江西日報傳媒大廈冰蓄冷電蓄熱空調系統設計

占少輝，朱仁洪，石 丹

（1.江西省電力公司 營銷部，南昌 330077；2.杭州華電華源環境工程有限公司，杭州 310030）

能源一直是各國都十分重視的問題，我國是一個能源供應緊張的國家，節能減排是我國的一項基本國策。近年來，隨著社會發展及人民生活水平的不斷提高，人們生活中的能耗也越來越大。調查顯示，中央空調系統的能源消耗量占商業建筑物能耗總量的60%以上［1］。因此，合理設計空調系統對于綜合能耗管理及節能減排有著十分重要的意義。

1 工程概況

江西日報傳媒大廈主樓高25層，地下2層，總建筑面積約65 000m2，其中地上建筑面積約為50 000m2，地下建筑面積約為15 000m2，空調面積為49 240m2。根據空調負荷計算［2］，本工程的夏季空調冷負荷峰值為6 100 kW，冬季空調熱負荷峰值為4 600 kW。夏季和冬季設計日的空調負荷分布如表1和表2所示。

2 冷熱源設計

考慮到本工程空調負荷的不均勻性等特點，夏季冷源采用冰蓄冷大溫差低溫送風變風量系統，冬季熱源采用電鍋爐蓄熱系統。

2.1 冷源設計

冰蓄冷系統采用分量蓄冰［3］方式，主機與 蓄冰裝置串聯，主機上游。設計工況的供冷運行策略為主機優先模式，部分負荷時，可按融冰優先模式甚至全量蓄冰模式運行。配備額定空調工況制冷容量為1 625 kW（25%乙二醇空調設計工況制冷量為1 554 kW，制冰工況為1 140 kW）的雙工況螺桿冷水機組2臺，另配備額定空調工況制冷量1 625 kW（設計工況制冷量1 533 kW）的常規螺桿機組一臺，雙工況主機可分別在空調和制冰2種工況下運行。冰蓄冷系統的融冰出水溫度為3.5℃，通過板式換熱器提供5℃的冷凍水，直接供空調機組使用，回水溫度為13℃，溫差8℃。基載主機提供5℃/13℃冷凍水。空調水系統采用兩管制，空調冷熱水泵采用變頻調速的變流量控制。

表1 夏季設計日空調冷負荷分布

表2 冬季設計日空調熱負荷分布

蓄冰裝置選用不完全凍結式導熱塑料蓄冰盤管6臺，單臺蓄冷量2 258 kWh，總蓄冷量達13 548 kWh。導熱塑料蓄冰盤管與鋼盤管均屬于不完全凍結方式，即在制冰結束時，蓄冰槽內仍有部分水沒有結冰。在融冰過程中，由于冰的密度小于水的密度，當冰與下層盤管脫開后，憑借浮力上浮又與上層盤管接觸，因此在整個融冰過程中，始終保持冰與盤管的接觸，融冰速率較快。融冰期間，主要熱阻來自于盤管外壁與冰水之間的對流換熱，因此在相同結構參數的情況下，導熱塑料蓄冰盤管與鋼盤管性能相差不大，同樣因為導熱塑料盤管單位冷噸的換熱面積是鋼盤管的1.3倍，最終其融冰速率約是鋼盤管的1.2倍。故本方案選用導熱塑料蓄冰盤管。導熱塑料蓄冰盤管與鋼盤管的比較如表3所示。

表3 導熱塑料蓄冰盤管與鋼盤管比較

2.2 熱源設計

電鍋爐蓄熱系統采用分量蓄熱系統進行配置，采用2臺電熱水機組，單臺制熱量為1 260 kW，同時設置2個蓄熱水箱，每個容量為180m3。串聯循環回路中的蓄熱循環泵的出口與電鍋爐相聯，進口可根據工況要求既可與蓄熱裝置相聯，也可切換成與板式換熱器相通，滿足系統在各工況下對蓄熱回路的要求。通往末端的供熱回路與蓄熱水回路通過板式換熱器進行熱交換，彼此完全隔離，在采暖與供熱期間，換熱器將蓄熱系統中循環的高溫蓄熱水調整到采暖需要的溫度，同時保證蓄熱水僅在蓄熱系統中流動，降低了末端系統設計與維護的難度。板式換熱器一次側溫度為55℃/85℃，二次側末端供回水溫度為50℃/60℃。

2.3 系統配置及技術參數

具體配置及參數如表4所示。

表4 系統配置及技術參數

3 運行策略

3.1 電價政策

江西省執行的峰谷電價政策如表5所示。

表5 江西省電價政策

3.2 蓄冷運行策略

根據大樓的制冷負荷情況及江西省電價政策,制定出冰蓄冷空調運行策略［4］。夜間低谷電時段，建筑物負荷不大，由基載主機滿足負荷要求，2臺雙工況主機全力制冰，制得冰量儲存在蓄冰盤管內。白天根據負荷情況，自動控制系統通過調節閥門開關實現工況切換，在電力高峰期最大限度的減少主機開啟，實現經濟、可靠的運行，從而達到減少系統的運行費用的目的。在100%和50%負荷情況下，冰蓄冷系統日運行策略分別如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出：100%負荷情況下，在高峰時段18：00～23：00只需開啟基載主機供冷，不足部分由蓄冰裝置提供，減少耗電量。隨著天氣發生變化，當日負荷減小時，系統將依據實際的制冷負荷需求，通過控制系統調節運行模式，在每一時段內自動調整蓄冰裝置融冰供冷及主機供冷的相應比例。按照蓄冰裝置優先供冷的原則，最大限度地限制主機在電力高峰期間的運行，節省運行費用。從圖2可以看出：50%負荷情況下，在高峰時段不需開啟主機，全部由蓄冰裝置供冷，實現了從分量蓄冰模式向全量蓄冰模式的運行轉化。

3.3 蓄熱運行策略

根據大樓的制熱負荷情況及江西省電價政策，制定出電鍋爐蓄熱空調的運行策略。夜間低谷電價時段，建筑物負荷不大，電鍋爐在滿足負荷要求的同時進行蓄熱，制得熱量儲存在蓄熱槽內。白天根據負荷情況，自動控制系統通過調節閥門開關實現工況切換，在電力高峰期最大限度的減少電鍋爐的開啟，實現經濟、可靠的運行，從而達到減少系統的運行費用的目的。在100%和50%負荷情況下，蓄熱采暖系統日運行策略分別如圖3和圖4所示。

蓄熱系統的運行策略同蓄冷系統的大致相同。從圖3可以看出，100%負荷情況下，在高峰時段17：00～23：00期間需開啟部分鍋爐供暖。隨著天氣發生變化，當日負荷減小時，系統將依據實際的制熱負荷需求，通過控制系統調節運行模式，在每一時段內自動調整蓄熱槽供暖及鍋爐供暖的相應比例。 按照蓄熱槽優先供暖的原則，最大限度地限制鍋爐在電力高峰期間的運行，節省運行費用。從圖4可以看出，50%負荷情況下，在高峰時段不需開啟鍋爐，全部由蓄熱槽供暖，實現了從分量蓄熱逐步向全量蓄熱模式的運行轉化。

4 運行經濟性

以冰蓄冷系統為例，根據尖峰制冷負荷配置一個常規電制冷系統，同時依據以上運行策略、系統中設備的耗電量以及江西省的峰谷電價政策情況，可以得出制冷系統全年運行費用如表6所示。

從表6可以看出，采用冰蓄冷系統制冷較常規系統全年可轉移高峰電量113 730 kWh，全年運行費用節省了約24%。若同時考慮電鍋爐蓄熱節省的運行費用，長期運行經濟效益十分顯著。

負荷/比例天數/天常規/kWh高峰電量 平段電量 谷段電量冰蓄冷/kWh高峰電量 平段電量 谷段電量100%50%合計電價/（元·kWh-1）總計/元30 60 90 3 299 1 918 214 050 0.98 103 3762.8 12 275 6 585 763 350 0.98 1 156 713 77 460 0.98 2 710 317 100 320 1.107 785 416.5 11 566 5 307 665 400 0.738 5 950 5 304 496 740 0.369

5 結束語

本工程是目前國內采用完全自主知識產權的冰蓄冷大溫差低溫送風變風量空調技術的最大規模建筑。實際應用表明，與傳統空調系統相比，該蓄能空調系統夏季可轉移高峰負荷1 549 kW，占總負荷需求的24%左右，冬季可轉移高峰負荷2 080 kW，占總負荷需求的45%左右，對平抑電網負荷曲線，提高系統運行效率有明顯作用；同時，結合江西省電價優惠政策，可節約運行費用10%～40%左右，能夠獲得較大的經濟效益。

［1］ 陳文，袁立新.商業建筑中央空調節能技術實現及投資模式分析［J］.建筑節能，2007，35（4）：46-50.

［2］ 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.

［3］ 陳重.全國民用建筑工程設計技術措施［M］.北京：中國計劃出版社，2009.

［4］ 陳永林.冰蓄冷低溫送風空調系統關鍵設備的研制［J］.制冷空調與機械設計，2007，28（4）：1-6.

（本欄責任編輯 劉嘉婧）