冰蓄冷系統經濟性分析

王 寬 林學友

（中鐵建設集團有限公司，北京 100040）

1 概述

隨著我國各大城市的夏季電力峰值負荷屢創新高，具有對電力負荷進行“移峰填谷”作用的冰蓄冷技術的應用越來越廣泛。中鐵建設集團有限公司作為建筑工程總承包特級企業，近年來承接了全國各地多項冰蓄冷工程的設計、施工或研究工作，包括中國鐵建科研樓和中國人壽研發中心B 座科研樓等，并進行了“冰蓄冷空調系統設計、安裝優化與調試技術研究”和“谷電峰用技術研究“等多項科研立項，在冰蓄冷技術領域積累了豐富的經驗。設計人員針對集團自主開發的某綜合樓項目，進行了冰蓄冷系統的方案設計和經濟性分析。

表1 冰蓄冷制冷系統造價估算表

表2 常規制冷系統造價估算表

2 蓄冰桶設計

冰蓄冷技術分類及其特點按照制冰原理的不同，冰蓄冷技術可分為靜態和動態兩大類。靜態制冰過程中，水通過自然對流換熱，冰層首先在換熱壁面上形成，然后逐漸變厚。這樣就導致形成新的冰層所需的熱量傳遞必須以導熱的形式穿過越積越厚的原有冰層，從而嚴重的惡化了傳熱效率，致使結冰越來越困難，制冷劑提供的冷卻溫度也必須越來越低。

該綜合樓冰蓄冷系統選用具有自主知識產權的流程等同蓄冰桶（專利權人：中鐵建設集團，專利號：201220264131.7）作為蓄冰載體，蓄冰桶壁采用涂塑鋼板制作，由聚氨酯發泡保溫，具有強度高，保溫性能好的特征。蓄冰桶內部裝有多組小管徑流程等同換熱裝置。該蓄冰桶的設計理念為通過大量采用低成本的小管徑的管束，減少管束間的間距，在單位體積內最大限度增加換熱面積，以較薄的冰層厚度獲得與常規蓄冰方式相同的冰層體積，從而提高蓄冰桶的傳熱效率、制冰和融冰效率。這種蓄冰桶的優點包括：傳熱效率高、制冰速度快，蓄冰空間利用率高，場地適應性高，融冰速度快等。

3 系統設計和負荷分配

3.1 系統設計概述

該綜合樓總建筑面積：105831 平方米，按綠色建筑1 星標準進行設計。根據《公共建筑節能設計標準》DB11/687-2009 的規定，本項目處于寒冷地區，應滿足冬季保溫（夏季隔熱）要求。場地內地面建筑各朝向均逆時針偏地理朝向17.95°，體形系數滿足規范小于0.4的規定。幕墻采用鋁合金框配輻射率≦0.25Low-E 無色間隔層12 中空玻璃（在線，氬氣）幕墻系統，玻璃反射比不大于0.3。

圖1 100%負荷下各種工況的負荷

圖2 75%負荷下各種工況的負荷分配

圖3 50%負荷下各種工況的負荷分配

圖4 25%負荷下各種工況的負荷分配

使用能耗模擬軟件對本工程空調運行能耗進行模擬，得出夏季空調系統設計峰值冷負荷為10100kW，夏季設計日總冷負荷為：101139kWh。制冷系統采用冰桶盤管內融冰蓄冷系統，制冷機組與蓄冰桶串連連接。系統設計供冷能力為10150kW。夏季設計日總蓄冰量即最大日蓄冰冷能力按設計日負荷的30%左右考慮，為8600RTH（30134kWh）。采用2 臺850RT 的雙工況離心機組供冷和制冰，另采用200RTH 蓄冰桶43 個。整個系統可按四種模式運行，即雙工況主機制冰模式、雙工況主機供冷模式、雙工況主機與蓄冰槽聯合供冷模式、蓄冰池融冰供冷模式。乙二醇溶液供回水溫度3.5℃/11℃，可經板式換熱器換熱為空調末端系統提供7℃/12℃冷凍水。空調系統供冷每天運行時間為24 小時，共運行150 天。

3.2 控制策略設計

冰蓄冷系統大部分時間是在部分負荷工況下運行，為了充分利用蓄冰桶和制冷機的供冷能力，最大限度的降低系統運行電費，空調冷負荷在不同時段分別由制冷機和蓄冰桶承擔。結合北京市的電價政策，雙工況制冷機在夜間的電力低谷時段23:00-7:00 進行蓄冰，具體控制策略如下：

（1）釋冰和雙工況相比，釋冰優先，即盡量多的釋冰，釋冰不夠承擔的負荷再由雙工況主機承擔；

（2）夜間蓄冰量等于白天釋冰量；

（3）水泵、冷卻塔按照一機一泵一塔的原則起停；

（4）選用分時融冰方案，優化設備開啟。此外，根據各個月份不同負荷特征，調整設備開啟臺數和時間。

3.3 各工況的負荷分配

在這種運行策略下，可以使空調供冷得到最優化的分配，同時盡可能的降低了運行電費。該系統當日極值負荷在與設計極值負荷的比 例 在100%、75%、50% 和25% 情 況 下 的具體逐時負荷分配情況見下列圖1-圖4。

4 初投資計算

針對該綜合樓項目，分別針對冰蓄冷系統和常規空調系統進行初投資估算如表1、表2 所示。

5 運行費用和投資回收期計算

通過模擬分析蓄冰系統的運行，結合北京市電價政策，可以計算得出蓄冰系統的運行電費。該建筑的空調供冷期按150 天來計算，蓄冰空調系統每年夏季空調運行電費可節省約53.5 萬元。

結語

本文選取某綜合樓為對象，給出了冰蓄冷制冷系統的設計方案，并與常規制冷系統系統進行了對比和經濟性分析。經濟性分析的結果表明，該綜合樓如采用冰蓄冷系統，可以在4.53 年內收回初投資，系統回收期到期后每年節約的運行電費就是該系統給業主帶來的實際收益，今后如果峰谷電價進一步拉大，效益將會更加明顯。從項目全壽命周期經濟性方面考慮，該項目適合采用冰蓄冷系統，相關的經濟性分析方法和結論也可在類似項目設計中采用。

表3 冰蓄冷和常規制冷系統運行費用估算表

表4 冰蓄冷制冷系統與常規制冷系統比較表

此外，由于以銷售為主的、非自持物業的開發單位對運行階段的電費節約敏感度較低，建議主管部門在峰谷電價差政策之外，從宏觀節能減排的角度出發，考慮出臺初投資補貼政策，或采用公用事業能源管理等模式，降低開發單位的一次性投入，進一步提高相關開發者采用冰蓄冷系統這一有代表性的電力移峰填谷技術的積極性。

[1]袁圓，林波榮，朱穎心.基于負荷動態模擬的冰蓄冷系統設計及控制優化研究[J].暖通空調，2006（10）.

[2]韓楊.某冰蓄冷空調工程案例節能技術分析.中國經濟網[OL]，2011.