大温差水蓄冷空调系统的工程应用实例.doc

http://www.jianshe99.com 建设工程教育网 大温差水蓄冷空调系统的工程应用实例 同济大学 于航 （日本）九州大学 渡边俊行 摘要 介绍了提本的一个水蓄冷空调系统的构成及运行情况，分析了实际运行数据，对系统进行了性能评价。 指出该系统采用大温差蓄冷，具有减少水蓄冷槽占地、提高系统节能效果及不增加系统初投资等优点。 关键词 空调系统 水蓄冷 大温差 性能评价 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 蓄冷技术在空调领域内的应用，在世界上一些往国家起步较早。比如在日本，1938 年东日会即设置了 水蓄冷槽，标志着蓄冷技术应用的开始。经过半个多世纪的理论研究和工程应用经验积累，形成了一套较 为成熟的水蓄冷设计及运行控制技术。20 世纪末，冰蓄冷异军突起，受到空调油广泛重视。为了使水蓄冷 技术更趋经济高效，提高竞争力，日本的几家大型电力会社开始尝试大空型水蓄冷空调系统，即通过扩大 水蓄冷槽的蓄显差，达到增加蓄冷量，减小水蓄冷槽体积，提高图系统效率的目的。笔者在日本参与了一 大温差型水蓄冷空调系统的理论及实践研，在这里对该系统作一些介绍，与国内专家商榷。 1 空调系统 图 1 是日本南方某电力会社办公楼， 1997 年 6 月竣工。该建筑物为钢筋混凝土结构，建筑面积约 30 000 平米，包括地上 11 层，地下 2 层，屋顶另有塔楼 2 层。空调设计日最高冷负荷 1983 kw，全日总负 荷 22 655 kwho 下面结合图 2 说明该建筑物的空调系统构成。 1.1 空调用冷热源 采用 4 台设在屋顶上的空气源热泵机组。其中 1 台为热回收型，2 台为冷热水切换型，1 台为冷水专用 型，均为标准型空气源热泵机组，主要技术参数见表回。空调工况时进出口水温为 12℃／7℃，供热工况 时进出口水温为 40℃／48℃。 1.2 空调水系统 空调冷水系统包括 3 个环路：由空气源热泵、冷水一级泵和水蓄冷槽组成的一级泵环路，为开式环路； 由水蓄冷槽、冷水二级泵和平板式水一水换热器（以下简称换热器）组成的二级泵环路，亦为开式环路； 由换热器、冷水三级泵、风机盘管及空调机等组成的三级泵环路，为闭式环路。一级泵环路与二级泵环路 报名咨询电话：010-82326699 免费热线：4008105999 咨询时间：全天 24 小时服务（周六、周日及节假日不休息） http://www.jianshe99.com 建设工程教育网 通过水蓄冷槽连接，三级泵环路通过换热器与二级泵环路实现热力连接和水力隔，防止开式环路末端设备 氧化腐蚀及系统扬程增加。该系统三级泵环路的供回水温差为 8℃，比常规系统的空调供回水温差（一般 为 5℃左右）大，旨在减少空调水量和水泵的动力消耗。 空调热水系统如图 2 中虚线所示。由空气源热泵、分水器、空调机和空调末端装置、集水器及热水泵 等组成。 1.3 空调送风系统 按空调负荷的特点划分为 4 个系统，外区为风机盘管系统，包括北区和南区风机盘管系统。内区为全 空气系统，各层分别设置空调机房。计算机室全年要求制冷空调，由特殊空调系统对应。空调新风由置于 室外屋顶上的一次新风空调机冷却除湿处理后，与空调回风混合作为空调机的进风。风机盘管及空调机的 冷水进出口温度为 IO℃／18℃，热水进出口温度为 48℃／40℃。 2 水蓄冷槽 该系统的水蓄冷槽为冷水专用型，如图 3 所示。日本是一个多地震的国家，许多建筑物的地下基础部 分采用双层板结构以增强抗震能力。由于高度有限，该结构难以用于商业用途，一般仅用作消防水槽。采 用水蓄冷空调系统可充分利用这一空间，通过保温、防水处理和适当分隔，形成多槽连接型水蓄冷（热） 槽，既节省了建造费用又不占用宝贵的建筑空间。该系统的水蓄冷槽就是这样做的。水蓄冷槽总容量 1500 m3，蓄水深度 1．750 m，设计蓄冷量 11 638kwh，约占设计全日总负荷的 51％。该水蓄冷槽由 61 个分隔 水 槽组成，各槽间通过连通管连接。为了保持取水槽水温的稳定，第 1 槽至第 4 槽、第 57 槽至第 61 槽间分 别设两根连通管。低温槽的设计水温为 7℃，高温槽的设计水温为 17℃，水蓄冷槽的设计水温差为 10℃。 由于设计水温差较一般水蓄冷槽的设计水温差（5～7℃）大，称为大温差水蓄冷槽，水蓄冷槽的体积因此 得以减小。需要说明的是，该建筑物的第 10 层目前尚未出租使用，现有空气源热泵的设计容量不计该部分 空调负荷，计划在将来第 10 层也出租使用时再增设一台空气源热泵机组。由于水蓄冷槽的体积是根据包括 第 10 层的预期空调负荷在内的系统总空调负荷确定的，因此蓄水量相对于现有空调负荷尚有 300 m3 的富 裕容量。 3 冷源系统的运行控制方法 日本的用电高峰时间段为 13： OO～ 16： 00，昼夜电力价格如表 2 所示，夜间电价适用于 22：00～ 8：OO，昼夜电价比为 4：1。为了充分利用夜间电力和尽量减少高峰时段内用电，需要控制蓄冷槽的充冷 和释冷过程。图 4 为该系统的蓄冷率设定值曲线。蓄冷率是指水蓄冷槽的实际蓄冷量与设计蓄冷量的比值， 蓄冷率为 0 表示水蓄冷槽内无可用蓄冷量，而蓄冷率为 15％则表示水蓄冷槽内蓄冷量达到设计蓄冷量（满 蓄）。空气源热泵依照蓄冷率设定值曲线进行运行控制，当蓄冷槽的实际蓄冷率小于该时刻的蓄冷率设定 值时空气源热泵即启动运行。根据不同时段的空气源热泵运行方案，蓄冷率设定值按表 3 所示的 5 个时间 段确定。22：00～8：00 的蓄冷率设定值为 100％，使水蓄冷槽在夜间时段尽可能多地蓄存冷量；控制上午 的释冷速度，以保证蓄冷槽保留足够的蓄冷量满足用电高 峰时段的空调冷量要求；16：00 的蓄冷率为 0 促使蓄冷槽在用电高峰时段最大限度地释放冷量，避免启动 空气源热泵；18：00 的蓄 冷率设定值为 15％，使水蓄冷槽在正式蓄冷前先保有一定的冷量，即进行"预备蓄冷"。这样做的理由是： 由于现有空气源热泵的容量相对于水蓄冷槽的总蓄水量来说偏小（参见第 2 节），为了使蓄冷槽达到"满蓄 "而采取的暂时性辅助措施。当增设一台空气源热泵后，"预备蓄冷"可取消。 4 系统运行分析 该系统自 1997 年 8 月开始投人使用。笔者连续跟踪进行了为期 3 年的系统运行分析。数据收集通过 BMS 报名咨询电话：010-82326699 免费热线：4008105999 咨询时间：全天 24 小时服务（周六、周日及节假日不休息） http://www.jianshe99.com 建设工程教育网 （building manng。nt syst。）系统自动进行，并将收集到的数据定期转存在磁盘上。收集数据的对象包括 空气源热泵、水泵、换热器、风机盘管及空调机、水蓄冷槽、室内温湿环境、室外空气温湿度等共 292 个 测点。其中 241 个点是瞬时值，如水蓄冷槽内的水温等，每隔 15 min 记录一次；51 个点是累积值，如供 电量等，每隔 lh 记录一次。 图 5 是 1999 年 8 月 10～16 日的系统运行状况。 图 5a 是外界气象条件，以晴天为主，白天最高气温在 35℃左右。 4.1 空调冷源的运行状况分析 图 5b 是空气源热泵的制冷量及建筑物空调负荷分布。从图中可以看出由于水蓄冷槽的设置，空气源热 泵的制冷量与空调负荷不一定同步，实现了以夜间运行为主，在用电高峰时段（13：00 一 16：00）停运， 避峰让电的预期目标。而且，由于空气源热泵始终处于满负荷运行状态，保证运行的高效率。 4．2 蓄冷槽内的温度分布 图 5C 是各分隔水槽的逐时水温分布情况，从下至上共有 7 条曲线，分别表示第 1，7，16，25，37， 49，61 槽的逐时水温变化。水蓄冷槽蓄冷时，随着来自空气源热泵的冷水注人第 1 槽，第 61 槽的温水不 断被取出送人空气源热泵，槽内形成从第 1 槽向第 61 槽的水流，随着冷量的不断补充，各槽水温逐渐降低。 高温槽的水温没有明显变化。水蓄冷槽释冷时，冷水自第 1 槽取出，槽内形成从第 61 槽 向第 1 槽的水流，随着冷量的不断释放，各槽水温逐渐升高，槽内可用冷量逐渐减少。第 1 槽的水温没有 明显变化。 4．3 空调用电的构成分析 根据实测数据分析，空调用电的构成比中空气源热泵的耗电量占总用电量的 69％，一次侧水泵的耗电 量占 14％，这两项的和（即空调用冷源系统用电）占总用电量的 83％。其他用电量仅占 17％。 4．4 性能评价 定义空调用冷源（空气源热泵十冷水一级泵）的夜间用电量与全天用电量的比值为冷源夜间转移效率。 对运行数据的分析表明该系统的冷源夜间转移效率大于 80％（图 6），即冷源用电的 80％以上是夜间低 谷电。如 4．3 节所述，空调用冷源系统耗电占空调总用电的 80％以上，所以空调冷源电力的夜间转移对 整个空调系统 的"移峰填谷"效果起着重要作用。评价蓄冷空调系统的另一个 oh＼VH IJ 白字 W 占用 dbe 山 用于空调的冷量与制冷机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状况和热损失程度。 图 7 的数据分析结果表明该系统夏季（6～8 月）的蓄冷效率大于 90％，即蓄冷槽的无效热损失小于 1O ％。 5 结束语 大温差水蓄冷有以下独到的优点：①可以减小水蓄冷槽的体积，克服水蓄冷槽体积大的弱点。②可以 使用常规空调设备，避免带来系统初投资增加的压力。③采用大温差水蓄冷槽使得空调末端侧亦有了大温 差化的可能，空调水量的减少带来水泵动力的减少。④ 具有均衡电力需求、"移峰填谷"的作用。 报名咨询电话：010-82326699 免费热线：4008105999 咨询时间：全天 24 小时服务（周六、周日及节假日不休息）