鄭州華南城一期1#交易廣場冰蓄冷空調設計

劉賀兵

深圳市建筑設計研究總院有限公司

1 項目概況

工程位于河南省新鄭市，為鄭州華南城一期1#交易廣場（圖1），分A、B、C、D、E 五座單體，系新建工程；總建筑面積約為50萬m2，空調面積約為41萬m2，總高度為22.32 m，屬于多層公共建筑[1]。本工程地下一層為汽車庫，地上一至五層均為商業，五層局部為餐廳、廚房等。

圖1 鄭州華南城一期1#交易廣場

為在宏觀上節約能源，提高電網效率，鄭州華南城一期1#交易廣場的空調系統采用了具有削峰填谷、平衡電網壓力、節能效果較好的冰蓄冷空調[2]。

2 室外氣象參數

根據參考文獻[3]，可得鄭州市室外氣象參數：夏季大氣壓992.3 kPa；夏季空調室外計算干球溫度34.9℃；夏季空調日平均溫度30.2 ℃；夏季空調室外計算濕球溫度27.4 ℃；夏季通風室外計算溫度30.9℃。

3 冰蓄冷空調系統介紹

1號交易廣場夏季尖峰冷負荷為11172 RT（39281 kW），設計日空調總冷量為95298 RT，設計蓄冷量為30600 RTh。共選用5臺空調工況制冷量為1200 RT的雙工況冷水機組和一臺空調工況制冷量為1200 RT的基載主機。在設計工況下，1#交易廣場的冷負荷由基載冷水機組、雙工況冷水機組、蓄冰桶共同承擔。

本工程末端共分十個回路，峰值負荷分別為：A/B/E座上部分為 4520 kW、A/B/E座下部分為4400 kW、C/D座上部分為4797 kW、C/D座下部分為4677 kW，共45708 kW。

鄭州華南城一期1#交易廣場的冰蓄冷空調系統采用分量蓄冰[4]，制冷主機和蓄冰設備為串聯方式[4]，制冷主機位于蓄冰設備上游[4]。冰蓄冷空調系統按主機制冰、主機制冰同時供冷、制冷機供冷、冰供冷、制冷機與融冰聯合供冷等5種模式運行，冰蓄冷空調系統流程圖見圖2。

圖2 冰蓄冷空調系統

4 主要設備選型

1）雙工況冷水機組：選用五臺離心式雙工況冷水機組，空調工況制冷量為4219 kW（1200 RT），冷水進出水溫度11.5 ℃/6.5 ℃，冷卻水進出水溫度32 ℃/37 ℃；制冰工況制冷量為 2630 kW（748 RT），冷水進出水溫度-2.3 ℃/-5.6 ℃，冷卻水進出水溫度30 ℃/33.4 ℃。

2）基載冷水機組：選用一臺離心式冷水機組為基載機，制冷量為4219 kW（1200 RT），冷水進出水溫度12.5 ℃/6.5 ℃，冷卻水進出水溫度 32 ℃/37 ℃。

3）蓄冰槽：蓄冰設備采用圓形蓄冰桶，盤管使用PERT改性導熱材料，蓄冰桶保溫采用整體發泡，厚度不小于80 mm，布置于制冷機房內，設計總蓄冰容量為30600 RTh。

4）板式換熱器：制冷機房內設計有七臺（六用一備）乙二醇－水板式換熱器，單臺換熱量5940 kW（1690 RT），在設計工況下聯合供冷運行時，板式換熱器低溫側介質為質量濃度25%的乙二醇溶液，進/出乙二醇溫度為3.5/11.5 ℃，板式換熱器高溫側介質為水，進/出水溫度為12.5 ℃/6.5 ℃。

5）水泵選型：所有水泵選用雙吸臥式離心泵，板換冷凍水泵8臺（7用1備），基載冷凍水泵及冷卻水泵各2臺（1用1備），冷卻水泵7臺（6用1備），乙二醇泵6臺（5用1備）。所有水泵（除冷卻水泵）均采用變頻控制，根據工況調整水泵運行頻率，以降低運行功率。

6）冷卻塔選型：以室外濕球溫度27.4 ℃，處理水量400 m3/h，設計選擇橫流型冷卻塔，共18臺。

7）水處理設備：冷卻水、冷（熱）水系統設計有循環物化自動水處理器，具備水質預設定、水質監測、水質調節、壓差自動反沖洗功能。

8）冷凝器清洗設備：為保證機組的能效比，設有冷凝器膠球自動在線清洗裝置5臺。

5 冰蓄冷運行模式

根據氣候特點和空調實際需求，蓄冰系統可按以下工作模式運行：

1）制冰（蓄冷）模式（00∶00-8∶00）

雙工況主機在電力低谷時段充分利用當地的低價電運行制冰。在該時段內，制冷機組滿負荷運行，通過低溫的乙二醇溶液將蓄冰桶內的水制成冰。根據所需頻率開啟乙二醇泵后，乙二醇溶液進入主機的蒸發器（蒸發器出水溫度-5.6 ℃），經主機降溫后的乙二醇溶液（蒸發器回水溫度-2.3 ℃）進入蓄冰裝置，將盤管外的水結成冰。

2）雙工況主機和蓄冰桶聯合供冷

在最大空調負荷時段，為了盡量減少系統的電力運行費用，空調冷負荷由制冷主機聯合蓄冰桶供冷。根據所需頻率開啟乙二醇泵后，從板式換熱器熱側來的高溫乙二醇溶液（11.5 ℃）進入主機的蒸發器降至約6 ℃后進入蓄冰裝置進行融冰，融冰后產生的低溫乙二醇溶液（3.5 ℃）送至板式換熱器冷側進行換熱，根據冷負荷的變化通過相應電動閥調節進入蓄冰裝置的乙二醇流量，以穩定3.5 ℃的乙二醇供液溫度。從集水器回來的12.5 ℃冷凍水進入板式換熱器冷卻到6.5 ℃，然后進入分水器送到空調末端滿足空調的需求。

3）蓄冰桶單獨供冷模式

在非最大負荷時段，為了避免在電力高峰期內開啟冷機，該時段內蓄冰桶的總融冰供冷量為空調系統負荷的全部。根據所需頻率開啟乙二醇泵后，從板式換熱器回來的高溫乙二醇溶液（11.5 ℃）進入蓄冰裝置進行融冰，融冰后產生的低溫乙二醇溶液通過乙二醇泵送至板式換熱器冷側進行換熱，進行融冰供冷，根據冷負荷的變化通過相應電動閥調節進入蓄冰裝置的乙二醇流量，以穩定3.5 ℃的乙二醇供液溫度。

4）雙工況主機單獨供冷模式

空調負荷改變時，為了將蓄冰桶的冷量盡量用于電力高峰時段，在電價平峰時段內的冷負荷可以適當地由雙工況主機單獨提供，這時蓄冰桶與系統隔離。根據所需頻率開啟乙二醇泵后，11.5 ℃的乙二醇溶液分別進入對應的主機蒸發器，經過降溫至6.5 ℃通過乙二醇泵進入板式換熱器進行供冷。

5）空調設計日冰蓄冷空調運行方式

a.主機制冰（蓄冷）模式（00∶00-8∶00）。這期間為鄭州電力低谷時段，自控系統通過電動閥門的切換，形成該模式運行，5臺雙工況主機制冰模式下滿負荷運行，制得46800 RTh的冷量儲存在蓄冰槽中。

b.基載主機、雙工況主機與蓄冷裝置聯合供冷模式（8∶00-00∶00）。這期間控制系統根據末端負荷的情況，切換到該供冷模式，優先采用蓄冷裝置經行供冷，不足部分冷量由機載主機和雙工況主機提供。

6）非設計日冰蓄冷空調運行方式

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。

6 冰蓄冷的自動控制要求

本工程空調制冷系統包括制冷主機、蓄冰槽、乙二醇水泵、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔、定壓設備、水路電動閥門、各種溫濕度、壓力傳感執行機構，蓄冰運行控制包括有單制冰運行、主機獨立供冷運行、聯合供冷運行、冰槽獨立供冷運行四種狀態，蓄冷系統的控制主要要求如下：

a、控制乙二醇系統的電動轉換閥門，實現四種工況運行方式的轉換。

b、實現各工況運行方式的能量調節及溫度控制；主機蓄冷時控制主機的蒸發溫度；主機單獨供冷時恒定主機出口溫度為6.5 ℃調整主機出力；蓄冷裝置單獨供冷時恒定蓄冷槽出口溫度為3.5 ℃及換熱板換冷水回水溫度為12.5 ℃，調節進入蓄冰槽的乙二醇流量，控制融冰供冷量；聯合供冷時，恒定主機與蓄冰裝置后的乙二醇溫度為3.5 ℃，調節主機出力，調節進入蓄冰槽的乙二醇溶液流量，控制融冰供冷量。

本工程的冷水機組、乙二醇溶液泵、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機及其進水電動蝶閥應進行電氣聯鎖啟停，其啟動順序（停止時，反之）為：

a、主機蓄冷工況：主機、冷卻塔處電動蝶閥－冷卻泵、溶液泵－冷卻塔風機－冷水機組。

b、主機單獨供冷：主機、板換、冷卻塔處電動蝶閥－冷卻泵、冷水泵、溶液泵－冷卻塔風機－冷水機組。

c、蓄冰槽單獨供冷：主機處溶液管路、板換處電動蝶閥－溶液泵、冷水泵。

d、蓄冰槽單獨供冷聯合供冷工況：主機、板換、冷卻塔處電動蝶閥－冷卻泵、冷水泵、溶液泵－冷卻塔風機－冷水機組。

e、溶液系統的轉換閥門控制要求見表1。

表1 溶液系統的閥門轉換

7 結論

鄭州華南城一期1#交易廣場空調系統采用冰蓄冷空調，經過系統調試，在2013年8月正式投入使用，冰蓄冷空調性能達到設計要求，本項目建筑體量巨大，采用冰蓄冷技術，很好的移峰填谷，利用夜間相對廉價的低谷電將冷量儲存，白天釋放，不僅為工程本身大大降低了運行成本，而且還為國家節約了能源，具有很好的社會效益，該空調系統具有以下節能特點：

1）空調冷水系統采用變頻泵設計，根據系統壓力變化改變水泵電機頻率來減少水流量，降低水泵功率[5]。

2）中央空調水系統采用6 ℃溫差設計，不增加末端造價的情況下，可降低水泵功率，縮小水管管徑。

3）自動控制系統采用智能控制，能自動監視和控制空調設備，使空調系統在最佳狀態下運行，根據實際所需冷量來控制供冷量。

4）采用了較高能效制冷主機，制冷主機COP達到5.8，制冰工下COP為3.6。

5）選擇了較高的效率的水泵，減少輸送能耗。