大溫差水蓄冷空調系統的工程應用實例
大溫差水蓄冷空調系統的工程應用實例
摘要 介紹了提本的一個水蓄冷空調系統的構成及運行情況，分析了實際運行數據，對系統進行了性能評價。指出該系統采用大溫差蓄冷，具有減少水蓄冷槽占地、提高系統節能效果及不增加系統初投資等優點。
關鍵詞 空調系統 水蓄冷 大溫差 性能評價
Example of an air conditioning system with
large temperature differenece chilled water thermal storage
Abstract Presents a project with the chilled water thermal storage system in Japan. Describes its constitution and opetation. Analyses the penrating data and evaluates performance of eht system. Points out that the systemreduces space taken by the chilled water storage tank, improves energy efficiency and does not increase initial investment of the system.
Keywords air conditioning system,chilled water thetmal storage.large temperature difference, performamce evaluation
引言
蓄冷技術在空調領域內的應用，在世界上一些往國家起步較早。比如在日本，1938年東日會即設置了水蓄冷槽，標志著蓄冷技術應用的開始。經過半個多世紀的理論研究和工程應用經驗積累，形成了一套較為成熟的水蓄冷設計及運行控制技術。20世紀末，冰蓄冷異軍突起，受到空調油廣泛重視。為了使水蓄冷技術更趨經濟高效，提高競爭力，日本的幾家大型電力會社開始嘗試大空型水蓄冷空調系統，即通過擴大水蓄冷槽的蓄顯差，達到增加蓄冷量，減小水蓄冷槽體積，提高圖系統效率的目的。筆者在日本參與了一大溫差型水蓄冷空調系統的理論及實踐研，在這里對該系統作一些介紹，與國內專家商榷。
1 空調系統
圖1是日本南方某電力會社辦公樓， 1997年 6月竣工。該建筑物為鋼筋混凝土結構，建筑面積約 30 000平米，包括地上11層，地下2層，屋頂另有塔樓2層。空調設計日最高冷負荷 1983 kw，全日總負荷22 655 kwho下面結合圖2說明該建筑物的空調系統構成。
1.1 空調用冷熱源
采用4臺設在屋頂上的空氣源熱泵機組。其中1臺為熱回收型，2臺為冷熱水切換型，1臺為冷水專用型，均為標準型空氣源熱泵機組，主要技術參數見表回。空調工況時進出口水溫為12℃／7℃，供熱工況時進出口水溫為40℃／48℃。
1.2 空調水系統
空調冷水系統包括3個環路：由空氣源熱泵、冷水一級泵和水蓄冷槽組成的一級泵環路，為開式環路；由水蓄冷槽、冷水二級泵和平板式水一水換熱器（以下簡稱換熱器）組成的二級泵環路，亦為開式環路；由換熱器、冷水三級泵、風機盤管及空調機等組成的三級泵環路，為閉式環路。一級泵環路與二級泵環路通過水蓄冷槽連接，三級泵環路通過換熱器與二級泵環路實現熱力連接和水力隔，防止開式環路末端設備氧化腐蝕及系統揚程增加。該系統三級泵環路的供回水溫差為8℃，比常規系統的空調供回水溫差（一般為5℃左右）大，旨在減少空調水量和水泵的動力消耗。
空調熱水系統如圖2中虛線所示。由空氣源熱泵、分水器、空調機和空調末端裝置、集水器及熱水泵等組成。
1.3 空調送風系統
按空調負荷的特點劃分為4個系統，外區為風機盤管系統，包括北區和南區風機盤管系統。內區為全空氣系統，各層分別設置空調機房。計算機室全年要求制冷空調，由特殊空調系統對應。空調新風由置于室外屋頂上的一次新風空調機冷卻除濕處理后，與空調回風混合作為空調機的進風。風機盤管及空調機的冷水進出口溫度為IO℃／18℃，熱水進出口溫度為48℃／40℃。
2 水蓄冷槽
該系統的水蓄冷槽為冷水專用型，如圖3所示。日本是一個多地震的國家，許多建筑物的地下基礎部分采用雙層板結構以增強抗震能力。由于高度有限，該結構難以用于商業用途，一般僅用作消防水槽。采用水蓄冷空調系統可充分利用這一空間，通過保溫、防水處理和適當分隔，形成多槽連接型水蓄冷（熱）槽，既節省了建造費用又不占用寶貴的建筑空間。該系統的水蓄冷槽就是這樣做的。水蓄冷槽總容量1500 m3，蓄水深度1．750 m，設計蓄冷量11 638kwh，約占設計全日總負荷的 51％。該水蓄冷槽由 61個分隔水
槽組成，各槽間通過連通管連接。為了保持取水槽水溫的穩定，第1槽至第4槽、第57槽至第61槽間分別設兩根連通管。低溫槽的設計水溫為7℃，高溫槽的設計水溫為17℃，水蓄冷槽的設計水溫差為10℃。由于設計水溫差較一般水蓄冷槽的設計水溫差（5～7℃）大，稱為大溫差水蓄冷槽，水蓄冷槽的體積因此得以減小。需要說明的是，該建筑物的第10層目前尚未出租使用，現有空氣源熱泵的設計容量不計該部分空調負荷，計劃在將來第10層也出租使用時再增設一臺空氣源熱泵機組。由于水蓄冷槽的體積是根據包括第10層的預期空調負荷在內的系統總空調負荷確定的，因此蓄水量相對于現有空調負荷尚有 300 m3的富裕容量。
3 冷源系統的運行控制方法
日本的用電高峰時間段為 13： OO～ 16： 00，晝夜電力價格如表2所示，夜間電價適用于22：00～8：OO，晝夜電價比為4：1。為了充分利用夜間電力和盡量減少高峰時段內用電，需要控制蓄冷槽的充冷和釋冷過程。圖4為該系統的蓄冷率設定值曲線。蓄冷率是指水蓄冷槽的實際蓄冷量與設計蓄冷量的比值，蓄冷率為0表示水蓄冷槽內無可用蓄冷量，而蓄冷率為15％則表示水蓄冷槽內蓄冷量達到設計蓄冷量（滿蓄）。空氣源熱泵依照蓄冷率設定值曲線進行運行控制，當蓄冷槽的實際蓄冷率小于該時刻的蓄冷率設定值時空氣源熱泵即啟動運行。根據不同時段的空氣源熱泵運行方案，蓄冷率設定值按表3所示的5個時間段確定。22：00～8：00的蓄冷率設定值為100％，使水蓄冷槽在夜間時段盡可能多地蓄存冷量；控制上午的釋冷速度，以保證蓄冷槽保留足夠的蓄冷量滿足用電高
峰時段的空調冷量要求；16：00的蓄冷率為0促使蓄冷槽在用電高峰時段最大限度地釋放冷量，避免啟動空氣源熱泵；18：00的蓄
冷率設定值為15％，使水蓄冷槽在正式蓄冷前先保有一定的冷量，即進行"預備蓄冷"。這樣做的理由是：由于現有空氣源熱泵的容量相對于水蓄冷槽的總蓄水量來說偏小（參見第2節），為了使蓄冷槽達到"滿蓄"而采取的暫時性輔助措施。當增設一臺空氣源熱泵后，"預備蓄冷"可取消。
4 系統運行分析
該系統自1997年8月開始投人使用。筆者連續跟蹤進行了為期3年的系統運行分析。數據收集通過BMS（building manng。nt syst。）系統自動進行，并將收集到的數據定期轉存在磁盤上。收集數據的對象包括空氣源熱泵、水泵、換熱器、風機盤管及空調機、水蓄冷槽、室內溫濕環境、室外空氣溫濕度等共292個測點。其中241個點是瞬時值，如水蓄冷槽內的水溫等，每隔 15 min記錄一次；51個點是累積值，如供電量等，每隔lh記錄一次。
圖5是1999年8月 10～16日的系統運行狀況。
圖5a是外界氣象條件，以晴天為主，白天最高氣溫在35℃左右。
4.1 空調冷源的運行狀況分析
圖5b是空氣源熱泵的制冷量及建筑物空調負荷分布。從圖中可以看出由于水蓄冷槽的設置，空氣源熱泵的制冷量與空調負荷不一定同步，實現了以夜間運行為主，在用電高峰時段（13：00一16：00）停運，避峰讓電的預期目標。而且，由于空氣源熱泵始終處于滿負荷運行狀態，保證運行的高效率。
4．2 蓄冷槽內的溫度分布
圖5C是各分隔水槽的逐時水溫分布情況，從下至上共有7條曲線，分別表示第1，7，16，25，37，49，61槽的逐時水溫變化。水蓄冷槽蓄冷時，隨著來自空氣源熱泵的冷水注人第1槽，第61槽的溫水不斷被取出送人空氣源熱泵，槽內形成從第1槽向第61槽的水流，隨著冷量的不斷補充，各槽水溫逐漸降低。高溫槽的水溫沒有明顯變化。水蓄冷槽釋冷時，冷水自第1槽取出，槽內形成從第61槽
向第1槽的水流，隨著冷量的不斷釋放，各槽水溫逐漸升高，槽內可用冷量逐漸減少。第1槽的水溫沒有明顯變化。
4．3 空調用電的構成分析
根據實測數據分析，空調用電的構成比中空氣源熱泵的耗電量占總用電量的 69％，一次側水泵的耗電量占 14％，這兩項的和（即空調用冷源系統用電）占總用電量的 83％。其他用電量僅占 17％。
4．4 性能評價
定義空調用冷源（空氣源熱泵十冷水一級泵）的夜間用電量與全天用電量的比值為冷源夜間轉移效率。對運行數據的分析表明該系統的冷源夜間轉移效率大于 80％（圖 6），即冷源用電的 80％以上是夜間低谷電。如4．3節所述，空調用冷源系統耗電占空調總用電的 80％以上，所以空調冷源電力的夜間轉移對整個空調系統 的"移峰填谷"效果起著重要作用。評價蓄冷空調系統的另一個oh＼VH IJ白字W占用dbe山用于空調的冷量與制冷機投入到蓄冷槽中的冷量的比值。蓄冷效率反映蓄冷槽的使用狀況和熱損失程度。圖7的數據分析結果表明該系統夏季（6～8月）的蓄冷效率大于 90％，即蓄冷槽的無效熱損失小于1O％。
5 結束語
大溫差水蓄冷有以下獨到的優點：①可以減小水蓄冷槽的體積，克服水蓄冷槽體積大的弱點。②可以使用常規空調設備，避免帶來系統初投資增加的壓力。③采用大溫差水蓄冷槽使得空調末端側亦有了大溫差化的可能，空調水量的減少帶來水泵動力的減少。④
具有均衡電力需求、"移峰填谷"的作用。