冰蓄冷空调技术基础知识详解

冰储冷空调技术介绍1. 冰储冷空调原理及意义随着国民经济的发展，我国各行业对电力的需求越来越大，在国家 投入大量资源进行大规模电力设施建设的同时，由于各行业用电时段的不 均衡，导致电网的峰谷差也越拉越大。这一方面导致对电力需求的畸形增 长，浪费国家大量财力，同时对电力设施正常运行带来危害及隐患；另一 方面也造成能源的大量浪费，加剧环境污染。占峰电时段用电比例很大的空调用电，用电与电网峰电时段相重叠, 而在谷电时段基本不运行，是拉大电网峰谷差的主要元凶。在空调制冷工 程上采用冰储冷技术，让制冷设备在夜间用电低谷时段运行，将冷量利用 冰的形式储存起来，供白天峰电时段空调使用，就能起到移峰填谷的作用， 有力地降低电网峰谷差。因此，推广应用冰储冷技术具有重大的社会和经 济意义。为了引导电力需求侧避峰用电，起到降低电网峰谷差的目的，电力 部门也相应地在全国范围内推出了峰谷电价。以山东省济南市为例，峰谷 电价如下：某市峰谷电价明细表单位：元/KWh时段电价峰电8:00-11:0018:00-23:001.0210 元/ 度平电7:00-8:0011:00-18:000.6381 元 / 度谷电23:00-7:000.2552 元/ 度这就为冰储冷技术的应用开辟了广阔的市场空间築徳網zhulonQ.com2. 国内冰储冷事业的回顾及展望在20世纪90年代早期，冰储冷技术在国内暖通空调界曾经引起极 大的关注，掀起了一阵技术研究及市场推广的热潮。但由于当时国内缺乏 成熟的专业工程公司进行系统集成，致使冰储冷技术的实际应用面临重重 阻力，无法实现大面积市场化，无法使冰储冷技术在空调领域占据应有的 地位。市场需要有志于冰储冷技术推广应用的专业团队不断地积累经验， 在夹缝中寻求突围。经过这些年的努力和坚持，以杭州华电华源环境工程 有限公司为首的一批专业工程公司茁壮成长起来，技术实力不断增强，工 程业绩不断增多，市场声誉不断提高。随着冰储冷空调在市场上的重新崛起，国内的许多专业人士和业主 也重新对冰储冷技术投入了极大的热心和激情。冰储冷空调技术的春天已 经来临。与冰储冷技术相结合的大温差、低温送风等前沿技术也得到了研 究和推广。3. 冰储冷系统介绍由于冰储冷技术在国内推广应用时间比较短，有很多暖通的专业人 员对这一技术还很陌生，在此笔者就冰储冷空调作一简要介绍。重点侧重 于冰储冷空调不同于常规空调的注意事项。3.1冰储冷空调的负荷计算无论是常规还是储冰空调，设计的基础工作是对建筑物进行逐时冷 负荷的计算。设计人员在进行常规空调设计时，普遍是根据工程的建筑面 积及使用功能，对工程的尖峰负荷按照单位面积负荷进行估算。而储冰空调必须计算出建筑物设计日逐时冷负荷，并画出冷负荷曲线图，根据建筑 物的实际情况来确定最合理经济的储冰量和制冷主机容量计算设计日逐时冷负荷，应根据建筑物各部分的使用功能、当地的 地理位置及气象数据、建筑物维护结构特点、人流、新风量等诸多因素进I行综合分析，用时段平均法或传递函数法详细计算。但上述计算方法工作 量大且复杂，通常在方案设计时，先采用由大量工程实践分析、比较、归 纳得出的民用建筑空调冷负荷估算指标进行估算，项目正式成立后再利用 负荷计算软件作详细的逐时负荷计算。民用建筑空调冷热负荷估算指标表1:部分民用建筑空调负荷估算指标序号建筑类型和房间名称冷负荷 （W血）热负荷 （W加）1宾馆、饭店 客房（标准层）80 11060 70酒吧、咖啡室100180西餐厅160200中餐厅、宴会厅180350商店、小卖部100160中庭、接待90 120小会议室（允许少量吸烟）200300大会议室（不允许吸烟）180280理发、美容120 180健身房、保龄球100 200弹子房90 120室内游泳池200350舞厅（交谊舞）200250舞厅（迪斯科）250350办公室90 1202办公楼（全部）90 11560 80超咼层办公楼10514570 853百货大楼、商场 底层25030060 80二楼或以上2002504超级市场15020060 805医院高级病房 一般手术室 洁净手术室X光、CT B超诊断室80 11010015030045012015065 806影院、剧院 舞台（剧院） 观众厅休息厅（允许吸烟） 化妆室25035018035030035090 12080 907体育馆比赛馆观众休息厅（允许吸烟） 贵宾室1203003003501001201201508展览厅、陈列室13020090 1209会堂、报告厅15020012015010图书馆（阅览）75 10050 7511公寓、住宅80 9045 70建筑物冷负荷瞬时系数为了使设计者较快、方便、准确地计算设计日逐时冷负荷，通过大 量科学统计，提出了建筑物冷负荷瞬时系数。表2:建筑物冷负荷瞬时系数功能写字楼宾馆商场餐厅咖啡厅夜总会保龄球1: 000.162: 000.163: 000.254: 000.255: 000.256: 000.507: 000.310.598: 000.430.670.400.340.329: 000.700.670.500.400.3710: 000.890.750.760.540.480.3011: 000.910.840.800.720.700.3812: 000.860.900.880.910.860.400.4813: 000.861.000.941.000.970.400.6214： 000.891.000.960.981.000.400.7615： 001.000.921.000.861.000.410.8016： 001.000.840.960.720.960.470.8417： 000.900.840.850.620.870.600.8418： 000.570.740.800.610.810.760.8619： 000.310.740.640.650.750.890.9320： 000.220.500.500.690.651.001.0021： 000.180.500.400.610.480.920.9822： 000.180.330.870.8523： 000.160.780.4824： 000.160.710.30将不同功能建筑面积乘以表1中民用建筑冷负荷估算指标，再乘以表2中建筑物冷负荷瞬时系数，即为该功能建筑体该时段所须冷负荷。把 同一时段不同功能建筑体冷负荷相加，即可获得建筑物设计日逐时冷负荷， 以此画出逐时冷负荷曲线图。在确定储冰模式之后，即可据此确定冰储冷 空调储冰量、制冷主机、水泵（乙二醇泵除外）、冷却塔等机房所有空调设 备规格、参数。3.2储冰模式及系统设备配置在确定储冰模式之后，即可根据建筑物的逐时负荷图确定冰储冷空 调储冰量、制冷主机、水泵、冷却塔等机房所有空调设备规格、参数。储 冰模式主要有全量储冰和分量储冰。321全量储冰在谷电时段将建筑物所须冷量以冰的形式全部制备好，以供建筑物 峰电（平电）时段使用。制冷主机只在谷电时段运行，系统运行费用最省。 但该方案配置的储冰装置和制冷主机容量最大，导致初投资也大大增加。图1全量储冰模式空调负荷全量储冰模式系统设备配置方法：CP=(TH+Q / (IH X CCR(3-1 )QI=CP X IH X CCR(3-2)式中：CP-制冷主机制冷量，RTTH 根据建筑物逐时负荷图计算出的全天负荷，RTh;Q 储冰设备热损失，RThIH 制冷机储冰时间，h;CCR 制冷主机制冷量变化系数，即制冷主机制冰工况制冷量 与空调额定工况制冷量之比。由于主机制冰时蒸发温 度降低，导致主机 COP值下降。三级压缩离心式冷水 机组、螺杆式冷水机组取0.7,往复式冷水机组取0.65 ;QI 储冰设备总储冰量，RTho分量储冰在谷电时段将建筑物所须冷量以冰的形式部分制备好(一般为全天 负荷的30%-50%,建筑物峰电(平电)时段由制冷主机与储冰设备联合供 冷。在实际运行中，设计日负荷按分量储冰设计，在过渡季节或部分楼层 不使用时逐渐转为全量储冰模式运行。在节约初投资与节约运行费用之间 找到最佳平衡点。分量储冰模式分为：主机优先分量储冰模式、融冰优先分量储冰模 式。322.1主机优先分量储冰模式建筑物峰电(平电)时段所须空调负荷，优先由主机提供，不足部 分再由储冰设备提供。采用主机优先模式，系统所须制冷主机及储冰设备 容量最小，相应初投资也最省。同时主机满负荷运行，效率高。图2主机优先分量储冰模式空调负荷主机优先分量储冰模式系统设备配置方法：CP=(TH+Q / (OH+IHX CCR(3-3)QI=CP x IH x CCR(3-4)式中：CP-制冷主机制冷量，RTTH 根据建筑物逐时负荷图计算出的全天负荷，RTh;Q 储冰设备热损失，RThIH制冷机储冰时间，h；CCR 制冷主机制冷量变化系数，即制冷主机制冰工况制冷量 与空调额定工况制冷量之比。由于主机制冰时蒸发温 度降低，导致主机 COP值下降。三级压缩离心式冷水 机组、螺杆式冷水机组取0.7,往复式冷水机组取0.65 ；QI储冰设备总储冰量，RTh;OH-制冷主机直接供冷时间，ho公式修正说明：根据该计算方法得出的制冷主机制冷量(CP需与建筑物逐时负荷进行核对。该计算方法的前提是制冷主机供冷时都是满负 荷运行的，若出现某些主机供冷时段空调负荷小于主机额定制冷量，必然 出现实际供冷量小于全天负荷。此时就必须对制冷主机制冷量及系统储冰 量进行修正。例如有三个小时建筑物冷负荷 Q1、Q2 Q3均小于CP可用以下公式 进行修正：OK = (OH-3)+ (Q1+Q2+Q3/CP(3-5 )CP=(TH+Q / (OH +IH x CCR(3-6 )QI二CP IH x CCR(3-7 )322.2融冰优先分量储冰模式建筑物峰电(平电)时段所须空调负荷，优先由储冰设备提供，不足部分再由制冷主机提供。采用融冰优先模式，系统所须制冷主机及储冰设备容量相对增大，相应初投资也增大。主机长期运行在部分负荷下，制冷效率相应降低，也不利于主机的正常维护。时间1_储冰负荷 L主机供冷 L融冰负荷图3融冰优先分量储冰模式空调负荷融冰优先分量储冰模式系统设备配置方法：CP=(TMkOH / (OH+IHK CCR(3-8)QI二CP x IH x CCR(3-9)式中：CP-制冷主机制冷量，RTTH 根据建筑物逐时负荷图计算出的全天负荷，RTh;Q 储冰设备热损失，RThIH 制冷机储冰时间，h;CCR 制冷主机制冷量变化系数，即制冷主机制冰工况制冷量 与空调额定工况制冷量之比。由于主机制冰时蒸发温 度降低，导致主机 COP值下降。三级压缩离心式冷水 机组、螺杆式冷水机组取0.7,往复式冷水机组取0.65 ;QI 储冰设备总储冰量，RTh;OH-制冷主机直接供冷时间，h;TM设计日建筑物空调尖峰负荷，RT小结：采用全量储冰模式或融冰优先分量储冰模式进行系统设备配 置，将大大节约设计日的空调运行费用；而在过渡季节，主机优先分量储 冰模式具有同样的经济运行性能。由于建筑物在大部分时间（85%以上）均运行在过渡季节，为了节约剩余15%设计日的运行费用，而按照全量储冰模 式或融冰优先分量储冰模式进行系统设备配置，大幅度增加初投资就显得 很不经济。在通常情况下，系统按主机优先分量储冰模式设计。实际运行 过程中，由于多数时间内建筑物冷负荷都小于设计日冷负荷，因此，可根 据建筑物实际所需冷负荷，逐步向融冰优先分量储冰模式、全量储冰模式 转化。3.3冰储冷系统流程介绍有了建筑物空调逐时负荷图，再确定了系统储冰模式，就能利用上 文提到的计算公式对整个空调系统（除乙二醇泵外）进行设备配置了。而 要确定乙二醇泵的参数，还需确定系统流程。根据制冷主机与储冰装置相互关系分：串联流程、并联流程331串联流程图4主机上游串联流程主机上游串联系统流程图主机上游串联流程各运行方式设备开启情况表运行方式制冷主机乙二醇泵三通阀1三通阀2制冰开开c bac融冰供冷关开c a调节制冷机单供冷开：开：c aab制冷机与融冰同时供冷开开c a调节332并联流程图5并联流程集水器分水器|泵醇r三通阀初级乙二醇泵温度传感器双工况制冷主机储冰槽流量传感器并联系统流程图并联流程各运行方式设备开启情况表运行方式制冷主机初级 乙二醇泵次级 乙二醇泵电动调节阀V1三通阀制冰开开关全开关融冰供冷关关开调节调节制冷机单供冷开开开关c a制冷机与融冰同时供冷开开开调节调节4.冰储冷系统配置及经济分析实例确定建筑物空调逐时负荷图、系统储冰模式、冰储冷系统流程，就 能对整个空调系统所有设备进行配置了。现以某建筑物为例，举例如下，以方便读者理解。4.1.确定建筑物空调逐时负荷图工程概况：某大厦建筑面积 55000ml其中办公楼28000(90W/rn)，築徳網zhulonQ.com商场20000吊（200W/m）,停车场7000吊（不考虑空调）。夏季空调尖峰冷负荷为560万大卡。冬季空调尖峰热负荷为 3840KW计算过程：先估算出商场的尖峰负荷，再根据表 2提供的瞬时系数,求得商场每小时的空调负荷；对办公楼也作同样处理；再将商场和办公楼 的同一时段负荷相加，得出本工程的逐时负荷图。图6典型设计日逐时冷负荷图4.2系统储冰模式大楼的冰储冷方案选定为主机优先分量储冰模式4.3系统储冰流程大楼选用主机优先串联流程4.4储冰空调系统设备配置计算过程根据建筑物逐时负荷图计算出的全天负荷：TH=17200RTh制冷主机直接供冷时间：OH=10h；根据峰谷电价表，制冷机储冰时间：IH=8h ;系统采用双工况螺杆主机制冰：CCR=0.7制冷主机制冷量：CP=(TH+Q / (OH+IHX CCR =550RT（由于制冷主机供冷时都是满负荷运行的，所以CP值无需修正储冰设备总储冰量：QI=CPX IH x CCR=6160RTh442系统设备配置选用2台制冷量165万大卡（550RT双工况螺杆冷水机组用于供冷与制 冰，制冰时间23:00 7:00，储冰量6200RTH该方案的设备配置及技术参 数详见下表。表4:冰储冷空调系统设备详细技术规格表序 号型号及规格数量单位原产地备注1双工况螺杆冷水机组2台中国外资制冷量：165万大卡输入功率：331 kW2储冰设备1套中国华源储冰盘管6200RTh储冰槽体积4653 m储冰槽面积（净高4米）1202 m3冷冻水泵 KQL300/525-90/62台上海凯泉流量600nVh扬程38m转速980功率90kW4冷却水泵 KQL250/300-55/42台上海凯泉流量500nVh扬程28m转速1480功率55kW5乙二醇泵 KQL200/285-37/43台上海凯泉流量346nVh扬程24m转速1480功率37kW6冷却塔BLSS-5002台上海良机流量500nVh进出水温度37 T /32 C功率22kW7板式换热器3台瑞典进口换热量2200P kW进出温度乙二醇侧（3C10.5 C）水侧（12.5 C7C） H压力降乙二醇侧（0.1Mpa）水侧（0.08Mpa）1 8乙二醇20吨进口9设备动力柜4台华源国产10TP- 27触屏1台西门子德国11可编程控制器PLC1套西门子德国12自动控制系统柜1台华源图7本工程设计日储冰空调逐时运行图n融冰供冷双工况主机供冷主机制冰时间4.5储冰空调运行策略及经济分析运行策略本大楼设计日冰储冷空调运行方式如图2所示，具体能实现以下4种工作模式运行：1）.主机单制冰模式（23:00 7:00）这期间为电力低谷时期，主机全力制冰，至7:00时储冰量达到6200RTh制得的冷量储存在储冰装置中。2）.主机单制冷模式在夏天冷负荷高峰期间，当系统需保存储冰量时，大楼的冷负荷由制冷主机提供。3）.融冰单供冷模式当日负荷较小或大楼需全部溶冰时， 大楼的冷负荷由融冰提供，不需开 启主机。4）.主机与融冰联合供冷模式在酷热夏天冷负荷高峰期间（9:00-18:00时段），制冷主机在空调制冷 工况下全功率运行，满足部分冷负荷的需要，其它的负荷由融冰满足。在天气发生变化，当日负荷较小时，系统将依据实际的冷负荷需求，通过 控制系统调节运行模式，自动调整每一时段内储冰装置融冰供冷及主机供 冷的相对应比例，以实现分量储冰模式逐步向全量储冰模式的运行转化， 按照储冰装置优先供冷的原则，最大限度地控制主机在电力高峰期间的运 行，节省运行费用。空调方案经济分析4.521机房初投资比较表5:冰储冷空调设备投资表单位:万元序号名称型号规格数量单位单价总价1双工况螺杆冷水机组165万大卡2台1102202储冰设备储冰盘管6200RTH0.035217 丁3冷冻水泵Q=600mh H=38m2台3.97.84冷却水泵Q=500mh H=28m2台1.6:3.2 15乙二醇泵Q=346mh H=24m2台1.22.46方型横流式冷却塔500nVh2台17.5357落地式膨胀水箱（定压 罐）1台3.03.08电子水处理仪DN4502台3.06.09板式换热器2200KW3台154510 ：乙二醇丁20吨0.612 11设备启动柜西门子器件4台2.49.612自动控制系统西门子PLC1台151513汽水板式换热器n1920KW2台8.0r 16 d合计592表6:常规电制冷空调设备投资表单位：万元序号名称型号规格数量单位单价总价1单工况螺杆冷水机组150万大卡.4台97.53902冷冻水泵Q=600mh H=38m2台3.97.83冷却水泵Q=500mh H=28m4台1.66.44方型横流式冷却塔500nVh4台17.5705落地式膨胀水箱（定 压罐）1台3.03.06电子水处理仪DN4504台3.012.07设备启动柜西门子器件n4台2.49.68自动控制系统西门子PLC1台15159汽水板式换热器1920KW2台8.016合计529.8表7:蒸汽溴化锂空调设备投资表单位:万元序号名称型号规格数量单位单价总价1 1蒸汽双效溴化锂150万大卡4台903602冷冻水泵Q=600ri/h H=38m2台3.97.83冷却水泵Q=600ri/h H=28m4台3.815.24方型横流式冷却塔600nVh4台21845落地式膨胀水箱（定 压罐）1台3.03.06电子水处理仪DN5004台4.0167设备启动柜西门子器件4台2.49.68自动控制系统西门子PLC1台15159汽水板式换热器1920KW2台8.016合计526.6空调系统运行费用比较一年中空调运行时间为120天达到尖峰负荷100%:10天达到尖峰负荷70%: 20天达到尖峰负荷50%: 70天达到尖峰负荷30%: 20天 电价按峰谷电价。1）.冰储冷空调费用（详细计算见附表1）10748.0191 X 120 X 0.7 X 0.75=67.7 万元/ 夏季说明：在过度季节或部分楼层不营业时，系统将采用全融冰工况，则 系统运行费用将大大降低。2）.常规电制冷空调费用（详细计算见 附表2）15329.3356 X 120X 1.0 X 0.75=138.0 万元/ 夏季3）.蒸汽溴化锂空调费用（详细计算见 附表3）14606.0375 X 120X 1.0 X 0.75=131.5 万元/ 夏季4）.采暖运行费用计算14606.0375 X 120X 1.0 X 0.75=131.5 万元/ 冬季经济分析结论表&结论初投资冰蓄冷常规电制冷蒸汽双效溴化锂夏季空调设备投资576.0万元513.8万元510.6万元冬季采暖设备投资16万元16万元16万元配电容量1300KVA2050KVA800KVA变配电设施费30万元50万元15万元蒸汽开户费（10万元/吨）60万元60万元90万元总投资合计682.0万元639.8万元631.6万元运行费用冰蓄冷常规电制冷蒸汽双效溴化锂夏季运行费用67.7万元/夏季138.0万元/夏季131.5万元/夏季冬季运行费用45.6万元/冬季45.6万元/冬季45.6万元/冬季全年运行费用113.3万元/年183.6万元/年177.1万元/年冰储冷与常规电制冷空调系统 比较：初投资增加42.2万元，运行费 用节约70.3万元/年，优越性非常明显。冰储冷与蒸汽溴化锂空调系统 比较：初投资增加50.4万元，运行费 用节约63.8万元/年，优越性非常明显。5.冰储冷空调发展展望冰储冷空调系统在国内要得到更好的发展，在电力系统加大支持力度的 同时，离不开空调界各位专家技术和科研上的支持、也需要从业者的继续努 力。利用冰储冷空调系统提供的优质冷冻水，实现优质的区域供冷空调，也 是冰储冷空调具有更广阔的市场应用空间。