某工程应用冰蓄冷系统的可行性分析

论文作者：史建伟

1　工程情况介绍

　　本工程为一办公型建筑，总建筑面积为12959 m2，其中空调部分的建筑面积为7719 m2。此建筑的主体部分为十字形，地下两层，地上主体部分为八层及九层为机房层，主要设备用房位于地下二层，地下一层为停车库，地上部分主要功能为办公、会议及展厅，建筑物最高点标高为29.950m，属于高层建筑。

　　本工程原空调制冷设计的冷源部分为两台100RT（冷吨）的标准工况（7/12℃）电制冷螺杆机组，冷冻水循环系统为一次泵系统，负荷侧为变流量系统，冷源侧通过差压旁通阀变为定流量系统。系统原理图如图1。应甲方要求欲将原冷源部分变更为冰蓄冷系统，系统原理图如图2。

2　冰蓄冷空调简介

‘冰蓄冷空调’英文为‘ICE STORAGE’，广义的用语为[THERMAL （ENERGY）STORAGE AIR CONDITIONING SYSTEM （缩写为TES）]，可译为[蓄能式空调系统]。一般来说此种系统可分为全部蓄能系统和部分蓄能系统。

　　当电费价格在不同时间里有差别时，我们可以将全部负荷转移到廉价电费的时间里运行。可选用一台能蓄存足够能量的传统冷水机组，将整个负荷转移到高峰以外的时间去，这称之为“全部蓄能系统”。 这种方式常常用于改建工程中利用原有的冷水机组，只需加设蓄冷设备和有关的辅助装置，但需注意原有冷水机组是否适用于冰蓄冷系统。这种方式也适用于特殊建筑物，需要瞬时大量释冷，如体育馆建筑物。

　　在新建的建筑中，部分蓄能系统是最实用的，也是一种投资有效的负荷管理策略。在这种负荷均衡的方法中，冷水机组连续运行，它在夜间低电价时段用来制冷蓄存，在白天高电价时段利用蓄存的制冷量为建筑物提供制冷。可将冷水机组运行时数从10小时扩展到18~24小时，这样可以得到最低的平均负荷，需电量费用大大地减少，所匹配的冷水机组的制冷能力也可减少50-60%或者更多一些。

　　本工程的冰蓄冷系统计划采用部分蓄能系统。

3　冰蓄冷系统与原电制冷系统运行费比较
　　 为了确定最后的可行性方案，笔者首先进行了运行费的比较。

3.1　冰蓄冷系统

3.1.1蓄冰阶段

23：00~7：00电价0.247元/kwh

　　根据北京市现行的三段制电价标准，每天的23：00~7：00为电价低谷时段，为0.247元/kwh，故将此时段作为蓄冰阶段。由于双工况制冷机蓄冰工况（-3/0.5℃）时效率降低了约30%，根据厂家提供的资料：30HXC100A型螺杆制冷机蓄冰工况时的制冷量为234kw，电功率为65kw（标准工况时的制冷量为338kw，电功率为70kw）。乙二醇循环泵电功率为5.5kw。设在23：00~7：00的8小时全部用于蓄冰，共可蓄存1948.8kwh的冷量（五个1098C型蓄冰桶总蓄冷能力为2010kwh）。

　　蓄冰阶段耗电量为：(65+5.5)kwx8h=564kwh;

　　蓄冰阶段耗电费为：564kwhx0.247元/kwh=139元

　　注：这里只计算了冷源部分主要设备的耗量，由于是比较，相同部分未计算，下同。

3.1.2释冷阶段

8：00~11：00电价0.833元/kwh

　　根据北京市现行的三段制电价标准，每天的8：00~11：00为电价高峰时段，为0.833元/kwh，如仅从最大限度的节省电费的角度考虑应将在蓄冰阶段所蓄存的冷量应在此时段尽可能的释放。根据1098C型蓄冰桶的释冷能力数据，在释冷工况下（5.6/10℃）,五个蓄冰桶共可将蓄存的1948.8kwh的冷量释放出1615kwh，融冰效率（DISCHARGE EFFICIENCY）为83%。根据本工程设计日空调逐时计算得到的数据，在此时段的需冷量折合成kwh为1541kwh，故此时段制冷机可停止工作，一次循环（乙二醇循环）中仅乙二醇循环泵（5.5kw）工作。

　　释冷阶段冰蓄冷系统耗电量为： 5.5kwx3h=16.5kwh；

　　释冷阶段冰蓄冷系统耗电费为：16.5kwhx0.833元/kwh=13.7元。

3.1.3合计

　　两阶段冰蓄冷系统总耗电量为：580.5kwh；

　　两阶段冰蓄冷系统总耗电费为：152.7元。

3.2　原电制冷系统

　　峰值电价阶段（8：00~11：00）的空调需冷量为1541kwh，则：

　　电制冷机组本阶段的耗电量为：1541kwh /348kwx70kw=310kwh；

　　电制冷机组本阶段的耗电费为：310kwhx0.833元/kwh=258.2元；

　　注：由于是办公楼，夜间（18：00~次日8：00）系统将停止运行。

3.3　两种系统的运行费用比较

　　冰蓄冷系统比电制冷系统每日多耗电：270.5kwh；

　　冰蓄冷系统比电制冷系统每日节电费：105.5元；

　　设冰蓄冷系统年运行时间为100天，故冰蓄冷系统每年节电费约为1万元；

　　其余部分由于两种系统基本相同，故未参与比较。

4　可行性分析

4.1　方案一

　　根据本工程甲方的想法，在原设计制冷机组规格和数量不变的情况下，增加冰蓄冷系统，故冰蓄冷系统比电制冷系统初投资增加的费用如下（估算值）：

　　蓄冰桶：5万元/桶x5个=25万元；

　　乙二醇泵：1.5万元/台x2台=3万元；

　　板式换热器：5万元/个x1个=5万元；

　　其他管线及配件：6万元；

　　合计：40万元。

　　根据初投资及运行费用的比较，计算冰蓄冷系统的投资回收年限为：

40万元/（1万元/年）=40年。

　　显然这个年限是不合理的，而合理的投资回收年限应在10年以内。

4.2　方案二

　　减少回收年限的唯一方法是减少初投资。由于冰蓄冷技术的应用，制冷机组的规格可相应减小，现定量计算如下：

　　计算步骤：

　　确定系统的“冷吨小时数”THTH=设计负荷*OH*DF

　　确定冷水机组的“名义制冷量”CPCP=TH/[（CI*IH）+（CO*OH）]

　　确定冰筒的数量NN=[TH-（CP*OH）]/冰筒的释冷冷吨小时

　　式中：

DF--参差系数、设计“日平均负荷”除以“峰值负荷”，一般为0.65-0.90；

TH--设计日系统的冷吨小时数；

OH--制冷小时数；

CP--机组“名义制冷量”；

CI--冷水机组在制冰温度时的制冷量与空调额下制冷量之比；

IH--制冰小时数；

CO--冷水机组在“制冷工况下”的制冷量与额定制冷量之比，一般在1左右；

　　本工程设计负荷为159冷吨（558kw）,OH=10小时、IH=8小时、DF=0.9、CI=0.7、CO=1。采用1098C蓄冰筒冰筒入水温度为10°C，出水温度为5.6°C（日间），每个蓄冰筒可放冷92冷吨小时。

　　系统的冷吨小时数

TH=159*10*0.9=1431RTH（冷吨小时）

　　冷水机组“名义制冷量”

CP=1431 RTH /[（0.7*8）+10]H =91.7RT(冷吨)

　　　根据双工况螺杆制冷机规格分类，确定冷水机组名义制冷量：CP=100RT

　　冰筒数量

N=[1431-（100*10）]/92=4.7≌5个

　　根据以上计算，可将原两台100RT单工况螺杆制冷机改为两台50RT双工况活塞制冷机或一台100RT双回路双工况螺杆制冷机（每个回路可独立运行），如图3，就能同时满足制冰和空调供冷的需要，这样可在初投资上节省约35万元的成本。故考虑冰蓄冷系统增加的40万元投入，则投资回收年限约为：

　　（40-35）万元/1（万元/年）=5年