浅谈冰蓄冷低温送风理论结合实际项目

　浅谈冰蓄冷低温送风理论结合实际项目

　 1.引言：

　随着我国建筑需求量不断攀升，导致建筑能耗所占比重不断提高，而建筑能耗里，用于暖通空调的能耗又约占建筑能耗的50%，且随着暖通空调系统的广泛应用，用于暖通空调系统的能耗将进一步增大。这势必会使能源供求矛盾的进一步激化。另一方面，现有的暖通空调系统所使用的能源基本上是高品位的不可再生能源，其中电能占了绝对比例。但由于高峰与低谷间负荷差极大，大多城市电网面临高峰期电力不足，低谷期电力用不完的情况，为此，高效节能和合理使用峰谷电能可以达到很好的社会效益和经济效益。

　冰蓄冷技术因对均衡电力峰谷负荷作用显著而在国内蓬勃兴起。冰蓄冷即利用夜间低谷负荷电力制冰，利用冰的相变潜热将冷量储存在蓄冰装置中，白天融冰将所储存冷量释放出来，有利用廉价电，减少电网高峰时段空调用电负荷，减少制冷装机容量等优点。但是单纯的冰蓄冷系统，结合常规空调系统，虽能移峰填谷，但可能会使建设总投资较高，实际用电量也增大。而冰蓄冷结合低温送风空调系统则能很好的解决这一问题。

　2.工程概况：

　本项目位于北京CBD地块内。建筑规模186000m2，建筑高度224m，地下五层，地上四十五层。工程性质是以办公为主，配套以零售、餐饮、物业、车库等用房。

　空调冷源采用冰蓄冷（电制冷机组）供冷。冷水机组、冷水板换、水泵等设备均设置在地下五层冷冻机房内，蓄冰槽设于地下五层底部的结构空间内。主要空调形式为变风量低温送风系统。

　3.系统设计：

　（1）蓄冷模式

　本工程空调峰值冷负荷为如下：

　负荷计算表（用华电源软件计算）

　蓄冰主机采用3台标准制冷量为3868 Kw（蓄冰工况制冷量为2415 Kw)的双工况离心式冷水机组。蓄冰槽受土建限制，容量只为12298 RTH，约占设计日空调负荷总量的23%，载冷剂采用质量百分比为26%的乙二醇溶液。蓄冷设备的占用空间是业主与设计者应重点考虑的项目，特别是高楼林立的都市地区，寸士即寸金，有时为增加停车位，而放弃采用蓄冷空调系统，因此蓄冷设备的单位可利用蓄冷量所占用体积或面积是衡量蓄冷设备的一项重要指标，应优先考虑占用空间少，布置位置灵活的蓄冷设备。在设计蓄冷槽体时应注意：槽体必须有足够的强度克服水，冰水混合物或其它冷媒体的静压，槽体应作防腐防水处理，同时应防止水的蒸发。对于埋地式蓄冷槽，槽体还须承受泥土和地表水对槽体四周的压力。

　蓄冷槽体一般每天有l—5%的能量损失，其数值大小取决于槽体的面积、传热系数和槽体内外温差。对于埋地式蓄冷槽设计时必须考虑其冷损失，通常换热系数取0．58～1．9W/ M2．K。槽体材料可选用钢结构、混凝土、玻璃钢或塑料。

　对双工况离心机组设置4台乙二醇循环泵，3用1备，变频控制，并设专用的乙二醇补液泵。冰蓄冷系统设置4台换热量为4100kW的乙二醇换热器，板换一次侧为乙二醇溶液，二次侧为空调系统冷冻水。二次侧设有5台冷冻水循环泵，配合板式换热器4用1备，变频控制。

　图1 蓄冰系统图

　整个冰蓄冷系统采用串联循环回路方式(即制冷机与蓄冰罐在流程中处于串联位置，以一套循环泵维持系统内的流量与压力，供应空调所需的基本负荷。串联流程配置适当自控，也可实现各种工况的切换。串联流程系统较简单，放冷恒定，适合于较小的工程和大温差供冷系统。)，主机上游。特点：适用于蓄冰装置的释冷温度较低且温度比较稳定的系统；冷水机组在较高的温度下运行，运行效率高等。

　采用部分蓄冰方式，整个系统可实现4种工作模式：双工况主机制冰、主机与融冰联合供冷、融冰单供冷、主机单供冷4。四种模式下乙二醇系统配置情况如下表：

　双工况主机制冰

　主机与融冰联合供冷

　融冰单独供冷

　主机单独供冷

　蓄冰装置

　参与

　参与

　参与

　不参与

　双工况主机

　制冰工况

　空调工况

　不参与

　空调工况

　板式热交换器

　不参与

　参与

　参与

　参与

　乙二醇泵

　参与

　参与

　参与

　参与

　设计工况运行策略为主机优先模式，实际运行大部分时间按融冰优先或全融冰供冷模式运行。冰蓄冷系统的融冰供回水温度为3/9.5℃，通过板式换热器向空调系统提供供回水温度为蓄冰4/10.5℃。当室外温度低于12℃时，利用冷却塔和冷却水泵，可通过冷水板换向空调系统提供7.5 /14℃的冷水，换热量约为4100 Kw，冷却水供回水温度6.5 /13℃。

　图2 蓄冰系统100%运行负荷图

　关于冰蓄冷中载冷剂的选择；1）要求载冷剂在工作温度下处于液体状态，不发生相变。2）要求载冷剂的凝固温度至少比制冷剂的蒸发温度低4～8℃，标准蒸发温度比制冷系统所能达到的最高温度高。比热要大，在传递一定热量时，可使载冷剂的循环量小，使输送载冷剂的泵耗功减少，管道的耗材量减少，从而提高循环的经济性。另外当一定量的流体运载一定量的热量时，比热大能使传热温差减小。3）热导率要大，可增加传热效果，减少换热设备的传热面积。4）粘度要小，以减少流动阻力和输送泵功率。5）化学性能要求稳定。载冷剂在工作温度内不分解；不与空气中的氧化合，要求不腐蚀设备和管道。

　（2）空调系统

　大楼大多区域为办公，空调系统采用全空气变风量（VAV）系统。每层设有6台组合式空调机组，风机变频控制。分别负责东西南北四个朝向的外区，及两个不同防火分区的内区，可根据室内负荷变化进行变风量运行。内外分区且朝向分开设置空调箱可避免出现新风不均匀问题。

　室外新风和排风经避难层或屋顶全热交换器的集中热交换后通过大楼的集中垂直管井接至空调机房。空调箱送出的一次风经过每个区的变风量末端（单风道）送至房间内各区域，吊顶集中回风。空调主风管设计送风温度为11℃（冷水盘管出风温度为9℃）。

　（3）空调水系统

　 空调水系统采用四管制系统，冷热水主管采用异程式，在各用户区域内的冷热水管采用同程式。空调冷冻水系统采用一次泵变流量系统，热水系统采用一次泵变流量系统，冷热水十六层以下为低区，十六层~三十六层为中区，三十六层以上为高区。空调冷冻水在十六层设置服务办公中区的一台板换机组，组合了三台换热量为2100 Kw的板换和相应三用一备的水泵，承压为1.6MPa，水泵变频控制。在十六层还设置服务高区的一台板换机组，组合了两台换热量为1700 Kw的板换和相应二用一备的水泵，承压为2.0MPa，水泵变频控制。中区及高区经换热后的冷冻水供回水设计温度为5.0℃/11.5℃，仍为优质的冷冻水。而一般系统的超高层， 经过中间层板换后供回水设计温度为7℃/13℃。因此冰蓄冷技术更具有经济性。

　（4）低温送风风口

　风口采用长方形方形散流器CRD风口，所有风口均需自带风口静压箱，风口静压箱长宽与风口相等，高度不得低于350mm，采用橡塑保温,静压箱的入口处需配有均流阀门，保证风口送风气流均匀。箱体和管道的连接处均需加配风量调节阀门，并需在箱体、管道、风口静压箱、风口安装完毕后后将所有的风口调整平衡至不超过设计风量的15%。

　图3 办公标准层平面图

　3. 应用技术特性分析：

　（1）节能特性

　 eq \o\ac(○,1)冰蓄冷结合低温送风空调系统，融冰一般可得到3℃的水甚至更低。低温送风空调的送风温度普遍被认为是9~11℃。对于24℃的室内设计温度，送风温差可达13~20℃，冷冻水温差可达10~16℃，相对于5℃水温差和10℃送风温差的常规空调系统，风量和循环水量可以减少23~50%和50~69%。

　 eq \o\ac(○,2)冰蓄冷结合低温送风时，输送冷水温度降低，送风温度增大，风量减少，系统的管网和盘管、整个风道系统以及水泵、冷却塔等辅助材料的尺寸和容量方面的要求降低，可降低空调系统设备投资。同时，由于减小了管网和空气分配系统的体积，建筑物可用空间有所增大，降低建筑造价。提高了管道输送负荷能力，尤其适用于改造项目。在运行时，由于风扇和水泵设备容量的减小，其耗电量也会降低。所以，在空调工程中，选用冰蓄冷和低温送风系统相结合的蓄冷、供冷方式在初投资上是可以和常规空调相竞争的。且在分时计费的电价结构下，其运行费用要低得多。

　（2）热舒适性

　低温送风使得空调房间的相对湿度较低，较好地解决了风机盘管机组产生细菌繁殖和气味传递等问题，提高房间的舒适程度。采用低温送风的房间，盘管出口的干球温度降低5.5℃，可使相对湿度达到36%，而常规系统是50%~60%，相对湿度降低及24℃的室内条件使得在使用区内产生清新而凉爽的感觉，同时较小的空气处理设备也减少了空调区的噪声，因此也增加了舒适度。低温送风口空气扩散性能指数（ADPI值）高于95%，且在不影响舒适性的条件下，由于相对湿度较低，室内空气设计干球温度可抬高1℃左右，节省能量。

　但由于大温差送风，使得系统的送风量较小，流速也较低，从而会影响室内的空气品质，同时由于温度低的空气密度比较大，易于下沉，从低温送风系统末端吹出的冷空气下沉影响室内的空气分布；低温射流的贴附长度不够，造成冷风直接进入工作区，使室内人员有吹风感；当风量随负荷减少时，由于射流分布距离短使得冷风射流与空气气流混合不充分，从而造成室内工作区存在着气流的停滞区。

　为解决以上问题，工程采用的是具有热力核芯的高诱导型低温风口。低温一次空气以较高的速度经过核芯周边的小孔，产生对周围环境空气强烈的诱导和卷吸，使送风气流在离开风口时，已具备等同甚至高于常规送风的气流温度，同时风量也急剧增加。该风口的特点是：送风诱导比比常规风口大100~300%，同时射流的贴附长度足够长；风量适用范围大；扩散性能好使得温度梯度小风口本身不易结露；室内的温度、速度场比较均匀，能有效改善空调区由于空气流速过低，温度过低及气流循环量较低而引起的不舒适感。不足之处在于阻力偏大，品种较少，价格较高。

　（3）保温与结露

　 由于通过管网中的空气温度低，在输送过程中容易使管外的空气中水蒸气凝结。有关学者指出适当增加管网保温层厚度，密封强制通风空间可以防止凝结。有些学者还计算了冰蓄冷低温送风空调系统的保温厚度以及风管温升，指出增加保温层厚度会减少低温送风系统的温升差，这样会减小较低的送风温度带来的大的波动。“红宝书”也写道：对于一般的办公建筑，设计时可将1.6℃作为低温送风系统最不利环路因风管得热引起的空气温升值。本工程箱体的支管道均采用镀锌钢管贴保温250mm*250mm（净尺寸）方形风道，外加40mm离心玻璃棉保温，风道末端与风口静压箱可采用连接软管，但根据规范软管的长度不得超过2米。

　（4）自控系统及优化控制方式

　该工程空调系统的设计是全面基于具有国际先进水平的整体化蓄冰空调这一新的设计理念来进行的。空调冷源采用PLC控制，空调系统设备均采用DDC（直接数字控制），带中央程序控制的微电脑控制系统，并纳入楼宇设备自动化管理系统BAS中。

　 eq \o\ac(○,1)冷源控制

　 按时间预设和程序预设，可使系统设备及管路安全可靠并保持最低费用的运行。控制功能主要为：时间预设及负荷预测；最合理地自动操作4种运行模式的启停、运行时间及相互转换。冷冻水供水温度的控制；制冷机组和水泵的台数控制；变频控制及低负荷泵和免费冷却水泵的转换控制，备用水泵的切换控制；冷却水系统的控制；水系统、乙二醇系统的定压及补水（液）控制；制冰量、融冰量、直供冷量及免费冷却供冷的控制及供冷量的优化控制等。

　 eq \o\ac(○,2)空调控制

　根据回风露点温度，自动确定每个可保证舒适的室内干球温度设定值，室内温度和加湿量；根据回风中CO2的浓度设定和保证室内所需的新风量，满足卫生条件和节能要求；其他还有：空调箱的过滤器报警、防冻保护、加湿水槽定时排水、相应部件的联锁控制、必要的参数检测等。

　5.总结

　该工程的设计是由冰蓄冷冷源结合低温送风空调系统相结合。冰蓄冷冷源的削峰填谷能解决高峰时间用电紧张的局面，而低温送风系统较常规空调空调系统来说输送冷水温度降低，送风温度增大，风量减少，降低了初投资。因此有良好的经济效益。采用高诱导型低温风口，可以获得较好的空调效果，满足舒适性。并且设备均采用DDC控制，并纳入楼宇设备自动化管理系统BAS中，可以做到机房无人值守等等。