郑州华南城一期1#交易广场冰蓄冷空调设计

刘贺兵

深圳市建筑设计研究总院有限公司

1 项目概况

工程位于河南省新郑市，为郑州华南城一期1#交易广场（图1），分A、B、C、D、E 五座单体，系新建工程；总建筑面积约为50万m2，空调面积约为41万m2，总高度为22.32 m，属于多层公共建筑[1]。本工程地下一层为汽车库，地上一至五层均为商业，五层局部为餐厅、厨房等。

图1 郑州华南城一期1#交易广场

为在宏观上节约能源，提高电网效率，郑州华南城一期1#交易广场的空调系统采用了具有削峰填谷、平衡电网压力、节能效果较好的冰蓄冷空调[2]。

2 室外气象参数

根据参考文献[3]，可得郑州市室外气象参数：夏季大气压992.3 kPa；夏季空调室外计算干球温度34.9℃；夏季空调日平均温度30.2 ℃；夏季空调室外计算湿球温度27.4 ℃；夏季通风室外计算温度30.9℃。

3 冰蓄冷空调系统介绍

1号交易广场夏季尖峰冷负荷为11172 RT（39281 kW），设计日空调总冷量为95298 RT，设计蓄冷量为30600 RTh。共选用5台空调工况制冷量为1200 RT的双工况冷水机组和一台空调工况制冷量为1200 RT的基载主机。在设计工况下，1#交易广场的冷负荷由基载冷水机组、双工况冷水机组、蓄冰桶共同承担。

本工程末端共分十个回路，峰值负荷分别为：A/B/E座上部分为 4520 kW、A/B/E座下部分为4400 kW、C/D座上部分为4797 kW、C/D座下部分为4677 kW，共45708 kW。

郑州华南城一期1#交易广场的冰蓄冷空调系统采用分量蓄冰[4]，制冷主机和蓄冰设备为串联方式[4]，制冷主机位于蓄冰设备上游[4]。冰蓄冷空调系统按主机制冰、主机制冰同时供冷、制冷机供冷、冰供冷、制冷机与融冰联合供冷等5种模式运行，冰蓄冷空调系统流程图见图2。

图2 冰蓄冷空调系统

4 主要设备选型

1）双工况冷水机组：选用五台离心式双工况冷水机组，空调工况制冷量为4219 kW（1200 RT），冷水进出水温度11.5 ℃/6.5 ℃，冷却水进出水温度32 ℃/37 ℃；制冰工况制冷量为 2630 kW（748 RT），冷水进出水温度-2.3 ℃/-5.6 ℃，冷却水进出水温度30 ℃/33.4 ℃。

2）基载冷水机组：选用一台离心式冷水机组为基载机，制冷量为4219 kW（1200 RT），冷水进出水温度12.5 ℃/6.5 ℃，冷却水进出水温度 32 ℃/37 ℃。

3）蓄冰槽：蓄冰设备采用圆形蓄冰桶，盘管使用PERT改性导热材料，蓄冰桶保温采用整体发泡，厚度不小于80 mm，布置于制冷机房内，设计总蓄冰容量为30600 RTh。

4）板式换热器：制冷机房内设计有七台（六用一备）乙二醇－水板式换热器，单台换热量5940 kW（1690 RT），在设计工况下联合供冷运行时，板式换热器低温侧介质为质量浓度25%的乙二醇溶液，进/出乙二醇温度为3.5/11.5 ℃，板式换热器高温侧介质为水，进/出水温度为12.5 ℃/6.5 ℃。

5）水泵选型：所有水泵选用双吸卧式离心泵，板换冷冻水泵8台（7用1备），基载冷冻水泵及冷却水泵各2台（1用1备），冷却水泵7台（6用1备），乙二醇泵6台（5用1备）。所有水泵（除冷却水泵）均采用变频控制，根据工况调整水泵运行频率，以降低运行功率。

6）冷却塔选型：以室外湿球温度27.4 ℃，处理水量400 m3/h，设计选择横流型冷却塔，共18台。

7）水处理设备：冷却水、冷（热）水系统设计有循环物化自动水处理器，具备水质预设定、水质监测、水质调节、压差自动反冲洗功能。

8）冷凝器清洗设备：为保证机组的能效比，设有冷凝器胶球自动在线清洗装置5台。

5 冰蓄冷运行模式

根据气候特点和空调实际需求，蓄冰系统可按以下工作模式运行：

1）制冰（蓄冷）模式（00∶00-8∶00）

双工况主机在电力低谷时段充分利用当地的低价电运行制冰。在该时段内，制冷机组满负荷运行，通过低温的乙二醇溶液将蓄冰桶内的水制成冰。根据所需频率开启乙二醇泵后，乙二醇溶液进入主机的蒸发器（蒸发器出水温度-5.6 ℃），经主机降温后的乙二醇溶液（蒸发器回水温度-2.3 ℃）进入蓄冰装置，将盘管外的水结成冰。

2）双工况主机和蓄冰桶联合供冷

在最大空调负荷时段，为了尽量减少系统的电力运行费用，空调冷负荷由制冷主机联合蓄冰桶供冷。根据所需频率开启乙二醇泵后，从板式换热器热侧来的高温乙二醇溶液（11.5 ℃）进入主机的蒸发器降至约6 ℃后进入蓄冰装置进行融冰，融冰后产生的低温乙二醇溶液（3.5 ℃）送至板式换热器冷侧进行换热，根据冷负荷的变化通过相应电动阀调节进入蓄冰装置的乙二醇流量，以稳定3.5 ℃的乙二醇供液温度。从集水器回来的12.5 ℃冷冻水进入板式换热器冷却到6.5 ℃，然后进入分水器送到空调末端满足空调的需求。

3）蓄冰桶单独供冷模式

在非最大负荷时段，为了避免在电力高峰期内开启冷机，该时段内蓄冰桶的总融冰供冷量为空调系统负荷的全部。根据所需频率开启乙二醇泵后，从板式换热器回来的高温乙二醇溶液（11.5 ℃）进入蓄冰装置进行融冰，融冰后产生的低温乙二醇溶液通过乙二醇泵送至板式换热器冷侧进行换热，进行融冰供冷，根据冷负荷的变化通过相应电动阀调节进入蓄冰装置的乙二醇流量，以稳定3.5 ℃的乙二醇供液温度。

4）双工况主机单独供冷模式

空调负荷改变时，为了将蓄冰桶的冷量尽量用于电力高峰时段，在电价平峰时段内的冷负荷可以适当地由双工况主机单独提供，这时蓄冰桶与系统隔离。根据所需频率开启乙二醇泵后，11.5 ℃的乙二醇溶液分别进入对应的主机蒸发器，经过降温至6.5 ℃通过乙二醇泵进入板式换热器进行供冷。

5）空调设计日冰蓄冷空调运行方式

a.主机制冰（蓄冷）模式（00∶00-8∶00）。这期间为郑州电力低谷时段，自控系统通过电动阀门的切换，形成该模式运行，5台双工况主机制冰模式下满负荷运行，制得46800 RTh的冷量储存在蓄冰槽中。

b.基载主机、双工况主机与蓄冷装置联合供冷模式（8∶00-00∶00）。这期间控制系统根据末端负荷的情况，切换到该供冷模式，优先采用蓄冷装置经行供冷，不足部分冷量由机载主机和双工况主机提供。

6）非设计日冰蓄冷空调运行方式

在天气发生变化，当日负荷较小时，系统将依据实际的冷负荷需求，通过控制系统调节运行模式，在每一时段内自动调整蓄冰装置融冰供冷及主机供冷的相对应比例，以实现分量蓄冰模式逐步向全量蓄冰模式的运行转化，按照蓄冰装置优先供冷的原则，最大限度地限制主机在电力高峰期间的运行，节省运行费用。

6 冰蓄冷的自动控制要求

本工程空调制冷系统包括制冷主机、蓄冰槽、乙二醇水泵、冷水泵、冷却水泵、冷却塔、定压设备、水路电动阀门、各种温湿度、压力传感执行机构，蓄冰运行控制包括有单制冰运行、主机独立供冷运行、联合供冷运行、冰槽独立供冷运行四种状态，蓄冷系统的控制主要要求如下：

a、控制乙二醇系统的电动转换阀门，实现四种工况运行方式的转换。

b、实现各工况运行方式的能量调节及温度控制；主机蓄冷时控制主机的蒸发温度；主机单独供冷时恒定主机出口温度为6.5 ℃调整主机出力；蓄冷装置单独供冷时恒定蓄冷槽出口温度为3.5 ℃及换热板换冷水回水温度为12.5 ℃，调节进入蓄冰槽的乙二醇流量，控制融冰供冷量；联合供冷时，恒定主机与蓄冰装置后的乙二醇温度为3.5 ℃，调节主机出力，调节进入蓄冰槽的乙二醇溶液流量，控制融冰供冷量。

本工程的冷水机组、乙二醇溶液泵、冷水泵、冷却水泵、冷却塔风机及其进水电动蝶阀应进行电气联锁启停，其启动顺序（停止时，反之）为：

a、主机蓄冷工况：主机、冷却塔处电动蝶阀－冷却泵、溶液泵－冷却塔风机－冷水机组。

b、主机单独供冷：主机、板换、冷却塔处电动蝶阀－冷却泵、冷水泵、溶液泵－冷却塔风机－冷水机组。

c、蓄冰槽单独供冷：主机处溶液管路、板换处电动蝶阀－溶液泵、冷水泵。

d、蓄冰槽单独供冷联合供冷工况：主机、板换、冷却塔处电动蝶阀－冷却泵、冷水泵、溶液泵－冷却塔风机－冷水机组。

e、溶液系统的转换阀门控制要求见表1。

表1 溶液系统的阀门转换

7 结论

郑州华南城一期1#交易广场空调系统采用冰蓄冷空调，经过系统调试，在2013年8月正式投入使用，冰蓄冷空调性能达到设计要求，本项目建筑体量巨大，采用冰蓄冷技术，很好的移峰填谷，利用夜间相对廉价的低谷电将冷量储存，白天释放，不仅为工程本身大大降低了运行成本，而且还为国家节约了能源，具有很好的社会效益，该空调系统具有以下节能特点：

1）空调冷水系统采用变频泵设计，根据系统压力变化改变水泵电机频率来减少水流量，降低水泵功率[5]。

2）中央空调水系统采用6 ℃温差设计，不增加末端造价的情况下，可降低水泵功率，缩小水管管径。

3）自动控制系统采用智能控制，能自动监视和控制空调设备，使空调系统在最佳状态下运行，根据实际所需冷量来控制供冷量。

4）采用了较高能效制冷主机，制冷主机COP达到5.8，制冰工下COP为3.6。

5）选择了较高的效率的水泵，减少输送能耗。