某商業廣場冰蓄冷系統的應用

奚寬魯，周 偉

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070 )

某商業廣場冰蓄冷系統的應用

奚寬魯，周 偉

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070 )

本文介紹了一種冰蓄冷空調系統，采用永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況制冷機組與基載制冷機組進行蓄冰、供冷。該系統具有配電功率低、日間制冷機組制冷效率高、系統控制簡單等特點。結合該商業廣場的冰蓄冷設計，對蓄冰方式的設計和運行策略進行了分析，并與常規中央空調系統在投資和運行費用方面進行比較分析。結果表明冰蓄冷系統的經濟性好于常規中央空調系統。

冰蓄冷；制冰機組；部分負荷蓄冰；運行策略；經濟性分析

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，電力能源消耗急劇增加，用電量以每年5%～7%的速度增長。盡管電力基礎設施投入在不斷加大，仍然滿足不了經濟高速增長的電力需求。根據國家電網最新數據顯示，城市空調供電是造成這種困境的主要因素之一，在一些大中城市空調耗電已占到高峰用電量的30%～40%，并且具備這樣的特點：電網系統峰谷差加大，高峰時段電力不足，低谷時段電力得不到有效利用，導致城市電網輸配電能力不能適應。

在這種狀況下，國務院《“十二五”節能減排綜合性工作方案》和國家發改委《電力需求側管理辦法》重點推廣應用的節能減排技術——“冰蓄冷”空調技術能較好地解決這個問題：利用夜間電力負荷低的時段進行空調主機制冰，將冷量以冰的形式儲存起來，而在電力負荷較大的白天停運制冷主機，通過融冰將夜間儲存的冷量釋放出來，從而滿足用戶的負荷需求，解決電網供電壓力不平衡的問題，同時，為用戶節約電費，降低使用成本。

目前我國每年新建建筑面積約20億平方米，其中，城市新增住宅建筑和公共建筑約8億～9億平方米，為冰蓄冷技術的推廣應用提供了巨大市場。我國每年公共建筑新增面積約3億平方米，如其中30%的新建公共建筑采用格力冰蓄冷空調系統，則每年可節電15億千瓦時，節煤96萬噸，減少二氧化碳排放260萬噸，減少二氧化硫排放3.5萬噸，新增產值35億元以上。

1 工程概況

本工程位于海南?？谑?，總建筑面積92720.93m2。其中地下3層，地上48層，建筑物總高153m(其中裙房高度為22.2m)，總冷負荷為10313kW。本項目建筑主要功能有商業、辦公、酒店和會所，其中空調負荷特征是8∶00～22∶00為負荷高峰，夜間僅少量負荷，與蓄冷系統運行特征完全匹配，為充分利用?？诘貐^3.6∶1的峰谷電價比，冷源采用冰蓄冷空調系統，以節約空調系統的運行費用。

2 負荷情況分析與空調冷源系統形式選擇

2.1 負荷情況分析

該建筑面積為92720.93m2，其中地下三層，地上四十八層；建筑總高度153m。建筑功能有商場、辦公、酒店、會所等，設計日尖峰負荷約為10313kW，采用冰蓄冷中央空調系統進行供冷，其中各功能區的逐時負荷根據中華人民共和國行業標準《蓄冷空調工程技術規程》中逐時冷負荷系數進行取值(建筑逐時負荷見圖1)。

圖1 建筑逐時負荷

通過計算得知設計日最大冷負荷為10313kW，設計日總冷負荷123386kW，電力峰段的累計冷負荷為60766kWh。

2.2 空調冷源系統形式選擇

冰蓄冷中央空調是指建筑物所需冷量的部分或全部在非空調時間利用蓄冰介質的顯熱及其相變過程的潛熱遷移等特性，將能量以冰的形式蓄存起來，然后根據空調負荷要求釋放這些冷量，故在用電高峰時期便可少開甚至不開主機。當空調使用時間與非空調時間和電網高峰和低谷同步時，就可以將電網高峰時的空調用電量轉移至電網低谷時使用，達到節約空調運行費用的目的。在一般大樓中,空調系統用電量占總耗電量的35%～65%,制冷主機的電耗在空調系統中又占65%～75%。

在常規空調設計中，冷水主機及輔助設備容量均按尖峰負荷來選配，使空調系統的電力容量增大，而且實際運行負荷變化范圍大，使主機等空調設備偏離最佳工況點運行，機組實際運行能效低?？照{負荷的分布極不均衡，尖峰負荷約占總運行時間的6%～8%，空調主機的利用率低，浪費配電設施及其他相關投資。假若空調主機在接近恒定工況下運行或設計工況與運行工況更加匹配,機組高效運行,對系統節能是十分有利。采用冰蓄冷中央空調后，可以選擇相對較小的主機，在夜間主機蓄冰，白天主機與蓄冰裝置一起工作滿足空調負荷，全日主機利用率將極大提高，用電負荷將非常平均，相應的配電設施及其他投資效益大幅度提高。

冰蓄冷串聯系統供冷時，乙二醇溶液首先經過冷機在空調工況下降溫以保持較高效的工作，再經冰槽的冷卻使乙二醇溶液的溫度進一步降低，這樣板式換熱器的進出口處乙二醇溶液可以達到較大的溫差，從而使得在相同的負荷條件下，串聯系統乙二醇溶液的流量較小，因此在相同的條件時串聯系統的乙二醇循環泵小于并聯系統，從而使串聯系統的設備投資和運行費用都優于并聯系統，而且串聯方式管路更加簡單運行可靠。

2.3 冰蓄冷中央空調系統特點

隨著社會的發展，中央空調在大中城市的普及率日漸增高。據統計，空調高峰時用電量達到城市用電負荷的25%～30%，加大了電網的峰谷用電差。冰蓄冷中央空調對電網有卓越的移峰填谷功能，是電力需求側最有效的電能蓄存方法。

冰蓄冷技術具有以下特點：

(1)平衡電網負荷，延緩電廠建設

(2)提高電廠的發電效率、降低燃煤/燃氣消耗量，減少CO2和NOx的排放。

(3)對于用戶，可以充分利用峰谷電價政策，大幅度節省運行費用

(4)此外，冰蓄冷中央空調對于用戶還有以下的一些優點：

1)空調的出水溫度低、制冷效果好，降溫速度快。

2)空調環境相對濕度較低，空調品質提高，有利于防止中央空調綜合癥。

3)冰蓄冷空調系統均配備機房控制系統，智能化程度高，可實現參數實時監測，數據統計分析，通過簡單的參數設置即可實現系統節能。

4)利用峰谷電價差，平衡電網負荷。減少空調年運行費。

5)在主機出現故障或系統斷電的情況下，冰蓄冷相當于應急冷源，增強了系統的可靠性。

6)當因為建筑功能變化或面積增加引起冷負荷增加時，只要增加冰槽內的冰球，即可滿足大樓新增冷量需要(針對冰球式蓄冰設備)。

7)冷凍水溫度可降低至1.0～3.0℃，可以實現低溫送風，節省水、風輸送系統的投資和能耗。

2.4 常規電制冷中央空調系統特點

常規電制冷中央空調系統是目前使用最多的空調形式，主機形式也多種多樣，具有制冷效率高、系統簡單，綜合占地小，設備投資少等優點，其不足之處有：

(1)冷水機組的數量及容量較大，相應的其他用電設備(如水泵、冷卻塔等)數量、容量也增加，運動設備的增加也加大了維護、維修工作量；

(2)總用電負荷大，增加了變壓器配電容量、容量費與配電設施費；

(3)高峰用電量大，不能享受峰谷電價政策，運行費用高，不利于節能；

(4)運行方式不靈活，在過渡季節、節假日或休息時間部分負荷低時，仍需開主機運行，此時浪費了機組的配置能力，增加了運行費用；

(5)在拉閘限電時，出現空調不能使用的狀況。

2.5 冰蓄冷中央空調系統設計

冰蓄冷中央空調是一個系統工程，其成功與否，系統各設備的性能優良是基礎，同時系統設計也尤為重要，系統設計可根據各設備自有特性輔以控制系統將其有機地形成一個完整的體系。

(1)系統設備的選擇：系統設備選用成熟、可靠、性能好的優質產品，主機選用性能優良可靠性更高的永磁同步格力變頻離心式冷水機組。

(2)蓄冷模式的選擇：本工程采用負荷均衡的分量蓄冷模式，合理配置主機容量和蓄冰容量，使系統技術經濟最優。

(3)系統形式的選擇：冰蓄冷系統采用效率最高、控制最簡單可靠、使用靈活的主機上游+冰槽下游的串聯系統。

3 中央空調系統配置說明及運行策略

3.1 冰蓄冷系統配置

根據夜晚谷段負荷，選用了1臺1480kW的高效螺桿機組作為基載主機，另選用了2臺3340kW(950RT)的永磁同步變頻離心式雙工況機組，總蓄冰量35805kW·h，占設計日全天總冷負荷的30%左右。

3.2 空調設計日

結合空調逐時冷負荷分布圖及淮安地區的電價政策，空調設計日冰蓄冷空調運行方式如圖2所示，具體按以下幾種工作模式運行：

(1)雙工況主機蓄冷模式(23∶00～7∶00)：

這期間為電力低谷時段，自控系統通過電動閥門的切換，形成該模式運行，2臺主機制冰模式下滿負荷運行，制得35805kWh的冷量儲存在蓄冰裝置中。

(2)蓄冰裝置、雙工況主機聯合供冷模式(10∶00～20∶00)：

表1 冰蓄冷中央空調系統主要設備一覽表

序號名稱規格及參數數量單位備注1基載主機LSBLG1480HE/Nb1臺2雙工況主機LSBLX950SVI2臺制冷3340kW，制冰2238kW3蓄冰設備35805kW·h(10191RTH)1套約1000m34板式換熱器Q=5300kW，4/12℃，55/135℃2臺5板換冷凍泵675m3/h，36m3臺6冷凍水泵280m3/h，36m2臺變頻，兩備一用7乙二醇泵700m3/h，36m3臺變頻，兩用一備8冷卻泵1755m3/h，30m3臺兩用一備9冷卻塔1890m3/h2臺10冷卻泵2350m3/h，30m2臺11冷卻塔2415m3/h1臺12乙二醇溶液100%濃度/噸13自控系統PLC1套

圖2 100%負荷運行策略

自控系統通過電動閥門的切換，形成該模式運行，合理分配融冰量和雙工況主機的運行臺數，盡量使主機工作在滿負荷狀態，以降低運行能耗。

3.3 非設計日負荷運行狀況

在天氣發生變化，當日負荷較小時，系統將依據實際的冷負荷需求，通過控制系統調節運行模式，在每一時段內自動調整蓄冰裝置融冰供冷與主機供冷的相對比例，以實現分量蓄冰模式逐步向全量蓄冰模式的運行轉化，按照蓄冰裝置優先供冷的原則，最大限度地限制主機在電力高峰期間的運行，節省運行費用。非設計日蓄冰空調系統按以下模式運行，具體工作模式如圖3～圖5。

3.4 本工程中央空調系統的工況說明

(1)主機制冰模式

關閉和開啟相應電動閥，將雙工況主機設定為制冰工況，系統轉換為“主機制冰”，開啟乙二醇泵后，乙二醇溶液進入主機的蒸發器(蒸發器出水溫度-5.5℃)，經主機降溫后的乙二醇溶液進入蓄冰裝置，將盤管外的水結成冰。

(2)主機與蓄冰裝置聯合供冷模式

關閉和開啟相應電動閥，雙工況主機設定為空調工況，系統轉換為“主機與蓄冰裝置聯合供冷模式”，開啟乙二醇泵后，從板式換熱器熱側來的高溫乙二醇溶液(12℃)進入主機的蒸發器降至約7℃后進入蓄冰裝置進行融冰，融冰后產生的低溫乙二醇溶液(4℃)送至板式換熱器冷側進行換熱，根據冷負荷的變化通過相應電動閥調節進入蓄冰裝置的乙二醇流量，以穩定4℃的乙二醇供液溫度。從集水器回來的13.5 ℃冷凍水進入板式換熱器冷卻到5.5℃，然后進入分水器送到空調末端滿足空調的需求。

圖3 75%負荷運行策略

圖4 50%負荷運行策略

圖5 25%負荷運行策略

(3)融冰單獨供冷模式

關閉和開啟相應的電動閥，關閉制冷主機，系統轉換為“融冰單獨供冷模式”，開啟乙二醇泵，從板式換熱器回來的高溫乙二醇溶液(12℃)進入蓄冰裝置進行融冰，融冰后產生的低溫乙二醇溶液通過乙二醇泵送至板式換熱器冷側進行換熱，進行融冰供冷。根據冷負荷的變化，通過相應電動閥調節進入蓄冰裝置的乙二醇流量，以穩定4℃的乙二醇供液溫度。

(4)主機單獨供冷模式

關閉和開啟相應的電動閥，將雙工況主機設定為空調工況，系統轉換為“主機單獨供冷模式”，

開啟乙二醇泵后，乙二醇溶液分別進入對應的主機蒸發器，經過降溫后通過乙二醇泵進入板式換熱器進行供冷。該模式一般為非正常工作狀態(如系統檢修冰槽維護等)。

3.5 常規中央空調系統主要設備

常規中央空調系統主要設備見表2。

4 方案經濟性分析與比較

海南地區商業用電電費一般按二部制計費，其電費有電度電費和基本電費構成。

電費根據電表度數和時間段電價進行計算，基本電費根據客戶變壓器容量或最大需量進行計算。

蓄冷空調谷段電價為0.292元/kWh，峰谷電價差為0.7661，電價比為3.6∶1高于全國多數地區，宜采用冰蓄冷系統。

表2 常規中央空調系統主要設備一覽表

序號名稱規格及參數數量單位備注1主機1LSBLX700SVE3臺2主機2LSBLG1480HE/Nb3臺3冷凍水泵1420m3/h，36m4臺變頻，三用一備4冷凍水泵2280m3/h，36m4臺變頻，三用一備5冷卻水泵1350m3/h，30m4套三用一備6冷卻水泵2540m3/h，30m4套三用一備7冷卻塔1415m3/h3臺8冷卻塔2636m3/h3臺5自控系統1套

4.1 夏季空調年運行費用分析

?？诘貐^的中央空調系統，若每年供冷運行的天數300天計算，其中100%設計日負荷運行天數為55天；75%設計日負荷運行天數為85天；50%設計日負荷運行天數為115天；25%設計日負荷運行天數為45天。

4.2 冰蓄冷系統與常規系統綜合投資對比

冰蓄冷系統與常規系統兩個方案的綜合投資對比見表3。

表3 冰蓄冷系統與常規系統綜合投資對比表

內 容方案一冰蓄冷中央空調系統方案二常規中央空調系統備 注尖峰冷負荷/kW1090010900冷水機組容量/kW816011800節省31%機房設備用電功率/kW25503015估算機房設備配電容量/kVA32003800取20%的余量投資估算機房總造價 萬元17201440含冷卻塔、水泵、主機、分集水器及機房管路系統主機年運行費年基本電費/萬元994511758估算年運行電費/萬元2352132331僅主機運行費總計3346644089年節省10623萬回收年限/年264———

注：(1)兩個方案的中央空調末端系統按相同設計施工考慮；(2)以上兩個方案需在同一設備檔次下進行比較。

5 結論

由以上經濟分析可以看出，采用冰蓄冷系統，初投資會增加，但是靜態回收期一般為3～5年，而由于峰谷電價差大，且有國家政策支持電價差在不斷調大，所以較常規中央空調系統每年均可節約27%左右的運行電費，對于中央空調系統15～20年的設計壽命來說，長期的綜合效益非常顯著。

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ApplicationofIceStorageSystemforEmporium

XI Kuanlu，ZHOU Wei

( GREE Electric Appliances,Zhuhai 519070 )

In the present study,a new ice storage system was introduced,and it uses permanent magnet synchronous inverter centrifugal dual duty refrigerating unit combined with refrigerating unit of based load.This system has the advantages of low power,high COP in daytime and simple control.According to the ice thermal storage design of a financial center,the ice-storage method and the operation strategy of this system were also introduced,meanwhile the investment and operating cost differences between this system and conventional ice storage system were analyzed.The results indicated that the economy of this ice storage system is superior to that of the conventional central air-conditioning system.

Ice thermal storage；Ice machine；Partial load ice storage；Operation strategy；Economic analysis

2017-7-5

奚寬魯(1988-)，男，工程師，研究方向:冰蓄冷空調系統運行策略、制冷主機與蓄冷空調系統匹配性研究。

E-mail：lu062@126.com。

ISSN1005-9180(2017)04-040-07

TU831文獻標示碼B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.008