冰蓄冷空调技术基础知识详解_secret.doc

冰储冷空调技术介绍
1. 冰储冷空调原理及意义
随着国民经济的发展，我国各行业对电力的需求越来越大，在国家投入大量资源进行大规模电力设施建设的同时，由于各行业用电时段的不均衡，导致电网的峰谷差也越拉越大。这一方面导致对电力需求的畸形增长，浪费国家大量财力，同时对电力设施正常运行带来危害及隐患；另一方面也造成能源的大量浪费，加剧环境污染。
占峰电时段用电比例很大的空调用电，用电与电网峰电时段相重叠，而在谷电时段基本不运行，是拉大电网峰谷差的主要元凶。在空调制冷工程上采用冰储冷技术，让制冷设备在夜间用电低谷时段运行，将冷量利用冰的形式储存起来，供白天峰电时段空调使用，就能起到移峰填谷的作用，有力地降低电网峰谷差。因此，推广应用冰储冷技术具有重大的社会和经济意义。
为了引导电力需求侧避峰用电，起到降低电网峰谷差的目的，电力部门也相应地在全国范围内推出了峰谷电价。以山东省济南市为例，峰谷电价如下：
某市峰谷电价明细表
单位:元/KWh

时 段
电价
峰电
8:00-11:00
18:00-23:00
1.0210元/度
平电
7:00-8:00
11:00-18:00
0.6381元/度
谷电
23:00-7:00
0.2552元/度
这就为冰储冷技术的应用开辟了广阔的市场空间。

2. 国内冰储冷事业的回顾及展望
在20世纪90年代早期，冰储冷技术在国内暖通空调界曾经引起极大的关注，掀起了一阵技术研究及市场推广的热潮。但由于当时国内缺乏成熟的专业工程公司进行系统集成，致使冰储冷技术的实际应用面临重重阻力，无法实现大面积市场化，无法使冰储冷技术在空调领域占据应有的地位。
市场需要有志于冰储冷技术推广应用的专业团队不断地积累经验，在夹缝中寻求突围。经过这些年的努力和坚持，以杭州华电华源环境工程有限公司为首的一批专业工程公司茁壮成长起来，技术实力不断增强，工程业绩不断增多，市场声誉不断提高。
随着冰储冷空调在市场上的重新崛起，国内的许多专业人士和业主也重新对冰储冷技术投入了极大的热心和激情。冰储冷空调技术的春天已经来临。与冰储冷技术相结合的大温差、低温送风等前沿技术也得到了研究和推广。
3. 冰储冷系统介绍
由于冰储冷技术在国内推广应用时间比较短，有很多暖通的专业人员对这一技术还很陌生，在此笔者就冰储冷空调作一简要介绍。重点侧重于冰储冷空调不同于常规空调的注意事项。
3.1冰储冷空调的负荷计算
无论是常规还是储冰空调，设计的基础工作是对建筑物进行逐时冷负荷的计算。设计人员在进行常规空调设计时，普遍是根据工程的建筑面积及使用功能，对工程的尖峰负荷按照单位面积负荷进行估算。而储冰空调必须计算出建筑物设计日逐时冷负荷，并画出冷负荷曲线图，根据建筑物的实际情况来确定最合理经济的储冰量和制冷主机容量。
计算设计日逐时冷负荷，应根据建筑物各部分的使用功能、当地的地理位置及气象数据、建筑物维护结构特点、人流、新风量等诸多因素进行综合分析，用时段平均法或传递函数法详细计算。但上述计算方法工作量大且复杂，通常在方案设计时，先采用由大量工程实践分析、比较、归纳得出的民用建筑空调冷负荷估算指标进行估算，项目正式成立后再利用负荷计算软件作详细的逐时负荷计算。
3.1.1民用建筑空调冷热负荷估算指标
表1：部分民用建筑空调负荷估算指标
序号
建筑类型和房间名称
冷负荷
（W/㎡）
热负荷
（W/㎡）
1
宾馆、饭店
客房（标准层）
酒吧、咖啡室
西餐厅
中餐厅、宴会厅
商店、小卖部
中庭、接待
小会议室（允许少量吸烟）
大会议室（不允许吸烟）
理发、美容
健身房、保龄球
弹子房
室内游泳池
舞厅（交谊舞）
舞厅（迪斯科）
办公室

80～110
100～180
160～200
180～350
100～160
90～120
200～300
180～280
120～180
100～200
90～120
200～350
200～250
250～350
90～120
60～70
2
办公楼（全部）
超高层办公楼
90～115
105～145
60～80
70～85
3
百货大楼、商场
底层
二楼或以上

250～300
200～250
60～80
4
超级市场
150～200
60～80
5
医院
高级病房
一般手术室
洁净手术室
X光、CT、B超诊断室

80～110
100～150
300～450
120～150
65～80
6
影院、剧院
舞台（剧院）
观众厅
休息厅（允许吸烟）
化妆室

250～350
180～350
300～350
90～120
80～90
7
体育馆
比赛馆
观众休息厅（允许吸烟）
贵宾室

120～300
300～350
100～120
120～150
8
展览厅、陈列室
130～200
90～120
9
会堂、报告厅
150～200
120～150
10
图书馆（阅览）
75～100
50～75
11
公寓、住宅
80～90
45～70
3.1.2建筑物冷负荷瞬时系数
为了使设计者较快、方便、准确地计算设计日逐时冷负荷，通过大量科学统计，提出了建筑物冷负荷瞬时系数。
表2：建筑物冷负荷瞬时系数
功能

时间
写字楼
宾馆
商场
餐厅
咖啡厅
夜总会
保龄球
1：00

0.16

2：00

0.16

3：00

0.25

4：00

0.25

5：00

0.25

6：00

0.50

7：00
0.31
0.59

8：00
0.43
0.67
0.40
0.34
0.32

9：00
0.70
0.67
0.50
0.40
0.37

10：00
0.89
0.75
0.76
0.54
0.48

0.30
11：00
0.91
0.84
0.80
0.72
0.70

0.38
12：00
0.86
0.90
0.88
0.91
0.86
0.40
0.48
13：00
0.86
1.00
0.94
1.00
0.97
0.40
0.62
14：00
0.89
1.00
0.96
0.98
1.00
0.40
0.76
15：00
1.00
0.92
1.00
0.86
1.00
0.41
0.80
16：00
1.00
0.84
0.96
0.72
0.96
0.47
0.84
17：00
0.90
0.84
0.85
0.62
0.87
0.60
0.84
18：00
0.57
0.74
0.80
0.61
0.81
0.76
0.86
19：00
0.31
0.74
0.64
0.65
0.75
0.89
0.93
20：00
0.22
0.50
0.50
0.69
0.65
1.00
1.00
21：00
0.18
0.50
0.40
0.61
0.48
0.92
0.98
22：00
0.18
0.33

0.87
0.85
23：00

0.16

0.78
0.48
24：00

0.16

0.71
0.30
将不同功能建筑面积乘以表1中民用建筑冷负荷估算指标，再乘以表2中建筑物冷负荷瞬时系数，即为该功能建筑体该时段所须冷负荷。把同一时段不同功能建筑体冷负荷相加，即可获得建筑物设计日逐时冷负荷，以此画出逐时冷负荷曲线图。在确定储冰模式之后，即可据此确定冰储冷空调储冰量、制冷主机、水泵（乙二醇泵除外）、冷却塔等机房所有空调设备规格、参数。
3.2储冰模式及系统设备配置
在确定储冰模式之后，即可根据建筑物的逐时负荷图确定冰储冷空调储冰量、制冷主机、水泵、冷却塔等机房所有空调设备规格、参数。储冰模式主要有全量储冰和分量储冰。
3.2.1全量储冰
在谷电时段将建筑物所须冷量以冰的形式全部制备好，以供建筑物峰电（平电）时段使用。制冷主机只在谷电时段运行，系统运行费用最省。但该方案配置的储冰装置和制冷主机容量最大，导致初投资也大大增加。

图1全量储冰模式空调负荷

全量储冰模式系统设备配置方法：
CP=（TH+Q）/（IH×CCR） （3-1）
QI=CP×IH×CCR （3-2）
式中：CP—制冷主机制冷量，RT；
TH—根据建筑物逐时负荷图计算出的全天负荷，RTh；
Q—储冰设备热损失，RTh；
IH—制冷机储冰时间，h；
CCR—制冷主机制冷量变化系数，即制冷主机制冰工况制冷量与空调额定工况制冷量之比。由于主机制冰时蒸发温度降低，导致主机COP值下降。三级压缩离心式冷水机组、螺杆式冷水机组取0.7，往复式冷水机组取0.65；
QI—储冰设备总储冰量，RTh。
3.2.2分量储冰
在谷电时段将建筑物所须冷量以冰的形式部分制备好（一般为全天
负荷的30%～50%），建筑物峰电（平电）时段由制冷主机与储冰设备联合供冷。在实际运行中，设计日负荷按分量储冰设计，在过渡季节或部分楼层不使用时逐渐转为全量储冰模式运行。在节约初投资与节约运行费用之间找到最佳平衡点。
分量储冰模式分为：主机优先分量储冰模式、融冰优先分量储冰模式。
3.2.2.1主机优先分量储冰模式
建筑物峰电（平电）时段所须空调负荷，优先由主机提供，不足部分再由储冰设备提供。采用主机优先模式，系统所须制冷主机及储冰设备容量最小，相应初投资也最省。同时主机满负荷运行，效率高。
图2主机优先分量储冰模式空调负荷
主机优先分量储冰模式系统设备配置方法：
CP=（TH+Q）/（OH+IH×CCR） （3-3）
QI=CP×IH×CCR （3-4）
式中：CP—制冷主机制冷量，RT；

TH—根据建筑物逐时负荷图计算出的全天负荷，RTh；
Q—储冰设备热损失，RTh；
IH—制冷机储冰时间，h；
CCR—制冷主机制冷量变化系数，即制冷主机制冰工况制冷量与空调额定工况制冷量之比。由于主机制冰时蒸发温度降低，导致主机COP值下降。三级压缩离心式冷水机组、螺杆式冷水机组取0.7，往复式冷水机组取0.65；
QI—储冰设备总储冰量，RTh；
OH—制冷主机直接供冷时间，h。
公式修正说明：根据该计算方法得出的制冷主机制冷量（CP）需与建筑物逐时负荷进行核对。该计算方法的前提是制冷主机供冷时都是满负荷运行的，若出现某些主机供冷时段空调负荷小于主机额定制冷量，必然出现实际供冷量小于全天负荷。此时就必须对制冷主机制冷量及系统储冰量进行修正。
例如有三个小时建筑物冷负荷Q1、Q2、Q3均小于CP，可用以下公式进行修正：
OHˊ=（OH-3）+（Q1+Q2+Q3）/CP （3-5）
CP=（TH+Q）/（OHˊ+IH×CCR） （3-6）
QI=CP×IH×CCR （3-7）
3.2.2.2融冰优先分量储冰模式
建筑物峰电（平电）时段所须空调负荷，优先由储冰设备提供，不足部分再由制冷主机提供。采用融冰优先模式，系统所须制冷主机及储冰
设备容量相对增大，相应初投资也增大。主机长期运行在部分负荷下，制冷效率相应降低，也不利于主机的正常维护。
融冰优先分量储冰模式系统设备配置方法：
CP=（TM×OH）/（OH+IH×CCR） （3-8）
QI=CP×IH×CCR （3-9）
式中：CP—制冷主机制冷量，RT；
TH—根据建筑物逐时负荷图计算出的全天负荷，RTh；
Q—储冰设备热损失，RTh；
IH—制冷机储冰时间，h；
CCR—制冷主机制冷量变化系数，即制冷主机制冰工况制冷量与空调额定工况制冷量之比。由于主机制冰时蒸发温度降低，导致主机COP值下降。三级压缩离心式冷水机组、螺杆式冷水机组取0.7，往复式冷水机组取0.65；
QI—储冰设备总储冰量，RTh；
OH—制冷主机直接供冷时间，h；

TM—设计日建筑物空调尖峰负荷，RT。
小结：采用全量储冰模式或融冰优先分量储冰模式进行系统设备配置，将大大节约设计日的空调运行费用；而在过渡季节，主机优先分量储冰模式具有同样的经济运行性能。由于建筑物在大部分时间（85%以上）均运行在过渡季节，为了节约剩余15%设计日的运行费用，而按照全量储冰模式或融冰优先分量储冰模式进行系统设备配置，大幅度增加初投资就显得很不经济。在通常情况下，系统按主机优先分量储冰模式设计。实际运行过程中，由于多数时间内建筑物冷负荷都小于设计日冷负荷，因此，可根据建筑物实际所需冷负荷，逐步向融冰优先分量储冰模式、全量储冰模式转化。
3.3冰储冷系统流程介绍
有了建筑物空调逐时负荷图，再确定了系统储冰模式，就能利用上文提到的计算公式对整个空调系统（除乙二醇泵外）进行设备配置了。而要确定乙二醇泵的参数，还需确定系统流程。

根据制冷主机与储冰装置相互关系分：串联流程、并联流程。
3.3.1串联流程
图4主机上游串联流程

主机上游串联流程各运行方式设备开启情况表
运行方式
制冷主机
乙二醇泵
三通阀1
三通阀2
制冰
开
开
c→b
a→c
融冰供冷
关
开
c→a
调节
制冷机单供冷
开
开
c→a
a→b
制冷机与融冰同时供冷
开
开
c→a
调节

3.3.2并联流程
图5并联流程

并联流程各运行方式设备开启情况表
运行方式
制冷主机
初级
乙二醇泵
次级
乙二醇泵
电动调节阀
V1
三通阀
制冰
开
开
关
全开
关
融冰供冷
关
关
开
调节
调节
制冷机单供冷
开
开
开
关
c→a
制冷机与融冰同时供冷
开
开
开
调节
调节

4.冰储冷系统配置及经济分析实例
确定建筑物空调逐时负荷图、系统储冰模式、冰储冷系统流程，就能对整个空调系统所有设备进行配置了。
现以某建筑物为例，举例如下，以方便读者理解。
4.1.确定建筑物空调逐时负荷图
工程概况：某大厦建筑面积55000m2。其中办公楼28000m2（90W/m2），
商场20000m2（200W/m2），停车场7000m2（不考虑空调）。夏季空调尖峰冷负荷为560万大卡。冬季空调尖峰热负荷为3840KW。
计算过程：先估算出商场的尖峰负荷，再根据表2提供的瞬时系数，求得商场每小时的空调负荷；对办公楼也作同样处理；再将商场和办公楼的同一时段负荷相加，得出本工程的逐时负荷图。

图6典型设计日逐时冷负荷图
4.2系统储冰模式
大楼的冰储冷方案选定为主机优先分量储冰模式
4.3系统储冰流程
大楼选用主机优先串联流程
4.4储冰空调系统设备配置
4.4.1计算过程
根据建筑物逐时负荷图计算出的全天负荷：TH=17200RTh；
制冷主机直接供冷时间： OH=10h；
根据峰谷电价表，制冷机储冰时间： IH=8h；
系统采用双工况螺杆主机制冰： CCR=0.7；
制冷主机制冷量：CP=（TH+Q）/（OH+IH×CCR）=550RT；
（由于制冷主机供冷时都是满负荷运行的，所以CP值无需修正。）
储冰设备总储冰量：QI=CP×IH×CCR=6160RTh。

4.4.2系统设备配置
选用2台制冷量165万大卡（550RT）双工况螺杆冷水机组用于供冷与制冰，制冰时间23:00－7:00，储冰量6200RTH。该方案的设备配置及技术参数详见下表。
表4：冰储冷空调系统设备详细技术规格表
序号
型号及规格
数量
单位
原产地
备 注

1
双工况螺杆冷水机组
2
台

中国

外资
制冷量：
165
万大卡
输入功率：
331
kW
2
储冰设备
1
套
中国
华源

储冰盘管
6200
RTh
储冰槽体积
465
m3
储冰槽面积（净高4米）
120
m2
3
冷冻水泵KQL300/525-90/6
2
台

上海

凯泉
流 量
600
m3/h
扬 程
38
m
转 速
980
r.p.m
功 率
90
kW
4
冷却水泵KQL250/300-55/4
2
台

上海

凯泉
流 量
500
m3/h
扬 程
28
m
转 速
1480
r.p.m
功 率
55
kW
5
乙二醇泵KQL200/285-37/4
3
台

上海

凯泉
流 量
346
m3/h
扬 程
24
m
转 速
1480
r.p.m
功 率
37
kW
6
冷却塔BLSS-500
2
台

上海

良机
流 量
500
m3/h
进出水温度
37℃/32℃

功 率
22
kW
7
板式换热器
3
台
瑞典
进口
换热量
2200
kW
进出温度
乙二醇侧（3℃～10.5℃）水侧（12.5℃～7℃）
压力降
乙二醇侧（0.1Mpa）水侧（0.08Mpa）
8
乙二醇
20
吨

进口
9
设备动力柜
4
台
华源
国产
10
TP－27触屏
1
台
西门子
德国
11
可编程控制器PLC
1
套
西门子
德国
12
自动控制系统柜
1
台
华 源

4.5储冰空调运行策略及经济分析
图7本工程设计日储冰空调逐时运行图
4.5.1运行策略
本大楼设计日冰储冷空调运行方式如图2所示，具体能实现以下4种工作模式运行:
1).主机单制冰模式（23:00—7:00）
这期间为电力低谷时期，主机全力制冰，至7:00时储冰量达到6200RTh，制得的冷量储存在储冰装置中。
2).主机单制冷模式
在夏天冷负荷高峰期间，当系统需保存储冰量时，大楼的冷负荷由制冷主机提供。
3).融冰单供冷模式
当日负荷较小或大楼需全部溶冰时，大楼的冷负荷由融冰提供，不需开启主机。
4).主机与融冰联合供冷模式
在酷热夏天冷负荷高峰期间（9:00-18:00时段），制冷主机在空调制冷工况下全功率运行，满足部分冷负荷的需要，其它的负荷由融冰满足。
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,自动调整每一时段内储冰装置融冰供冷及主机供冷的相对应比例，以实现分量储冰模式逐步向全量储冰模式的运行转化，按照储冰装置优先供冷的原则，最大限度地控制主机在电力高峰期间的运行，节省运行费用。
4.5.2空调方案经济分析
4.5.2.1机房初投资比较
表5：冰储冷空调设备投资表 单位:万元
序号
名称
型号规格
数量
单位
单价
总价
1
双工况螺杆冷水机组
165万大卡
2
台
110
220
2
储冰设备
储冰盘管
6200
RTH
0.035
217
3
冷冻水泵
Q=600m3/h H=38m
2
台
3.9
7.8
4
冷却水泵
Q=500m3/h H=28m
2
台
1.6
3.2
5
乙二醇泵
Q=346m3/h H=24m
2
台
1.2
2.4
6
方型横流式冷却塔
500m3/h
2
台
17.5
35
7
落地式膨胀水箱（定压罐）

1
台
3.0
3.0
8
电子水处理仪
DN450
2
台
3.0
6.0
9
板式换热器
2200KW
3
台
15
45
10
乙二醇

20
吨
0.6
12
11
设备启动柜
西门子器件
4
台
2.4
9.6
12
自动控制系统
西门子PLC
1
台
15
15
13
汽水板式换热器
1920KW
2
台
8.0
16

合 计

592

表6：常规电制冷空调设备投资表 单位:万元
序号
名称
型号规格
数量
单位
单价
总价
1
单工况螺杆冷水机组
150万大卡
4
台
97.5
390
2
冷冻水泵
Q=600m3/h H=38m
2
台
3.9
7.8
3
冷却水泵
Q=500m3/h H=28m
4
台
1.6
6.4
4
方型横流式冷却塔
500m3/h
4
台
17.5
70
5
落地式膨胀水箱（定压罐）

1
台
3.0
3.0
6
电子水处理仪
DN450
4
台
3.0
12.0
7
设备启动柜
西门子器件
4
台
2.4
9.6
8
自动控制系统
西门子PLC
1
台
15
15
9
汽水板式换热器
1920KW
2
台
8.0
16

合计

529.8

表7：蒸汽溴化锂空调设备投资表 单位:万元
序号
名称
型号规格
数量
单位
单价
总价
1
蒸汽双效溴化锂
150万大卡
4
台
90
360
2
冷冻水泵
Q=600m3/h H=38m
2
台
3.9
7.8
3
冷却水泵
Q=600m3/h H=28m
4
台
3.8
15.2
4
方型横流式冷却塔
600m3/h
4
台
21
84
5
落地式膨胀水箱（定压罐）

1
台
3.0
3.0
6
电子水处理仪
DN500
4
台
4.0
16
7
设备启动柜
西门子器件
4
台
2.4
9.6
8
自动控制系统
西门子PLC
1
台
15
15
9
汽水板式换热器
1920KW
2
台
8.0
16

合计

526.6

4.5.2空调系统运行费用比较
一年中空调运行时间为120天。
达到尖峰负荷100％： 10天
达到尖峰负荷70％： 20天
达到尖峰负荷50％： 70天
达到尖峰负荷30％： 20天
电价按峰谷电价。
1）．冰储冷空调费用（详细计算见附表1）
10748.0191×120×0.7×0.75=67.7万元/夏季
说明：在过度季节或部分楼层不营业时，系统将采用全融冰工况，则系统运行费用将大大降低。
2）．常规电制冷空调费用（详细计算见附表2）
15329.3356×120×1.0×0.75=138.0万元/夏季
3）．蒸汽溴化锂空调费用（详细计算见附表3）
14606.0375×120×1.0×0.75=131.5万元/夏季
4）．采暖运行费用计算
14606.0375×120×1.0×0.75=131.5万元/冬季
4.5.3经济分析结论
表8：结论
初投资

冰蓄冷
常规电制冷
蒸汽双效溴化锂
夏季空调设备投资
576.0万元
513.8万元
510.6万元
冬季采暖设备投资
16万元
16万元
16万元
配电容量
1300KVA
2050KVA
800KVA
变配电设施费
30万元
50万元
15万元
蒸汽开户费
（10万元/吨）
60万元
60万元
90万元
总投资合计
682.0万元
639.8万元
631.6万元
运行费用

冰蓄冷
常规电制冷
蒸汽双效溴化锂
夏季运行费用
67.7万元/夏季
138.0万元/夏季
131.5万元/夏季
冬季运行费用
45.6万元/冬季
45.6万元/冬季
45.6万元/冬季
全年运行费用
113.3万元/年
183.6万元/年
177.1万元/年
冰储冷与常规电制冷空调系统比较：初投资增加42.2万元，运行费用节约70.3万元/年，优越性非常明显。
冰储冷与蒸汽溴化锂空调系统比较：初投资增加50.4万元，运行费用节约63.8万元/年，优越性非常明显。
5.冰储冷空调发展展望
冰储冷空调系统在国内要得到更好的发展，在电力系统加大支持力度的同时，离不开空调界各位专家技术和科研上的支持、也需要从业者的继续努力。
利用冰储冷空调系统提供的优质冷冻水，实现优质的区域供冷空调，也是冰储冷空调具有更广阔的市场应用空间。

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