中广核工程大厦冰蓄冷系统能耗分析

中广核工程大厦冰蓄冷系统能耗分析

朱先和

深圳市建筑设计研究总院有限公司518000

摘要：冰蓄冷是移峰填谷，平衡电网负荷的重要技术。

关键词：中广核工程大厦；冰蓄冷系统；系统能耗

引言：

冰蓄冷空调是平衡用电负荷，解决电力供应不足的有效途径。该系统以其“移峰填谷”和“节省运行费用”的优势获得了电力部门和用户的青睐，

得到了广泛的运用。对于冰蓄冷系统而言，合理控制冰蓄冷设备在谷段电价时间的蓄冰量，以及在峰段和平段电价时间的融冰速度是决定冰蓄冷系统运行费用的关键因素。冰蓄冷优化控制的核心问题就是合理安排和分配峰段及平段电价时间内制冷机组直接供冷和蓄冰装置融冰供冷之间的比例，以最经济的方式满足空调负荷的要求。常规的控制方式有三种制冷机优先、蓄冰优先和优化控制

一.项目概况

本项目位于深圳市龙岗宝龙园区新能源基地，主要功能为研发办公楼。该项目地下四层，地上由A、B、C三座塔楼及四层裙房组成。最大建筑高度189米，总建筑面积32万㎡，其中空调面积14万㎡。空调计算冷负荷4400RT.本项目空调系统考虑今后运营及经济性，设置一套中央空调系统，采用安全、可靠、寿命长的电制冷作为冷源。总冷负荷为4400RT，包括A、B、C三座塔楼和裙房。设计日逐时总冷负荷为49766RTH，选用3台950RT的双工况主机和1台400RT的螺杆机。

二.设计采用冰蓄冷空调系统，蓄冰量15048RTH，蓄冰率约30%。

1.设计采用冰蓄冷空调系统。设计范围：冰蓄冷空调系统，包含冰蓄冷双工况主机、蓄冰槽、冰蓄冷板换、乙二醇水泵、负载泵及自控系统。

2.冰蓄冷空调系统设计要求：

—夏季末端侧供水温度为5/13摄氏度，温差为8摄氏度。

—板换一次侧供水温度为3.5/11.5摄氏度，二次侧供水温度5/13摄氏度。

—蓄冰方式：部分负荷蓄冰、制冷主机与蓄冰系统串联，主机上游的方式。

1）夏季使用时间：每年3月1日～11月30日270天

负荷为

—100%负荷35天

—80%负荷80天

—60%负荷65天

—30%负荷90天

2）峰谷电价政策

基本电价：按最大需量（44元/kW.月）

按深圳市供电局2016年6月1日最新电价表

按高需求用电、3001kVA以上、工商业及其他每月每千瓦400kW.

H及以下、10千伏高供高计峰谷电价。

三.蓄冰系统设计

1.设计思路

根据建筑物逐时空调负荷情况，本设计考虑采用冰蓄冷方案。冰蓄冷设备采用空调用蓄冰球。

主机方面：采用3台950RT双工况离心机组，1台400RT常规机组。

运行模式：双工况主机在夜间电力低谷时段向蓄冰设备蓄得冷量，日间蓄冰设备在电力高峰及尖峰时段融冰供冷，同时双工况主机以制冷工况运行，二者联合供冷。

冰蓄冷设备：安装配套的蓄冰槽、乙二醇水泵、板换二次泵等。

自控系统：采用为本系统专门配置的冰蓄冷自控系统。

2.蓄冰方式

蓄冰空调采用部分负荷蓄冰是将电力高峰时段的冷负荷部分转移到低谷和平峰时段，即电力高峰时段所需的冷量部分由蓄冰设备供给，部分由制冷机供给。用户初投资和运行费用均较低。

部分负荷蓄冰的负荷分配如下图所示，高峰时段所需部分冷量B2由制冷机直接提供，部分冷量B1由低谷和平峰时段蓄冰设备所蓄存的冷量A+C供给。

根据本工程特点，为节省初投资，本工程冰蓄冷系统的方式选用负荷均衡的部分蓄冰，冰蓄冷系统采用温差可以较大的主机上游（制冷机处于高温端，制冷效率高）的串联系统（控制点明确，运行稳定，可提供较大温差≥7°的供冷），同时蓄冰设备选用冰球蓄冰装置。由于乙二醇水溶液的温度较低，可以保证板式换热器为系统提供5.0℃出水的同时有较高的效率和较低的初投资。在典型设计日空调冷负荷由冷水机组和蓄冰设备共同承担，非典型设计日通过优化控制来满足冷负荷需求并将系统耗电量降低到最小。

3系统设计

冰蓄冷系统常用的有两种布置方式，串联系统和并联系统。，本系统采用串联系统主机上游的形式，提高主机的运行效率，日间，机组空调工况运行，与蓄冰设备联合供冷。夜间，双工况机组蓄冰工况运行。

该系统机组与蓄冰设备联合供冷时，乙二醇溶液首先经过双工况机组在空调工况下降温以保持较高效的制冷效率，再经蓄冰槽的冷却使乙二醇溶液的温度进一步降低，这样板式换热器的进出口处乙二醇溶液可以达到较大的温差，从而使在相同的负荷条件下，串联系统乙二醇溶液的流量较小，因此在相同的条件时串联系统的乙二醇循环泵小于并联系统，使串联系统的设备投资和运行费用都优于并联系统。而且串联方式管路简单、运行可靠。

图中的符号说明：

V1、V2、V4、V6均为电动二通双位阀，调节乙二醇流动方向；

V3、V5为电动二通调节阀，可精确控制进入板式换热器的乙二醇温度。

4.运行方式

1）双工况机组蓄冰

双工况机组蓄冰（23：00—7：00）――该时段为本地区的电力低谷期，根据蓄冰系统的优化原理，双工况机组在电力低谷时段充分利用当地的低价电运行制冰。在该时段内双工况机组满负荷运行，通过低温的乙二醇溶液将蓄冰设备内的水制成冰。双工况机组在蓄冰工况下运行时，乙二醇溶液在双工况机组和蓄冰设备之间循环，随着蓄冰量的增加和时间的推移，制冷机的出口温度逐步降低。当蓄冰设备的蓄冰量达到要求时，双工况机组自动停止蓄冰工况运行，或转为供冷工况运行。

2）双工况机组单独供冷

双工况机组单独供冷――空调冷负荷结构改变时，为了将蓄冰设备的冷量尽量用于电力高峰时段，在平峰时段内的冷负荷可以适当由双工况机组单独提供。这时蓄冰设备与系统隔离开，双工况主机在空调工况运行，通过板式换热器向空调系统提供冷冻水。

3）蓄冰设备单独供冷

蓄冰设备单独供冷――在负荷较低的时段，为了避免在电力高峰期内开启主机以及主机的低效运行，该时段内蓄冰设备的总融冰供冷量为空调系统负荷的全部。根据优化控制原则，为了减少运行电费，该时期的冷负荷由蓄冰设备单独提供，双工况机组只在电力低谷段运行蓄冰，白天停止运行。

在该工况下蓄冰设备里的冰融化，提供3.5℃的乙二醇水溶液进入板换，板换的另一侧为空调系统提供5℃的冷冻水。

4）机组和蓄冰设备联合供冷

双工况机组和蓄冰设备联合供冷，通常在空调冷负荷较大时段使用，为了尽量减少系统的电力运行费用，冷负荷由双工况机组与蓄冰设备联合供冷。在该时段内双工况机组处于空调工况，双工况机组出口的乙二醇和蓄冰设备融冰后的乙二醇溶液混合进入板换。在非标准设计日内，空调冷负荷有适当减小，通过优化控制实现蓄冰设备的有效融冰并保证满足系统内的冷负荷需求。

四、冰蓄冷空调系统运行策略说明

此项目融冰供冷是采用限制电力负荷的蓄冰运行策略，在特定时段，依据运行要求，限制主机的运行负荷，降低主机的耗电量，从而降低系统在电力高峰期系统的耗电量。

系统特点：可以满足特定要求下的负荷要求

系统优点：系统灵活，蓄能容量及主机容量均较全蓄能策略小，运行费用较低，控制较为简便易行。

系统缺点：蓄能容量及主机容量较均衡策略大，系统一次投资较高；

1.系统可靠性：

可以最大限度保障系统的可靠性，即主机的容量可以满足系统的供冷需求；

2.系统对国家政策的相应：

国家发改委联合工信部、财政部、国资委等各个部门于2010年11月4日《关于印发《电力需求侧管理办法》的通知》（发改运行[2010]2643号），要求各个地方加强鼓励政策加强需求侧管理，推广环保节能工程，节约高峰用电，充分利用现有的电力资源。

3.系统的节费性：

在系统投资较高的情况下，可以最大限度节省运行费用，减低系统的回收期，使其得到一个令投资方较为满意的回收期。

基于上述原因，采用了限制电力负荷的蓄冰运行策略，即基本集中用于电力负荷高峰时段，将尽量采用融冰供冷的方式，向建筑物提供其所需的冷量，同时也对所采用的蓄冰设备提出了一个崭新的要求，由于融冰过程不是连续性的，同时要求蓄冰装置在短时间内释放出足够的冷量供给末端装置，完全满足该系统的设计要求与运行要求。

4.系统运行策略如下：

1）23：00-07：00：双工况机组制冰工况运行8小时向蓄冰设备蓄得冷量；

2）08：00-22：00：蓄冰设备溶冰输出供冷，双工况机组供冷。

5.系统能量分配：

1）蓄冰设备：采用冰球

2）3台双工况主机夜间制冰工况总制冷量：15048RT

3）蓄冷设备日间溶冰最大输出能量：2922RT

4）蓄冷设备日间电力高峰削峰量：54%（09：00-11：30、14：00-17：00、19：00-21：00高峰段三个时间段）

5）蓄冷设备消减制冷主机量：25%，蓄冷率30%

蓄冰系统主要运行策略结合主机与融冰效率：为达到节省电费的目的，系统运行应遵循：尽量不使用峰电，少使用平电，多使用谷电。

五、蓄冰空调夏季设计日冷负荷表

六、运行费用分析

运行费计算如下：

计算前提：峰谷电价，请参见项目概况。

一年内设计日100%－80%－60%－30%负荷的天数：请参见项目概况。

1.蓄冰空调系统机房设备耗电量汇总

消减电力报装容量（减少变压器容量）800kW。

3.分别计算蓄冰系统与常规单冷机系统分别在设计日100%－80%－60%－30%负荷的运行费。

蓄冰空调系统比常规空调系统电费每制冷季节约151.36万元

七.蓄冰系统总结

1.制冷机房采用了节能环保的冰蓄冷技术

1）所谓冰蓄冷空调系统，是指在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电制冷机制冰，将冷量以冰的方式储存起来，在电力负荷较高的白天，把储存的冷量释放出来，满足建筑物空调负荷的需要，冰蓄冷技术是“平衡用电负荷”的有效方法。

2）冰蓄冷空调系统是人类在面对能源危机时优化资源配置、保护生态环境的一项技术革新，能产生良好的社会效应和经济效益。冰蓄冷空调系统的发展潜力巨大，也利国利民，对于国家、社会、企业以及用户来说可谓多赢。

3）提高了制冷系统的适应能力、可靠性、节能性

a.虽然设备初期投资有所增加，冰槽占用部分机房面积，但却减少了主机和冷却塔装机容量和功率约30%，使设备满负荷运行比例增大，提高了设备利用率和效率。

b.大幅度减少了空调系统的运行费用。

c.当供电故障时，可以利用较小的电量（用柴油发电机即可满足需求），保证正常的建筑供冷需求。蓄冰系统作为相对独立的冷源提供了系统的备用性、可靠性、适应性。

d.可避免变压器夜间空载运行，减少不必要的损失。

4）采用完善的自控系统，全自动控制，操作简便，控制灵活

a.蓄冷控制系统控制目的：通过对制冷主机、储冰装置、板式热交换器、系统水泵、冷却塔、系统管路调节阀进行控制，调整储冰系统各应用工况的运行模式，在最经济的情况下给末端提供一稳定的供水温度。

b.提高系统的自动化水平，提高系统的管理效率和降低管理劳动强度。

c.控制范围包括整个冰蓄冷系统的参数状态显示、设备状态及控制，主要控制设备有：双工况主机、电动阀、冷却塔、冷却水泵、蓄冰装置、乙二醇泵、板式换热器等。

结束语：

在冰蓄冷优化控制方法中，传统的主机优先或者融冰优先都不能使冰蓄冷空调系统达到最优状态，而追求理论上的最优控制在实践中又很难实现。

参考文献：

[1]解荔珍.冰蓄冷空调系统用于商场的技术经济性研究[J].暖通空调，2010，40（6）：42-45.