冰蓄冷空调系统的设计及分析和测算

宋智军

(大同市规划设计院，山西大同 037006)

1 工程概况

北京金融街A5地块写字楼位于西城区西二环路东侧，金融大街与武定候街交叉口西北角，A5大厦由两幢17层板楼及2层裙房组成，总建筑面积9万m2，其中地上建筑面积6万m2，地下建筑面积3万m2。夏季小时最大冷负荷为8 111 kW。

2 设计思路

北京金融街施行峰谷电价，尖峰电价1．265 3元/kWh，低谷电价0．301 9元/kWh，电价的绝对差值0．963 4元/kWh;本项目的冷负荷高峰时段与电网高峰时段重合，而且在电网低谷时段空调冷负荷较小，因此，本项目适宜采用冰蓄冷技术。冰蓄冷技术主要为了平衡电网的昼夜峰谷差，在夜间电力低谷时段向蓄冷设备储蓄冷量，在日间电力高峰时段释放其蓄得的冷量，减少电力高峰时段制冷设备的电力消耗，是电力部门“削峰填谷”的最佳途径。而且冰蓄冷系统具有诸多优点:1)减小机组的装机容量。机组提供的最大冷负荷可以小于建筑物的峰值负荷，也就是说，可以按照建筑物峰值负荷的60%～70%来选配制冷/蓄冰机组。2)无后顾之忧。由于近年来国内夏季用电负荷日趋紧张，一些地区已经采取拉闸限电，以及对各单位限制时段用电量等多项举措。而蓄冰技术正是在夜间电力低谷时段向蓄冰设备蓄得冷量，在日间电力高峰时段释放其蓄得的冷量，将大量本应是电力高峰时段使用的电力转移到夜间电力低谷时段使用，减少电力高峰时段制冷设备的电力消耗，是解决该问题的最佳途径。用户也不必为了限电而停工停产，从而造成巨大的损失。3)运行费用更低。由于使用晚上较低费用的低谷电蓄冷，而在白天将储存的冷量释放出来，最大限度的节省费用。所以，其制冷运行费用仅为常规空调系统的50%～60%左右。4)一机两用、充分挖掘机组的潜能。冷水机组可以同时两工况工作，即在白天制冷，夜间蓄冰。

3 主机和蓄冰设备配置

选用2台螺杆式双工况冷水机组，每台机组的制冷工况下的冷量2 633 kW，功率542 kW，冷冻水温度12℃ ～7℃;冷却水温度30℃/35℃;蓄冰工况下的冷量1 771 kW，功率430 kW，冰水温度－2℃/－6℃，冷却水温度27℃/31℃。同时选用480 m3冰球蓄冰设备。蓄冰球的性能参数见表1。

表1 蓄冰球的性能参数

2台制冷主机的最大制冷量5 266 kW，是峰值负荷的65%，也即是常规空调系统装机容量的65%。

4 冰蓄冷系统的设计和运行

4．1 方案论述

冰蓄冷空调系统设备选型及流程设计是以该系统的设计日(最不利情况)逐时负荷分布为依据的，本工程空调设计峰值冷负荷为8 111 kW，夏季设计日(最不利情况)逐时冷负荷详见图1。

图1 空调设计日逐时冷负荷分布图

根据上述负荷分布图可以看出本项目的冷负荷结构，冷负荷高峰时段与电网高峰时段重合，而且在电网低谷时段空调冷负荷较小，尤其在夜间谷电时段23:00～7:00不需要供冷，因此采用冰蓄冷系统具有相当大的优势。本项目冰蓄冷系统选用负荷均衡的部分蓄冰方式，采用可以制取较低冷冻水温度(空调末端系统采用风机动力型VAV BOX，需要提供1．0℃冷冻水)的主机下游的串联系统。系统流程图见图2。

图2 系统流程图

4．2 负荷平衡策略

1)100%负荷段冷负荷平衡策略。冷水机组在夜间的谷电时段23:00～7:00满负荷蓄冰，由于100%冷负荷较大，日间2台机组在平电时段满开，而蓄存的冷量尽量用在电力高峰时段上(见图3)。

图3 100%负荷段蓄冰系统运行负荷分布图

2)80%负荷段冷负荷平衡策略。该时段逐时冷负荷比较大，冷水机组在夜间的谷电时段23:00～7:00满负荷蓄冰，日间2台机组在平电时段满开，而蓄存的冷量尽量用在电力高峰时段上(见图4)。

图4 80%负荷段蓄冰系统运行负荷分布图

3)60%负荷段负荷平衡策略。冷水机组在夜间的谷电时段23:00～7:00满负荷蓄冰，平电时段15:00～17:00内开启2台冷水机组，其他时段的全部冷负荷由蓄冰设备单独提供(见图5)。

图5 60%负荷段蓄冰系统运行负荷分布图

4)40%负荷段负荷平衡策略。40%负荷段在北京市的整个空调期出现的时间也是比较长的，在谷电时段23:00～7:00冷水机组满负荷蓄冰，只需在电力平段15:00～16:00内开启2台冷水机组，其他时段的全部冷负荷由蓄冰设备单独提供(见图6)。

5)20%负荷段负荷平衡策略。20%负荷段在北京市的整个空调期出现的时间比较短，在这个时段日间不需要开启冷水机组来制冷。在夜间电力低谷时段23:00～4:00开启2台双工况冷水机组进行蓄冰，白天的全部冷负荷由蓄冰设备单独提供(见图7)。

5 运行费用测算和比较

北京电网峰谷分时销售电价表见表2。

图6 40%负荷段蓄冰系统运行负荷分布图

图7 20%负荷段蓄冰系统运行负荷分布图

表2 北京电网峰谷分时销售电价表

5．1 冰蓄冷空调夏季运行费用

北京的夏季空调期为6月中～10月中，约120 d，运行费用统计上，采用分时段计算法，即把整个空调期划分为5个时段:20%负荷段，40%负荷段，60%负荷段，80%负荷段和100%负荷段，分别逐时计算相应时段的运行费用，并加以汇总，就得出总的运行费用。运行电费汇总见表3。

表3 冰蓄冷系统夏季运行费用

5．2 常规空调夏季运行费用

常规空调系统的运行费用测算方法同冰蓄冷空调系统，运行电费汇总见表4。

表4 常规系统夏季运行费用

5．3 分析比较

冰蓄冷空调系统的全年运行费用为99．46万元，合每平方米11．04元;常规空调系统的全年运行费用为186．65万元，合每平方米20．72元;由此可知，冰蓄冷空调系统的运行费用是常规空调系统运行费用的53%。

6 结语

通过上述对冰蓄冷空调系统的设计、分析和测算可知:1)冰蓄冷系统可以减小机组的装机容量，是常规空调系统装机容量的65%;2)极大程度地降低了运行费用，其运行费用仅为常规空调系统的53%;3)冰蓄冷技术在晚上谷电时段电蓄冷，在白天的峰电时段释放冷量来供冷，制冷机组不用开启(用电极少)，一些在电网高峰时段用电的用户不必为了限电而停工停产，没有了后顾之忧。

综上所述，冰蓄冷技术有诸多特点，比较适用于冷热负荷差较大的办公型建筑，优势适用于冷负荷高峰时段与电网高峰时段重合，而且在电网低谷时段空调冷负荷较小的办公楼。