冰蓄冷空调设计要点分析

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

改革开放以来，我国的电力工业得到了快速发展。但是，我国电力供应紧张的矛盾仍很突出，特别是用电高峰与用电低谷之间的差距很大。冰蓄冷技术所具有的“削峰填谷”的优点可以解决这一日益突出的矛盾。其技术原理[1-2]是在夜间用电低谷期采用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式储存起来，而在电力负荷较高的白天将冰融化以释放冷量，用以部分或全部满足建筑物空调负荷的需要。该技术已在众多的建筑中得到了使用[3-4]。然而冰蓄冷空调工程与常规的空调工程相比，其设计选型较为复杂，投资较大，施工、调试、验收及运行管理复杂，所以，也使得其应用受到了很大的限制。本文从冰蓄冷空调技术的主要适用场合、系统负荷和冰蓄冷方式的确定、设备的选择、施工图要求等方面，论述了冰蓄冷空调工程的设计要点。

1 冰蓄冷空调工程的主要适用场合

冰蓄冷空调技术的主要适用范围是在执行峰谷电价且峰谷电价差较大的地区，在技术经济比较合理时才具有使用优势，具体适用场合如下：

(1)建筑物的冷负荷具有显著的不均衡性，低谷电期间有条件利用闲置设备进行制冷时。

(2)逐时负荷的峰谷差悬殊，使用常规空调系统会导致装机容量过大，且经常处于部分负荷下运行时。

(3)空调负荷高峰与电网高峰时段重合，且在电网低谷时段空调的负荷较小。

(4)有避峰限电要求或必须设置应急冷源的场所。

(5)采用大温差低温供水或低温送风的空调工程。

(6)采用区域集中供冷的空调工程。

(7)在新建或改建项目中，需具有放置蓄冰装置的空间。

(8)经技术经济比较，采用冰蓄冷空调系统能获得很好的经济效益时。

2 系统负荷和冰蓄冷方式的确定

2.1 分析工程概况

将建筑规模、负荷等条件了解清楚，包括建筑性质、规模(层数、面积、层高)、机房位置、变配电房位置、冷却塔位置、设备层承载、末端管材、末端定压方式、尖峰负荷、使用时间、分时电价情况、供回水温度等。

2.2 负荷的确定

冰蓄冷空调系统的负荷，应根据设计逐时气象数据、建筑围护结构传热系数、人员数量、照明情况、内部设备以及使用时间，采用不稳定计算法逐时进行计算(可采用软件计算)。在逐时冷负荷的计算中，除建筑物冷负荷外，还应包括附加冷负荷部分。在方案设计阶段或初步设计阶段，可采用逐时冷负荷系数法或平均负荷系数法，按照峰值负荷估计设计日逐时冷负荷。

2.3 确定冰蓄冷方式

冰蓄冷方式主要包括：动态型冰蓄冷、盘管外结冰式(内融冰系统和外融冰系统)和冰球系统。冰蓄冷系统的形式有主机在上游的串联系统、主机在下游的串联系统和并联系统。具体采用何种流程，应根据建筑物冰蓄冷周期、逐时负荷曲线、工程概况、冰蓄冷设备的特性和现场条件等因素，经技术经济比较后确定。

2.4 确定最佳蓄冷比例

冰蓄冷运行模式有全量蓄冰模式和部分蓄冰模式。对于部分蓄冰模式，冰蓄冷空调系统的负荷要按照一定的比例分配给制冷主机和蓄冰装置。在分配负荷时，应根据逐时冷负荷曲线、电力分时电价情况、设备初投资和投资回收情况进行优化设计。最佳的蓄冷比例一般取30%～70%。

3 设备的选择

3.1 设备容量的确定

(1)蓄冰装置的容量应满足制冷机容量的要求及联供时所承担的空调负荷。

全蓄冰系统按照设计日总冷负荷计算，计算公式为：

Qs=ε×Q

(1)

式中：Qs——蓄冰装置容量，kW·h；ε——蓄冰装置的实际放大系数，取1.03～1.05；Q——设计的日总冷负荷，kW·h。 部分冰蓄冷系统按照部分冰蓄冷系统的制冷机容量进行计算，计算公式为：

Qs=ε×n2×Cf×qc

(2)

式中：n2——白天制冷机在空调工况下的运行时间，h；Cf——制冷及制冰工况系数，由生产厂家提供；qc——空调工况下制冷机的制冷量，kW·h。 (2)制冷机的容量应能适应制冷和制冰两种工况，其制冷量应根据设备生产厂家提供的资料，对两种工况分别计算。

全蓄冰模式时，制冷机制冷量计算公式为：

(3)

部分蓄冰时，制冷机制冷量计算公式为：

(4)

式中：n1——制冷机制冰工况下的运行时间，一般为低电价小时数，h。 如果计算得出的制冷机制冷量qc大于该时段制冷机承担的逐时冷负荷时，则需要对n2进行修正。

(3)夜间蓄能期间需要供冷时，应设置基载制冷机(若所需冷量较小可不设)，其容量按夜间末端最大负荷确定。白天末端负荷较大，受冰蓄冷空调能力所限，大部分的负荷由常规基载提供的系统承担，其基载容量按尖峰负荷减去蓄能空调所能提供的最大容量。

(4)板式换热器的换热量为尖峰负荷减去基载制冷机的制冷量，系统未配置基载制冷机时即为尖峰负荷。

(5)乙二醇定压装置应按系统容积下25%乙二醇溶液在温度16 ℃与-10 ℃时的密度来计算膨胀量，确定气压罐或开式系统中的水箱容积。

(6)冰球系统蓄冰槽容积、纯乙二醇量按蓄冰量或厂家提供的数据进行估算。

(7)制冰温度：盘管系统为-5.5 ℃，冰球系统为-6.7 ℃。

(8)板式换热器乙二醇侧的进出口温度：盘管分别为3.5 ℃和10.5～11 ℃，冰球系统分别为5 ℃和10 ℃。

3.2 水泵扬程的估算

(1)乙二醇回路：主机蒸发器、盘管、板式换热器(乙二醇侧)压降按样本或厂家提供的计算书，管道估算为8m，富余2m，总扬程在32～45m之间；一级泵系统的乙二醇泵负担蒸发器、盘管、板式换热器(乙二醇侧)的阻力以及所有乙二醇管路的压降；二级泵系统的初级泵负担蒸发器、盘管以及部分乙二醇管路的阻力；次级泵系统负担板式换热器以及部分乙二醇管路的阻力。

(2)冷冻水回路：板式换热器(水侧)压降、基载制冷机蒸发器压降按样本或厂家提供的计算书，管道(机房、末端管网)估算为22m，总扬程在32～38m之间。

(3)冷却水回路：主机冷凝器压降、冷却塔扬程按样本或厂家提供的计算书，管道估算为6m，富余2m，总扬程在22～28m之间。

以上乙二醇管路和冷冻水管路为闭式系统，管路系统水泵扬程的计算与管道垂直距离无关；而冷却水管道大多数为开式系统，需考虑低位(冷却塔集水盘)的水提升到管路系统最高点的高差，供货厂家一般在产品样本中会提供冷却塔的扬程。

4 施工图要求

4.1 现场勘查

了解冷冻机房和锅炉所在位置；标注出机房的层高(应为扣除梁高的净高)，大楼总高度；标注设备吊物孔或运输通道的位置以及尺寸；标注冷水、热水管道的管径及坡度；冷却塔的放置位置；配电室的位置，低配动力电缆至机房的走向；排水集水井的位置以及尺寸。

4.2 设备布置要求

(1)控制室靠近大楼的配电间，控制室内主要设备为电气专业的动力柜、系统柜和上位机控制台，房间面积约18m2。

(2)冷水机组、电锅炉应与控制室相近，以减少动力电缆的长度。

(3)冷水机组的其中一侧需考虑检修抽管空间(纵向)，卧式电锅炉两端留>900mm的电热管更换空间，立式电锅炉的电热管更换空间留在锅炉的上方。

(4)冷热系统同处一个机房的应划分好区块，将冷热分块布置，以便于管路设计和操作管理。

(5)蓄冰装置和蓄热装置应尽量远离控制室，靠墙角布置。

(6)系统设有燃油、燃气锅炉的应单设锅炉房，与冷冻机房用隔墙隔开。

4.3 管道布置要求

(1)多台设备(如水泵、冷水机组、电热水锅炉、蓄冰盘管等)并联接管时应尽可能按同程连接，但在遇到开式多台(常压)设备(如冷却塔、蓄热蓄冷水箱、常压锅炉等)并联接管时不必刻意同程连接，否则会适得其反。

(2)不同高度而同一方向的管道应尽可能布置成同一水平管位，这样可以减少管道支、吊架的布置数量。

(3)管道布置时尽可能沿建筑物的墙、柱、梁布置，以便于设置支吊架。

(4)蓄冰槽槽体内布管(分配管)可以采用并排沿槽体纵向两端进行布管，也可以采用上下布管。

5 结语

随着能源问题的加剧，冰蓄冷技术得到了很大的发展，但由于其初投资大，设计选型复杂，施工、调试、验收及运行管理复杂等缺点，限制了其在实际空调工程中的应用。本文从冰蓄冷空调工程的适用范围、系统负荷和流程的确定、设备的选择以及施工图要求等方面，论述了冰蓄冷空调技术的设计要点。从长远来看，还应继续优化设计，以使其经济性得到提高。同时应规范冰蓄冷设备的性能参数，建立标准设计选型软件以简化设计，使冰蓄冷空调工程应用与发展缓慢的现状得到改善。

参考文献：

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] 北京市建筑设计研究院.北京地区冷却塔供冷设计指南[M].北京：中国计划出版社，2011.

[3] 王蓓，夏伟勤.上海铁路南站南广场冰蓄冷空调系统设计[J].制冷空调与电力机械，2010，31(3)：39-44.

[4] 盛晓康，董静.中国国家博物馆暖通空调系统设计[J].暖通空调，2011，41(10)：1-6.