中华园冰蓄冷空调系统的设计与经济分析

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【摘 要】 介绍了冰蓄冷空调的系统设计、设备的选择、系统的特点和运行情况，表明冰蓄冷空调系统能够达到平衡电网负荷，减少装机容量，降低运行费用的目的。

【关键词】 冰蓄冷 空调系统 能耗 优化设计 蓄冰装置 双工况主机

0 引言

近几年来，空调系统蓄能技术有很大发展。为改进系统性能，空调系统的现代化实际已扩展至各个领域。在能耗成本不断增长的情况下，为了提高人们的生活标准，而研究出许多空调蓄能方法。从现代应用技术观点来看，冰蓄冷是一种较新的方式，它是在夜间用电低谷期，采用电制冷机组制冰，将冷量以冰的方式储存起来。在白天用电高峰期，把储存在冰中的冷量释放出来，以满足制冷负荷的需要。冰蓄冷可利用电网峰谷政策，大大降低空调系统的年运行费用；可减少制冷机组和辅助设备的容量，从而降低空调系统电力装机容量和变配电设备的投资费；并能实现低温供水或低温送风，进一步节省水管系统或风道系统的投资和能耗。

1 系统设计

1.1 项目简介

中华园位于大连华南广场加洲洋房商业区，该项目为一类高层建筑，建筑总面积60000 m2，地下二层，地上十一层，地下二层为车库，地下一-六层为综合商场，地上七-十一层为公寓，公寓采用地热。综合商场建筑面积38000 m2，夏季冷源采用冰蓄冷，根据负荷估算，在最热季节（7、8月份）时，白天最高冷负荷为1750冷吨，按照冰蓄冷系统理论设计，需要配置3台螺杆式双工况机组运行供冷，同时需要配置约5796冷吨-小时的贮冰装置。

1.2 大连地区分时电价表

为缓解电网昼夜不平衡运行的压力，电力部门制定有关政策，以控制用户在电力高峰期的用电量。采用蓄冰空调可减少空调系统装机容量，同时可利用夜间谷电储存冷量，满足在电力高峰期的空调负荷需要，节约系统运行成本。大连地区实行三段制电价，具体参见表1：

1.3 设计日逐时热负荷表

中华园综合商场每天营业14小时，全年180天需要供冷。根据建筑面积及建筑类型估算本项目在最热供冷周期内的总计负荷：18183（TR-Hr）。

1.4 系统设计

冰蓄冷系统相对于常规空调系统，增加了贮冰装置和板式换热器等设备，因此在系统布置上也有特别的讲究，合理的系统布置可以提高冰蓄冷系统整体的供冷能力。通常冰蓄冷系统有2种布置方式：串联布置和并联布置。本方案以目前国内常用的串联布置模式设计，也就是制冷机组与贮冰装置串联连接，这种方式的设计可以有效的控制出水温度，使之在系统运行时始终可以保持在设计值，同时对于自控系统而言，由于只需控制贮冰装置的出口温度，因此也易实现。而并联系统，影响出口温度的因素包括贮冰装置和制冷机组的出口温度，要控制好这2种设备，使之都能达到设计要求的温度，对自控系统的要求就会相对增加不少，甚至可能出现无法控制的局面，造成冰蓄冷系统设计失败，这样的案例在国内亦有发生。近年来，随着对冰蓄冷系统研究的深入，设计经验的增加，在冰蓄冷系统中，制冷主机和贮冰装置串联布置的设计已经成为一种主流。

目前在国内常见的贮冰装置有盘管式、冰球式以及冰板等。相对而言盘管式贮冰装置由于供冷稳定，适用于在供冷周期内需长期供冷的建筑物，包括酒店、办公楼以及商场等，而冰球的特点是短时间可大量释冷，但供冷周期不长，特别是到供冷末期，温升很大，很难保证出口温度，影响系统特性。

1.5 运行策略及负荷分配

本次方案采用的是部分蓄冰系统策略。在该策略下，蓄冰系统按以下几种工作模式运行。

a.双工况机组制冰

通常在夜间低谷电价时段，双工况机组制冰蓄冷，

b.融冰、双工况机组联合供冷

由于贮冰装置的释冷是有限制的，每种蓄冰装置均有每小时最大释冷量的限制，因此在空调供冷期中，基本采用贮冰装置与制冷机组联合供冷得运行模式。

c.融冰供冷

在日间空调工况，在负荷较小（一般小于贮冰装置每小时最大释冷量）且高峰电价时段，为了更多的节省运行费用，常采用融冰供冷模式，当负荷超过贮冰装置每小时最大供冷量，启动制冷机组补充供冷，此时转入融冰、双工况机组联合供冷模式。

d.双工况机组供冷

为了有效的分配贮冰装置的蓄冷，使之合理的在整个供冷周期内供冷，会在部分平谷电价时段，采用来双工况主机供冷模式来满足需求。

2、投资回收分析

蓄冰空调系统设备估价：（如表2）

常规空调系统设备估价：（如表3）

装机容量（配电）分析：

采用蓄冰系统后总的制冷机组装机电容量为1209KW，若采用常规空调制冷，其总的装机容量为1578KW，采用蓄冰系统后总的装机容量可减少369KW，约削减电力配置24%。

设备占地分析：

采用蓄冰空调系统后，相比较常规系统需增加蓄冰装置的占地，本项目蓄冰量为5960TR-HR，大约需增加占地200平方米。

运行费用估算：

本项目夜间采用谷电价：0.398元/千瓦时，由于本系统按约克SUIT理论设计，因此，日间采用平均电价来分析运行费用，采用平均电价为0.994元/千瓦时（除去低谷电时段）。

对于常规机组运行在空调工况下，产生每1TR所需的耗电量：取能耗比0.9KW/TR（常规7℃出水，并考虑系统其他设备的运行能耗）

则每产生1TRH的运行费用为？ 0.9*0.994=0.8946元

对于制冷机组运行在制冰工况下，产生每1TR所需的能耗比取1.1KW/TR（制冰工况-6.5C出水，并考虑系统其他设备的运行能耗）

则每产生1TRH的运行费用为1.1*0.398=0.4378元

通过蓄冰系统，每转移1TRH节省的运行费用为：0.8946-0.4378= 0.4568元

现在设计的系统需冰量约为5960TR-Hr（根据夜间制冰7小时算），则一天节省的运行费用为：0.4368*5960 =2603元

按每年运行180天（6个月）计算，则每年节省的运行费用为：2603*180 = 46.9万元

因此，每年采用蓄冰系统以后，每年可节省的运行费用为：46.9万元

蓄冰空调系统的初投资会比常规系统多（947-748=199万元），而蓄冰系统的装机容量会比常规机组减小369KW，考虑到节约的运行成本，以及电力部门对于蓄冰系统的优惠政策，本项目4.3年可收回初期多投资的部分，并能使以后每年可以节省更多的运行费用。

20年运行费用计算：

中央空调系统机组的寿命通常在25年至30年。以20年为限，由于冰蓄冷系统每年都比常规空调系统节省运行费用，20年后本项目累计可节省运行费用938万元。除去增加的初投资，系统使用20年后总共可节约739万元

3、结论

在合理稳定的分时电价政策调控下，只要相关设备的性能价格比合理，冰蓄冷空调系统的运行控制策略最佳，一定会为业主或用户带来长远的经济效益。

参考文献

[1] 李向东等.蓄冷空调系统的负荷计算.暖通空调，1998 （3）.

[2] 巨永平等.空调工程中的蓄冷技术.暖通空调，1995 （5） ^-1996 （3）.

[3] 严德隆，张维君主编.空调蓄冷应用技术.中国建筑工业出版社，1997.

[4] Wayne S.Evans.Ice Storage Cooling For Campus Expansion.ASHRAE Journal，April 1998.

[5] Ross D.Montgomery，P.E.Ice Storage System For School Complex. ASHRAE Journal， July 1998.