批發市場中央空調系統方案設計研究

浙江中國小商品城集團股份有限公司 萬國榮

1 前言

隨著人們生活水平的不斷提高，中央空調的使用已十分普遍，目前所使用的中央空調形式種類比較多，如：電制冷冰蓄冷系統、常規電制冷冷水機組系統、燃油或燃氣溴化鋰機組系統等。由于不同種類的機組具有不同特性，因此在市場上均有使用，主要是根據建筑及當地具體情況進行選擇。

本文結合實際工程案例，以冰蓄冷和常規電制冷兩種中央空調系統作為研究對象，在同一設備檔次下且末端系統按相同設計施工考慮，同時綜合考慮電力費用、峰谷電價結構、設備初期投資及運行成本等諸因素，通過對系統方案進行科學合理的選型設計，以期達到在確保系統運行可靠的前提下設備壽命周期費用最經濟，為類似工程設計方案的確定提供借鑒。

2 工程概況

該項目總建筑面積約20萬m2，地下兩層，地上四層，是一個批發性專業市場。結合該工程特點、當地地區的氣象條件及以往類似工程的相關經驗，考慮到同時使用系數，夏季空調設計日尖峰負荷為2500萬大卡，即8266R T（見圖1）。

圖1 夏季空調設計日逐時冷負荷分布圖

3 兩種方案特點分析

3.1 冰蓄冷

冰蓄冷是在常規電制冷的基礎上減小制冷主機容量增加蓄冰裝置，利用夜間低谷低價電力時段將冷量通過冰的形式儲存起來，白天需要供冷時釋放出來。

1）優點：

（1）減少主機容量（降低一次性投資），總用電負荷少；

（2）制冷利用峰谷電價差，節約運行費用；

（3）減少建筑的配電容量，節約變配電投資約30%（空調的配電投資）；

（4）使用靈活，部分區域、過渡季節使用空調可由融冰提供，不用開主機（蓄冰除外）；

（5）具有應急功能，在拉閘限電時更能顯示其優勢：只要具備帶動水泵的電力就能夠融冰供冷，不會出現空調不能使用的狀況，提高空調系統的可靠性。

2）缺點：

（1）蓄冰裝置需要占用較大的空間；（2）機房設備投資比常規電制冷高；（3）制冰工況能效比有所下降；

（4）自動化程度較高，系統故障時一般無法手動控制。

3.2 常規電制冷

是目前使用較多的空調形式。

1）優點：

（1）系統簡單，占地稍小；

（2）效率高，COP（制冷效率）一般大于5.3；

（3）設備投資相對較少；

（4）控制簡單，可手動操作，維持系統正常運轉。

2）缺點：

（1）冷水機組的數量與容量較大，相應的其他用電設備數量、容量也增加；

（2）總用電負荷大，增加了變壓器配電容量與配電設施費；

（3）所使用電量均為高峰電，不享受峰谷電價政策，運行費用高；

（4）在拉閘限電時出現空調不能使用的狀況。

4 冰蓄冷系統設計

進行系統設計時，須依據設計負荷的需求確定系統選型，盡可能地減少各種設備的裝機容量，改善主機工作條件，提高主機效率，充分利用蓄冰裝置的優勢，盡量減少系統的能耗。

4.1 蓄冰模式選擇

1）全量蓄冰模式

主機在電力低谷期全負荷運行，制得系統全天所需要的全部冷量。在白天電力高峰期，主機停運，所需冷負荷全部由融冰來滿足。

（1）優點：

①最大限度的轉移了電力高峰期的用電量，白天系統的用電容量小；

②白天全天通過融冰供冷，運行成本低。

（2）缺點：

①蓄冰容量、制冷主機及及相應設備容量較大；

②占地面積較大；

③初期投資較高。

2）分量蓄冰模式

主機在電力低谷期全負荷運行，制得系統全天所需要的部分冷量；在設計日主機以與蓄冰裝置聯合提供系統所需的冷量。

（1）優點：

①蓄冰容量、制冷主機及相應設備容量較小；

②占地面積較小；

③初期投資最小，回收周期短。

（2）缺點：

①僅轉移了電力高峰期的部分用電量，白天系統還需較大的配電容量；

②運行費用較高。

本工程采用負荷均衡的分量蓄冰模式，合理配置主機容量和蓄冰容量，使系統技術經濟最優。

4.2 蓄冰裝置

蓄冰裝置的優劣直接關系到系統能否實現設計目標，對于面積較大的集中式供冷中央空調，對蓄冰裝置的制冰、融冰性能和融冰率提出了較高的要求。因此所選用的蓄冰裝置須達到如下要求：

1）較高的制冰溫度，保證制冷主機制冰時具有較高的運行效率；

2）穩定的出口溫度，且溫度需能達到較低的水平；

3）融冰末期的溫度必須穩定，確保供水溫度不會上升，滿足空調系統的供冷需求；

4）高的融冰率，保證所蓄冷量能夠利用。

蓄冰裝置根據結冰的機理不同分為不完全凍結式和完全凍結式兩種；根據結構形式分為盤管式（乙二醇管內流動、管外結冰）和冰球式（乙二醇球外流動、球內結冰）。本項目擬采用不完全凍結式蓄冰盤管，其碎冰機理如圖2所示：

圖2 碎冰機理圖

制冰結束融冰開始時的狀態：制冰結束時冰槽中的水不全部結成冰，冰柱之間相互不連接；由于制冰時冰層較薄，冰的熱阻較小，因此制冰時制冷主機的出口溫度較高，運行效率較高。

融冰初期：冰融化后，冰環與盤管之有水，而冰比水輕冰上浮，冰環下部與盤管直接接觸，換熱效果好。

融冰中期：冰環下部與盤管一直接觸，融冰速度高于冰環上部，因此下部的冰融完后冰環破裂，脫離盤管上浮后與上面的盤管接觸，繼續融冰。

融冰中后期：冰環破裂后冰上浮碰到上面的盤管，接觸部分融冰速度快，與過程c類似，接觸部分融完破裂，形成更小的冰。

融冰后期：經過程c和過程d，冰破碎成小塊，形成溫度為0℃的冰水混合物，盤管浸沒在冰水混合物中，換熱穩定且可得到較低的出水溫度，滿足系統的要求，直至融冰結束。

由于盤管在槽內可以均勻的布置在每一個位置，因此不存在死角的問題；而乙二醇在管內流動，不存在流動死角和融冰死角的問題；特有的碎冰機理，可以保證穩定的融冰速度和融冰出口溫度。因此，不完全凍結式蓄冰盤管在制冰和融冰上具有高的性能，可以滿足任何階段的空調運行需求。

4.3 系統形式

擬采用主機上游+冰槽下游的串聯系統。冰盤管串聯系統中的乙二醇溶液從板式換熱器回來后，先后經過主機和冰槽二級降溫，從而保證恒定的低溫乙二醇出口溫度3.5℃，通過板式換熱器和冷凍熱交換向末端提供7.0℃的冷凍水。系統中主機置于循環回路的上游，主機的蒸發溫度高，主機的工作效率也相應提高了。串聯回路減少了乙二醇管路、閥門及接頭，簡化施工及維護管理，系統流程更簡單，布置緊湊。

4.4 系統配置

根據本項目實際冷量需求，機房選用2臺制冷量為850 R T的基載主機和3臺制冷量為1200 R T的雙工況制冷主機，其它設備配置詳見后面表1。

4.5 系統流程

1）乙二醇系統

乙二醇系統由雙工況主機蒸發器、乙二醇泵、蓄冰裝置、板式換熱器及相應的管路系統組成。換熱完成后的溫熱乙二醇溶液（11.0℃）從板式換熱器出來，經過乙二醇泵后進入主機,進行第一級降溫，然后再進入冰槽，其中冰槽有一路旁通回路用于調節冰槽的出口溫度和主機單供冷工況使用。乙二醇溶液經過主機和冰槽二級降溫后達到3.5℃，然后進入板式換熱器和冷凍水進行熱交換，產生7.0℃的冷凍水。

2）冷凍水系統

冷凍水系統由板式換熱器、冷凍水泵及相應的管路系統組成，其設計的供回水溫度為7.0/12.0℃。在聯合供冷以及單融冰供冷工況下，通過調節蓄冰裝置直通管路上的電動閥和旁通管路上電動閥的開度來控制板式換熱器一次側供液溫度為3.5℃；在制冷主機單供冷工況下，則直接設定制冷主機出口溫度為3.5℃，制冷主機自行根據空調負荷的變化進行冷量的調節，在以上板式換熱器一次側供液溫度穩定在3.5℃的前提下，通過定溫度變流量的方法來響應空調負荷的變化，即通過調節板式換熱器直通閥和板式換熱器旁通閥來改變進入板式換熱器的乙二醇溶液的流量。調節閥門的目標參數為空調冷凍水供水溫度，設定值為7.0℃。

為保證各空調末端各自進行溫度控制時（調節水閥）互不影響，機房需在供冷時提供穩定的供水壓力。通過供回水總管之間的壓差傳感器控制壓差旁通調節閥門的開啟度，以穩定此時的冷凍水供水壓力。

3）冷卻水系統

冷卻水系統由主機冷凝器、冷卻水泵、冷卻塔、相應的管路系統組成。冷卻水泵位于主機的進口側，從主機出來的冷卻水經過冷卻水泵后供給冷卻塔，經冷卻塔散熱后，冷卻水溫度降至32℃（白天設計溫度），在回到主機的冷凝器，依此循環，把主機產生的熱量帶到冷卻塔向大氣散發。

冷卻水溫度及系統節能控制：主機開啟時，所對應的冷卻塔組也開啟，通過位于每組回水管路上的溫度傳感器信號控制冷卻塔風機的開啟臺數，冷卻水的回水溫度設計為32℃（因冷卻塔容量留有余量，實際運行時設定溫度可適當下調，以提高主機的制冷效率）。當系統檢測到冷卻水回水溫度高于設定溫度，則增加風機開啟的臺數，反之則減少風機開啟臺數。這樣，即保證了主機在安全的冷卻水溫度范圍內工作，又盡可能地降低冷卻水的回水溫度以提高主機的效率，還最大限度地減少了冷卻塔風機的開啟，在保證系統可靠工作的前提下，使系統的節能潛力得以充分發揮。

4.6 運行策略

1）空調設計日

結合空調逐時冷負荷分布圖及地區的電價政策，空調設計日系統運行方式如圖3所示，具體按以下4種工作模式運行：

圖3 100%負荷設計日運行策略圖

（1)22:00-8:00：該時段為電力低谷時段，采用雙工況主機制冰模式，3臺雙工況主機全力制冰，制得23400R T.h的冰量儲存在蓄冰裝置中。

（2)8:00-9：00：在該時段采用基載主機與雙工況主機供冷模式來滿足末端冷負荷的需求。

（3)10:00-20：00：在該時段采用基載主機、雙工況主機與蓄冰裝置聯合供冷模式，即基載主機和3臺雙工況主機滿負荷運行，不足部分冷量由蓄冰裝置來補充以滿足末端負荷的要求。

（4)20:00-21：00：在該時段采用基載主機與蓄冰裝置聯合供冷模式，即2臺基載主機滿負荷運行，不足部分冷量優蓄冰裝置來補充以滿足末端負荷的要求。

2）非設計日負荷運行狀況

在天氣發生變化，當日負荷較小時，系統將依據實際的冷負荷需求，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對應比例，以實現分量蓄冰模式逐步向全量蓄冰模式的運行轉化，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。非設計日系統按以下模式運行（圖4、5、6）：

圖4 75%負荷設計日運行策略圖

圖5 50%負荷設計日運行策略圖

圖6 25%負荷設計日運行策略圖

表1 冰蓄冷系統設備配置及投資表

表2 常規電制冷系統機房設備配置及投資表

表3 浙江省蓄能空調峰谷電價

表4 系統年運行費用比較表

5 方案經濟性能分析

5.1 機房初投資比較（見表1、表2）

5.2 年運行費用分析

1）電價政策（見表3）

2）供冷周期

浙江地區空調每年供冷運行的天數為153天（一般為5月至10月），其中100%設計日負荷運行天數為25天；75%設計日負荷運行天數為45天；50%設計日負荷運行天數為55天；25%設計日負荷運行天數為28天。

表5 綜合投資經濟分析表

3）年運行費用分析（見表4）

5.3 綜合投資經濟分析（見表5）

6 結論

由以上經濟分析可以看出：采用冰蓄冷機房系統，綜合初投資比常規冷水機組系統高，但年運行費用比常規中央空調系統低22.4%，約8.6年可回收成本，因此需要較大的峰谷電價來縮短投資回收期。