水蓄冷技術在暖通空調中的應用

胡 寧

廣東省工業設備安裝有限公司 廣東 廣州 510000

【摘 要】在城市建筑能耗加速增長的背景下，中央空調采用蓄冷技術對電網負荷移峰填谷正在逐漸地受到市場的重視。文章主要對水蓄冷技術在暖通空調中的應用進行了探討。

【關鍵詞】水蓄冷技術；暖通空調；應用

引言

目前的蓄冷技術研究方向較多，在實際工程應用中，冰蓄冷和水蓄冷技術的應用更為廣泛。水蓄冷由于其技術簡單，一次性投入較少而得到業界的青睞，但只有在地方蓄冷電價合理的情況下，發展水蓄冷才有明顯的經濟優勢，對運行電費成本的節約才有更為顯著的效果。海南三亞JW萬豪酒店機電工程中應用了水蓄冷技術，文章主要對水蓄冷技術在暖通空調中的應用進行了探討。

1水蓄冷空調系統概述

水蓄冷中央空調是指建筑物空調時間所需要冷量的部分或全部在非空調時間利用蓄冷介質的顯熱等特性，將能量儲存起來，然后根據空調負荷要求釋放這些冷量，這樣在用電高峰時期就可以少開甚至不開主機。水蓄冷空調系統的優點表現在：（1）經濟。水蓄冷系統的容量只需按照日平均負荷選擇即可，通過利用消防水池、原有蓄水設施或建筑物地下室等作為蓄冷容器在避免“大馬拉小車”的同時降低了初投資，使用期間單位蓄冷投資隨著水蓄冷設備的體積的增大而降低。對于新建項目水蓄冷空調系統初投資比常溫系統的低，一般可低10%～20%。而改造項目與常規空調相比，水蓄冷系統的初投資只增加約5%-10%的費用，由于運行成本的減少，初投資增加的成本費用一般在3-4年內即可回收。水蓄冷系統制冷主機容量一般應比非蓄冷系統的小，可以減少30%～60%，增加的費用只是換熱器及蓄冷裝置設備的投資，其他都可與非蓄冷系統的投資單價相接近。（2）實用?？梢允褂贸Ｒ幚渌畽C組，適用于常規供冷系統的擴容和改造。對常規空調主機改動小，初投資費用低。（3）節能。夜間氣溫降低，制冷效率隨之提高6-8%，系統滿負荷運轉時間大幅度增加，主機利用率提高，從而使空調系統的總節電率達10%-22%。（4）合理。作為備用冷源，增加了空調系統的可靠性；結合低溫送水和低溫送風，降低了設備的噪音；主機在最佳狀態下運行，提高主機利用率；滿負荷運行時間增加，部分負荷運行時間減少，節省維護保養費用。

2空調水蓄冷技術的應用條件

中央空調水蓄冷系統實際應用應當具備以下幾個方面的條件，如果在無法達到下列條件的情況下使用水蓄冷技術進行制冷，不僅無法實現節約能耗的目的，而且還有可能使得成本上升：其一，采用水蓄冷技術的地區必須能夠取得一定的電價優惠，也就是說需要當地電力部門有所配合，給予一定的優惠政策，主要是對用電高峰時段以及用電低谷時段。其二，在使用水蓄冷技術的中央空調系統中盡可能的配備兩臺主機，其中一臺作為備用，避免某一臺主機長時間運行，造成主機損壞。其三，應當修建或者預留出一定的空間，對水蓄冷所需要的冷凍水進行儲存。其四，在中央空調主制冷機房內，必須要在修建或者設計的時候預留出盡可能多的空間，使得后期設備改造也能夠妥善安置。

3水蓄冷技術的實際應用

（1）蓄冷形式的選擇?？紤]經濟適用性能以及建造施工難度，海南三亞JW萬豪酒店機電工程的蓄冷系統采用自然分層水蓄冷形式。一般來說，自然分層法儲水既無迷宮法容易產生用水死區導致蓄冷量減少的問題，也無隔板法機械活動機構的故障隱患，是最簡單、有效和經濟的儲水方法，如果設計合理，蓄冷效率可以達到85%-95%。自然分層式儲水的技術關鍵在于散流器/布水器，將水平穩地引入罐中，依靠密度差而不是 慣性力產生一個沿罐底或罐頂水平分布的重力流，形成一個使冷熱水混合作用盡量小、厚度盡量薄的斜溫層，要求通過散流器的進出口水流流速合理，以免造成斜溫層的擾動破壞。最適合自然分層的蓄水罐的形狀為直立的平底圓柱體。與立方體或長方體蓄水罐相比，圓柱體在同樣的容量下，蓄冷罐的面積容量比最低，熱損失就越小，單位冷量的基建投資就越低。

（2）蓄冷池布水系統的設置。自然分層系統主要是利用冷熱水密度的不同，使溫度低的冷水向下運動，溫度高的熱水向上運動，從而實現冷熱水的分層。從熱力學原理我們可以知道，兩個溫度不同的物體放在一起它們之間會有熱傳遞，蓄冷池水層也一樣，會在冷熱水層中間形成一個溫度過度層，我們叫它斜溫層，這個斜溫層一方面會把我們的冷水冷量傳遞給熱水（由于傳遞速率不大，冷量流失不多），另一方面又能起到一個冷熱區域隔離的作用，因此蓄冷效果的好壞直接受到斜溫層的影響，斜溫層越穩定，那么我們的冷熱區域熱量混合就越少，所以自然分層蓄水池的關鍵是在冷熱水層間建立穩定的斜溫層。

（3）板式換熱器的使用。當蓄冷罐一定時，蓄冷量與放冷回水溫度與蓄冷進水溫度間的溫差成正比關系，而采用板式換熱器需要一、二次側保證一定的溫差用于換熱，假設換熱器需要溫差1℃，那在蓄冷罐溫差普遍只有6～7℃的現狀下，蓄冷量將減少約14%；使用板式換熱器的初衷其實是為了保證水質，但開式蓄冷罐的水質也有其他辦法可以解決，因此，建議無需為了水質問題在蓄冷系統配置板式換熱器。

（4）開式蓄冷罐的水質保障措施。開式蓄冷水罐雖然與大氣接觸，但只通過一透氣口，與罐外空氣接觸面很小，冷凍水中的含氧量變化很小，加上水罐水體量相對于原空調系統的水量來講大得多，只要保證初始補水水質合格，以后的水質更容易保持；即使擔心開式蓄冷水罐的水質保持問題，還可以采用氮氣密封系統，這種系統廣泛應用于石化行業，用于隔離罐內物質免受大氣氧氣作用，而且普遍都是持壓罐體，所以應用在我們這種微正壓的蓄冷水罐是可行的。

（5）水蓄冷罐的串聯形式。數據中心應用中，水蓄冷罐串聯接入一般是用于空調系統的容災備份，蓄冷罐內的冷水持續流動以保證隨時保有備用蓄冷量供應，蓄冷罐通常采用承壓閉式罐形式。

4水蓄冷系統性能問題

（1）水蓄冷系統在蓄冷時改變了原有空調系統的運行工況，需要使出水溫度降低到4℃來進行蓄冷，而有些情況下，原有空調系統的出水溫度達不到4℃，達不到設計要求，這就使水蓄冷的通用性就變差；另外，水蓄冷系統在蓄冷時，使原有空調系統的蒸發溫度降低，蒸發溫度每降低1℃，主機效率降低3-5%，由此可知，水蓄冷在蓄冷時，主機效率降低10%左右。水蓄冷在放冷時，回水溫度會受用戶端負載的變化而發生變化，而由于回水溫度不可控，例如設計回水溫度為14℃，實際回水溫度要小于14℃，按蓄冷溫差8℃來算，回水溫度每降低0.1℃，蓄冷量減少1.25%，也就是實際蓄冷量要小于設計蓄冷量。

（2）放冷泵功耗大，電價高峰段移峰能力差。水蓄冷在放冷的時候需要開啟放冷泵，由于溫差較小，水流量較大，所以放冷泵的功耗不能忽略，且在電價高峰段運行，使得節能費用降低，高峰移峰能力降低。

（3）保溫性能差，冷損失大。蓄冷系統較常規系統在設備配置上最明顯的不同是增加了蓄冷設備，蓄水槽、蓄冰槽必然存在能量損失，其絕對值不大，但累計全天24h，也是不容忽視的，這個能量損失在計算蓄冷設備容量時可以認為是蓄冷設備容量的減小。對于冰蓄冷設備，冷損失占全天總蓄冷量的1%以下左右，蓄冷水池則高達3%～5%。如果保冷效果不好，或者環境溫度過高、蓄冷設備露天放置都將使冷損失加大。精確計算可以通過蓄冷設備表面積、傳熱系數、蓄冷介質溫度、環境溫度求出。蓄冷水池的能量損失之所以如此之高，一方面是通過池壁傳導散熱，單位冷量所占有的容積水蓄冷是冰蓄冷的8～10倍之多，其表面積也大大超過冰蓄冷；另一方面水池內冷溫水間的混合擾動和熱量傳遞、沿絕熱較差的壁面水溫發生變化從而產生自然對流都使得水蓄冷冷損失大大增加。

結束語

采用水蓄冷技術不僅能夠減少高峰時段用電量，降 低制冷系 統 運行費用，為企業帶來良好的經濟效益，每年節約運行電費，同時能平衡電網負荷，移峰填谷，保障電網安全，提高電能利用效率，為本項目獲得了較好的經濟效益。

參考文獻：

[1]郭永佾.海南某大廈智能水蓄冷節能中央空調系統設計[J].建筑節能，2009（10）：23-27.