江西日报传媒大厦冰蓄冷电蓄热空调系统设计

占少辉，朱仁洪，石 丹

（1.江西省电力公司 营销部，南昌 330077；2.杭州华电华源环境工程有限公司，杭州 310030）

能源一直是各国都十分重视的问题，我国是一个能源供应紧张的国家，节能减排是我国的一项基本国策。近年来，随着社会发展及人民生活水平的不断提高，人们生活中的能耗也越来越大。调查显示，中央空调系统的能源消耗量占商业建筑物能耗总量的60%以上［1］。因此，合理设计空调系统对于综合能耗管理及节能减排有着十分重要的意义。

1 工程概况

江西日报传媒大厦主楼高25层，地下2层，总建筑面积约65 000m2，其中地上建筑面积约为50 000m2，地下建筑面积约为15 000m2，空调面积为49 240m2。根据空调负荷计算［2］，本工程的夏季空调冷负荷峰值为6 100 kW，冬季空调热负荷峰值为4 600 kW。夏季和冬季设计日的空调负荷分布如表1和表2所示。

2 冷热源设计

考虑到本工程空调负荷的不均匀性等特点，夏季冷源采用冰蓄冷大温差低温送风变风量系统，冬季热源采用电锅炉蓄热系统。

2.1 冷源设计

冰蓄冷系统采用分量蓄冰［3］方式，主机与 蓄冰装置串联，主机上游。设计工况的供冷运行策略为主机优先模式，部分负荷时，可按融冰优先模式甚至全量蓄冰模式运行。配备额定空调工况制冷容量为1 625 kW（25%乙二醇空调设计工况制冷量为1 554 kW，制冰工况为1 140 kW）的双工况螺杆冷水机组2台，另配备额定空调工况制冷量1 625 kW（设计工况制冷量1 533 kW）的常规螺杆机组一台，双工况主机可分别在空调和制冰2种工况下运行。冰蓄冷系统的融冰出水温度为3.5℃，通过板式换热器提供5℃的冷冻水，直接供空调机组使用，回水温度为13℃，温差8℃。基载主机提供5℃/13℃冷冻水。空调水系统采用两管制，空调冷热水泵采用变频调速的变流量控制。

表1 夏季设计日空调冷负荷分布

表2 冬季设计日空调热负荷分布

蓄冰装置选用不完全冻结式导热塑料蓄冰盘管6台，单台蓄冷量2 258 kWh，总蓄冷量达13 548 kWh。导热塑料蓄冰盘管与钢盘管均属于不完全冻结方式，即在制冰结束时，蓄冰槽内仍有部分水没有结冰。在融冰过程中，由于冰的密度小于水的密度，当冰与下层盘管脱开后，凭借浮力上浮又与上层盘管接触，因此在整个融冰过程中，始终保持冰与盘管的接触，融冰速率较快。融冰期间，主要热阻来自于盘管外壁与冰水之间的对流换热，因此在相同结构参数的情况下，导热塑料蓄冰盘管与钢盘管性能相差不大，同样因为导热塑料盘管单位冷吨的换热面积是钢盘管的1.3倍，最终其融冰速率约是钢盘管的1.2倍。故本方案选用导热塑料蓄冰盘管。导热塑料蓄冰盘管与钢盘管的比较如表3所示。

表3 导热塑料蓄冰盘管与钢盘管比较

2.2 热源设计

电锅炉蓄热系统采用分量蓄热系统进行配置，采用2台电热水机组，单台制热量为1 260 kW，同时设置2个蓄热水箱，每个容量为180m3。串联循环回路中的蓄热循环泵的出口与电锅炉相联，进口可根据工况要求既可与蓄热装置相联，也可切换成与板式换热器相通，满足系统在各工况下对蓄热回路的要求。通往末端的供热回路与蓄热水回路通过板式换热器进行热交换，彼此完全隔离，在采暖与供热期间，换热器将蓄热系统中循环的高温蓄热水调整到采暖需要的温度，同时保证蓄热水仅在蓄热系统中流动，降低了末端系统设计与维护的难度。板式换热器一次侧温度为55℃/85℃，二次侧末端供回水温度为50℃/60℃。

2.3 系统配置及技术参数

具体配置及参数如表4所示。

表4 系统配置及技术参数

3 运行策略

3.1 电价政策

江西省执行的峰谷电价政策如表5所示。

表5 江西省电价政策

3.2 蓄冷运行策略

根据大楼的制冷负荷情况及江西省电价政策,制定出冰蓄冷空调运行策略［4］。夜间低谷电时段，建筑物负荷不大，由基载主机满足负荷要求，2台双工况主机全力制冰，制得冰量储存在蓄冰盘管内。白天根据负荷情况，自动控制系统通过调节阀门开关实现工况切换，在电力高峰期最大限度的减少主机开启，实现经济、可靠的运行，从而达到减少系统的运行费用的目的。在100%和50%负荷情况下，冰蓄冷系统日运行策略分别如图1和图2所示。

从图1可以看出：100%负荷情况下，在高峰时段18：00～23：00只需开启基载主机供冷，不足部分由蓄冰装置提供，减少耗电量。随着天气发生变化，当日负荷减小时，系统将依据实际的制冷负荷需求，通过控制系统调节运行模式，在每一时段内自动调整蓄冰装置融冰供冷及主机供冷的相应比例。按照蓄冰装置优先供冷的原则，最大限度地限制主机在电力高峰期间的运行，节省运行费用。从图2可以看出：50%负荷情况下，在高峰时段不需开启主机，全部由蓄冰装置供冷，实现了从分量蓄冰模式向全量蓄冰模式的运行转化。

3.3 蓄热运行策略

根据大楼的制热负荷情况及江西省电价政策，制定出电锅炉蓄热空调的运行策略。夜间低谷电价时段，建筑物负荷不大，电锅炉在满足负荷要求的同时进行蓄热，制得热量储存在蓄热槽内。白天根据负荷情况，自动控制系统通过调节阀门开关实现工况切换，在电力高峰期最大限度的减少电锅炉的开启，实现经济、可靠的运行，从而达到减少系统的运行费用的目的。在100%和50%负荷情况下，蓄热采暖系统日运行策略分别如图3和图4所示。

蓄热系统的运行策略同蓄冷系统的大致相同。从图3可以看出，100%负荷情况下，在高峰时段17：00～23：00期间需开启部分锅炉供暖。随着天气发生变化，当日负荷减小时，系统将依据实际的制热负荷需求，通过控制系统调节运行模式，在每一时段内自动调整蓄热槽供暖及锅炉供暖的相应比例。 按照蓄热槽优先供暖的原则，最大限度地限制锅炉在电力高峰期间的运行，节省运行费用。从图4可以看出，50%负荷情况下，在高峰时段不需开启锅炉，全部由蓄热槽供暖，实现了从分量蓄热逐步向全量蓄热模式的运行转化。

4 运行经济性

以冰蓄冷系统为例，根据尖峰制冷负荷配置一个常规电制冷系统，同时依据以上运行策略、系统中设备的耗电量以及江西省的峰谷电价政策情况，可以得出制冷系统全年运行费用如表6所示。

从表6可以看出，采用冰蓄冷系统制冷较常规系统全年可转移高峰电量113 730 kWh，全年运行费用节省了约24%。若同时考虑电锅炉蓄热节省的运行费用，长期运行经济效益十分显著。

负荷/比例天数/天常规/kWh高峰电量 平段电量 谷段电量冰蓄冷/kWh高峰电量 平段电量 谷段电量100%50%合计电价/（元·kWh-1）总计/元30 60 90 3 299 1 918 214 050 0.98 103 3762.8 12 275 6 585 763 350 0.98 1 156 713 77 460 0.98 2 710 317 100 320 1.107 785 416.5 11 566 5 307 665 400 0.738 5 950 5 304 496 740 0.369

5 结束语

本工程是目前国内采用完全自主知识产权的冰蓄冷大温差低温送风变风量空调技术的最大规模建筑。实际应用表明，与传统空调系统相比，该蓄能空调系统夏季可转移高峰负荷1 549 kW，占总负荷需求的24%左右，冬季可转移高峰负荷2 080 kW，占总负荷需求的45%左右，对平抑电网负荷曲线，提高系统运行效率有明显作用；同时，结合江西省电价优惠政策，可节约运行费用10%～40%左右，能够获得较大的经济效益。

［1］ 陈文，袁立新.商业建筑中央空调节能技术实现及投资模式分析［J］.建筑节能，2007，35（4）：46-50.

［2］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［3］ 陈重.全国民用建筑工程设计技术措施［M］.北京：中国计划出版社，2009.

［4］ 陈永林.冰蓄冷低温送风空调系统关键设备的研制［J］.制冷空调与机械设计，2007，28（4）：1-6.

（本栏责任编辑 刘嘉婧）