冰蓄冷冷源系统经济性分析与设计

(华东都市建筑设计研究总院，上海 200010)

0 引 言

目前，我国很多省市均已实行峰谷电价，鼓励用电部门低谷用电，缓解高峰时段用电紧张，减少电力建设投资。空调冰蓄冷技术的应用已成为电力负荷“削峰调谷”的重要手段。冰蓄冷系统较普通电制冷系统初投资提高，但是利用峰谷电价及当地电力优惠政策可以减少运行费用，因此选择合适的冰蓄冷系统具有一定的经济效益。本文主要介绍冰蓄冷系统形式和部分负荷蓄冷控制策略，结合初投资、运行费用及投资回收期进行经济对比分析，选择适合本工程的蓄冷率，并介绍本工程冰蓄冷系统不同工况下的工作模式。

1 工程概况

本项目为厦门某办公超高层，主要功能为办公，配套用房为零售、餐饮、车库、服务用房等。由负荷软件计算设计日最大冷负荷为11 340 kW，全天总冷负荷为117 050 kWh。根据当地优惠政策，冰蓄冷空调用电实行特殊的峰谷电价，高峰时段执行用户对应用电类别的目录电价，低谷时段下浮50%。

2 冰蓄冷冷源系统的设计

2.1 冷源系统的确定

冰蓄冷系统可以采取蓄冷、释冷、释冷+制冷机供冷等多种运行方式。全负荷蓄冷[1]是指在非电力谷段，总冷负荷全部由蓄冰装置提供，制冷机和蓄冰装置的容量较部分负荷蓄冰方式大，初投资增多；部分负荷蓄冷[1]，蓄冰装置和制冷机组联合运行，制冷机配置较普通电制冷系统小，投资回收期较全负荷蓄冰系统短，故本项目采用部分负荷蓄冷。

部分负荷蓄冰控制策略主要分为融冰优先和主机优先。融冰优先系统，融冰速率需按负荷预测确定各时刻的融冰量，控制系统较为复杂。主机优先是指在100%负荷率条件下，制冷机组尽量满负荷运行，其余由融冰量补充，系统较为简单且运行可靠，故本项目采用主机优先的运行模式。

2.2 蓄冷率及制冷机容量的确定

部分负荷冰蓄冷系统配置与蓄冷率有关。参考文献[2-3]并考虑本项目土建机房面积约束，蓄冷率范围为20%～30%。为扩大比较范围，全负荷冰蓄冷系统的理想方案也列为分析对象。现分别计算蓄冷率为20%、25%、30%三种部分负荷冰蓄冷系统、常规电制冷系统以及全负荷冰蓄冷系统的制冷机容量。

2.2.1 蓄冷率为20%时制冷机容量的确定

根据主机优先运行模式的特点，选取100%负荷率时蓄冰量、融冰量及冷机制冷量与逐时负荷的关系确定制冷机容量。

根据全天总冷负荷的20%配置双工况制冷机组，但双工况制冷机组不能满足设计日最大冷负荷要求，故设置基载制冷机组。利用公式(1)反复迭代试算，直至蓄冰、融冰、基载制冷机组和双工况制冷机组满足峰值时段负荷要求。

双工况制冷机组容量计算如下：

(1)

式中，qc为双工况机组空调工况下制冷量，kW；qi为设计日逐时冷负荷，kW；qj为基载制冷机组制冷量，24小时累计制冷量为39 700 kWh；n2为白天制冷机组在空调工况下运行小时数，10.5 h；ni为夜间制冷机组在制冰工况下运行小时数，8 h；cf为制冷机制冰时制冷能力的变化率，0.65。

根据容量计算结果，选用两台制冷量为2 700 kW的双工况制冷机组及一台制冷量为2 700 kW的基载制冷机组。如图1所示，晚间电价低谷时段(晚23时至次日7时，共8小时)，两台双工况制冷机组制冰，冰槽蓄冰。白天电价平时时段(早7时至22时，共15小时)，制冷机组优先运行，剩余部分由融冰补充，如制冷需求较大，基载制冷机组应优先于双工况制冷机组运行，减少乙二醇泵的功耗。负荷峰值时段(早10时至18时，共8小时)，双工况制冷机组及基载制冷机组满负荷运行。

图1 20%蓄冷率100%负荷率运行条件下，蓄冰量、融冰量及冷机制冷量柱状分布图

2.2.2 蓄冷率为25%时制冷机容量的确定

根据全天总冷负荷的25%配置制冷机组，设计情况与蓄冷率20%相似，如图2所示，选用两台制冷量为3 300 kW的双工况制冷机组和一台制冷量为1900kW的基载制冷机组。

图2 25%蓄冷率100%负荷率运行条件下，蓄冰量、融冰量及冷机制冷量柱状分布图

2.2.3 蓄冷率为30%时制冷机容量的确定

根据全天总冷负荷的30%配置双工况制冷机组，机组容量计算如下：

(2)

式中，n2为11 h；ni为8 h。

根据计算结果，选用三台制冷量为2 650 kW的双工况制冷机组。如图3所示，晚间电价低谷时段，三台双工况制冷机组制冰，冰槽蓄冰。白天电价平时时段，制冷机组优先运行，剩余部分由融冰补充。

图3 30%蓄冷率100%负荷率运行条件下，蓄冰量、融冰量及冷机制冷量分布柱状图

2.2.4 常规电制冷系统和全负荷冰蓄冷系统制冷机容量的确定

常规电制冷系统制冷机容量按照满足设计日最大冷负荷确定，选择3台制冷量为4 100 kW制冷机组；全负荷冰蓄冷系统制冷机容量按照晚间电价低谷时段蓄冰量满足全天总冷负荷的需求来确定，选用5台制冷量为3 200 kW的双工况制冷机组。

2.3 经济性分析

以常规电制冷系统的初投资及运行费用为基准，分别计算三种蓄冷率(20%、25%、30%)的部分负荷冰蓄冷系统以及全负荷冰蓄冷系统的初投资比例、运行费用比例、投资回收期，综合分析后确定本工程的蓄冷率。

计算初始参数：基载制冷机组COP=6.3，双工况制冷机组COP=6.3(制冰时，COP=4)，循环泵效率不低于75%，满足绿建及公共建筑节能设计要求[4-5]。制冷机组、冷却塔、板换、循环泵、蓄冰设备等按单位制冷量或功率的市场单价估算，管道安装费用按冷源系统主要设备初投资总价20%估算，与常规电制冷系统相比增加的冷源机房投资估算费用按3 000元/m2计算，建筑工程其他费用按设备初投资总价、设备安装费、冷源机房费用、电力设备及自动控制系统费用之和的20%估算。系统全天运行费用按照制冷机组、冷却塔、冷冻水泵、乙二醇泵、冷却水泵逐时耗功乘以电价累计计算。

全年空调供冷期约210天，根据综合负荷频率分布权重(100%负荷率21天，75%负荷率63天，50%负荷率105天，25%负荷率21天)计算全年系统运行费用，并结合初投资费用，计算投资回收期。计算结果见表1。

计算过程中发现：(1)与普通电制冷系统相比，部分负荷冰蓄冷降低了冷机初投资，增加了蓄冰槽等初投资费用，总初投资比例随着蓄冷率提高而增大。(2)全负荷冰蓄冷系统的投资回收期长，超过空调一般使用寿命。(3)30%蓄冷率与20%蓄冷率相比，系统的运行费用接近，分析原因为非负荷峰值时段30%蓄冷率系统的融冰过程和双工况机组运行过程，相比基载制冷机组直接供冷时，增加乙二醇板换一次侧乙二醇泵的耗电功率，故30%蓄冷率的系统投资回收期较长，约9.3年。(4)与20%蓄冷率系统相比，25%蓄冷率系统的初投资提高比例大于运行费用降低比例，投资回收期约6.2年。

结果表明：100%负荷率条件下，负荷峰值时段双工况机组及基载制冷机组满负荷运行时经济性最优，本工程冰蓄冷系统蓄冷率选用20%，投资期较短，约4.2年。

表1不同冷源系统主要部件、初投资比例、运行费用比例、投资回收期比较

3 冷源系统工作模式介绍

本工程冰蓄冷系统采用制冷机上游方式的串联系统，较高的制冷机进水温度有利于制冷机的高效率与节电运行，且可以提供更低的供水温度。通过上节分析，蓄冷率采用20%，本工程系统部件为：2台双工况制冷机组配置3台乙二醇循环泵，2用1备，并设置乙二醇系统补液脱气定压装置，另设置2台换热量为4 435 kW的乙二醇换热器，板换一次侧为乙二醇溶液，二次侧为空调冷冻水，换热后二次侧设有3台冷冻水变频循环泵，2用1备；基载制冷机组配置2台冷冻水变频循环泵，1用1备。同时，配置1台板换，作为过渡季免费制冷。系统原理如图4所示。

系统设置五种工作模式：(1)主机制冰；(2)冰槽供冷；(3)主机供冷；(4)联合主机供冷；(5)过渡季免费供冷。不同工作模式主要部件开关状态，见表2。设置冰蓄冷系统的控制系统，并接入楼宇BA系统，根据负荷变化切换不同工作模式。

图4 冷源系统原理图

表2五种工作模式下，主要部件开关状态

4 结束语

随着工作环境品质的不断提高，空调能耗急剧上升，合理使用冰蓄冷系统，缓解电力峰段的压力，是暖通工程设计的发展方向之一。在实际工程中，需根据项目自身特点选择冰蓄冷系统形式，综合初投资、运行费用、投资回收期以及土建条件等选择蓄冷率，设计冷源系统，设置适应逐时负荷变化的不同工作模式及可靠的控制系统，提高冰蓄冷系统的经济效益。