動態冰與外融冰相結合的區域供冷系統研究

香港華藝設計顧問(深圳)有限公司 李雪松 陶嘉楠 高 龍 洪木榮

0 引言

近年來，隨著經濟社會的持續發展，我國大中城市中不斷規劃建設高新技術園區、新型產業園區、中央商務區等集辦公、商業、公寓為一體的建筑群。

區域供冷系統是指對一定區域內的建筑物群，由一個或多個能源站集中制取冷水，通過管網提供給最終用戶，滿足用戶制冷要求。由于建筑群內空調負荷同時使用系數為0.49～0.77[1]，相同供冷面積下，區域集中供冷系統相對常規分散供冷系統能夠降低整個系統的裝機容量，減少設備投資。同時因其具有節能高效等優點，成為建筑群供冷方式的新興選擇。比如，深圳前海深港現代服務業合作區、廣州珠江新城、北京麗澤商務區、重慶江北城CBD等均選擇區域集中供冷系統作為空調冷源[2-5]。

區域供冷系統設計時常與蓄冷技術相結合，蓄冷技術將空調負荷從白天用電高峰期轉移到夜間用電低谷期，利用峰谷電價差，降低運行費用，所以蓄能空調是“為國節能，為用戶節資”的最佳技術之一[6]。目前常用的蓄冷技術包括內融冰蓄冷、外融冰蓄冷、動態冰蓄冷及水蓄冷等，而內融冰和水蓄冷技術由于供水溫度的問題不宜應用于大型區域供冷項目[7]。動態冰是近年來新興的一種冰蓄冷形式，節能潛力很大，可以較大程度降低系統初投資，但是由于其自身的局限性一直未被用在區域供冷系統中。將動態冰和外融冰相結合，應用在區域供冷中，對于節能減排具有重大意義。

本文通過實際工程案例，研究外融冰與動態冰聯合供冷的系統形式、初投資及運行費用，以找到2種蓄冰方式初投資和運行費用適宜的結合點，并為其他工程項目提供參考。

1 項目概況

深圳某區域集中供冷項目總建筑面積約123.18萬m2，總冷負荷為92 363 kW，區域內建筑功能主要為辦公、商業、酒店、學校及部分市政設施，其中辦公建筑約92.3萬m2，商業建筑約12.94萬m2，酒店約9萬m2。根據深圳地區峰平谷電價政策(見表1)，該項目采用“電制冷+冰蓄冷”系統，不同時刻制冷站供回水溫度如表2所示。

表1 深圳商業電價

表2 制冷站供回水溫度

2 不同蓄冰方案比較分析

2.1 2種蓄冰方式簡介

外融冰系統由于溫度較高的空調冷水回水與冰直接接觸，融冰釋冷速度快，釋冷曲線為直線，易控制，能夠快速制取大量的低溫冷水，且可以更靈活地安排運行策略，最大限度地降低運行費用，被廣泛應用到區域供冷系統中[7]。但外融冰系統也存在著雙工況主機制冰效率不高，由于“冰層熱阻”的存在導致蓄冷速度慢，初投資較高等缺點。

傳統區域供冷外融冰系統為達到外網低溫出水的目的，常采用主機上游串聯系統，上游為主機，下游為外融冰冰池，系統原理如圖1所示。

注：V1、V2為閥門。圖1 外融冰冷水系統原理圖

過冷水制動態冰是新興的冰蓄冷技術，其基本原理為雙工況主機制取的-3 ℃乙二醇進入動態冰制冰機，制取-2 ℃的過冷水，過冷水經過促晶技術形成冰漿，通過管道輸送到冰池，儲存動態冰漿，循環上述過程，不斷制取動態冰，動態冰漿機制冰原理如圖2所示。

圖2 動態冰漿機制冰原理圖

動態冰系統具有如下優勢：1) 動態冰雙工況主機制冰蒸發溫度為-3 ℃，相對于冰盤管制冰-5.6 ℃蒸發溫度，主機COP提高6%～9%；2) 動態冰制冰時換熱和結冰在時間和空間上是分離的，沒有“冰層熱阻”，所以相對靜態冰系統，制冰速度均勻、蓄冰量大、融冰速度快，能更靈活地安排運行策略；3) 動態冰單位體積的蓄冰量相對水蓄冷和外融冰要高，約為44 kW·h/m3，而且由于不需要冰盤管，對冰池的形狀要求不高，可以利用邊角料位置，所以相同蓄冰量情況下初投資較外融冰降低15%～20%。但動態冰需要過冷水制取，制取過冷水的過程需要嚴格控制水中雜質，水質較差會堵塞過濾器，因外網水質較差，動態冰冰池不能直接接入外網，需要板式換熱器和外網分隔。而且現有常規動態冰漿機和雙工況主機匹配的規格，最大為4 220 kW，一般為雙工況主機和冰漿機一一對應。由于常規建筑物供冷項目較少有這么大需求，需要特殊定制，如果完全將其用在大型區域供冷系統中，動態冰漿機的數量會較多，與其配套的水泵、板式換熱器等設備也會較多，占用較大的機房面積。

本文以傳統外融冰為基礎，在不改變總蓄冰量的前提下，加入動態冰，從供冷系統形式、初投資及運行費用等方面對比分析不同方案，確定整個系統的制冷工藝和動態冰的比例。

2.2 動態冰與外融冰結合的系統形式對比分析

動態冰與外融冰結合的系統形式存在以下2種可行方案。

方案1是在圖1外融冰系統基礎上將動態冰冰池板式換熱器和上述系統并聯，即上游基載主機和雙工況主機(包括動態冰和靜態冰的雙工況主機)板式換熱器(后文簡稱雙工況板式換熱器)二次側并聯后再與下游外融冰冰池串聯，然后與動態冰冰池板式換熱器并聯，系統原理圖見圖3。

圖3 方案1冷水系統原理圖

該方案具有動態冰系統融冰過程獨立、不受上游冷水機組出水溫度影響的優點。但如果外網水溫需要恒定2.5 ℃的出水溫度，由于動態冰冰池內冷水需要和板式換熱器換熱后供給外網，所以動態冰冰池的出水溫度要求在1.5 ℃以下，融冰量小于50%后無法達到此溫度，影響供水水溫。同時動態冰后期使用率較低，且外網循環泵1和2流量及揚程相差較大，不易穩定運行。

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方案2是在圖1外融冰系統基礎上將動態冰冰池板式換熱器并聯入上游主機，即上游基載主機、雙工況板式換熱器二次側和動態冰冰池板式換熱器均為并聯，再和下游外融冰冰池串聯，系統原理圖見圖4。

圖4 方案2冷水系統原理圖

該方案由于動態冰冰池板式換熱器位于外融冰冰池上游，故動態冰冰池板式換熱器出水溫度可升高到4 ℃以上，系統穩定性較好，但動態冰冰池板式換熱器出水溫度需要和基載主機及雙工況板式換熱器二次側溫度一致，運行受上游出水溫度影響。

通過上述定性分析可以發現，為了保證外網出水溫度能夠穩定在2.5 ℃，并且讓動態冰系統融冰更加充分，動態冰與外融冰結合的系統方案選擇方案2更為合理，即如圖4所示的上游動態冰冰池板式換熱器、基載主機及雙工況板式換熱器二次側并聯后再和下游外融冰冰池串聯的系統形式，其供冷系統流程圖見圖5。根據運行時段負荷及需求供水溫度的不同，主要工況閥門狀態見表3。

注：V1～V10為閥門。圖5 供冷系統流程圖

表3 主要工況閥門狀態

2.3 動態冰占整個冰蓄冷系統的比例分析

過冷水制動態冰為新技術，且在區域供冷中與外融冰結合使用并無參考先例，本文擬設置3個對比方案，分析采用動態冰對總投資、運行費用等的影響程度，通過技術經濟比較來確定動態冰的合理比例。

2.3.1各方案主要設備配置及平面布置

方案1采用圖1所示主機上游串聯的外融冰系統，不采用動態冰；方案2及方案3采用圖4所示上游動態冰、基載主機及雙工況板式換熱器二次側并聯后再和下游外融冰冰池串聯的系統形式，其中方案2動態冰比例為2.4%，方案3動態冰比例為4.0%。各方案詳細機組配置情況見表4。

表4 制冷站各方案主要設備配置及蓄冰率

圖6 方案2機房平面布置

2.3.2各方案經濟性對比分析

分別計算3種方案運營期內的經濟性，計算期定為21 a，其中包括建設期1 a，運行期20 a。

分析運營期經濟性，從經濟效益和抗風險能力兩方面選出最優方案。本文以內部收益率及靜態投資回收期為反映經濟效益的主要指標。運行期經濟分析需要考慮建設成本、運營成本及營業收入。其中，建設成本為項目建設總投資，包括制冷站土建及安裝等投資費用。運營成本包含運行電費、水費、維修維護成本、管理成本及折舊成本。營業收入主要包括接入費和售冷費，以方案1接入費和售冷費達到8%的基準收益率為基準。

項目的運營成本主要為運行電費(與各地電價政策密切相關)，占比約為55%。確定了主機配置方案后，運行策略是影響運行電費的主要因素，根據各方案全年運行策略，可計算出其全年運行電費。以方案2的100%負荷工況為例，其逐時運行策略及計算運行電費分別如圖7、8所示。

圖7 方案2在100%負荷工況下的逐時運行策略

圖8 方案2在100%負荷工況下的逐時運行電量及電費

通過對以上各項的分析，計算得出該項目運行費用、內部收益率及投資回收期等各項主要經濟指標，如表5所示。

表5 各方案經濟性對比分析

從表5可以看出，對于制冷站，在蓄冰率和總蓄冰量基本一致的情況下，方案2、3相對于方案1，隨動態冰占比的增大，年運行費用上升，總投資有不同程度的減少。方案2相對方案1總投資減少2 347萬元(減小率約為8.3%)，年運行電費僅增加86萬元，增加率為4.1%；方案3相對方案1，總投資減少幅度為10.0%，運行費用增加了12.0%。據此判斷，繼續增大動態冰比例，整個系統的經濟性會越來越差，同時動態冰設備的增加將進一步占用制冷機房空間，導致機房布置緊張，故本文僅給出3種方案，不再增加動態冰蓄冰率繼續比較。

導致方案3運行費用較大的原因為：在蓄冰量基本保持不變的情況下，隨著動態冰比例的增大，外融冰蓄冰量減少，需要系統上游出水溫度降低來保證冷水經過冰池的出水溫度，導致上游冷水機組白天運行時COP降低，運行費用增加。

從表5同時可以看出，方案2年均運營費用為3 896萬元，內部收益率為9.1%，稅后靜態投資回收期為10.9 a，各項經濟指標均優于其他2種方案，且符合行業標準，稅后內部收益率高于行業標準(8%)，投資可在合理時間內回收，有較強的抗風險能力，經濟效益最好。綜上所述，從運營期經濟分析來看，方案2為最優方案。

3 結論

1) 采用上游動態冰系統、基載主機及雙工況板式換熱器二次側并聯后再和下游外融冰冰池串聯的系統形式，可以在外網供水溫度較低的情況下，更加穩定地運行。

2) 在總蓄冰率不變的情況下，動態冰的加入可以有效減少總投資，但也會導致運行費用增加，存在一個投資和運行費用適宜的結合點。通過運營期經濟分析可以確定該項目動態冰蓄冰率為2.4%時具有較好的經濟性。