深圳某辦公冰蓄冷空調設計思路及運行策略分析

郭星

（上海興筑建筑設計有限公司，上海 200000）

1 項目概況

項目位于廣東省深圳市，總建筑面積約7 萬平米，為一棟超高層辦公樓，地上32 層，地下3 層，建筑高度為162.4m。地下一層為架空休閑空間及辦公大堂，地下二為職工餐廳及廚房，地下三層為機動車庫及設備用房，地上一層為商業用房，地上二層及以上均為研發辦公用房。本項目制冷機房及配套設備房間位于地下三層。

2 冰蓄冷方案可行性分析

從市政電力系統角度看，冰蓄冷中央空調在平衡電網負荷、移峰填谷方面的巨大作用已得到了印證，從項目運行費用角度分析，冰蓄冷系統可節約大量電費。冰蓄冷空調在國內項目中得到廣泛推廣和大量應用，技術已相對成熟。本項目在方案階段，從以下三個方面對冰蓄冷方案進行了可行性分析。

（1）深圳的電價政策。深圳市執行峰谷電價政策，具體的峰谷電價制度及收費標準詳見表1：

表1 深圳市峰谷電價表

（2）本項目為典型的辦公類建筑，空調負荷主要集中在工作日日間，其余時段負荷較少。其負荷特征與蓄冷空調的適用性匹配度很高。

（3）根據以往的項目經驗，深圳地區辦公類建筑全年的空調運行時間為300 天以上，冰蓄冷空調較常規空調節省的運行費用相當可觀。

3 蓄冰方式

常規冰蓄冷空調系統的運行模式分為全部蓄冷模式和部分蓄冷模式。全部蓄冷模式在谷電時段儲存全部的空調日冷負荷，在峰電和平電時段空調主機不運行，靠融冰滿足全部冷負荷。部分蓄冷模式則是在谷電時段儲存部分冷量，平日的空調負荷部分由融冰負擔，部分仍由制冷機組承擔。全部蓄冷模式運行費用低，但是，初期投資大，系統主機容量、儲冰容量和配套設備容量大，對機房空間要求也相應很高。部分蓄冰模式在節省電費上優勢較全部蓄冰小，但制冷機組容量小，機組的利用率高，可節省不小的機房面積和初投資。項目最終決定采用部分蓄冰模式。冰蓄冷空調中常用的蓄冰裝置有冰球、冰桶、冰盤管等。冰球的售價較低，但釋冰有效使用率較低，常用于需要降低初投資的場合；冰盤管價格較高，其有效使用率也很高，盤管較冰球使用壽命長，蓄冰槽可配合土建設計，常用于蓄冰空間緊張，對機組有效利用率要求高的場合；冰桶的有效使用率較冰球更低，但蓄冷性能最高，釋冷平穩，價格也最高，常用于空調負荷持續高位的場合，在項目用常常與三級離心機組匹配使用。結合項目的特性及機房場地要求，本項目決定采用冰盤管的蓄冰裝置。

4 冰蓄冷空調容量計算

根據華電華源負荷計算軟件，HDY-SMAD 暖通空調負荷計算及分析軟件V1.92.003 版計算，本項目空調冷負荷為9904.69kW，空調面積冷指標為154W/m2。設計日空調冷負荷為：31343RT×h。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范 GB50736-2012》附錄J，部分蓄冰模式下，蓄冰裝置有效容量和制冷機標定制冷量可按下列公式計算：

QS為蓄冰裝置的有效容量（kWh）；n1為夜間制冷機組在制冰工況下運行的小時數（h）；cf為制冷機制冰時制冷能力的變化率；qc為制冷機的標定制冷量（空調工況）（kWh）；qi為建筑物逐時冷負荷（kW）；n2為白天制冷機在空調工況下的運行小時數（h）。

根據計算結果，考慮本項目的建筑功能、夜間荷載和業主的使用要求，本項目設置1 臺制冷量為1000RT 的離心式基載主機，2 臺制冷量1200RT 的離心式雙工況主機（蓄冷工況制冷量：733RT）。蓄冰槽蓄冷量為：11393 RT×h，蓄冰裝置的有效容量為11280RT，冰槽釋冷供冷量約占設計日空調冷負荷的34%，滿足綠建二星中對部分蓄冷空調系統蓄冰量大于30%空調冷負荷的要求。冰蓄冷空調系統計算結果詳見表2。

表2 冰蓄冷空調設計日負荷平衡表

5 冰蓄冷系統流程

在制冷主機與蓄冰裝置串并聯的確定階段，考慮并聯流程可以最大化發揮制冷主機和蓄冰裝置的效率，但對機組入口溫度的穩定性要求較高，負荷波動時，流量分配及溫度控制均較為復雜；串聯流程在滿負荷和部分符合條件下都可以保證系統的平穩運行，供冷溫度穩定且控制較為簡單。制冷主機上游的串聯方式，主機出水溫度較制冷主機下游溫度高，冷機制冷效率高，更為節能，因此，最終選擇制冷主機位于蓄冰裝置上游的串聯流程，綜合比較，此系統最為經濟、穩定且便于管理。

6 運行策略分析

部分蓄冷空調系統常用的運行策略包括冷機優先，融冰優先和優化控制三種。冷機優先是當空調負荷大于基載負荷時，優先開啟雙工況主機制冷模式，當主機冷量不滿足時，輔以冰槽融冰制冷。這種運行方式下冷機的利用率最高，冰槽體量較小，系統運行平穩，控制方式簡單成熟。融冰優先是在空調負荷大于基載負荷時，優先利用冰槽融冰負擔。當冰槽蓄冷量釋放完畢，再由制冷機組承擔冷負荷。這種運行方式極大地利用了冰槽蓄能，在節省電費上的優勢突出。但由于融冰釋冷的延時性，需要提前對冷負荷進行預測分析，系統的控制實施難度較大。優化控制是在經濟最優的前提下，依據電費政策和空調負荷預測，由計算機分析提出最優的控制模式，既最大限度地保證了蓄冷系統的優勢，使系統運行電費最低，又可及時融冰滿足空調負荷，是一種最理想的運行模式。融冰優先和優化控制可靠運行的前提是對空調冷負荷的準確預測，這需要計算機軟件的成熟配合，對自控軟件和運行管理人員的要求很高。在本項目初期，推薦采用較為成熟的冷機優先的運行策略，設計日各負荷情況下的具體運行詳見表2。后期隨著運行經驗的累積以及自控系統的完善，建議業主逐步向融冰優先的運行策略轉化，直至實現優化控制的運行模式，從而最大限度地體現冰蓄冷系統在節省電費上的優勢。

7 經濟性分析

根據以往項目經驗，冰蓄冷空調系統較常規空調系統初投資約增加10%～30%，在方案確定初期，本項目采用追加初投資回收期的靜態評價法進行了經濟性分析，詳見表3。

表3 冰蓄冷空調系統經濟性分析

經分析，本項目采用冰蓄冷空調系統較常規空調初投資增加約500 萬元，每年運行電費節省150~210 萬元，3 年左右即可實現初投資費用回收，滿足靜態回收期小于5 年的基本要求，經濟性還是相當可觀的。