基于雙機頭串聯逆流的大溫差水蓄冷空調系統應用研究

周偉

（珠海格力機電工程有限公司，廣東 珠海 519070）

由于目前我國電力消耗增長迅速，高峰電力緊張，因此，如何轉移高峰電力需求，“移峰填谷”，平衡電力供應，提高電能的有效利用，就成為當前許多國家重點解決的問題。基于此，蓄冷空調技術在我國的應用將成為趨勢，蓄冷技術是指利用夜間低谷負荷電力制冷并儲存在蓄冷裝置中，白天將所儲存的冷量釋放出來，以減少電網高峰時段空調用電負荷及空調系統裝機容量。其能夠有效利用低谷電能，具有平衡峰谷、緩解供應緊張等優點，具有很好的節能效益、經濟效益。

傳統的水蓄冷技術存在蓄冷溫差小，蓄冷占地面積大等問題，本文在常規水蓄冷系統的基礎上，通過優化蓄冷罐提升蓄冷溫差，減少蓄冷罐容積和投資費用。機組采用雙機頭形式，可滿足夜間蓄冷以及白天機組與蓄冷罐聯合供冷，本系統充分利用了雙機頭機組、大溫差水蓄冷、兩級表冷、熱濕聯合處理的優越性，可獲得最大程度上的經濟性和節能性。

1 系統原理

基于溫濕度獨立控制的水蓄冷空調系統，本文公開了一種基于雙冷源兩級表冷的大溫差水蓄冷空調系統，其主要結構如圖1所示，該系統包括雙機頭主機、水蓄冷罐、冷卻塔、水泵、機房輔助設備、末端等裝置，其中冷源為雙機頭機組串聯逆流，可提供2種工況的冷卻水，水蓄冷罐為袋式隔膜水蓄冷罐，溫度呈梯度分布，可直接向末端供冷，無需安裝板式換熱器，減少換熱損耗可以實現大溫差供冷。相比于傳統水蓄冷系統經板式換熱器換熱供冷的模式，系統的蓄冷罐容積與常規水蓄冷系統相比，占用空間可大幅減少。末端為組空機組，采用雙級表冷，雙機頭機組一側提供高溫水到表冷器1，水蓄冷罐提供低溫水到表冷器2，對室內的濕負荷與冷負荷聯合處理。

圖1 系統原理圖

該系統運行模式包含3種模式：（1）主機向水蓄冷供冷，（2）主機與水蓄冷聯合供冷，（3）過渡季節水蓄冷單獨供冷。首先在夜間電力低谷時期，冷水機組運行，將冷量以低溫冷水的形式儲存在蓄冷罐中；在白天時間，由機組與蓄冷罐共同承擔空調負荷，雙機頭主機提供12~20℃的高溫水到組空表冷器1，水蓄冷罐提供4～12℃的低溫水到組空表冷器2，混風經過兩級表冷達到除濕冷卻的目的；在過渡季節，室內空調負荷較小時，空調負荷全由水蓄冷罐提供。

2 系統設計

雙機頭主機采用串聯逆流技術，可以實現大溫差供冷，本文將雙機頭主機與袋式隔膜水蓄冷系統2種技術有機組合，結合組空機組的兩級表冷，使得空調系統在不同季節對應系統不同的供冷模式。

2.1 冷源的選擇

傳統的水蓄冷系統中，制冷主機為單機頭機組，工況為7/12℃，導致水蓄冷罐中的溫差很小，水蓄冷罐所需體積增大。本系統冷源選擇了雙機頭機組，含有2個制冷循環系統，每臺壓縮機內的制冷劑循環相互獨立，即壓縮機1將蒸發器1內的制冷劑吸入其內，然后排入冷凝器1，經節流進入蒸發器1。壓縮機2流程與壓縮機1相同。換熱器的設計采用串聯逆流的方式，當冷凍水流經蒸發器時，冷凍水先經過蒸發器1降溫，再經過蒸發器2再次降溫，同時冷凍水與制冷劑逆向流動換熱。

系統主機為雙機頭主機，采用串聯逆流的形式，制冷機容量需要滿足日間預冷的負荷需求和夜間蓄冷的需求。主機白天供冷時，一個機頭提供12～20℃的高溫水，到達表冷段1，夜晚蓄冷時2個機頭共同工作，其中一個機頭提供的12～20℃的高溫水到達另外一個機頭繼續制冷到4～12℃，低溫水到達蓄冷罐，滿足蓄冷需求。

2.2 末端設計

該系統末端選用組空系統，為了達到更好的除濕效果，冷凝除濕一般要求以7℃或以下的低溫冷水作為冷媒，組空系統包含2個表冷段，冷源系統供給過來的低溫水與高溫水分別接入表冷段1和表冷段2。

室外新風與室內回風混合后依次經過預冷、冷卻除濕過程，最后通過風管送到房間內。負責輸配的送風機采用 EC 變頻風機，可以根據新風需求調節送風量。

（1）預冷過程：新風通過進水水溫為16～20℃的高溫水盤管（預冷器）進行預冷，該過程以顯熱換熱為主。

（2）冷卻除濕過程：預冷后的空氣進入蒸發器進行冷卻除濕，該過程以潛熱換熱為主。

2.3 空氣處理過程

該系統所采用的組空系統采用熱濕聯合處理、一次回風、露點送風的處理方式，系統焓濕圖如圖2所示。根據設計條件確定室內狀態點，由室內的余熱余濕確定熱濕比線，新風從室外狀態點W與室內狀態點N處的回風混合處理到混合狀態點C點，混風經過表冷器1預冷，再經過表冷器2冷卻除濕到露點，混風處理到露點直接送入室內。

圖2 空氣處理焓濕圖

公式（1）~（2）中：

V-混風空氣體積；

2.4 蓄冷罐的選擇

傳統的水蓄冷罐為單一罐體，蓄冷時想要將蓄冷罐的高溫水變為低溫水，需要主機供給的冷量很大，在室內負荷較小時，制冷機供給的冷量小，水蓄冷罐的溫度未達到使用要求，本系統采用2個水蓄冷罐，蓄冷時主機供冷先將水蓄冷罐1充滿，在蓄冷罐1全變為冷水時，低溫水向蓄冷罐2供冷，釋冷時先釋放水蓄冷罐1中的冷水，低負荷情況下水蓄冷罐中蓄冷量很少，采用2個蓄冷罐時，蓄冷優先供給一個蓄冷罐，保證第一個蓄冷罐可以供給低溫水。

系統采用袋式隔膜水蓄冷罐，水蓄冷罐供冷時無需板式換熱器，可以實現大溫差供冷。系統的蓄冷罐容積與常規水蓄冷系統相比，占用空間可大幅減少。蓄冷罐體積由主機蓄冷時工況和蓄冷時間決定。

冷水和溫水之間存在水密度差異。低溫下的水沉積在罐的下方，高溫下的水沉積在冷水之上。高溫水與低溫水間存在袋式隔膜進行分離，供冷時無需板式換熱器；當晚上蓄冷時，空調系統的低溫水從罐體的底部進入，高溫水從罐體的頂部流出；當水蓄冷罐供冷時，低溫水從罐體的底部流出，流經組空末端表冷器2后，高溫水從罐體頂部回來。若同時合理利用消防水池，可以進一步優化該設計。

3 運行模式

根據當地的峰谷電價政策，夜間電力在低谷時，雙機頭主機全負荷運行，供給4℃的低溫水儲存在蓄冷罐中；在白天空調時段時，主機供給12～20℃的高溫水到表冷器1，水蓄冷罐的冷量以4～12℃的低溫水形式供給到表冷器2；系統白天供冷時主機與蓄冷罐一起運行。

所述系統供冷模式包括主機向水蓄冷供冷、蓄冷水罐供冷、主機與水蓄冷聯合供冷、過渡季節水蓄冷單獨供冷。根據圖1系統原理圖來講述各個過程所經過的裝置。

3.1 充冷流程

夜晚電價低谷時，主機向蓄冷罐供冷時，冷凍水依次經過的結構為：蓄冷水罐溫水端——充冷泵——主機——蓄冷水罐冷水端。

3.2 主機與水蓄冷聯合供冷

如圖4所示，主機向表冷段1供冷時，冷凍水經過的結構為：末端回水——水泵——主機——表冷器1；蓄冷水罐冷水端——供冷泵——表冷器2。

3.3 過渡季節蓄冷罐供冷

如圖5所示，過渡季室內冷負荷較小時，系統供冷由水蓄冷罐單獨承擔，4~12℃的低溫水由水蓄冷罐出到達表冷段2，后低溫水變成12～20℃的高溫水到達表冷段1，再回到水蓄冷罐中，低溫水所流經的結構為蓄冷水罐冷水端——供冷泵——表冷器2（4/12℃）——表冷器1（12/20℃）。

4 案例分析

4.1 建筑模型

以某展廳為例來對該建筑空調系統進行闡述，該展廳位于珠海高欄港，位于夏熱冬暖地區，濕度很大。在DEST軟件平臺上建立建筑的負荷模型，如圖3所示。

圖3 建筑全年各項負荷

4.2 模擬分析

展廳空調使用時間為8:00~18:00，適合利用夜間低谷電蓄冷。空調負荷全天峰谷差較小，目前珠海地區實行峰谷電價制，且采用蓄冷空調時，將給予分時電價優惠政策。經過模擬計算案例全熱負荷約495kw，展廳的最高負荷出現在7~9月，在高負荷時，充分利用主機供冷與水蓄冷罐聯合供冷的優勢；在部分負荷時，系統采用水蓄冷單獨供冷。

4.3 運行情況

該展廳夜間空調系統不開啟，選擇雙機頭主機，制冷量為495kw，夜間蓄冷4h，換熱溫差為8℃，則水蓄冷罐體積：

其中：

V-蓄冷罐體積；

Q-主機夜晚制冷量；

蓄冷罐采取低溫水從下方進入，高溫水從上方出，合理利用溫度梯度分布，大溫差水蓄冷系統蓄冷密度大，占用空間更小。

模擬計算，案例全熱負荷為495kw，得到空調負荷設計日工作時段累加總冷負荷。空調系統采用兩級表冷系統，水蓄冷向表冷段2供給低溫水，承擔深度冷卻除濕的冷負荷，當空調負荷處于100%時，主機與水蓄冷罐一起供冷，當空調負荷處于50%及以下時，空調負荷可由水蓄冷罐供冷，此時，低溫水先經過組空表冷段2，再經過表冷段1，最后回流到水蓄冷罐，實現了大溫差供冷，改善了蓄冷罐容積過大的問題。

4.4 全年能耗分析

該辦公樓夜間空調系統不開啟，基載容量不設置。冷機選擇一臺400kW雙工況冷水機組。經計算得出，制冷機裝機容量降低了20%。經核算，設計工況運行蓄冷率為66%。機組夜間蓄冷，夜晚將蓄冷罐蓄滿，白天設置每小時最大低溫水供冷量，當低溫水蓄冷量不能承擔建筑負荷時，多余的冷負荷由機組承擔。以此得到機組白天和晚上的耗電量及機房的能耗匯總如表1所示。

表1 機房全年能耗（單位：kw.h）

冰蓄冷系統選用相對較小的主機，在夜間主機蓄冰，白天主機與蓄冰裝置一起工作滿足空調負荷，全日主機利用率極大提高，用電負荷將非常平均。系統運行費用相較于傳統機組能耗節省優勢巨大。

5 結語

（1）雙機頭水冷螺桿機組采用串聯逆流形式，機組既可以在白天供給12/20℃的高溫水到組空表冷段1，晚上又可以供給4/12℃的低溫水到水蓄冷罐，一機兩用，大幅度降低了機房側設備占用空間，減少了初投資。

（2）水蓄冷空調利用峰谷電價差，夜間蓄冷到水蓄冷罐，白天用冷，可以移峰填谷平衡電網用電負荷，大幅節約系統運行費用，取得顯著的經濟效益。

（3）組空兩級表冷，充分利用冷源系統供給高溫水與低溫水的優越性，熱濕聯合處理，表冷段1對混風預冷，表冷段2冷卻除濕，系統適配性好。

（4）系統采用大溫差蓄冷，減小了蓄冷量，改善蓄冷容量過大的問題，更具有實用、先進性等方面的優勢，運行費用較常規系統更為節約。