批发市场中央空调系统方案设计研究

浙江中国小商品城集团股份有限公司 万国荣

1 前言

随着人们生活水平的不断提高，中央空调的使用已十分普遍，目前所使用的中央空调形式种类比较多，如：电制冷冰蓄冷系统、常规电制冷冷水机组系统、燃油或燃气溴化锂机组系统等。由于不同种类的机组具有不同特性，因此在市场上均有使用，主要是根据建筑及当地具体情况进行选择。

本文结合实际工程案例，以冰蓄冷和常规电制冷两种中央空调系统作为研究对象，在同一设备档次下且末端系统按相同设计施工考虑，同时综合考虑电力费用、峰谷电价结构、设备初期投资及运行成本等诸因素，通过对系统方案进行科学合理的选型设计，以期达到在确保系统运行可靠的前提下设备寿命周期费用最经济，为类似工程设计方案的确定提供借鉴。

2 工程概况

该项目总建筑面积约20万m2，地下两层，地上四层，是一个批发性专业市场。结合该工程特点、当地地区的气象条件及以往类似工程的相关经验，考虑到同时使用系数，夏季空调设计日尖峰负荷为2500万大卡，即8266R T（见图1）。

图1 夏季空调设计日逐时冷负荷分布图

3 两种方案特点分析

3.1 冰蓄冷

冰蓄冷是在常规电制冷的基础上减小制冷主机容量增加蓄冰装置，利用夜间低谷低价电力时段将冷量通过冰的形式储存起来，白天需要供冷时释放出来。

1）优点：

（1）减少主机容量（降低一次性投资），总用电负荷少；

（2）制冷利用峰谷电价差，节约运行费用；

（3）减少建筑的配电容量，节约变配电投资约30%（空调的配电投资）；

（4）使用灵活，部分区域、过渡季节使用空调可由融冰提供，不用开主机（蓄冰除外）；

（5）具有应急功能，在拉闸限电时更能显示其优势：只要具备带动水泵的电力就能够融冰供冷，不会出现空调不能使用的状况，提高空调系统的可靠性。

2）缺点：

（1）蓄冰装置需要占用较大的空间；（2）机房设备投资比常规电制冷高；（3）制冰工况能效比有所下降；

（4）自动化程度较高，系统故障时一般无法手动控制。

3.2 常规电制冷

是目前使用较多的空调形式。

1）优点：

（1）系统简单，占地稍小；

（2）效率高，COP（制冷效率）一般大于5.3；

（3）设备投资相对较少；

（4）控制简单，可手动操作，维持系统正常运转。

2）缺点：

（1）冷水机组的数量与容量较大，相应的其他用电设备数量、容量也增加；

（2）总用电负荷大，增加了变压器配电容量与配电设施费；

（3）所使用电量均为高峰电，不享受峰谷电价政策，运行费用高；

（4）在拉闸限电时出现空调不能使用的状况。

4 冰蓄冷系统设计

进行系统设计时，须依据设计负荷的需求确定系统选型，尽可能地减少各种设备的装机容量，改善主机工作条件，提高主机效率，充分利用蓄冰装置的优势，尽量减少系统的能耗。

4.1 蓄冰模式选择

1）全量蓄冰模式

主机在电力低谷期全负荷运行，制得系统全天所需要的全部冷量。在白天电力高峰期，主机停运，所需冷负荷全部由融冰来满足。

（1）优点：

①最大限度的转移了电力高峰期的用电量，白天系统的用电容量小；

②白天全天通过融冰供冷，运行成本低。

（2）缺点：

①蓄冰容量、制冷主机及及相应设备容量较大；

②占地面积较大；

③初期投资较高。

2）分量蓄冰模式

主机在电力低谷期全负荷运行，制得系统全天所需要的部分冷量；在设计日主机以与蓄冰装置联合提供系统所需的冷量。

（1）优点：

①蓄冰容量、制冷主机及相应设备容量较小；

②占地面积较小；

③初期投资最小，回收周期短。

（2）缺点：

①仅转移了电力高峰期的部分用电量，白天系统还需较大的配电容量；

②运行费用较高。

本工程采用负荷均衡的分量蓄冰模式，合理配置主机容量和蓄冰容量，使系统技术经济最优。

4.2 蓄冰装置

蓄冰装置的优劣直接关系到系统能否实现设计目标，对于面积较大的集中式供冷中央空调，对蓄冰装置的制冰、融冰性能和融冰率提出了较高的要求。因此所选用的蓄冰装置须达到如下要求：

1）较高的制冰温度，保证制冷主机制冰时具有较高的运行效率；

2）稳定的出口温度，且温度需能达到较低的水平；

3）融冰末期的温度必须稳定，确保供水温度不会上升，满足空调系统的供冷需求；

4）高的融冰率，保证所蓄冷量能够利用。

蓄冰装置根据结冰的机理不同分为不完全冻结式和完全冻结式两种；根据结构形式分为盘管式（乙二醇管内流动、管外结冰）和冰球式（乙二醇球外流动、球内结冰）。本项目拟采用不完全冻结式蓄冰盘管，其碎冰机理如图2所示：

图2 碎冰机理图

制冰结束融冰开始时的状态：制冰结束时冰槽中的水不全部结成冰，冰柱之间相互不连接；由于制冰时冰层较薄，冰的热阻较小，因此制冰时制冷主机的出口温度较高，运行效率较高。

融冰初期：冰融化后，冰环与盘管之有水，而冰比水轻冰上浮，冰环下部与盘管直接接触，换热效果好。

融冰中期：冰环下部与盘管一直接触，融冰速度高于冰环上部，因此下部的冰融完后冰环破裂，脱离盘管上浮后与上面的盘管接触，继续融冰。

融冰中后期：冰环破裂后冰上浮碰到上面的盘管，接触部分融冰速度快，与过程c类似，接触部分融完破裂，形成更小的冰。

融冰后期：经过程c和过程d，冰破碎成小块，形成温度为0℃的冰水混合物，盘管浸没在冰水混合物中，换热稳定且可得到较低的出水温度，满足系统的要求，直至融冰结束。

由于盘管在槽内可以均匀的布置在每一个位置，因此不存在死角的问题；而乙二醇在管内流动，不存在流动死角和融冰死角的问题；特有的碎冰机理，可以保证稳定的融冰速度和融冰出口温度。因此，不完全冻结式蓄冰盘管在制冰和融冰上具有高的性能，可以满足任何阶段的空调运行需求。

4.3 系统形式

拟采用主机上游+冰槽下游的串联系统。冰盘管串联系统中的乙二醇溶液从板式换热器回来后，先后经过主机和冰槽二级降温，从而保证恒定的低温乙二醇出口温度3.5℃，通过板式换热器和冷冻热交换向末端提供7.0℃的冷冻水。系统中主机置于循环回路的上游，主机的蒸发温度高，主机的工作效率也相应提高了。串联回路减少了乙二醇管路、阀门及接头，简化施工及维护管理，系统流程更简单，布置紧凑。

4.4 系统配置

根据本项目实际冷量需求，机房选用2台制冷量为850 R T的基载主机和3台制冷量为1200 R T的双工况制冷主机，其它设备配置详见后面表1。

4.5 系统流程

1）乙二醇系统

乙二醇系统由双工况主机蒸发器、乙二醇泵、蓄冰装置、板式换热器及相应的管路系统组成。换热完成后的温热乙二醇溶液（11.0℃）从板式换热器出来，经过乙二醇泵后进入主机,进行第一级降温，然后再进入冰槽，其中冰槽有一路旁通回路用于调节冰槽的出口温度和主机单供冷工况使用。乙二醇溶液经过主机和冰槽二级降温后达到3.5℃，然后进入板式换热器和冷冻水进行热交换，产生7.0℃的冷冻水。

2）冷冻水系统

冷冻水系统由板式换热器、冷冻水泵及相应的管路系统组成，其设计的供回水温度为7.0/12.0℃。在联合供冷以及单融冰供冷工况下，通过调节蓄冰装置直通管路上的电动阀和旁通管路上电动阀的开度来控制板式换热器一次侧供液温度为3.5℃；在制冷主机单供冷工况下，则直接设定制冷主机出口温度为3.5℃，制冷主机自行根据空调负荷的变化进行冷量的调节，在以上板式换热器一次侧供液温度稳定在3.5℃的前提下，通过定温度变流量的方法来响应空调负荷的变化，即通过调节板式换热器直通阀和板式换热器旁通阀来改变进入板式换热器的乙二醇溶液的流量。调节阀门的目标参数为空调冷冻水供水温度，设定值为7.0℃。

为保证各空调末端各自进行温度控制时（调节水阀）互不影响，机房需在供冷时提供稳定的供水压力。通过供回水总管之间的压差传感器控制压差旁通调节阀门的开启度，以稳定此时的冷冻水供水压力。

3）冷却水系统

冷却水系统由主机冷凝器、冷却水泵、冷却塔、相应的管路系统组成。冷却水泵位于主机的进口侧，从主机出来的冷却水经过冷却水泵后供给冷却塔，经冷却塔散热后，冷却水温度降至32℃（白天设计温度），在回到主机的冷凝器，依此循环，把主机产生的热量带到冷却塔向大气散发。

冷却水温度及系统节能控制：主机开启时，所对应的冷却塔组也开启，通过位于每组回水管路上的温度传感器信号控制冷却塔风机的开启台数，冷却水的回水温度设计为32℃（因冷却塔容量留有余量，实际运行时设定温度可适当下调，以提高主机的制冷效率）。当系统检测到冷却水回水温度高于设定温度，则增加风机开启的台数，反之则减少风机开启台数。这样，即保证了主机在安全的冷却水温度范围内工作，又尽可能地降低冷却水的回水温度以提高主机的效率，还最大限度地减少了冷却塔风机的开启，在保证系统可靠工作的前提下，使系统的节能潜力得以充分发挥。

4.6 运行策略

1）空调设计日

结合空调逐时冷负荷分布图及地区的电价政策，空调设计日系统运行方式如图3所示，具体按以下4种工作模式运行：

图3 100%负荷设计日运行策略图

（1)22:00-8:00：该时段为电力低谷时段，采用双工况主机制冰模式，3台双工况主机全力制冰，制得23400R T.h的冰量储存在蓄冰装置中。

（2)8:00-9：00：在该时段采用基载主机与双工况主机供冷模式来满足末端冷负荷的需求。

（3)10:00-20：00：在该时段采用基载主机、双工况主机与蓄冰装置联合供冷模式，即基载主机和3台双工况主机满负荷运行，不足部分冷量由蓄冰装置来补充以满足末端负荷的要求。

（4)20:00-21：00：在该时段采用基载主机与蓄冰装置联合供冷模式，即2台基载主机满负荷运行，不足部分冷量优蓄冰装置来补充以满足末端负荷的要求。

2）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及主机供冷的相对应比例，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。非设计日系统按以下模式运行（图4、5、6）：

图4 75%负荷设计日运行策略图

图5 50%负荷设计日运行策略图

图6 25%负荷设计日运行策略图

表1 冰蓄冷系统设备配置及投资表

表2 常规电制冷系统机房设备配置及投资表

表3 浙江省蓄能空调峰谷电价

表4 系统年运行费用比较表

5 方案经济性能分析

5.1 机房初投资比较（见表1、表2）

5.2 年运行费用分析

1）电价政策（见表3）

2）供冷周期

浙江地区空调每年供冷运行的天数为153天（一般为5月至10月），其中100%设计日负荷运行天数为25天；75%设计日负荷运行天数为45天；50%设计日负荷运行天数为55天；25%设计日负荷运行天数为28天。

表5 综合投资经济分析表

3）年运行费用分析（见表4）

5.3 综合投资经济分析（见表5）

6 结论

由以上经济分析可以看出：采用冰蓄冷机房系统，综合初投资比常规冷水机组系统高，但年运行费用比常规中央空调系统低22.4%，约8.6年可回收成本，因此需要较大的峰谷电价来缩短投资回收期。