清华大学艺术博物馆冰蓄冷空调系统方案设计与经济效益分析

宓林 林葎

摘要：冰蓄冷空调系统利用电力低谷期电能蓄存冷量，在电力高峰期融冰供冷，具有削峰填谷、平衡电力负荷、减小机组装机容量、改善发电机组效率以及降低环境污染的作用。本文以清华大学艺术博物馆为例，首先介绍了空调系统工程概况，根据夏季逐时冷负荷、不同时段电价和冰蓄冷空调技术的优点确定选择方案，然后从系统配置、蓄冰设备选择、多工况运行自动控制等方面进行系统设计；最后，计算出削峰电量和节能减排量，证明冰蓄冷空调技术是值得推广的先进技术。本文可为冰蓄冷空调系统的选择和设计提供参考。

关键词：冰蓄冷空调系统；峰谷电价；运行工况；效益分析

中图分类号：TU831文献标识码：A文章编号：2095-3178（2018）19-0316-04

1工程概况

清华艺术博物馆位于北京市清华大学校内，地上23.95m，地下

9.00m，总建筑面积29858.8m2，其中地上建筑面积21218.0m2，地下建筑面积8640.8m2。地下一层为设备用房及展览藏品库房，地上一层至四层为博物馆展厅，少量后勤办公用房。

2冰蓄冷空调系统方案选择

2.1夏季逐时冷负荷

清华艺术博物馆夏季空调逐时冷负荷见图1。从图1可以看出

早7：00-晚19：00是用电高峰；19：00-次日早晨7：00是用电低谷。

图1夏季空调逐时冷负荷

2.2北京市不同时段电价表

北京市现行电价见表1。从表1可以看出，一年的用电尖峰是夏季，一天的用电高峰是中午，一天的用电低峰是午夜。尖峰期电价最贵，低谷时电价便宜。

表1北京市现行电价政策表

2.3冰蓄冷空调系统优点分析

冰蓄冷空调系统是指在夜间低谷电力时段开启制冷主机，将建

筑物所需的空调冷量部分或全部制备好，并以冰的形式储存于蓄冰装置中，在电力高峰时段将冰融化提供空调用冷。由于充分利用了夜间低谷电力，不仅使空调运行费用大幅度降低，而且对电网具有卓越的移峰填谷功能，提高了电网运行的经济性[1]。图2是办公楼空调采用冰蓄冷前后用电情况的比较，左图为冰蓄冷前用电，空调占比很高，右图为冰蓄冷后用电，已经移峰填谷，削减负荷高峰20%-30%，是电力需求侧管理的重要技术手段[2]。

图2办公楼空调采用冰蓄冷前后用电情况比较

冰蓄冷空调技术具有以下优点：

（1）合理利用峰谷电价差价，显著降低空调系统运行费用。（2）减少制冷主机容量，减少空调系统电力工程贴费及配电设

施费用。

（3）平衡电网昼夜峰谷电力负荷，减缓电厂建设，提高电厂发

电效率。

（4）蓄冰装置的蓄冷量可作为应急冷源，在停电时只需开启水

泵即可供冷，提高了空调系统的可靠性。

（5）空调系统使用更加灵活，节假日、休息日等小负荷状态下，

可融冰供冷，無需开启制冷主机，避免制冷主机低效运行，节能效果明显。

（6）使空调冷水机组更平稳运行，更多时间处于满负荷工作状态，提高冷水机组的利用率和使用寿命。

（7）供冷启动时间短，只需15-20分钟即可达到所需温度。

3冰蓄冷空调系统设计

3.1运行参数

空调主机制冰运行工况时，供/回水温度分别为-5.6℃/-2.8℃；空调运行工况时，供/回水温度分别为5.6℃/10.2℃。乙二醇系统供回水温度为3.3℃/10.5℃，空调冷冻水供回水温度为7/12℃，冷却塔冷却水供水温度32℃，回水温度37℃。

3.2系统配置

本工程冷源采用部分负荷内融冰，冷机上游串联冰蓄冷系统，

夏季提供7/12℃冷冻水。如图3所示。

图3冰蓄冷空调系统示意图

冷源系统配置：（1）350RT电压缩螺杆式水冷冷水机组1台，

作为系统基载冷机，制冷量1187kW；（2）选用240RT螺杆式水冷冷水机组2台，制冷量844/556.6kW，作为系统双工况制冷机组；（3）整体钢制蓄冰装置2台，蓄冰容量2892RTH；（4）冷却水系统采用开式机械循环；（5）4台方型玻璃钢横流冷却塔置于南塔楼屋顶，冷却塔并联运行。其中双工况冷机冷却塔冬季运行，配备电加热器；

（6）乙二醇泵，采用变频技术；（7）其他配套设备。

热源设备包括：学校锅炉房提供一次热水，经板式换热后提供

二次空调热水。1T蒸汽锅炉2台，工作压力0.4MPa，提供冬季加湿热源，夏季再热热源。过度季为恒温区提供热源。

3.3蓄冰设备选择

冰蓄冷空调系统最关键的设备就是蓄冰设备，其性能的优劣直

接影响系统性能好坏。现有的蛇形盘管主要有两类材质：碳钢和塑料管。经过调研，我们把两种盘管性能调研结果列于表2，以供选择。

表2钢制蓄冰盘管和塑料蓄冰盘管性能对比[3]～[4]

经过性能对比，钢制蓄冰盘管的性能优势明显，主要体现在以下几个方面：

（1）钢制盘管导热性能为塑料盘管的37倍，优势明显，融冰率及供水温度稳定，保证系统供冷的稳定性；

（2）钢制盘管没有过多残冰，蓄冰融冰效率接近100%，比塑料盘管高15%，高效利用低谷电价和机房空间，经济性更高；

（3）钢制盘管设计制造标准高，参照执行美国机械工程师协会（ASME）标准，工艺先进，可靠性高；

（4）钢制盘管应用历史及业绩远高于塑料盘管，历经时间及大项目的检验；

（5）本项目空间紧张，盘管需要双层摆放，采用塑料盘管空间无法满足要求；

经过上述蓄冰设备性能对比，并考虑到艺术博物馆有珍藏品库房，空调系统的安全稳定为首要考虑的，因此选用钢制蓄冰盘管。

3.4系统按需要自动运行多种工况

清华大学艺术博物馆作为学校的展馆，使用时间受到假期和展

览周期的影响，没有固定规律，影响空调系统的利用率。冰蓄冷空调系统提供了很好的适应性，通过融冰量调节参与供冷，避免冷机频繁启停，低效运行。

图4是艺术博物馆典型负荷段的负荷分配策略柱状图。从图中可以看出除了冰蓄冷常用的几种运行工况外，供冷周期内还有基载冷机参与，与双工况冷机和冰槽形成三个供冷冷源，三种冷源的组合形成了项目供冷资源的分配。

设计日负荷分配图b）75%负荷分配图

c）50%负荷分配图d）25%负荷分配图

图4艺术博物馆典型负荷段的负荷分配策略柱状图

考虑本项目可能出现的情况，在原有冰蓄冷系统常用的四种运

行工况基础上，结合建筑负荷特性，提出了下列十种运行工况。这些运行工况可以随着时间及负荷情况的变化由优化控制系统自动切换完成。

（1）双工况冷机蓄冰

（2）双工况冷机边蓄冰边供冷

（3）双工况冷机+冰槽联合供冷

（4）双工况冷机供冷

（5）双工况冷机+冰槽+基载同时供冷

（6）双工况冷机+基载供冷

（7）双工况冷机蓄冰+基载供冷撒

（8）冰槽单独供冷

（9）冰槽+基载供冷

（10）基载供冷

（10）基载供冷

系统运行依赖于优化控制管理系统，优化运行准则是在保证供

冷的前提下，优化控制管理系统自由组合以上运行工况，匹配项目电价和负荷特性，系统以最经济的方式运行。根据系统能源的组成、制冷能效及成本，通过控制实现高峰电时段尽量多融冰，然后按需开启基载冷机，最后再开启双工况冷机；平电时段，基载冷机运行优先，双工况随后，融冰补充；谷电时段，双工况冷机全力投入制冰。

（1）双工况冷机蓄冰

23：00～07：00运行此工况。乙二醇系统阻力发生变化，乙二醇

溶液泵运行时变频器设定在某个固定频率，确保乙二醇溶液泵工作点在蒸发器额定流量下运行。调试时确定好制冰工况下乙二醇溶液泵运行的频率。这一频率值为蓄冰工况时乙二醇水泵的固定运行频率，将这一频率值固化在系统控制程序内。

（2）双工况冷机边蓄冰边供冷

一般在制冰时23：00～07：00有冷負荷需求，基载冷机低负荷率

低效运行，则运行此工况。如25%负荷分配策略，基载冷机若在低谷时段进行冷负荷供应，负载率只有20%，此时能效很低，并且机组运行不稳定，会造成频繁启停机，对冷机的运行寿命和运行安全有很大影响。

（3）双工况冷机+冰槽联合供冷

根据控制策略的逻辑，这种情况很少发生，因为优先运行基载

冷机和融冰，只有在在电价高峰或者是负荷高峰时段，基载机故障时，采用此运行工况。优化控制系统调节阀门，控制供冷温度稳定，产生稳定的7℃的冷冻水，满足空调负荷的要求。

（4）双工况冷机供冷

双工况冷机单独运行供冷很少发生，优先基载冷机运行。若基

载故障，在平电时段适用，进入蓄冰装置管路电动阀处于关闭状态和旁通管路电动阀处于开启状态，乙二醇溶液经双工况主机冷却后通过蓄冰装置旁通管路直接进入板式换热器和冷冻水进行热交换。

（5）双工况冷机+冰槽+基载同时供冷

此工况，是部分负荷冰蓄冷内融冰冷机上游串联系统再系统搭

建时的计算依据。在负荷高峰时段采用此工况，可以使系统经济。

若电价高峰，设备投入的优先次序为：优先开启冰槽，然后基载，最后双工况冷机。结合控制系统的负荷预测软件，合理调配三者的供冷比例，以尽可能降低运行费用为目标，实施节能化管理。

（6）双工况冷机+基载供冷

此工况为冷机单供工况，主要用在平价电时段，优先开启基载，

不能满足供冷再开双工况冷机。

（7）双工况冷机蓄冰+基载供冷

23：00～07：00运行此工况。此时段内，有较大的冷负荷需求，

双工况冷机全力投入制冰，基载冷机负责空调系统的冷负荷。如100%、

75%、50%负荷段的负荷分配策略。双工况冷机全力运行进行制冰，充分利用低谷电，尽可能多制冰，以降低平高峰电价时段冷机开启时间，减少运行电费的支出。

（8）冰槽单独供冷

在过度季节和高峰电价时段，大功率耗电冷机停机，仅靠融冰

供冷，通过优化控制的调节管路电动阀，始终保证进入板换的乙二醇溶液的温度为3.5℃（可调）。乙二醇溶液和冷冻水在板式换热器进行热交换时，根据板式换热器冷冻水出口的温度控制乙二醇溶液泵的频率，以保证冷冻水的供水温度稳定在设计温度7℃（可调）。

（9）冰槽+基载供冷

优化控制系统给定的模式中，若双工况冷机不参与供冷既能保

证冷负荷需求，则采用此模式。高尖峰时段，融冰优先，基载补充；

平价电时段，基载冷机优先，融冰补充。

（10）基载供冷

若平价电时段或冰量不足时，开启基载对空调系统进行供冷。

以上十种运行工况不是独立的，而是在优化控制系统的管理下，

严谨、合理、科学的实现节能运行。

优化控制管理系统负责系统的在线预测及负荷的优化分配，把

所分析出的控制结果实时的送给前台的控制程序，以决定运行模式的自动投入及开机的控制。优化控制管理系统为了保证蓄冰系统有计划可靠的进行，根据室外温度、天气变化趋势及以前的历史记录数据，通过优化软件计算出设计日逐时负荷，对冰蓄冷系统的供冷量进行调节，根据系统分析推算出最优化控制模式，自动选择十种运行工况的组合，以最大限度的节约费用。

4效益分析

4.1削峰电量计算

蓄冰空调系统将白天需要的冷量，由冷机在夜间23：00～7：00电力低谷时段制冰并储存在蓄冰设备中，在白天电力峰值时融冰供冷，对电网起到削峰填谷的作用，平衡电网峰谷差，保障电网安全运行，可以减少新建电厂投资，提高现有发电设备和输变电设备的使用率，具有明显的社会效益和经济效益。

冰蓄冷空调系统节电的计算方法不同于其他节能系统，计算节

电应从转移电网高负荷时的用电量计算。移峰量计算公式为：

ΔP=Q/cop（kW）

（1）式中，ΔP—移峰量，KWh；Q—白天电价高尖峰时段，融冰供冷量，kW；Q'—平均到每个小时的融冰供冷量，kW；cop—冷机白天直接供冷时的能效。

本项目电价高峰的高负荷时段，平均单位小时融冰供冷量为Q=Q/h=1478KW；移峰量：ΔP=Q/cop（kW）=1478/4.96=298KWh。年转移电量q计算方法如下：

设供冷季白天融冰供冷量QZ，冷机白天直接供冷时的能效比为cop（本项目根据基载机参数得cop=4.96），得出q=QZ/cop=279713KWh。

4.2节能与减排量计算

本项目冰蓄冷空调系统节省的煤、水，减排的二氧化碳、二氧

参考文献

[1]刘胜.大船重工造船生产技术准备管理研究[D].辽宁大

连：大连理工大学，2014.

[2]陈刚.基于数字化的船舶设计项目管理体系研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[3]陈刚，孙鹏才，易华军.项目管理在船舶科技创新中的应用研究[J].舰船科学技术，2009，31（12）：139-141.

[4]高绍新，纪卓尚，林焰.船舶与海洋工程项目管理信息系统分析与初步设计[J].