消防水池蓄冷的應(yīng)用分析

文／張佳莉 上海博尚建筑工程咨詢有限公司 上海 200092

引言：

現(xiàn)如今能源消耗問題是社會(huì)討論的熱點(diǎn)問題，中國政府已經(jīng)明確提出2030年前碳達(dá)峰，2060年前碳中和的目標(biāo)，各行各業(yè)都必須逐步推進(jìn)綠色改革綠色創(chuàng)新，以控制能源消耗總量及增速。工業(yè)生產(chǎn)是電力消耗的主要部門，近年來經(jīng)常發(fā)生拉閘限電的情況，就是因?yàn)楣╇姼叻宓拿苋找鎳?yán)重，而低谷時(shí)的電能又沒有得到充分利用。如今各地都相繼出臺(tái)了峰谷電價(jià)的政策，并且不同時(shí)段電價(jià)的差值還在擴(kuò)大，于是蓄冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用得到了極大地推動(dòng)。其中發(fā)展較為成熟的是冰蓄冷和水蓄冷。而水蓄冷相比冰蓄冷的技術(shù)要求低、機(jī)組效率高、運(yùn)行維護(hù)簡便[1]，更加得到青睞。但因其需要的蓄冷容器占用空間太大，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。

而一般現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，都會(huì)設(shè)有較大體積的消防水池，但是因?yàn)榉e水不流動(dòng)，容易滋生水生物，進(jìn)而引起管道阻塞的問題。若能將水蓄冷技術(shù)應(yīng)用至消防水池的設(shè)計(jì)中，通過對消防水池進(jìn)行保溫處理后，根據(jù)消防水池的形式制定不同的水蓄冷方案，將閑置的消防水池用作蓄冷水池，既可以使消防水池內(nèi)的水循環(huán)起來流動(dòng)起來提高水質(zhì)，不會(huì)影響消防功能，又不占用場地、節(jié)省了初投資，與原制冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式的切換，是工業(yè)企業(yè)都愿意主動(dòng)實(shí)施的節(jié)能工程。

1、工程概述

以某日用化妝品生產(chǎn)工業(yè)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目位于廣州市番禺區(qū)，總占地面積約為93871m2，分為兩期建設(shè)，其中一期總建筑面積約19 萬m2，主要建筑物有生產(chǎn)用房3 棟、高架倉庫1 棟、研發(fā)辦公1 棟及附屬配套用房等。目前處于初步設(shè)計(jì)階段。下表1為項(xiàng)目所在地工業(yè)用電峰谷價(jià)格表。

表1 項(xiàng)目所在地用電峰谷價(jià)格

2、消防水池水蓄冷可行性分析

2.1 項(xiàng)目特征

（1）根據(jù)廣州氣候條件及工藝需求，本項(xiàng)目需要制冷，不需要單獨(dú)加熱。冷凍站統(tǒng)計(jì)各單體生產(chǎn)倉儲(chǔ)區(qū)域24h 需要供冷，空調(diào)用冷量為9625KW，工藝用冷量為900KW；研發(fā)辦公區(qū)域的空調(diào)冷量需求主要集中在白天用電平段及高峰時(shí)段，為1672KW。（2）本項(xiàng)目按最大一棟生產(chǎn)用房室內(nèi)外消火栓、噴淋和水幕計(jì)算后共需要2148m3的消防用水量，在鄰近一棟生產(chǎn)用房的地下一層設(shè)置2 座連通的消防水池，總有效容積為2220m3。（3）生產(chǎn)用房為主要的供冷建筑物，能源需求較大。在最大一棟生產(chǎn)用房設(shè)置能源中心，冷水機(jī)組機(jī)房位于該建筑地下一層，到消防水池的冷水輸送管道距離較短。（4）本項(xiàng)目所在地上級10KV變配電站剩余容量有限，應(yīng)盡量減少設(shè)備裝機(jī)負(fù)荷。

綜上所述，本項(xiàng)目非常適合利用消防水池做水蓄冷來使整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)更節(jié)能環(huán)保，也可以大幅度降低后期運(yùn)行費(fèi)用。

2.2 消防水池蓄冷量估算

蓄冷水池的體積可按下式計(jì)算[2]：

V=（ESC×P）/（1.163＊η＊⊿t）

式中：ESC--設(shè)計(jì)日所需水池蓄冷量KW·h。

P--容積率與貯槽結(jié)構(gòu)、形式等因素有關(guān)，一般為1.08 ～1.3，對分層蓄冷型水槽可取低限，對多槽混合型及容量小者可取高限。

η-蓄冷效率與蓄槽結(jié)構(gòu)、形式、保溫情況等有關(guān)，一般取為0.80 ～0.90。

⊿t-水蓄冷槽可利用的進(jìn)出水溫差，一般為6 ～10℃。

根據(jù)以上內(nèi)容，消防水池蓄冷量可按下式計(jì)算：

ESC=V＊1.163＊η＊⊿t/P

考慮本項(xiàng)目消防水池位于地下，并加上良好的保溫措施，蓄冷效率η 取值為0.9。蓄放冷溫度為4℃/11℃，⊿t 為7℃。采用自然分層結(jié)構(gòu)，P 取值為1.1。由此可計(jì)算出有效容積2220m3 的消防水池蓄冷量為：

ESC=V＊1.163＊h＊⊿t/P=2220＊1.163＊0.9＊7/1.1≈147 87KW·h。

2.3 主要設(shè)備

出于二期擴(kuò)建考慮，本項(xiàng)目暫不減少制冷機(jī)組裝機(jī)容量，設(shè)置2 臺(tái)制冷量為850KW 的全熱回收螺桿式水冷冷水機(jī)組和3 臺(tái)制冷量為3514KW 的變頻離心式冷水機(jī)組。其中1 臺(tái)變頻離心式冷水機(jī)作為蓄冷主機(jī)，實(shí)際蓄冷量完全能夠達(dá)到消防水池蓄冷量。選用變頻的蓄冷水泵和放冷水泵，互為備用設(shè)計(jì)。

在消防水池蓄冷循環(huán)水和空調(diào)冷凍循環(huán)水之間通過板式換熱器隔離，形成兩個(gè)獨(dú)立的閉式水循環(huán)系統(tǒng)。如果不通過板換，而是將消防水池直接并聯(lián)在空調(diào)水系統(tǒng)中，停泵時(shí)，由于無法很嚴(yán)密地關(guān)緊一些閥門，小部分冷凍水會(huì)回流到消防水池，造成浪費(fèi)。另外，管道內(nèi)會(huì)形成真空，空氣的進(jìn)入既有可能造成腐蝕，還需要在下一次啟泵時(shí)先排氣，帶來額外的麻煩。而且加設(shè)板式換熱器后，消防水池的水循環(huán)路線較短，再加上定期的排污和補(bǔ)水，可以大大提高消防水的清潔度。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，只需要關(guān)閉消防水池的循環(huán)水泵，啟動(dòng)消防泵，消防水池的水就可馬上用于消防系統(tǒng)。

3、消防水池水蓄冷的技術(shù)措施

3.1 水蓄冷的技術(shù)簡介

水蓄冷技術(shù)是利用水的顯熱來實(shí)現(xiàn)冷量的存儲(chǔ)，較為重要的環(huán)節(jié)是蓄冷水槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)需要達(dá)到防止儲(chǔ)存冷水與回流熱水混合的目的。通常水蓄冷系統(tǒng)儲(chǔ)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有多蓄水槽方法、迷宮法、隔板法、分層法等[3]。本項(xiàng)目采用最簡單，有效和經(jīng)濟(jì)的自然分層技術(shù)，通過合理的設(shè)計(jì)，蓄冷效率可以達(dá)到85%-95%[4]。該技術(shù)利用水的物理特性，溫度為4℃的水密度最大，隨著水溫的升高水的密度減小，從而實(shí)現(xiàn)高效分層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效蓄冷。

在蓄冷過程中，溫度低、密度高的冷水進(jìn)入水池底部，在冷、溫水分界面處會(huì)形成一個(gè)溫度過渡層--斜溫層，力求斜溫層內(nèi)水的溫度呈直線上升。維持一個(gè)薄而穩(wěn)定的斜溫層是成功的關(guān)鍵。隨著冷水層的擴(kuò)大，斜溫層從下至上逐漸升高，推動(dòng)頂層溫度高、溫水密度小的溫水慢慢流出，直至水池中全是冷水；釋冷過程則相反，斜溫層自上而下逐漸降低，直到水池全是溫水時(shí)消失。

圖1

3.2 布水器設(shè)計(jì)

在消防水池的進(jìn)出口處設(shè)置穩(wěn)流器，再通過布水器使水以重力流平穩(wěn)地導(dǎo)入或引出池內(nèi)，確保水流在水池內(nèi)得到均勻分配，受擾動(dòng)小，讓水能按不同溫度對應(yīng)的密度而分層。

根據(jù)弗蘭德常數(shù)Fr ＜2（作用于流體的慣性力與浮力之比）和雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=800-2000（流體的慣性力與該流體的粘滯力之比），確定散流分配管所需要的長度及分配器的散流高度。再根據(jù)穩(wěn)流器設(shè)計(jì)流量Q、散流孔設(shè)計(jì)流速V=0．2m／s，計(jì)算出所需散流孔面積及散流點(diǎn)個(gè)數(shù)。據(jù)此，在消防水池的底部和有效水位以下設(shè)置水流精密布水系統(tǒng)，將水流精確而平均地分布到水平面上，使斜溫層厚度盡可能減小。

頂部布水器開孔向上，避免有直接向下沖擊的動(dòng)量，底部布水器開孔向下，避免有直接向上的動(dòng)量。運(yùn)用流量均流緩沖閥件和360度布水頭等多項(xiàng)技術(shù)，保證每個(gè)出水口的流量均等,將水力垂直擾動(dòng)厚度降低到30mm 以下，提高蓄能效率。

3.3 保溫防水措施

因?yàn)榇隧?xiàng)目為新建項(xiàng)目，在消防水池的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮在池底和池壁設(shè)置外防水和外保溫（雙層SBS 改性瀝青防水卷材外加設(shè)50 厚EPS 保溫板）。同時(shí)采用內(nèi)保溫，以避免混凝土結(jié)構(gòu)梁、柱形成冷橋，盡可能減少內(nèi)壁傳導(dǎo)形成的冷溫水間傳熱從而造成內(nèi)部冷損失，并防止水溫周期性變化產(chǎn)生的應(yīng)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。水池的內(nèi)保溫越好，斜溫層厚度越小，工作性能越好。具體做法為：

（1）在消防水池內(nèi)壁涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。它含有活性化學(xué)物質(zhì)，在混凝土的微孔及毛細(xì)管中形成不溶于水的枝蔓狀結(jié)晶體，對混凝土結(jié)構(gòu)有補(bǔ)強(qiáng)作用，具有極強(qiáng)的耐水壓能力，還有自我修復(fù)性能，可長期防水[5]。（2）采用聚氨酯現(xiàn)場發(fā)泡保溫。產(chǎn)生閉孔率不低于95%的硬泡體化合物—聚氨酯硬泡體（PUR），熱導(dǎo)率≤0.023W/mK，是目前工業(yè)化保溫材料中導(dǎo)熱系數(shù)最小的。且比重輕、抗老化、防水性好、對混凝土有較強(qiáng)的黏附力。同時(shí)它的比強(qiáng)度較高，可以承受工人在上面施工作業(yè)。（3）在保溫層內(nèi)側(cè)采用雙層熱熔焊接PVC 卷材防水。其具有拉伸強(qiáng)度高、伸縮率好、對基層伸縮開裂適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可避免與保溫層伸縮不一致而脫落的問題。

3.4 控制系統(tǒng)

控制的思路是：夜間利用低谷電價(jià)啟動(dòng)冷機(jī)將冷量儲(chǔ)蓄在消防水池中，白天將消防水池中的冷量釋放出來，能耗高峰期同時(shí)啟動(dòng)冷機(jī)，用以彌補(bǔ)消防水池蓄冷量的不足。

除了常規(guī)的冷水機(jī)組控制及冷凍水泵變頻控制外，另設(shè)消防水池的控制，監(jiān)測進(jìn)出水溫度、流量和水位，并在水池內(nèi)部垂直方向每隔300mm 設(shè)置一個(gè)溫度傳感器，對溫度梯度進(jìn)行監(jiān)測。

通過自動(dòng)控制系統(tǒng)對閥門及設(shè)備按預(yù)定狀態(tài)進(jìn)行開關(guān)及啟停動(dòng)作，滿足不同運(yùn)行工況，包括主機(jī)蓄冷、消防水池單獨(dú)供冷、主機(jī)單獨(dú)供冷和消防水池+主機(jī)聯(lián)合供冷。

4、消防水池蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行策略及經(jīng)濟(jì)分析

4.1 運(yùn)行策略

由于消防水池的蓄冷量不能滿足總冷負(fù)荷，運(yùn)行模式可以有制冷機(jī)組優(yōu)先和蓄冷裝置優(yōu)先兩種[6]。

制冷機(jī)組優(yōu)先是設(shè)計(jì)由制冷機(jī)組提供均衡的冷量，用戶需求的冷量與制冷機(jī)供冷量的差值由蓄冷裝置提供。但當(dāng)需求冷負(fù)荷不大時(shí)，蓄冷量的利用率就不高，如果沒有良好的控制系統(tǒng)還會(huì)造成蓄冷量的殘留，使得蓄冷系統(tǒng)比普通系統(tǒng)更加耗能。

蓄冷裝置優(yōu)先是設(shè)計(jì)將蓄冷裝置所儲(chǔ)存的冷量全部供給系統(tǒng)的冷負(fù)荷，當(dāng)其不能滿足要求時(shí)再由制冷機(jī)組來提供。這樣就更充分地利用了峰谷電價(jià)差，減少運(yùn)行費(fèi)用。但要合理地分配釋冷量和制冷機(jī)組供冷量的比例，并通過控制系統(tǒng)讓蓄冷裝置能按照計(jì)劃釋冷。

本項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，更好地起到削峰的作用，考慮供冷系統(tǒng)的負(fù)荷分布情況，僅在谷電時(shí)段（0：00-8：00）蓄冷；空調(diào)供冷季節(jié)僅在峰電時(shí)段（14：00-17：00，19：00-22：00）釋冷，冷量不足由制冷機(jī)組補(bǔ)充供冷；平段全部由制冷機(jī)組供冷。不需要空調(diào)供冷的季節(jié)，蓄冷量只用于工藝用冷，在峰電時(shí)段只需要蓄冷水池釋冷，在平段時(shí)段優(yōu)先由蓄冷水池繼續(xù)釋冷，冷量不足時(shí)由制冷機(jī)組補(bǔ)充供冷。

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

粗略比較僅由制冷機(jī)組供冷和采用消防水池蓄冷的主要設(shè)備構(gòu)成及出投資成本，結(jié)果如下表2：

表2 主要項(xiàng)目比較

采用消防水池水蓄冷的空調(diào)系統(tǒng)，需要增加板式換熱機(jī)組、布水器、水池循環(huán)泵及消防水池內(nèi)保溫等，預(yù)計(jì)增加投資約260 萬元。

工藝全年供冷，空調(diào)每年供冷運(yùn)行的天數(shù)為180 天，其中100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為18 天；75%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為90 天；50%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為54 天；25%設(shè)計(jì)日負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)為18 天。

峰谷電價(jià)差為0.7158 元/KW·h，平谷電價(jià)差為0.3112元/KW·h，制冷機(jī)組COP 取4.5，消防水池蓄冷量通過板式換熱器轉(zhuǎn)換降低14%，可供冷量為12717KW·h，則每年空調(diào)供冷期可節(jié)約電費(fèi)約36.4 萬，非空調(diào)供冷期可節(jié)約電費(fèi)24.7 萬，全年可節(jié)約電費(fèi)61.1 萬左右，投資回收期約為4.3年。

結(jié)語：

本文結(jié)合具體的項(xiàng)目條件，考慮①峰谷電價(jià)差大②冷源為冷凍水且低谷電價(jià)時(shí)有空閑的制冷機(jī)組③有較大的消防水池作為蓄水空間，提出采用消防水池蓄冷系統(tǒng)，即將蓄冷技術(shù)應(yīng)用在消防水池中，對消防水池進(jìn)行良好的保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)并增加穩(wěn)流器、布水器、板換、水池循環(huán)泵等主要設(shè)備，同時(shí)根據(jù)使用冷負(fù)荷情況制定水蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行策略，比較初投資并結(jié)合項(xiàng)目所在地的峰谷用電價(jià)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析?？梢钥闯?，利用閑置的消防水池做成蓄冷水池，具有這些優(yōu)勢：（1）相比增加蓄冷罐，節(jié)約了場地，減小了初投資；（2）不影響消防水池的消防功能，能夠解決消防水池水質(zhì)差的問題；（3）與制冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)不同模式的切換；（4）減少用電費(fèi)用，起到削峰平谷的作用。總體來看，將蓄冷技術(shù)應(yīng)用至消防水池中，在經(jīng)濟(jì)上具有一定的可行性，同時(shí)也與節(jié)能環(huán)保的要求相適應(yīng)。

需要補(bǔ)充說明的幾點(diǎn)：（1）在夜間室外溫度最低時(shí)蓄冷,可以提高制冷效率，并非只節(jié)錢不節(jié)能。（2）本項(xiàng)目出于未來擴(kuò)建考慮，未減少冷水機(jī)組配置，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)至少可以減少研發(fā)辦公用冷量所需要的制冷機(jī)組，消防水池夜間的蓄冷量即可滿足研發(fā)辦公全天的負(fù)荷需求。這樣可減少初投資，進(jìn)一步縮短投資回收期。（3）要提高蓄冷量的利用效率并避免由于冷機(jī)頻繁啟閉導(dǎo)致制冷效率降低，必須合理設(shè)計(jì)蓄冷水池內(nèi)的冷量釋放，且保持制冷機(jī)組均勻的運(yùn)行情況。建議在今后的運(yùn)行過程中收集負(fù)荷信息，進(jìn)行智能的預(yù)測控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行最高效，費(fèi)用最低。