蓄冰与变风量系统在建筑中的应用

文｜中国建筑设计研究院 刘继兴

1 工程概述

大厦建筑面积约98713m2，空调67390m2，地下层32600m2，建筑高度65m。地上由北塔楼、南塔楼和连接二栋塔楼的中庭（四层高）组成，北楼16层，南楼14层，主要功能是办公。地下四层，是停车库和设备机房。本楼抗震设防烈度：8度，建筑类别：一类，耐火等级：1级。

2 设计特点

（1）采用了部分负荷冰蓄冷的技术，减少制冷主机容量和配套设备的功率，制冷机运行时段80%的电量移到了谷时，设备满负荷运行提高利用率。移峰填谷，降低运行费用，使业主支付更少的运行费用。蓄冰系统的初投资比常规系统略高（10%～20%），但年运行费用比常规电制冷系统减少了一半，还可逐步收回投资，是电制冷发展的主流趋势。

（2）变风量空调系统改变送入房间的风量来适应负荷的变化，机组的容量按各朝向冷负荷的最大值确定，送出风量可以在各朝向的房间调整，风量的减少会使风机能耗降低。此外，与风机盘管系统相比，消除了凝水和霉变的问题。

3 设计参数及空调冷热负荷

（1）主要房间的室内空调采暖设计参数及通风换气参数，如表1所示。

表1

（2）全楼夏季空调耗冷量为7200kW，冷指标73W/m2。空调耗热量为5392kW，热指标55W/m2（热源由市政提供，交换后向本楼提供空调水，供回水温度为60/50℃。）。

4 空调负荷分布与制冷系统容量的确定

空调冷热负荷按楼层逐时计算，为确定冷水机组与冰槽容量，如表2所示。

空调设计最大负荷7200kW，残冰量流10%左右。白天主机使用时间12时，按部分蓄冰计算方法确定制冷机容量：

Q为设计日总冷量（kW），C1取0.80，n1为白天双工况机组运行时间（时）取12；

Cf为螺杆机组为0.65～0.7，取0.7，n2为夜间双工况机组运行时间（时）取8。

制冷主机选用三台，空调工况制冷量1780kW，进出水温度10.5/5℃，冷却水温度32/37℃。制冰工况制冷量1200kW，进出水温度-5.6/-2.7℃，冷却水进水温度30℃。随制冰时间推移，机组效率会不断下降，主机夜间八小时制冰总量（按-5.6℃计算）不低于22276kW/h。热源由市政提供，交换后提供60/50℃空调用热水，为新风机组和外区有热水盘管的末端提供热水。

表2

5 蓄冰容量的确定与负荷预测

（1）冰蓄冷系统分别按30%、60%、80%、100%的工况计算，系统力求简单，选用负荷均衡的部分蓄冰，制冷机组与冰蓄冷设备串联，主机位于冰槽上游的内融冰系统。

（2）选用钢盘管蓄冰槽，布置30组盘管，冰槽面高度为2.5m，占日总冷量的28%。

（3）按大楼使用性质，运行时间，系统不设基载主机，冷冻机均可实现供冷与制冰的功能。

（4）参考北京分时电价，尖峰时电价1.26元/ kW/h，高峰时1.16元/ kW/h，平价时0.72元/ kW/h，低谷时0.30元/ kW/h，谷电8小时制冰，白天制冷12小时，加班时间尽量不开冷冻机。

（5）部分负荷时，按融冰优先模式，在30%空调工况条件下白天基本不用开冷冻机组。

（6）蓄冷采用非完全冻结式，夜间10%冷负荷采用外融冰形式。冷水来自冰槽，使用循环水泵是BY-5，利用免费供冷的热交换器为夜间供冷。

6 蓄冰系统控制策略

最大限度的发挥蓄冰装置的功能去保证供冷的需求和安全性，少付电费，给业主带来较大的经济利益，在对空调负荷进行预测时选择以下优化控制模式。

（1）主机制冰，从 23∶00～07∶00 的谷电时段，制冷机满负荷运行，当蓄冰槽的蓄冰量达到要求时，自动停止蓄冰工况运行。主机蓄冰时V1、V3关，V2、V4开。

（2）主机供冷与融冰供冷是在电力峰价与平价时段，此时空调冷负荷较大，为尽量减少系统在电力峰价运行，按时段要求控制冷机处于空调工况的制冷量，出口的乙二醇和冰槽出口的乙二醇溶液混合进入板换，不足冷量由冰槽内的有效融冰量补充，在非标准设计日内，冷负荷相对减小，尽量发挥该时段冰槽分配的有效融冰量，恒定进入乙二醇进板换的温度，再调节主机能量，V1、V2调节，V3开、V4关。

（3）融冰单独供冷，晚上17：30～21∶00考虑有30%的加班负荷，以及在过渡季节的使用工况，该时期的冷负荷由蓄冰槽单独提供，制冷机停止运行，循环泵运行，融冰时，V1、V2调节，V3开、V4关。

（4）主机单独供冷是在空调冷负荷结构改变时，为了将蓄冰槽的冷量尽量用于电力高峰时段，在平峰时段内的冷负荷可以适当由制冷机单独提供。这时蓄冰槽与系统隔离开，蓄冰主机在空调工况运行，通过换热器向空调系统提供冷冻水。V1、V3开，V2、V4关（此工况使用情况不多）。

（5）主机制冰与融冰供冷，深夜10%的加班负荷时由蓄冰槽承担，采用外融冰供冷方式，蓄冰同时V1、V3关，V2、V4开，V5V6开，启动BY-5水泵循环冰槽内的冷水，切换RJC-3/4对空调水供冷。

（6）空调机组是按供水温度5.5/12.5℃，由南北楼的变频泵提供的。在供冷与融冰过程，一部份来自冷机的出来温度为4.5℃～5℃的乙二醇溶液经旁通，与另一部份来自冰槽出来温度为3℃的乙二醇溶液混合，调节水阀使得乙二醇溶液进入板式换热器的温度在3.9℃，保证空调水侧出水温度为5.5℃不变。

7 空调系统设计介绍

本工程标准层为大开间办公室，空调系统采用定新风式变风量系统，外区采用带加热盘管的并联动力型末端，内区采用电动节流式末端。

（1）新风集中处理，四管制设置，夏季供冷，冬季供热，且加湿，变频的新风机布置塔楼顶层，处理的新风经竖井送至各层空调机组。

（2）变风量空调机组按二管制设置，全年供冷。各层新风会有不同，经定风量（CAV）装置分配，至各层变风量空调机组，与回风混合后进行冷却处理。除通用功能段机组还配有杀毒灭菌净化装置。

（3）在内区，全年负荷是基本不变的，任何时间都需要供冷，末端装置为电动节流式。但外区则在冬季是需要供热，在建筑周边配有热水加热器的并联动力型末端，当温度低于16℃～18℃时，启用加热系统对盘管加热，增大送风温差，送出合适温度的空气，把变风量系统与供暖系统结合运用到建筑的外区。

（4）新风竖井设压力控制器，当各别层的空调停用或减少新风量时，自动改变新风机的风量。夏季新风处理到22.2℃，除湿，冬季新风处理到11℃，加湿，夏季空调机组送风温度到14.5℃，冬季送风温度为12.5℃比较适合，也是防止冬季空气加热后再预冷造成能耗浪费。

（5）楼内有十个以上的标准层空调系统，各层需要考虑风平衡，各层多余的风量除了经卫生间竖井和弱电竖井集中排室外，还设置集中空调排风系统，采用变频调速风机，各层排风支管处设电动风阀，与对应层的空调机组联动，当某层停用，关闭停用层的排风阀，使整楼的风量平衡，集中排风设热回收，为新风机组预热新风。

（6）变风量空调机组满足末端设备风量，采用吊顶设回风口，走廊作回风通道。

（7）冬季和过渡季节，冷负荷大大低于夏季的总负荷，由冷水机组或蓄冰装置承担，冷却塔共四台，有一台在冬季室外温度条件允许的情况下，利用冷却塔的冷却能力，通过板式热交换器，提供免费的冷水，以达到不开冷水机能的节能运行。考虑风沙较大，冷却塔出来的冷却水过滤处理，这台冷却塔平时还为特殊租户提供冷却水服务。冷却塔风机采用了双速风机，不管入塔水量及水温如何变化，调节风机风量保证出塔水温，降低冷却塔的运行能耗。因冬季冷却塔需要使用，两个冷却塔是设有电伴热的。

8 自控系统介绍

变风量系统送至房间的风量，会随房间的负荷变化而改变，因此，必然有较多的控制要求。机组是在设计送风温度确定的工况送出一定量的空气，而机组大部分时间会在50%～100%的风量运行，所以系统压力控制显得十分重要。在送风管内某一点（或二点平均值）选择合适的定静压控制点，并在送风系统静压不变的前提下为准确。测定离送风机足够远，大约总风管距末端1/3处，使得任何末端风量变化对风管的静压产生影响，利用检测的风道内静压点与设定值的差值，调节送风机频率，保持风管设定的静压值不变，此方法简单，运行可靠。同样，在新风竖井中也设置压力传感器，根据压力传感器所测的压力与设定值的差值，控制新风竖井的压力，主楼排风风量根据新风机的运行情况而作自动相应调节。空调机运行时联动本层排风阀开启，保证房间的正压控制。而对房间温度控制，则是由执行器接受室内温度器的指令动作，末端装置测出室温与设定温度之差来计算出风阀的开度，对送风量进行控制。

（1）各层引入的新风经定风量阀（CAV）与空调回风混合进入机组，定风量阀配置风量传感器、风量调节阀和风阀执行器，为压力无关型风量控制设备，无论新风入口静压在适用范围内如何变化，均能保证新风量的测量及恒定控制误差不高于5%，目的是保证每个变风量系统的新风定量供给，满足最小新风需求，可实时测定输送的风量。通过与中央的通信连接监测每台装置实际的新风输送量，并通过中央控制系统对每台定风量装置的新风设定值进行调整及修改，满足实际运行的控制需要。正常工作时，与新风连接的定风量装置调节至最小，满足新风量要求，最小新风量设置点应该与预定值相同。

（2）当空调机启动时，其变速控制器从最低流量开始调节，以便能够维持所要求的供风管最低静压，最低静压由送风静压高/低限制设置点决定。随末端风量减少时，系统总风量也要减少，风道内的压力会增加，尤其在末端处静压会复得，DDC控制器会根据定压测定值与设定值，由变频器调整机组送风机的转速，消除压力波动，防止风量低负荷运行时系统末端产生多余的静压。正常运行变风量控制器入口设定送风压力在（120～130Pa）。

（3）室内感温器与变风量末端控制环网来调节每个VAV末端的节气阀，对于单风道末端运行模式：当房间温度处于设定点时，末端送出最小供冷风量，房间温度升高使送风量加大，当超过设定点1.1℃时，送冷风量至最大，维持房间的冷却设置点，这时送风为定温度、变风量。对于并联末端运行模式，夏季运行模式与单风道末端相同，在供热和处理较低供冷负荷时，房间室温会下降，风阀关至最小风量值，当低于供热设定点0.2℃，启动末端风机，将吊顶温度稍高的空气从回风送至空调区，房间温度降至设定点以下0.1℃，末端风机停止运行。如果房间温度降至设定点以下，启动辅助加热器，比例调节水阀开始启动，低于供热设定点1.1℃时，比例调节水阀全开。提供外区空调所需的热负荷，这时送风为定风量、变温度。

（4）并联风机式的变风量末端装置工作原理：参考TITUS，如表3所示。

所有末端的最小风量、最大风量均可在规定的范围内进行调整。

（5）空调冷水回水管上设动态平衡电动调节阀（或装有压差控制器与电动二通阀），送回风温度的传感信号对回水管上的电动二通阀进行调节，控制表冷器的过水量。热水回水管电动调节阀，控制新风机送风温度。冬季新风机组停机时，热水回水管电动调节水阀保留5%开度，以防加热器冻裂。周边热水盘管，则由供热区域的温控器对末端回水管上的电动二通阀进行控制。

（6）冷水采用二次泵变流量系统，空调冷量减小时，系统水量会随之变小，按远端供回水压差变化为依据，调整流量保持设定的压差，二次泵变流量运行系统部分节能。

（7）制冷机的出水温度，冷机加机与卸载，按冰蓄冷运行的模式同时辅助监测冰槽供回水温度采用相应的控制。

（8）采用了 DDC 数字控制的变风量空调系统，提高楼宇智能化程度，优化节能。

9 需要注意的问题

（1）变风量系统较大噪声来自机房的风机，另外是末端调节阀，动力型末端风机产生的噪声，除了机房做好吸声，进出机房管道布置消声器，还要注意合理的风管布置、管道流速、分支管接法对末端装置的选用，要注意末端标准送风量（最大与最小风量）、噪声值、入口静压值与最大压降等指标。选用的末端装置在所需范围，不要对其放大型号，因为末端的型号越大噪声也越大，故在便于合理布置空调系统的前提下，尽量选用小型号的末端装置。动力型末端过渡季节时的运行模式，会使风机时起时停，使噪声有明显变化。并联末端风机位于末端箱体的回风口处，辐射噪声及送风噪声都容易从回风口处传出，为避免噪声传出，回风口加装消声管。采用走廊作为回风通道，减少回风管的安装，注意回风速度不宜过大，比摩阻小于1Pa/m。

（2）选择标准节流型变风量末端与带有热水加热盘管的并联式风机动力型变风量末端装置时，为了末端风量测量的精度，末端一次风接管尽量避免直角弯头连接，连接变风量箱的入口支管，应留有1.5～3倍管径以上长度的直管段，末端出口应有足够的消声段，并通过双螺旋铝塑复合保温软管至送风口。

表3 本楼标准层采用的变风量末端表

（3）有加热的并联动力型末端，作风平衡调试，需要注意末端风机与一次风之间的压差不能太大，以免压力小的一边气流无法送出，影响系统运行。热水盘管安装在末端的回风口处，只加热回风，在空调机组同时带内外区末端时，外区并联末端对盘管热水的温度要求更高，否则空调区温度无法满足设计要求，并联末端对于设计、安装以及调试，需要的关注程度是大于其他形式的变风量末端。调试时更需细心，与串联末端相比，要求空调机有足够高的入口静压，末端入口风压力在（120～130Pa），保证一次风能通过风阀、箱体、下游风道和散流器。

（4）由于新风是固定不变的，冬夏季送风量不同，空气中的新风比也会不同，导致夏季内区新风小于外区，冬季外区新风小于内区，对于大开间气流组织要求中等的场合，使用上述的系统就能轻松对应。冬季空调运行时，外区供热内区供冷，对大空间房间，适当将外区设定的温度低于内区1℃～2℃，使内区上部的热空气进入外区，外区下部的冷空气进入内区，有利于内区产生的部分富裕热量传至外区，承担外区的部分热负荷，形成室内气流混合，减少热量，达到空调运行时的节能作用。

（5）设计中，对于个别内热负荷小，人员多的房间会有新风不足的现象，应采取增加再热，加大送风来解决。此外，还需要对特定房间提高末端最小风量与最大风量之比，改善其新风不足。对于划分小房间，注意避免同一个末端装置的送风口跨分隔布置。如果吊顶的空间条件允许，采用独立新风系统是不错的方法。

（6）特别要注意：设备安装要请有资质的单位，风管漏风可能会对运行调试有很大影响，系统调试也要找专业人员结合现场情况完成，此外，还有对运行人员培训，掌握系统运行要点，都是十分必要的。

（7）质量浓度为25%的乙二醇水溶液在-5℃溶液密度1044.5kg/m3，其比热为3.66kJ/kgK，导热系数0.44W/K，粘度为4.34mPa/s，流量修正系数1.08，所需流量应比水流量大8%，管道阻力修正系数136（-5℃）和1.22（5℃）。注意在选水泵时考虑上述条件，由于管道的温度较低，更要做好保冷，当冷水管保温采用（B1级）难燃型发泡橡塑材料。乙二醇管道比普通冷冻水保温增加5mm的厚度。

上述论点若有不足之处，还请业内同行指正。