可以通過減小冰層厚度,增大換熱面積來提高傳熱效率。一方面在蓄冰量保持不變的情況下,減小冰層厚度,會(huì)使蓄冰裝置的容量增加,增大占用的建筑空間,導(dǎo)致設(shè)備造價(jià)和土建造價(jià)的增加;另一方面,通過減小冰層的厚度,可以提高制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度,從而提高制冷機(jī)的運(yùn)行效率。因此系統(tǒng)優(yōu)化很重要,即蓄冷裝置和制冷機(jī)兩者之間要進(jìn)行合理匹配,來確定制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度。目前采用蒸發(fā)溫度為-5.5℃的制冷機(jī),也是業(yè)界經(jīng)過反復(fù)測算后認(rèn)為比較經(jīng)濟(jì)的。釋冷時(shí),升溫后的載冷劑在盤管內(nèi)循環(huán)流動(dòng),將蓄冰槽內(nèi)的冰由盤管外表面從內(nèi)向外融化,在盤管表面與冰層之間形成薄的水層,其融冰換熱熱值增加;冰殼破裂,形成0℃的冰水混合液,盤管表面與冰之間的接觸面積增加,釋冷溫度穩(wěn)定,溫度曲線平穩(wěn),出口溫度能夠保證2~3℃,因此將蓄冰裝置設(shè)于制冷機(jī)的下游端,來保證供冷溫度的穩(wěn)定。供冷時(shí),使載冷劑降溫以滿足空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷要求。因此蓄冰槽配置儲(chǔ)冰量監(jiān)視儀表和冰層厚度傳感器是非常必要的。4.2主要設(shè)備能力經(jīng)過系統(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,見表5。5冷源系統(tǒng)的時(shí)間控制和儲(chǔ)冰系統(tǒng)的自動(dòng)控制5.1融冰優(yōu)先電價(jià)現(xiàn)象下融冰根據(jù)設(shè)計(jì)日冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行模式和冷負(fù)荷的平衡情況,確定運(yùn)行策略的原則是,100%負(fù)荷率時(shí),高峰供冷時(shí)段,融冰和制冷機(jī)同時(shí)供冷,雖然采用的是制冷機(jī)優(yōu)先的控制策略,但在運(yùn)行中應(yīng)盡可能在電價(jià)高峰時(shí)段更多地融冰而少運(yùn)行制冷機(jī),其次是在部分負(fù)荷時(shí)盡可能在電價(jià)高峰時(shí)段實(shí)現(xiàn)完全融冰,完全關(guān)閉制冷機(jī)。為實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷率下的運(yùn)行優(yōu)化控制,經(jīng)過計(jì)算,得到了不同負(fù)荷率下的運(yùn)行策略圖,見圖3,從圖中可以看到,負(fù)荷率在60%~100%之間時(shí),采用的是制冷機(jī)、蓄冰系統(tǒng)和基載機(jī)聯(lián)合供冷的運(yùn)行模式,在負(fù)荷率50%時(shí)基本上就可實(shí)現(xiàn)完全融冰加基載機(jī)的運(yùn)行模式,40%以下基本可實(shí)現(xiàn)完全融冰的運(yùn)行模式,因此大大節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。5.2系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)本工程設(shè)有兩種控制模式,即自動(dòng)控制模式和自定義控制模式。在系統(tǒng)運(yùn)行初期,系統(tǒng)按自定義模式運(yùn)行,運(yùn)行人員將預(yù)測出的空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷作為系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)定,隨著實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的增加,不斷修正預(yù)測數(shù)據(jù),使預(yù)測數(shù)據(jù)越來越準(zhǔn)確。在積累了一定的運(yùn)行數(shù)據(jù)后,逐漸地采用自動(dòng)控制模式,利用負(fù)荷預(yù)測軟件功能,根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果、電價(jià)政策對(duì)當(dāng)天的制冷負(fù)荷和融冰負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化分配,以制定最優(yōu)的運(yùn)行策略,即采用時(shí)間表法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測,通過以往的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),以及未來幾天的天氣預(yù)報(bào),建立運(yùn)行控制策略,這樣控制邏輯框圖簡單,便于操作。6能設(shè)備粗質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)本工程蓄冰裝置的有效容量是設(shè)計(jì)日空調(diào)累計(jì)總負(fù)荷的25.5%,滿足文獻(xiàn)公共建筑優(yōu)選項(xiàng)第5.3.27條“采用低谷電進(jìn)行蓄能的空調(diào)系統(tǒng),蓄能設(shè)備裝機(jī)容量達(dá)到典型設(shè)計(jì)日空調(diào)或采暖總能量的20%以上”的要求,因此在該項(xiàng)上滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。在確定方案后,采用了追加投資回收期的靜態(tài)法對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)與常規(guī)電制冷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析,冰蓄冷系統(tǒng)制冷設(shè)備初投資增加約210萬元,供冷季年節(jié)省電費(fèi)約58萬元,增加投資部分的靜態(tài)回收期為3.6a。在調(diào)研中了解到,如果追加投資回收期大于5a,則不應(yīng)采用冰蓄冷系統(tǒng),因此本項(xiàng)目采用冰蓄冷系統(tǒng)還是比較經(jīng)濟(jì)的。7冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行分析冰蓄冷系統(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)