氯化钙溶液蓄冷系统的设计与应用

吴玉祥苏蓉陈向阳

（1. 精华制药集团南通有限公司，江苏南通 226006；2. 广州泰阳能源科技有限公司，广州 510000）

氯化钙溶液蓄冷系统的设计与应用

吴玉祥1苏蓉2陈向阳2

（1. 精华制药集团南通有限公司，江苏南通 226006；2. 广州泰阳能源科技有限公司，广州 510000）

结合工程实例，对蓄冷系统中应用氯化钙溶液的可行性进行分析，阐述了氯化钙溶液蓄冷系统的设计方法，并提出在工程应用中实施的要点。指出蓄冷系统通过移峰填谷解决峰谷不平衡的重要性，且具有显著的经济效益。

蓄冷；氯化钙；蓄冷槽

蓄冷系统对国家而言，是一种提高电网安全运行。平衡电网负荷的技术，对企业而言，可以降低运行成本，研究开发新型蓄冷技术也是整个市场及行业的需求。随着国家对节能环保的重视，蓄冷系统在企业中得到广泛应用[1]。通常蓄冷系统分为环境供冷和工艺供冷两种方式，传统蓄冷系统以水或冰为介质储存在蓄冷槽中，在电价高峰时段释冷来满足用户的环境供冷需求，一般蓄冷温度为4 ℃[2]。而氯化钙溶液蓄冷系统打破蓄冷系统传统模式，针对要求低温供冷的用户，以零下温度储存冷量，满足用户工艺供冷需求。

1 工程概况

本项目位于江苏省南通市，北纬32°08'，东经121°05'。项目中整个厂区为工业用地，实行当地峰谷电价政策，高峰电价1.1元/度，谷段电价0.32元/度。生产区内工艺供冷主要应用于原料药制药工艺，连续三班运行，负荷需求量波动不大，生产区全天负荷相对平稳。该套蓄冷系统供冷楼层共3层，建筑物高10.5 m。蓄冷系统载冷剂为25 %左右的氯化钙溶液，供回水温度为-10 ～ -5 ℃。全天尖峰冷负荷为1 297 kW（369 RT），负荷波动在34 %以内，供冷时间为20 h（04∶00 ～ 24∶00），全天蓄冷总负荷为6 122 RTh，全年供冷天数为330 d。蓄冷系统设计日逐时冷负荷图如图1。

图1 设计日逐时冷负荷Fig.1 Hourly cooling load of the design day

2 氯化钙溶液蓄冷可行性分析

氯化钙是一种由氯元素和钙元素构成的典型离子卤化物。室温下为白色，有粒状、蜂窝块状、圆球状、不规则颗粒状、粉末状。无毒无臭、味微苦，溶于水时放出大量的热且其水溶液呈微酸性。

实现氯化钙溶液温度分层型蓄冷需具备以下二个条件：蓄冷介质温度不同密度不同，且随温度变化差异越大越好；蓄放冷时只存在导热过程，尽量避免对流，蓄冷介质导热系数越小越好。

根据氯化钙溶液密度与温度的关系曲线和氯化钙溶液导热系数与温度的关系曲线，分析氯化钙溶液物理性质。

分析得出氯化钙溶液密度随温度降低而增加，且每摄氏度密度变化相对值为0.05 %（水每摄氏度密度变化相对值为0.024 %）。氯化钙溶液相比水的导热系数还要低，且随溶液温度降低导热系数减小。可看出氯化钙溶液密度随温度变化关系更明显，如能利用布水设备有效减少蓄放冷过程中的对流，则可实现温度分层效果。20 %浓度的氯化钙溶液在-10 ℃时密度为1 196 kg / m3；在0 ℃时密度为1 191 kg / m3。20 %浓度的氯化钙溶液在-10 ℃的导热系数为0.526 W / ( m ·k )；在 0 ℃时导热系数为 0.543 W/ ( m ·k ) 。

图2 氯化钙溶液密度与温度的关系曲线Fig.2 The relationship between temperature and density of the calcium chloride solution

图3 氯化钙溶液导热系数与温度的关系曲线Fig.3 The relationship between thermal conductivity and temperature of thecalcium chloride solution

氯化钙溶液物理性质满足温度分层型蓄冷条件，可用于蓄冷系统中。氯化钙溶液在蓄冷槽中温度分层示意如图4所示。

3 蓄冷系统设计

图4 氯化钙溶液温度分层示意Fig.4 Thermal stratifcationofthecalcium chloride solution

3.1 蓄冷槽容积

本工程以3台431 kW的制冷机组晚上开机蓄冷4 h，再用1台431 kW的制冷机组继续蓄冷4 h，总蓄冷量Q为1 964 RTh。利用室外空地建造地上蓄冷罐储存冷量，蓄冷温差ΔT取7 ℃[2]，蓄冷终了温度-12 ℃，放冷终了温度-5 ℃，考虑斜温层和布水空间，蓄冷罐容积效率η取95 %，蓄冷槽和管路储存冷量冷损失附加率K取1.04，根据V = Q×K / η/ΔT / C，蓄冷槽计算容积V = 929 m3。

3.2 氯化钙蓄冷系统设计

3.2.1 蓄放冷系统

系统是实现氯化钙蓄冷高效运行的基础，在进行系统设计时需综合考虑其切换模式、故障率、冷损失率等因素，且必须遵守以下几点原则：尽量减少中间传热环节；减少中间输送环节、无效输送和阻力损失[3]。系统流程如图5所示[4]。

3.2.2 控制系统

一套智能而又高效的控制系统是保障蓄冷系统安全运行的关键，也是实现蓄冷系统既节电又节能的保障。控制系统必须实现以下功能：

（1）实现水泵、阀门等设备的软连锁开关控制。

（2）实现主机、蓄冷水泵、放冷水泵、机组等设备运行实时显示和运行记录。

（3）实现设备之间的自动巡检与切换。

（4）实现自动控制，节省人力。

（5）实现保护设备，延长寿命。

（6）实现累计设备运行时间，及时提醒用户进行设备维护。

本工程以氯化钙溶液蓄冷系统放冷过程为例，控制界面如图6所示，可以明显看出系统中各设备/阀门等的运行状态。

图5 系统流程Fig.5 The fow chart of the system

3.3 运行模式

根据蓄冷槽能储存的最大蓄冷量，氯化钙溶液蓄冷系统根据全年负荷分布以分量蓄冷到全量蓄冷的方式运行，遵循蓄冷槽尽量在电价高峰时段放冷的原则，根据负荷变化，调整运行策略，直至蓄冷槽中冷量供完[5]。根据工程当地气候条件和空调需求，上述系统流程图中氯化钙蓄冷系统按三种工况运行。系统运行状况如表1所示。

（1）主机蓄冷工况：24∶00 ～ 08∶00时段，由主机为蓄冷槽进行蓄冷。

（2）蓄冷槽供冷工况：蓄冷槽优先在电价高峰时段供冷。

图6 放冷过程控制界面Fig.6 Controlinter face of the cooling process

表1 系统运行状况Tab.1 The system running status

（3）主机供冷工况：由制冷机组承担需求冷量。

根据生产区负荷分布情况，将全年蓄冷负荷分为100 %负荷、75 %负荷、50 %负荷、25 %负荷[5]，空调负荷运行策略如图7 ～ 10所示。

氯化钙蓄冷系统典型运行模式1∶夜间蓄冷8 h，早上08∶00开始由蓄冷槽单独供冷4 h，到12∶00切换至制冷机组供冷5 h，再切换由蓄冷槽供冷直至冷量供完，再开启主机继续供冷。

氯化钙蓄冷系统典型运行模式2∶夜间蓄冷8 h，早上08∶00开始由蓄冷槽单独供冷4 h，到12∶00切换至制冷机组供冷3 h，再切换由蓄冷槽供冷直至冷量供完，再开启主机继续供冷。

氯化钙蓄冷系统典型运行模式3∶夜间蓄冷4 h，早上08∶00开始不开启主机，由蓄冷槽单独供冷。

图7 100 %负荷运行策略Fig.7 Operation strategy of 100 % load

图8 75 %负荷运行策略Fig.8 Operation strategy of 75 % load

图9 50 %负荷运行策略Fig.9 Operation strategy of 50 % load

3.4 系统效益分析

本工程为改造项目投资290万元，实行分时电价如下 ：高峰时段（08∶00 ～ 12∶00，17∶00 ～ 21∶00）电价 1.102 元 /度，平段（12∶00 ～ 17∶00，21∶00 ～24∶00）电价 0.661元 /度，谷段（24∶00 ～ 08∶00）电价0.32元/度。根据历史电费记录，改造前每年运行电费255万元，改造为氯化钙蓄冷系统后，减少99.36万度的高峰时段用电量，减少25.44万度的平段用电量，增加120.39万度低谷用电量。每年可为用户节省运行电费87.79万元，与常规运行电费相比，节省率达34.43 %。整套氯化钙蓄冷系统的投资回收期是3.3年。

图10 25 %负荷运行策略Fig.10 Operation strategy of 25 % load

建设氯化钙蓄冷系统后，其空调系统制冷剂泄漏安全性得到极大的提高。制冷机组的操作频率和维修费用将明显下降，机组满负荷制冷的运行状态比率将大幅度提高。

4 实施关键技术

因氯化钙溶液具有腐蚀性，且腐蚀速度随溶液浓度的增大而减小。但是氯化钙溶液的浓度不能太大，否则会导致蓄冷泵和放冷泵的消耗功率增大，氯化钙溶液的浓度应以业主工艺要求浓度为准。一般，氯化钙溶液蒸发温度比凝固温度高4 ～ 6 ℃，且需结合主机最低蒸发温度。如20 %的氯化钙溶液凝固温度约为-18 ℃，则我们可选择蓄冷温度为-14 ～ -12 ℃（前提是主机可以达到相应温度）。

在氯化钙蓄冷系统工程实施中，因氯化钙水溶液呈弱酸性，因此对钢制材料具有一定腐蚀性，用于储存氯化钙溶液的蓄冷槽、管道及水泵等设备均需做好防腐措施，本工程中蓄冷槽内防腐采用环氧富锌漆一底两面，外防腐采用红丹漆两面，管道采用防腐漆涂刷，水泵材质采用不锈钢耐腐蚀材料，避免遭受溶液腐蚀。

5 结束语

从工程实例分析，氯化钙溶液蓄冷系统针对低温空调系统具有可观的综合效益和实施可行性。

氯化钙溶液浓度必须根据工艺需求选择，并在选择的基础上设计蓄冷槽的厚度和防腐措施，保证系统达到设计运行年限，充分发挥蓄冷槽的作用。

氯化钙溶液蓄冷系统设计应考虑空调系统的运行策略，避免不符合系统的运行模式，保证系统的合理化和安全可靠性。

参考文献

[1]谷波，孙涛，田树波. 蓄冷节能技术发展综述[J]. 节能，2001（2）：6-9.

[2]蓄冷空调工程技术规程[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1993.

[4]方贵银. 蓄能空调技术[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[5]严德隆，张维君. 空调蓄冷应用技术[M]. 北京：中国建筑出版社，1991.

Design and Application of Chilled Calcium Chloride Solution Storing System

Wu Yuxiang, Su Rong, Chen Xiangyang
（1. Jinghua Pharmaceutical Group Nantong Co., Ltd, Nantong 226006;2. Guangzhou Topsun Power Technology Co. Ltd, Guangzhou 510000）

Combined with practical engineering examples, the feasibility of applying calcium chloride solution in chilling storage system was analyzed in this article. The design method for this system was described and the key points in the application in engineering were presented. The signifcance of solving the problem of peak and valley existed in using of this system, by which prominent economic proft can be obtained, was indicated.

chilling storage; calcium chloride chilling storage tank

TQ 460.8

A

2095-817X（2017）03-0050-005

2017-01-11

吴玉祥（1969—），男，高级工程师，主要从事设备和节能管理。