中華園冰蓄冷空調系統的設計與經濟分析

【摘 要】 介紹了冰蓄冷空調的系統設計、設備的選擇、系統的特點和運行情況，表明冰蓄冷空調系統能夠達到平衡電網負荷，減少裝機容量，降低運行費用的目的。

【關鍵詞】 冰蓄冷 空調系統 能耗優化設計 蓄冰裝置 雙工況主機

0 引言

近幾年來，空調系統蓄能技術有很大發展。為改進系統性能，空調系統的現代化實際已擴展至各個領域。在能耗成本不斷增長的情況下，為了提高人們的生活標準，而研究出許多空調蓄能方法。從現代應用技術觀點來看，冰蓄冷是一種較新的方式，它是在夜間用電低谷期，采用電制冷機組制冰，將冷量以冰的方式儲存起來。在白天用電高峰期，把儲存在冰中的冷量釋放出來，以滿足制冷負荷的需要。冰蓄冷可利用電網峰谷政策，大大降低空調系統的年運行費用；可減少制冷機組和輔助設備的容量，從而降低空調系統電力裝機容量和變配電設備的投資費；并能實現低溫供水或低溫送風，進一步節省水管系統或風道系統的投資和能耗。

1 系統設計

1.1 項目簡介

中華園位于大連華南廣場加洲洋房商業區，該項目為一類高層建筑，建筑總面積60000 m2，地下二層，地上十一層，地下二層為車庫，地下一-六層為綜合商場，地上七-十一層為公寓，公寓采用地熱。綜合商場建筑面積38000 m2，夏季冷源采用冰蓄冷，根據負荷估算，在最熱季節（7、8月份）時，白天最高冷負荷為1750冷噸，按照冰蓄冷系統理論設計，需要配置3臺螺桿式雙工況機組運行供冷，同時需要配置約5796冷噸-小時的貯冰裝置。

1.2 大連地區分時電價表

為緩解電網晝夜不平衡運行的壓力，電力部門制定有關政策，以控制用戶在電力高峰期的用電量。采用蓄冰空調可減少空調系統裝機容量，同時可利用夜間谷電儲存冷量，滿足在電力高峰期的空調負荷需要，節約系統運行成本。大連地區實行三段制電價，具體參見表1：

1.3 設計日逐時熱負荷表

中華園綜合商場每天營業14小時，全年180天需要供冷。根據建筑面積及建筑類型估算本項目在最熱供冷周期內的總計負荷：18183（TR-Hr）。

1.4 系統設計

冰蓄冷系統相對于常規空調系統，增加了貯冰裝置和板式換熱器等設備，因此在系統布置上也有特別的講究，合理的系統布置可以提高冰蓄冷系統整體的供冷能力。通常冰蓄冷系統有2種布置方式：串聯布置和并聯布置。本方案以目前國內常用的串聯布置模式設計，也就是制冷機組與貯冰裝置串聯連接，這種方式的設計可以有效的控制出水溫度，使之在系統運行時始終可以保持在設計值，同時對于自控系統而言，由于只需控制貯冰裝置的出口溫度，因此也易實現。而并聯系統，影響出口溫度的因素包括貯冰裝置和制冷機組的出口溫度，要控制好這2種設備，使之都能達到設計要求的溫度，對自控系統的要求就會相對增加不少，甚至可能出現無法控制的局面，造成冰蓄冷系統設計失敗，這樣的案例在國內亦有發生。近年來，隨著對冰蓄冷系統研究的深入，設計經驗的增加，在冰蓄冷系統中，制冷主機和貯冰裝置串聯布置的設計已經成為一種主流。

目前在國內常見的貯冰裝置有盤管式、冰球式以及冰板等。相對而言盤管式貯冰裝置由于供冷穩定，適用于在供冷周期內需長期供冷的建筑物，包括酒店、辦公樓以及商場等，而冰球的特點是短時間可大量釋冷，但供冷周期不長，特別是到供冷末期，溫升很大，很難保證出口溫度，影響系統特性。

1.5 運行策略及負荷分配

本次方案采用的是部分蓄冰系統策略。在該策略下，蓄冰系統按以下幾種工作模式運行。

a.雙工況機組制冰

通常在夜間低谷電價時段，雙工況機組制冰蓄冷，

b.融冰、雙工況機組聯合供冷

由于貯冰裝置的釋冷是有限制的，每種蓄冰裝置均有每小時最大釋冷量的限制，因此在空調供冷期中，基本采用貯冰裝置與制冷機組聯合供冷得運行模式。

c.融冰供冷

在日間空調工況，在負荷較小（一般小于貯冰裝置每小時最大釋冷量）且高峰電價時段，為了更多的節省運行費用，常采用融冰供冷模式，當負荷超過貯冰裝置每小時最大供冷量，啟動制冷機組補充供冷，此時轉入融冰、雙工況機組聯合供冷模式。

d.雙工況機組供冷

為了有效的分配貯冰裝置的蓄冷，使之合理的在整個供冷周期內供冷，會在部分平谷電價時段，采用來雙工況主機供冷模式來滿足需求。

2、投資回收分析

蓄冰空調系統設備估價：（如表2）

常規空調系統設備估價：（如表3）

裝機容量（配電）分析：

采用蓄冰系統后總的制冷機組裝機電容量為1209KW，若采用常規空調制冷，其總的裝機容量為1578KW，采用蓄冰系統后總的裝機容量可減少369KW，約削減電力配置24%。

設備占地分析：

采用蓄冰空調系統后，相比較常規系統需增加蓄冰裝置的占地，本項目蓄冰量為5960TR-HR，大約需增加占地200平方米。

運行費用估算：

本項目夜間采用谷電價：0.398元/千瓦時，由于本系統按約克SUIT理論設計，因此，日間采用平均電價來分析運行費用，采用平均電價為0.994元/千瓦時（除去低谷電時段）。

對于常規機組運行在空調工況下，產生每1TR所需的耗電量：取能耗比0.9KW/TR（常規7℃出水，并考慮系統其他設備的運行能耗）

則每產生1TRH的運行費用為？ 0.9*0.994=0.8946元

對于制冷機組運行在制冰工況下，產生每1TR所需的能耗比取1.1KW/TR（制冰工況-6.5C出水，并考慮系統其他設備的運行能耗）

則每產生1TRH的運行費用為1.1*0.398=0.4378元

通過蓄冰系統，每轉移1TRH節省的運行費用為：0.8946-0.4378= 0.4568元

現在設計的系統需冰量約為5960TR-Hr（根據夜間制冰7小時算），則一天節省的運行費用為：0.4368*5960 =2603元

按每年運行180天（6個月）計算，則每年節省的運行費用為：2603*180 = 46.9萬元

因此，每年采用蓄冰系統以后，每年可節省的運行費用為：46.9萬元

蓄冰空調系統的初投資會比常規系統多（947-748=199萬元），而蓄冰系統的裝機容量會比常規機組減小369KW，考慮到節約的運行成本，以及電力部門對于蓄冰系統的優惠政策，本項目4.3年可收回初期多投資的部分，并能使以后每年可以節省更多的運行費用。

20年運行費用計算：

中央空調系統機組的壽命通常在25年至30年。以20年為限，由于冰蓄冷系統每年都比常規空調系統節省運行費用，20年后本項目累計可節省運行費用938萬元。除去增加的初投資，系統使用20年后總共可節約739萬元

3、結論

在合理穩定的分時電價政策調控下，只要相關設備的性能價格比合理，冰蓄冷空調系統的運行控制策略最佳，一定會為業主或用戶帶來長遠的經濟效益。

參考文獻

[1] 李向東等.蓄冷空調系統的負荷計算.暖通空調，1998 （3）.

[2] 巨永平等.空調工程中的蓄冷技術.暖通空調，1995 （5） ^-1996 （3）.

[3] 嚴德隆，張維君主編.空調蓄冷應用技術.中國建筑工業出版社，1997.

[4] Wayne S.Evans.Ice Storage Cooling For Campus Expansion.ASHRAE Journal，April 1998.

[5] Ross D.Montgomery，P.E.Ice Storage System For School Complex. ASHRAE Journal， July 1998.