蓄能技术在办公类建筑中的创新应用

蓄能技术在办公类建筑中的创新应用

0 引言

加班专用系统”（以下简称“值班系统”），专门解决办公类建筑中央空调系统使用不灵活的问题，供广大设计人员和投资方参考。

冷水机组是最常用的中央空调冷源型式，具有技术成熟可靠、选择应用方便等一系列优点，但是其存在运行盲区问题，即：低负荷运行时，当冷冻水流量过低，冷水机组会自动保护性停机，以避免发生冻坏蒸发器等事故。但是，大中型办公类建筑——尤其是商业写字楼，普遍存在非工作时段局部加班的情况，经常发生冷负荷太低，冷水机组无法运行的问题，给用户、投资方、运行管理人员带来很大的困扰[1]。

对于这个问题，现实中常见的应对方法主要有以下三种：（1）在冷源当中有意识地配置一定数量的较小型冷水机组，大小机组搭配使用，运行盲区可以缩小，服务保障性得到一定程度的提高，但是没有从根本上解决问题；（2）冷负荷太低时，开启大厅、食堂、多功能厅等部位的空调，很浪费地运行；（3）全大楼配置变频多联机系统，可以解决随时、随地使用空调的问题，但是造价太高，而且还有一系列其它问题，容后赘述。

鉴于此情况，作者立足于现有技术条件和社会经济水平，提出一种以水蓄能技术为基础的解决方案，暂定名“空调值班

1 值班系统介绍

1.1 值班系统流程

值班系统的系统流程图如图1。

图1值班系统流程图

图1 中上半部分为典型的中央空调冷热源系统[2]，仅作参考，值班系统通过管道与冷、热水供回水总管连接，图纸说明如下：

1—较大型冷水机组；2—较小型冷水机组；3—热水机组；4—承压蓄能水箱。①②③……水流路径示意点：

1.2 值班系统的组成

（1）蓄能装置：采用封闭承压型水蓄冷/热容器，水路与原系统直接连通，不采用中间换热器，自然也没有换热损失；缺点是承压型容器的单位蓄能量造价较高，一般的水蓄能工程不能接受如此高的造价，但是值班系统的蓄能量非常小，造价方面没有问题，主要考虑闭式系统的运行费较低和水质容易保持。

（2）值班泵组：采用多台变频水泵，按流量大小衔接设置，其流量范围上限为原冷热源系统中最小一台冷水机组的安全运行流量下限，其下限为中央空调系统中最小的末端设备的额定水流量。

（3）自控系统：包含智能控制器、传感器、电动阀门等。

（4）管路系统：并联于原冷冻水（热水）总管。

1.3 值班系统的运行原理

由于值班系统在制冷、制热工况下的运行原理基本一致，本文仅讨论在制冷工况下的运行原理。

（1）当冷负荷逐步降低，仅有一台最小容量的冷水机组运行、且末端冷水流量降低至该冷水机组的安全运行流量下限时，值班系统启动；冷水在值班系统内依次流过水流路径示意点：1-2-3-5-6-7-8-9-13-14-17，蓄冷时的流量由自力式压差控制阀控制；此时冷水机组一边直接向用户供冷，一边进行蓄冷。

（2）当蓄冷装置达到100%蓄冷量，停止冷水机组和对应的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔，启动值班泵组中最大的一台变频循环泵进行释冷循环，冷冻水在值班系统内依次流过水流路径示意点：17-16-14-13-9-6-5-4-2-1，变频器根据压差变送器的信号调节水泵转速。

（3）当变频器调节至最低运行频率，压差信号仍然偏大，则停止该变频循环泵，启动较小一台变频循环泵，依次类推，直到流量消失，则关闭值班系统。

（4）当变频器调节至最高运行频率，压差信号仍然偏小，则停止该变频循环泵，启动较大一台变频循环泵，依次类推，直至超过蓄冷装置的最大释冷流量，则关闭值班系统，同时启动最小一台冷水机组直接供冷。

（5）当蓄冷装置冷量释放完毕，则启动最小的一台冷水机组，重复步骤（1）。

2 值班系统设计方法

2.1 值班系统额定制冷量计算

以一栋地上建筑面积M为30000m2的纯写字楼的典型冷源配置为例，冷热源系统配置如图1，总制冷量Q为1000RT，制冷主机选用两台400RT、一台200RT的螺杆式冷水机组，其运行盲区为最小一台主机——即200RT螺杆式冷水机组的安全运行下限，根据某品牌冷水机组制造商提供的资料，30%负荷率是推荐的安全运行下限，则整个空调系统的安全运行冷负荷下限QL为：

QL=200RT x 30%=60RT=211 kW（此数值即为值班系统额定制冷量）

全系统最低安全运行冷负荷率PL为：

PL=QL/Q=60/(400+400+200)x100%=6%

则大致推算可提供制冷服务的最低面积ML为：

ML=M x PL=30000 x 6%=1800m2（约为1.5个标准层的面积）

意味着低于此面积则不能提供制冷服务。

2.2 蓄能装置的容量计算

蓄能装置的容量计算原则——只需避免主机频繁启停即可。制造商推荐的最小启停间隔时间Tmin为0.5h。现假设蓄能容器按安全运行冷负荷下限QL提供0.5h服务，冷冻水温差⊿t按5℃，则蓄能容器的容量V应为：

V=QLx Tmin/(cxρρx⊿t x0.9)

=(211x3600x0.5)/(4.1868x1000x5x0.9)=20.15m3

式中：c为水的定压比热

ρ为水的密度

0.9 为蓄能装置效率[4]关于蓄能装置的设计计算的著述很多，此处限于篇幅不做详细介绍。

2.3 值班泵组的选型计算

值班泵组的选型计算原则——泵组额定流量为最小一台冷水机组安全运行的冷冻水流量下限，最小流量为整个冷冻水系统中流量最小的末端设备的额定冷冻水流量。因此，采用多台变频水泵按流量范围衔接设置，值班泵组的额定流量L1——即最大一台变频水泵的额定流量，需衔接200RT螺杆机的安全运行下限，为：

L1=(200x3.516x0.3x3600)/(4.1868x1000x5)

=36.28m3/h

根据某水泵厂家资料，变频水泵最小流量为额定流量的20%，则第二台水泵的额定流量L2为：

L2=L1 x 0.2=7.26 m3/h

第三台水泵的额定流量L3为：

L3=L2 x 0.2=1.45 m3/h

其最小流量L4为：

L4=L3 x 0.2=0.29 m3/h，已达到最小型号风机盘管的额定冷冻水流量，满足使用要求。

值班泵组采用3台变频水泵，流量覆盖范围为0.39～36.28 m3/h，配合原冷热源系统，可满足中央空调系统0～100%负荷无级调节，消除了运行盲区。

3 值班系统创新性分析

常见的蓄能空调系统，其目的是赚取峰谷电价差，具有“移峰填谷”的社会效益，其冷热量的蓄放周期为24h，蓄能容器占地面积很大，蓄能系统造价很高，仍然按上例采用常见的50%蓄能率、5℃温差、小时平均负荷为设计负荷的50%、蓄能效率85%、每天工作10h计算，其蓄能装置的容量VC为：

VC=（400x2+200）x 3.516 x 50%x 10 x 3600x 50%/（4.1868x1000x5x0.85[3-4]）=1778m3

则，值班系统蓄能容积与常规蓄能容积比较，V/VC= 20.15/1776 x100%=1.13%

而“值班系统”的目的是在冷水机组和热水机组的运行盲区下保障空调服务，与峰谷电价无关，其蓄放周期短，蓄能装置的容量仅为常规蓄能系统的1.13%，占地面积、造价与常规蓄能系统有天壤之别，属于创造性地使用蓄能技术。该创新性内容已获专利授权。

4 值班系统与现有解决方案的对比

唯一与值班系统具有可比性的、能够完全解决空调系统运行盲区的现有技术方案，唯有变频多联机系统。此处仍以上例中30000m2的写字楼为例，按市场占有量较大的某一线品牌变频多联机，与常规中央空调配值班系统做一简单比较，中央空调系统主要设备如：冷水机组、热水机组、水泵、冷却塔、末端设备、电动阀、温控器等，均采用市场占有量较大的一线品牌，两种系统的具体产品型号均按实际情况中采用最多的型号设置，假设值班系统造价为常规中央空调系统的10%，具体比较内容见表1。

表1 值班系统与变频多联机系统的综合比较

可见，与唯一具有可比性的解决方案相比，值班系统与常规中央空调相结合的方案，在投资、机房成本、折旧成本、能耗费用等方面均有很大的优势。

5 结论（1）值班系统配合常规中央空调系统，可以解决办公类建筑经常出现的低负荷无法开机的“老大难”问题，覆盖了传统中央空调的运行盲区，提高了中央空调系统的服务保障水平。

（2）可以向用户承诺随时开启任意位置的中央空调，提升了建筑整体利用率，具有积极的社会意义和较大的应用价值。

（3）创新地使用了蓄能技术，无需峰谷电价差，扩大了蓄能技术的应用范围。

（4）与唯一可比的变频多联机方案相比，值班系统在投资、能耗、机房价值、噪声振动、折旧成本等方面均有明显优势。

（5）值班系统的适用范围广，既可用于新建项目，也可用于既有建筑改造。

（6）对于可能出现低负荷、主机无法启动的空调系统，都可以采用值班系统加以解决。

（注：本解决方案已提交专利申请，故请有意采用该技术的设计、顾问、咨询人员联系作者本人，除非特殊情况，我们将无偿授予专利使用权。）

[1]GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012:64.

[2]贾晶，施敏琪.空调冷水系统演变与一次泵变流量系统简介[J].制冷空调与电力机械，2007（5）：49-52.

[3]赵庆珠.蓄冷技术与系统设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2012：51.

[4]陆耀庆.实用供热空调设计手册：2版[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：2122-2134.

责任编辑：孙苏，李红

Innovative Application of Energy Storage Technology in Office Building

张熠1,文灵红1,张永东2,杨怀3,陈金建1,傅仕华1
（1机械工业第三设计研究院建筑技术研究所，重庆400039；2西南大学工程技术学院，重庆400716；3四川省城市建筑设计研究院，四川成都610072）

以解决冷水机组运行盲区给办公类建筑带来的不利影响为出发点，利用蓄能技术为主要手段，提出一种较低成本、较易实施的解决方案。通过对该解决方案的设计思路、方法、创新性的阐述，及与现有解决方案的比较，证明了该解决方案在投资、能耗等方面的优越性。

蓄能技术；运行盲区；办公类建筑；冷水机组；空调值班加班专用系统

For the adverse effect on running blind area of chiller in office building,a solution of low cost and simple implementation is presented with the main tool of energy storage technology.The design idea,method and creativity are discussed.The advantages of this new solution in investment,energy consumption are proved through the comparison with the existing solution.

energy storage technology;running blind area;office building;water chilling unit;overtime air conditioner system

TU831.4

A

1671-9107（2013）07-0031-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.07.031

2013-03-27

张熠（1972-），男，重庆人，本科，高级工程师，主要从事绿色建筑暖通及既有建筑节能改造的技术研发工作。