冰蓄冷系统经济性分析

王 宽 林学友

（中铁建设集团有限公司，北京 100040）

1 概述

随着我国各大城市的夏季电力峰值负荷屡创新高，具有对电力负荷进行“移峰填谷”作用的冰蓄冷技术的应用越来越广泛。中铁建设集团有限公司作为建筑工程总承包特级企业，近年来承接了全国各地多项冰蓄冷工程的设计、施工或研究工作，包括中国铁建科研楼和中国人寿研发中心B 座科研楼等，并进行了“冰蓄冷空调系统设计、安装优化与调试技术研究”和“谷电峰用技术研究“等多项科研立项，在冰蓄冷技术领域积累了丰富的经验。设计人员针对集团自主开发的某综合楼项目，进行了冰蓄冷系统的方案设计和经济性分析。

表1 冰蓄冷制冷系统造价估算表

表2 常规制冷系统造价估算表

2 蓄冰桶设计

冰蓄冷技术分类及其特点按照制冰原理的不同，冰蓄冷技术可分为静态和动态两大类。静态制冰过程中，水通过自然对流换热，冰层首先在换热壁面上形成，然后逐渐变厚。这样就导致形成新的冰层所需的热量传递必须以导热的形式穿过越积越厚的原有冰层，从而严重的恶化了传热效率，致使结冰越来越困难，制冷剂提供的冷却温度也必须越来越低。

该综合楼冰蓄冷系统选用具有自主知识产权的流程等同蓄冰桶（专利权人：中铁建设集团，专利号：201220264131.7）作为蓄冰载体，蓄冰桶壁采用涂塑钢板制作，由聚氨酯发泡保温，具有强度高，保温性能好的特征。蓄冰桶内部装有多组小管径流程等同换热装置。该蓄冰桶的设计理念为通过大量采用低成本的小管径的管束，减少管束间的间距，在单位体积内最大限度增加换热面积，以较薄的冰层厚度获得与常规蓄冰方式相同的冰层体积，从而提高蓄冰桶的传热效率、制冰和融冰效率。这种蓄冰桶的优点包括：传热效率高、制冰速度快，蓄冰空间利用率高，场地适应性高，融冰速度快等。

3 系统设计和负荷分配

3.1 系统设计概述

该综合楼总建筑面积：105831 平方米，按绿色建筑1 星标准进行设计。根据《公共建筑节能设计标准》DB11/687-2009 的规定，本项目处于寒冷地区，应满足冬季保温（夏季隔热）要求。场地内地面建筑各朝向均逆时针偏地理朝向17.95°，体形系数满足规范小于0.4的规定。幕墙采用铝合金框配辐射率≦0.25Low-E 无色间隔层12 中空玻璃（在线，氩气）幕墙系统，玻璃反射比不大于0.3。

图1 100%负荷下各种工况的负荷

图2 75%负荷下各种工况的负荷分配

图3 50%负荷下各种工况的负荷分配

图4 25%负荷下各种工况的负荷分配

使用能耗模拟软件对本工程空调运行能耗进行模拟，得出夏季空调系统设计峰值冷负荷为10100kW，夏季设计日总冷负荷为：101139kWh。制冷系统采用冰桶盘管内融冰蓄冷系统，制冷机组与蓄冰桶串连连接。系统设计供冷能力为10150kW。夏季设计日总蓄冰量即最大日蓄冰冷能力按设计日负荷的30%左右考虑，为8600RTH（30134kWh）。采用2 台850RT 的双工况离心机组供冷和制冰，另采用200RTH 蓄冰桶43 个。整个系统可按四种模式运行，即双工况主机制冰模式、双工况主机供冷模式、双工况主机与蓄冰槽联合供冷模式、蓄冰池融冰供冷模式。乙二醇溶液供回水温度3.5℃/11℃，可经板式换热器换热为空调末端系统提供7℃/12℃冷冻水。空调系统供冷每天运行时间为24 小时，共运行150 天。

3.2 控制策略设计

冰蓄冷系统大部分时间是在部分负荷工况下运行，为了充分利用蓄冰桶和制冷机的供冷能力，最大限度的降低系统运行电费，空调冷负荷在不同时段分别由制冷机和蓄冰桶承担。结合北京市的电价政策，双工况制冷机在夜间的电力低谷时段23:00-7:00 进行蓄冰，具体控制策略如下：

（1）释冰和双工况相比，释冰优先，即尽量多的释冰，释冰不够承担的负荷再由双工况主机承担；

（2）夜间蓄冰量等于白天释冰量；

（3）水泵、冷却塔按照一机一泵一塔的原则起停；

（4）选用分时融冰方案，优化设备开启。此外，根据各个月份不同负荷特征，调整设备开启台数和时间。

3.3 各工况的负荷分配

在这种运行策略下，可以使空调供冷得到最优化的分配，同时尽可能的降低了运行电费。该系统当日极值负荷在与设计极值负荷的比 例 在100%、75%、50% 和25% 情 况 下 的具体逐时负荷分配情况见下列图1-图4。

4 初投资计算

针对该综合楼项目，分别针对冰蓄冷系统和常规空调系统进行初投资估算如表1、表2 所示。

5 运行费用和投资回收期计算

通过模拟分析蓄冰系统的运行，结合北京市电价政策，可以计算得出蓄冰系统的运行电费。该建筑的空调供冷期按150 天来计算，蓄冰空调系统每年夏季空调运行电费可节省约53.5 万元。

结语

本文选取某综合楼为对象，给出了冰蓄冷制冷系统的设计方案，并与常规制冷系统系统进行了对比和经济性分析。经济性分析的结果表明，该综合楼如采用冰蓄冷系统，可以在4.53 年内收回初投资，系统回收期到期后每年节约的运行电费就是该系统给业主带来的实际收益，今后如果峰谷电价进一步拉大，效益将会更加明显。从项目全寿命周期经济性方面考虑，该项目适合采用冰蓄冷系统，相关的经济性分析方法和结论也可在类似项目设计中采用。

表3 冰蓄冷和常规制冷系统运行费用估算表

表4 冰蓄冷制冷系统与常规制冷系统比较表

此外，由于以销售为主的、非自持物业的开发单位对运行阶段的电费节约敏感度较低，建议主管部门在峰谷电价差政策之外，从宏观节能减排的角度出发，考虑出台初投资补贴政策，或采用公用事业能源管理等模式，降低开发单位的一次性投入，进一步提高相关开发者采用冰蓄冷系统这一有代表性的电力移峰填谷技术的积极性。

[1]袁圆，林波荣，朱颖心.基于负荷动态模拟的冰蓄冷系统设计及控制优化研究[J].暖通空调，2006（10）.

[2]韩杨.某冰蓄冷空调工程案例节能技术分析.中国经济网[OL]，2011.