水蓄冷技術在藥廠中的應用

張鳳東

（北京天誠同創電氣有限公司，北京 100176）

1.項目概況

1.1 項目簡介

本項目為常規空調系統水蓄冷改造項目，主要供冷區域為生產車間，夏季供冷期（除去休假和廠內大修等情況）合計150d，每天24h 生產，具有穩定的冷負荷需求。

1.2 設計負荷

制冷機房內共有2 臺（1 用1 備）額定制冷量1337kW冷水機組+1 臺額定制冷量1597kW 冷水機組，總峰值負荷負荷為2934kW。

2.技術方案

本項目采用水蓄冷空調系統，預計最大蓄冷量為18810kWh/d，聯合原系統冷水機組，共同滿足廠區的全部冷負荷需求。

擬建設1 個容積為1800m3的蓄冷水罐，蓄冷罐直徑9m，高度28.5m。

2.1 負荷曲線

根據實際運行情況，目前廠房冷負荷峰值約為2934kW。

冷負荷類型為工廠舒適性空調，一個自然日內隨室外溫度的改變各時段冷負荷有波動，峰值冷負荷出現在下午14:00 左右，典型日逐時冷負荷分布如圖1 所示。

圖1 典型日逐時冷負荷曲線圖

2.2 系統配置

2.2.1 蓄冷/放冷工況參數（見表1 和表2）

表1 水蓄冷空調系統蓄冷工況參數表

表2 水蓄冷空調系統放冷工況參數表

2.2.2 制冷機組及其配套

制冷機房內共有2 臺（1 用1 備）額定制冷量1337kW冷水機組，備用冷機處于閑置狀態；1 臺額定制冷量1597kW冷水機組，冷負荷峰值約為2934kW；夜間低谷電價時段采用2 臺1337kW 冷水機組進行蓄冷及白天冷負荷調峰，1 臺額定制冷量1597kW 冷水機組作為夜間機載機組及白天冷負荷調峰。

冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔均利舊。

冷卻塔風機為變頻電機，冷卻水泵為工頻，冷凍水泵進行變頻改造。

2.2.3 蓄放冷水泵

本項目采用直接蓄冷，直接放冷的技術形式，冷量損失少，系統配置簡潔，放冷量調節穩定，切換方便。

新增設3 臺蓄/放冷變頻水泵，2 用1 備，可靈活適應水蓄能系統的各種負荷情況，實現按需供冷。蓄放冷水泵放置于制冷機房內。

2.2.4 蓄冷水罐

新建1 個蓄冷水罐，單個容積約1800m3，蓄冷量18810kWh。

蓄冷水罐做外保溫和防護處理。蓄水罐采用分層式蓄冷布水技術，內部設計有上下布水器，保證水流能夠均勻細密地以層流的形式在蓄水罐內流動，進而在蓄水罐內可形成由上至下，或由下至上的緩慢的水流，使冷、溫水盡可能緩和的摻混，減小斜溫層高度，減小水蓄能系統能量損耗，提高蓄能效率。布水器的設計Froude＜1，以保證蓄水池在豎直方向上的溫度分層。布水器的出口設計Re＜2000，降低對斜溫層的干擾。

2.3 運行策略

將全年供冷分為100%、75%、50%和25% 4 個負荷時段進行測算，以設計日（100%負荷）時的運行策略為例說明：

在電力低谷時段（24：00—7：00）使用制冷站內2 臺額定制冷量1337kW 的冷水機組蓄冷，蓄冷7.4h。在白天運行時，高峰電價時段，使用蓄冷水罐供冷；平價電價時段，優先使用蓄冷水罐供冷，不足部分由冷水機組補充。蓄冷水罐體積約為1800m3，水罐最大蓄冷量為18810kWh，水罐供冷量約占全年冷量需求的52%。100%冷負荷平衡圖如圖2 所示。

圖2 100%負荷運行圖

本系統供冷運行模式主要分為4 種工況：冷水機組蓄冷、蓄水罐單獨供冷、冷水機組單獨供冷和冷水機組＋水罐聯合供冷工況。

2.4 系統投資

根據以上技術方案，水蓄冷空調系統設備配置及工程造價如表3 所示。

表3 水蓄冷空調系統設備配置清單

2.5 電力政策

推行峰谷分時電價政策，對于進行水蓄冷改造的空調系統用電，給予雙蓄電價的優惠政策，10kV 雙蓄電價的分時電價與兩部制大工業分時電價對比表如表4 所示。

表4 雙蓄與常規電價峰谷分時電價對比表（單位：元/kWh）

由表5 可見，采用水蓄冷空調系統，全年削減高峰時段電量約為43.5 萬千瓦時，削減平峰時段電量約為30.5萬千瓦時，填谷段電量約為55.1 萬千瓦時。采用水蓄冷系統，通過耗電量移峰填谷，每年可節約運行電費60 萬元（雙蓄電價）。

表5 電制冷空調系統與水蓄冷空調系統全年制冷站移峰填谷電量及耗電量對比表

2.6 運行分析

根據不同的室外氣象情況，將全年供冷分為100%、75%、50%和25% 4 個負荷時段進行測算。每個負荷段計算一個標準日內制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和蓄放冷水泵在全天的逐時耗電量，得到一個標準日內的耗電量，從而計算全年的耗電總量，進而得到全年的電費總額。

2.7 電力需求響應

2020 年電網公司正式啟動各省市電力交易現貨試點，各省市均出臺電力需求響應的相關政策。蓄能型空調，作為靈活可調節負荷，可參與電力需求響應的移峰或填谷類調節，可享受經濟補助。

具體到本項目，系統的電力轉移能力如表6 所示。

表6 電力轉移能力表

3.水罐流場仿真驗證

采用CFD 仿真模擬計算方法對蓄冷罐蓄冷放冷效果進行仿真分析，通過分析內部溫度場、流場分布合理性得出最優蓄水罐設計方案，以分析解決蓄水罐可能出現的布水不均勻、無法形成斜溫層出現混水或斜溫層[2]過厚等問題。

本模擬過程溫度場形成穩定厚度斜溫層，保證了實際充冷率。實際工程，很少進行模擬仿真驗證導致實際運行中不能形成斜溫層，甚至整個水罐蓄滿混水，導致不能放出設計工況的低溫冷水，達不到蓄能效果。

4.結論

（1）水蓄冷空調系統的應用既節省了運行成本，又有利于電力市場調節，經濟效益與社會效益并存。（2）通過對水罐蓄冷放冷流場模擬仿真驗證，得出形成穩定溫度場與速度場的流場效果，保障實際運行更加貼合設計工況。