某商业广场冰蓄冷系统的应用

奚宽鲁，周 伟

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070 )

某商业广场冰蓄冷系统的应用

奚宽鲁，周 伟

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070 )

本文介绍了一种冰蓄冷空调系统，采用永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况制冷机组与基载制冷机组进行蓄冰、供冷。该系统具有配电功率低、日间制冷机组制冷效率高、系统控制简单等特点。结合该商业广场的冰蓄冷设计，对蓄冰方式的设计和运行策略进行了分析，并与常规中央空调系统在投资和运行费用方面进行比较分析。结果表明冰蓄冷系统的经济性好于常规中央空调系统。

冰蓄冷；制冰机组；部分负荷蓄冰；运行策略；经济性分析

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，电力能源消耗急剧增加，用电量以每年5%～7%的速度增长。尽管电力基础设施投入在不断加大，仍然满足不了经济高速增长的电力需求。根据国家电网最新数据显示，城市空调供电是造成这种困境的主要因素之一，在一些大中城市空调耗电已占到高峰用电量的30%～40%，并且具备这样的特点：电网系统峰谷差加大，高峰时段电力不足，低谷时段电力得不到有效利用，导致城市电网输配电能力不能适应。

在这种状况下，国务院《“十二五”节能减排综合性工作方案》和国家发改委《电力需求侧管理办法》重点推广应用的节能减排技术——“冰蓄冷”空调技术能较好地解决这个问题：利用夜间电力负荷低的时段进行空调主机制冰，将冷量以冰的形式储存起来，而在电力负荷较大的白天停运制冷主机，通过融冰将夜间储存的冷量释放出来，从而满足用户的负荷需求，解决电网供电压力不平衡的问题，同时，为用户节约电费，降低使用成本。

目前我国每年新建建筑面积约20亿平方米，其中，城市新增住宅建筑和公共建筑约8亿～9亿平方米，为冰蓄冷技术的推广应用提供了巨大市场。我国每年公共建筑新增面积约3亿平方米，如其中30%的新建公共建筑采用格力冰蓄冷空调系统，则每年可节电15亿千瓦时，节煤96万吨，减少二氧化碳排放260万吨，减少二氧化硫排放3.5万吨，新增产值35亿元以上。

1 工程概况

本工程位于海南海口市，总建筑面积92720.93m2。其中地下3层，地上48层，建筑物总高153m(其中裙房高度为22.2m)，总冷负荷为10313kW。本项目建筑主要功能有商业、办公、酒店和会所，其中空调负荷特征是8∶00～22∶00为负荷高峰，夜间仅少量负荷，与蓄冷系统运行特征完全匹配，为充分利用海口地区3.6∶1的峰谷电价比，冷源采用冰蓄冷空调系统，以节约空调系统的运行费用。

2 负荷情况分析与空调冷源系统形式选择

2.1 负荷情况分析

该建筑面积为92720.93m2，其中地下三层，地上四十八层；建筑总高度153m。建筑功能有商场、办公、酒店、会所等，设计日尖峰负荷约为10313kW，采用冰蓄冷中央空调系统进行供冷，其中各功能区的逐时负荷根据中华人民共和国行业标准《蓄冷空调工程技术规程》中逐时冷负荷系数进行取值(建筑逐时负荷见图1)。

图1 建筑逐时负荷

通过计算得知设计日最大冷负荷为10313kW，设计日总冷负荷123386kW，电力峰段的累计冷负荷为60766kWh。

2.2 空调冷源系统形式选择

冰蓄冷中央空调是指建筑物所需冷量的部分或全部在非空调时间利用蓄冰介质的显热及其相变过程的潜热迁移等特性，将能量以冰的形式蓄存起来，然后根据空调负荷要求释放这些冷量，故在用电高峰时期便可少开甚至不开主机。当空调使用时间与非空调时间和电网高峰和低谷同步时，就可以将电网高峰时的空调用电量转移至电网低谷时使用，达到节约空调运行费用的目的。在一般大楼中,空调系统用电量占总耗电量的35%～65%,制冷主机的电耗在空调系统中又占65%～75%。

在常规空调设计中，冷水主机及辅助设备容量均按尖峰负荷来选配，使空调系统的电力容量增大，而且实际运行负荷变化范围大，使主机等空调设备偏离最佳工况点运行，机组实际运行能效低。空调负荷的分布极不均衡，尖峰负荷约占总运行时间的6%～8%，空调主机的利用率低，浪费配电设施及其他相关投资。假若空调主机在接近恒定工况下运行或设计工况与运行工况更加匹配,机组高效运行,对系统节能是十分有利。采用冰蓄冷中央空调后，可以选择相对较小的主机，在夜间主机蓄冰，白天主机与蓄冰装置一起工作满足空调负荷，全日主机利用率将极大提高，用电负荷将非常平均，相应的配电设施及其他投资效益大幅度提高。

冰蓄冷串联系统供冷时，乙二醇溶液首先经过冷机在空调工况下降温以保持较高效的工作，再经冰槽的冷却使乙二醇溶液的温度进一步降低，这样板式换热器的进出口处乙二醇溶液可以达到较大的温差，从而使得在相同的负荷条件下，串联系统乙二醇溶液的流量较小，因此在相同的条件时串联系统的乙二醇循环泵小于并联系统，从而使串联系统的设备投资和运行费用都优于并联系统，而且串联方式管路更加简单运行可靠。

2.3 冰蓄冷中央空调系统特点

随着社会的发展，中央空调在大中城市的普及率日渐增高。据统计，空调高峰时用电量达到城市用电负荷的25%～30%，加大了电网的峰谷用电差。冰蓄冷中央空调对电网有卓越的移峰填谷功能，是电力需求侧最有效的电能蓄存方法。

冰蓄冷技术具有以下特点：

(1)平衡电网负荷，延缓电厂建设

(2)提高电厂的发电效率、降低燃煤/燃气消耗量，减少CO2和NOx的排放。

(3)对于用户，可以充分利用峰谷电价政策，大幅度节省运行费用

(4)此外，冰蓄冷中央空调对于用户还有以下的一些优点：

1)空调的出水温度低、制冷效果好，降温速度快。

2)空调环境相对湿度较低，空调品质提高，有利于防止中央空调综合症。

3)冰蓄冷空调系统均配备机房控制系统，智能化程度高，可实现参数实时监测，数据统计分析，通过简单的参数设置即可实现系统节能。

4)利用峰谷电价差，平衡电网负荷。减少空调年运行费。

5)在主机出现故障或系统断电的情况下，冰蓄冷相当于应急冷源，增强了系统的可靠性。

6)当因为建筑功能变化或面积增加引起冷负荷增加时，只要增加冰槽内的冰球，即可满足大楼新增冷量需要(针对冰球式蓄冰设备)。

7)冷冻水温度可降低至1.0～3.0℃，可以实现低温送风，节省水、风输送系统的投资和能耗。

2.4 常规电制冷中央空调系统特点

常规电制冷中央空调系统是目前使用最多的空调形式，主机形式也多种多样，具有制冷效率高、系统简单，综合占地小，设备投资少等优点，其不足之处有：

(1)冷水机组的数量及容量较大，相应的其他用电设备(如水泵、冷却塔等)数量、容量也增加，运动设备的增加也加大了维护、维修工作量；

(2)总用电负荷大，增加了变压器配电容量、容量费与配电设施费；

(3)高峰用电量大，不能享受峰谷电价政策，运行费用高，不利于节能；

(4)运行方式不灵活，在过渡季节、节假日或休息时间部分负荷低时，仍需开主机运行，此时浪费了机组的配置能力，增加了运行费用；

(5)在拉闸限电时，出现空调不能使用的状况。

2.5 冰蓄冷中央空调系统设计

冰蓄冷中央空调是一个系统工程，其成功与否，系统各设备的性能优良是基础，同时系统设计也尤为重要，系统设计可根据各设备自有特性辅以控制系统将其有机地形成一个完整的体系。

(1)系统设备的选择：系统设备选用成熟、可靠、性能好的优质产品，主机选用性能优良可靠性更高的永磁同步格力变频离心式冷水机组。

(2)蓄冷模式的选择：本工程采用负荷均衡的分量蓄冷模式，合理配置主机容量和蓄冰容量，使系统技术经济最优。

(3)系统形式的选择：冰蓄冷系统采用效率最高、控制最简单可靠、使用灵活的主机上游+冰槽下游的串联系统。

3 中央空调系统配置说明及运行策略

3.1 冰蓄冷系统配置

根据夜晚谷段负荷，选用了1台1480kW的高效螺杆机组作为基载主机，另选用了2台3340kW(950RT)的永磁同步变频离心式双工况机组，总蓄冰量35805kW·h，占设计日全天总冷负荷的30%左右。

3.2 空调设计日

结合空调逐时冷负荷分布图及淮安地区的电价政策，空调设计日冰蓄冷空调运行方式如图2所示，具体按以下几种工作模式运行：

(1)双工况主机蓄冷模式(23∶00～7∶00)：

这期间为电力低谷时段，自控系统通过电动阀门的切换，形成该模式运行，2台主机制冰模式下满负荷运行，制得35805kWh的冷量储存在蓄冰装置中。

(2)蓄冰装置、双工况主机联合供冷模式(10∶00～20∶00)：

表1 冰蓄冷中央空调系统主要设备一览表

序号名称规格及参数数量单位备注1基载主机LSBLG1480HE/Nb1台2双工况主机LSBLX950SVI2台制冷3340kW，制冰2238kW3蓄冰设备35805kW·h(10191RTH)1套约1000m34板式换热器Q=5300kW，4/12℃，55/135℃2台5板换冷冻泵675m3/h，36m3台6冷冻水泵280m3/h，36m2台变频，两备一用7乙二醇泵700m3/h，36m3台变频，两用一备8冷却泵1755m3/h，30m3台两用一备9冷却塔1890m3/h2台10冷却泵2350m3/h，30m2台11冷却塔2415m3/h1台12乙二醇溶液100%浓度/吨13自控系统PLC1套

图2 100%负荷运行策略

自控系统通过电动阀门的切换，形成该模式运行，合理分配融冰量和双工况主机的运行台数，尽量使主机工作在满负荷状态，以降低运行能耗。

3.3 非设计日负荷运行状况

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，在每一时段内自动调整蓄冰装置融冰供冷与主机供冷的相对比例，以实现分量蓄冰模式逐步向全量蓄冰模式的运行转化，按照蓄冰装置优先供冷的原则，最大限度地限制主机在电力高峰期间的运行，节省运行费用。非设计日蓄冰空调系统按以下模式运行，具体工作模式如图3～图5。

3.4 本工程中央空调系统的工况说明

(1)主机制冰模式

关闭和开启相应电动阀，将双工况主机设定为制冰工况，系统转换为“主机制冰”，开启乙二醇泵后，乙二醇溶液进入主机的蒸发器(蒸发器出水温度-5.5℃)，经主机降温后的乙二醇溶液进入蓄冰装置，将盘管外的水结成冰。

(2)主机与蓄冰装置联合供冷模式

关闭和开启相应电动阀，双工况主机设定为空调工况，系统转换为“主机与蓄冰装置联合供冷模式”，开启乙二醇泵后，从板式换热器热侧来的高温乙二醇溶液(12℃)进入主机的蒸发器降至约7℃后进入蓄冰装置进行融冰，融冰后产生的低温乙二醇溶液(4℃)送至板式换热器冷侧进行换热，根据冷负荷的变化通过相应电动阀调节进入蓄冰装置的乙二醇流量，以稳定4℃的乙二醇供液温度。从集水器回来的13.5 ℃冷冻水进入板式换热器冷却到5.5℃，然后进入分水器送到空调末端满足空调的需求。

图3 75%负荷运行策略

图4 50%负荷运行策略

图5 25%负荷运行策略

(3)融冰单独供冷模式

关闭和开启相应的电动阀，关闭制冷主机，系统转换为“融冰单独供冷模式”，开启乙二醇泵，从板式换热器回来的高温乙二醇溶液(12℃)进入蓄冰装置进行融冰，融冰后产生的低温乙二醇溶液通过乙二醇泵送至板式换热器冷侧进行换热，进行融冰供冷。根据冷负荷的变化，通过相应电动阀调节进入蓄冰装置的乙二醇流量，以稳定4℃的乙二醇供液温度。

(4)主机单独供冷模式

关闭和开启相应的电动阀，将双工况主机设定为空调工况，系统转换为“主机单独供冷模式”，

开启乙二醇泵后，乙二醇溶液分别进入对应的主机蒸发器，经过降温后通过乙二醇泵进入板式换热器进行供冷。该模式一般为非正常工作状态(如系统检修冰槽维护等)。

3.5 常规中央空调系统主要设备

常规中央空调系统主要设备见表2。

4 方案经济性分析与比较

海南地区商业用电电费一般按二部制计费，其电费有电度电费和基本电费构成。

电费根据电表度数和时间段电价进行计算，基本电费根据客户变压器容量或最大需量进行计算。

蓄冷空调谷段电价为0.292元/kWh，峰谷电价差为0.7661，电价比为3.6∶1高于全国多数地区，宜采用冰蓄冷系统。

表2 常规中央空调系统主要设备一览表

序号名称规格及参数数量单位备注1主机1LSBLX700SVE3台2主机2LSBLG1480HE/Nb3台3冷冻水泵1420m3/h，36m4台变频，三用一备4冷冻水泵2280m3/h，36m4台变频，三用一备5冷却水泵1350m3/h，30m4套三用一备6冷却水泵2540m3/h，30m4套三用一备7冷却塔1415m3/h3台8冷却塔2636m3/h3台5自控系统1套

4.1 夏季空调年运行费用分析

海口地区的中央空调系统，若每年供冷运行的天数300天计算，其中100%设计日负荷运行天数为55天；75%设计日负荷运行天数为85天；50%设计日负荷运行天数为115天；25%设计日负荷运行天数为45天。

4.2 冰蓄冷系统与常规系统综合投资对比

冰蓄冷系统与常规系统两个方案的综合投资对比见表3。

表3 冰蓄冷系统与常规系统综合投资对比表

内 容方案一冰蓄冷中央空调系统方案二常规中央空调系统备 注尖峰冷负荷/kW1090010900冷水机组容量/kW816011800节省31%机房设备用电功率/kW25503015估算机房设备配电容量/kVA32003800取20%的余量投资估算机房总造价 万元17201440含冷却塔、水泵、主机、分集水器及机房管路系统主机年运行费年基本电费/万元994511758估算年运行电费/万元2352132331仅主机运行费总计3346644089年节省10623万回收年限/年264———

注：(1)两个方案的中央空调末端系统按相同设计施工考虑；(2)以上两个方案需在同一设备档次下进行比较。

5 结论

由以上经济分析可以看出，采用冰蓄冷系统，初投资会增加，但是静态回收期一般为3～5年，而由于峰谷电价差大，且有国家政策支持电价差在不断调大，所以较常规中央空调系统每年均可节约27%左右的运行电费，对于中央空调系统15～20年的设计寿命来说，长期的综合效益非常显著。

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ApplicationofIceStorageSystemforEmporium

XI Kuanlu，ZHOU Wei

( GREE Electric Appliances,Zhuhai 519070 )

In the present study,a new ice storage system was introduced,and it uses permanent magnet synchronous inverter centrifugal dual duty refrigerating unit combined with refrigerating unit of based load.This system has the advantages of low power,high COP in daytime and simple control.According to the ice thermal storage design of a financial center,the ice-storage method and the operation strategy of this system were also introduced,meanwhile the investment and operating cost differences between this system and conventional ice storage system were analyzed.The results indicated that the economy of this ice storage system is superior to that of the conventional central air-conditioning system.

Ice thermal storage；Ice machine；Partial load ice storage；Operation strategy；Economic analysis

2017-7-5

奚宽鲁(1988-)，男，工程师，研究方向:冰蓄冷空调系统运行策略、制冷主机与蓄冷空调系统匹配性研究。

E-mail：lu062@126.com。

ISSN1005-9180(2017)04-040-07

TU831文献标示码B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.008