水蓄冷技术在某工程中的应用

张伟力，李 恒，任凤彦

（保定市建筑设计院有限公司，河北保定 071000）

随着国民经济的不断发展，国家每年的电力消耗也在逐年增加。虽然电力部门耗用大量财力物力建设电厂，仍满足不了每年用电量以5%～7%增长的需要。其中很重要的一个原因就是电网的负荷率低，高峰时电力严重不足，低谷时不能充分利用。高峰用电中空调用电就占了30%以上，这加剧了电力系统峰、谷差，极大地影响了发电的成本和电网的安全运行。空调的用电负荷在电力谷段的用电量很小，所以水蓄冷技术对城市电网具有很大的“削峰填谷”作用。

水蓄冷技术在低谷电价时段将冷量存储在水中，在白天用电高峰时段使用储存的低温冷冻水提供空调用冷。将电网高峰时段的空调用电量转移至电网低谷时使用，充分利用国家分时电价政策从而节约运行费用，并且削峰填谷，平衡电网压力，还可减少制冷设备装机容量，并减少电力投资费用［1－3］。

1 工程概况

某综合楼位于河北省保定市，地下3层，均为车库及设备用房，主楼地上28层，裙房最高5层。1～2层均用于商业。裙房3～5层、主楼3～28层均为公寓。根据甲方要求，商业及裙房公寓部分设中央空调系统，系统形式为采用风机盘管＋新风系统。夏季空调供／回水温度为7／12 ℃，温差为5 ℃。冬季空调供／回水温度为60／50 ℃。热源为市政95／70 ℃热水进行二次换热提供的60／50 ℃热水。空调系统总冷负荷为1 750kW，空调冷热源设备均布置在地下3层冷热源站房内。

2 水蓄冷系统设计

2.1 空调冷源分析

该综合楼位于保定市繁华的商业区，场地较为紧凑，可利用的空间很少，两面与周围商业建筑之间只有5m 宽的消防车道，这种特殊的场地使常规的地源热泵系统的使用受到限制。空调运行情况如下：商场每天运行12h，早9点到晚9点；公寓每天24h运行。空调负荷高峰时主要是商业白天的冷负荷，与电网高峰时正好重合；并且晚上公寓的负荷较小，正好是电网的低谷段；空调逐时负荷的峰、谷相差较大，使用常规空调系统会导致装机容量过大，而且系统大部分时间处于部分负荷下运行；由于该项目为一类公共建筑，需设置1 000 m3的消防水池，若将消防水池改造成蓄冷水池，对于较小的夜间冷负荷是容易满足的，只需在常规空调系统的基础上增加1套蓄冷装置，在运行工况方面与常规空调基本一致，就可以将高峰时段的空调用电量转移至低谷，达到节约运行电费的目的。同时消防水池中的水保持流动和低温状态，可有效防止水质变坏和藻类滋生［4－8］。综合考虑水蓄冷作为该项目的冷源是十分理想的。

2.2 水蓄冷系统设计原则

进行水蓄冷设计时，须准确分析建筑空调负荷特点，并计算建筑物的逐时负荷，然后根据设计负荷的特点和运行策略来确定系统选型和控制策略，目标是尽可能地减少各种设备的装机容量，并达到满足各工作时段的负荷需求，在非满负荷运行时应充分利用蓄冷量，减少冷水机组运行时间，从而节省运行费用［9－14］。

经过详细地空调逐时负荷计算，结合从电力部门获得的峰、谷电价数据，制定了夏季典型设计日负荷及电价图表，结果见图1。

图1 夏季典型设计日逐时冷负荷图表Fig.1 Bar graph of the hourly cooling load on a typical design day in summer

2.3 控制策略

水蓄冷系统通过控制阀门和设备，可以实现以下5种运行模式：1）双工况机组夜间蓄冷；2）双工况机组夜间蓄冷同时供冷；3）双工况机组单独供冷；4）蓄冷设备单独供冷；5）双工况机组和蓄冷设备联合供冷［15－16］。水蓄冷系统及连接图见图2。

图2 水蓄冷系统及连接图Fig.2 Chilled water storage system and its connection diagram

3 系统运行方案

空调系统负荷随室外气象参数变化而变化，因此设备在全年运行中需不断调节。对水蓄冷系统，在非满负荷时应充分利用蓄冷量，减少机组运行时间，从而节省运行费用［17］。根据这个原则，本工程采用2台双工况冷水机组（日间制冷工况7～12℃、夜间蓄冷工况4～9℃）。双工况主机在夜间电力低谷时段向蓄冷水池蓄得冷量，日间在电力高峰时段时利用夜间蓄得的冷量向建筑物供冷。为达到节省电费的目的，系统运行应该遵循：尽量不使用峰电，少使用平电，多使用谷电。

本文提出两种运行方案，每种方案的系统配置及运行策略均不同，通过比较从中选出更优的解决方案。

3.1 消防水池水蓄冷（夜间采用边蓄边供方式）

3.1.1 系统配置

选择国内外在工程中应用较成熟的设备，功能完全满足使用需要，建立合理的控制系统同时达到最佳控制效果；实现设计中的运行节能要求并兼顾设备价格因素，配置合理的系统。主要设备见表1。

表1 系统1设备表Tab.1 Equipments involved in system 1

3.1.2 水蓄冷空调系统运行策略说明

系统运行策略如下。

22：00－06 ：00：双工况机组蓄冷工况运行8h，向蓄冷设备蓄得冷量并承担基载负荷；

07：00－21 ：00：蓄冷设备输出冷量，与双工况主机联合供冷或单独供冷；

06：00－07 ：00，9：00－18：00，21：00－22：00：双工况主机制冷工况供冷。

系统能量分配：

基载主机日间空调工况最大能量输出为1 214kW；

夜间蓄冷工况制冷量：蓄冷990kW＋基载负荷126kW；

蓄冷设备夜间储存的可利用冷量：7 920kW·h；

蓄冷设备日间最大输出能量：972kW·h；

削峰量：100%；蓄冷设备削减冷量占总冷量：36.5%；

方案1夏季典型设计日100%冷负荷分配见图3。蓄冷设备：消防蓄冷水池1 000m3。

图3 夏季典型设计日100%冷负荷分配图（方案1）Fig.3 100%cooling load distribution graph on a typical design day in summer（scheme 1）

3.2 消防水池水蓄冷（夜间负荷由水冷涡旋机组承担）

本方案与方案1的不同之处在于夜间基载负荷的设计。

夜间基载完全由水冷涡旋机组承担，带来的相应的变化如下：

1）双工况主机容量减小，不存在夜间边蓄边供的工况，系统简单；

2）夜间低负荷的制冷负荷完全由水冷涡旋冷水机组承担；

3）水冷涡旋机组不是独立运行的，其运行依赖于制冷机房冷却塔系统的运行；

4）水冷涡旋机组及其配套冷却水泵、冷冻水泵等都设置在机房内部，需要增加机房占地面积约10m2；

5）系统配置见表2。

表2 系统2设备表Tab.2 Equipments involved in system 2

方案2夏季典型设计日100%冷负荷分配见图4。

图4 夏季典型设计日100%冷负荷分配图（方案2）Fig.4 100%cooling load distribution graph on a typical design day in summer（scheme 2）

通过上述2种方案的比较，第2种方案中水冷涡旋机组不存在夜间边蓄边供的工况，系统效率得以提高；夜间建筑冷负荷较小，而且夜间电费相对较低，制冷负荷完全由水冷涡旋冷水机组承担，对于系统的整体效率而言是最高的。故最终选择了水冷涡旋机组方案。

4 经济性分析

4.1 初投资

应用水蓄冷技术后机房的初投资有所增加，消防水池布水器增加费用＋自控系统增加费用＋机房至消防水池供回水管增加费用＋板式换热器增加费用＋增加的阀门水泵增加费用－制冷机组容量减少费用＝47 万元，即初投资增加费用47万元。

4.2 年运行费用

该建筑商场每天运行12h，早9点到晚9点；公寓每天24h运行。夏季运行120d，100%负荷运行时间26d，75%负荷运行时间53d，50%运行时间33d，25%运行时间8d。

则运行费用如下：常规机组年运行费用为404 366元；水蓄冷机组年运行费用为278 268 元。年节约运行费用约为12.6万元。

5 结 语

经过成本核算，水蓄冷增加的成本静态回收期为47／12.6＝3.73a。而水蓄冷系统的使用寿命都在20年以上，随着电价差的持续加大，本项目节省的费用也将成倍增长。故采用水蓄冷技术将带来巨大的社会效益和经济效益。

／References：

［1］ 张丽君，姜梅.天津滨海国际机场二期制冷站水蓄冷空调设计［J］.制冷与空调，2012，26（4）：353－358.ZHANG Lijun，JIANG Mei.Water cool storage air－conditioning system of Tianjin Binhai international airport phase II refrigeration station［J］.Refrigeration and Air Conditioning，2012，26（4）：353－358.

［2］ 衣健光，杨国荣.建筑区域供能系统的冷热源选择［J］.暖通空调，2013，43（9）：70－73.YI Jianguang，YANG Guorong.Selection of cold and heat sources in district building energy supply system［J］.Heating Ventilating ＆Air Conditioning，2013，43（9）：70－73.

［3］ 徐齐越，王琳，曾飞雄，等.间接蓄冷直接供冷式水蓄冷系统［J］.暖通空调，2011，41（6）：109－112.XU Qiyue，WANG Lin，ZENG Feixiong，et al.Indirect charging and direct discharging system of chilled water storage［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2011，41（6）：109－112.

［4］ 任建平，吴喜平.开式水蓄冷空调系统设计与施工调试分析［J］.暖通空调，2013，43（10）：83－85.REN Jianping，WU Xiping.Design and commissioning analysis of chilled water storage air conditioning system with open loop［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2013，43（10）：83－85.

［5］ 李洋，曾远.浅谈水蓄冷技术［J］.山西建筑，2010，36（35）：175－176.LI Yang，ZENG Yuan.On chilled water thermal storage technique［J］.Shanxi Architecture，2010，36（35）：175－176.

［6］ 黄丽，刘秋新.水蓄冷技术在商场空调冷源中的设计应用及节能分析［J］.建筑节能，2010，38（3）：46－48.HUANG Li，LIU Qiuxin.Design and economy analysis of the chilled water thermal storage for air－conditioning cold source in a shopping mall［J］.Construction Conserves Energy，2010，38（3）：46－48.

［7］ 赵海杰.水蓄冷空调设计方法探讨［J］.山西能源与节能，2009（5）：75－77.ZHAO Haijie.Investigation into design of chilled water storage air conditioning system［J］.Shanxi Energy and Conservation，2009（5）：75－77.

［8］ 杨飞，李小华，姜言涛，等.某新建办公楼水蓄冷集中空调系统技术分析［J］.洁净与空调技术，2010（1）：66－69.YANG Fei，LI Xiaohua，JIANG Yantao，et al.Technical analysis of chilled water storage system for MIIT building［J］.Contamination Control ＆ Air Conditioning Technology，2010（1）：66－69.

［9］ 秦初息.水蓄冷空调技术的运用与经济性分析［J］.企业科技与发展，2010（20）：91－93.QIN Chuxi.The applications and economic analysis of waterstorage air conditioning technique［J］.Enterprise Science and Technology ＆Development，2010（20）：91－93.

［10］ 张原.水蓄冷在工程中的应用［J］.科技情报开发与经济，2008（18）：222.ZHANG Yuan.Application of chilled water storage system in project［J］.Sci－Tech Information Development ＆ Economy，2008（18）：222.

［11］ 赖文彬.水蓄冷在中小型建筑中的应用［J］.制冷，2012，31（1）：56－59.LAI Wenbin.An application of chilled water storage in midsmall size architecture［J］.Refrigeration，2012，31（1）：56－59.

［12］ 李洋.水蓄冷在削峰填谷中的效益分析［J］.电力需求侧管理，2014，16（2）：30－32.LI Yang.Benefit analysis of water storage in peak load shifting［J］.Power Demand Side Management，2014，16（2）：30－32.

［13］ 孙春华，金凤云.两种空调冷负荷计算方法工程实际应用及分析［J］.河北工业大学学报，2011，40（2）：67－71.SUN Chunhua，JIN Fengyun.The engineering application and analysis of two methods in air－conditioning cooling load calculation［J］.Journal of Hebei University of Technology，2011，40（2）：67－71.

［14］ 高东媛，杜宇，赵倩倩，等.数据中心应用新风直接引入式系统的潜力分析［J］.河北工程大学学报（自然科学版），2013，30（3）：61－66.GAO Dongyuan，DU Yu，ZHAO Qianqian，et al.Potential analysis of directly introducing fresh air system used in data ceuter air conditioning system［J］.Journal of Hebei University of Engineering（Natural Science Edition），2013，30（3）：61－66.

［15］ 宋孝春.全国民用建筑工程设计技术措施（暖通空调·动力）［M］.北京：中国建筑标准设计研究院，2009.SONG Xiaochun.National Design Technical Measures of Civil Engineering（HVAC ＆Power）［M］.Beijing：China Institute of Building Standard Design ＆Research，2009.

［16］ 陆斌.水蓄冷技术及在酒店的应用实例［J］.电力需求侧管理，2012，14（6）：27－30.LU Bin.Practice of water cool－storage technology in hotel［J］.Power Demand Side Management，2012，14（6）：27－30.

［17］ JGJ 158—2008，蓄冷空调工程技术规程［S］.JGJ 158—2008，Cool Storage Air Conditioning Engineering Discipline［S］.