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冰蓄冷工程设计、施工、自控要点


冰蓄冷系统现场测试情况与展望
应原电力部委托,自 1995 年至今,清华大学空调实验室对全国各地的多个 冰蓄冷空调系统进行了现场调查和测试,这些系统各具特色,基本包括了我国当 前应用较为广泛的冰蓄冷空调系统形式,已测试工程如表 1 所示。总的看来,我 国已安装运行的冰蓄冷空调工程大多运行情况良好, 这证明蓄冷空调在我国是完 全可用的,是具有良好前景的。当然由于对冰蓄冷空

调技术的认识还不够成熟, 应用中还存在着各式各样的问题,本文以测试所获得的第一手资料为依据,结合 国内的冰蓄冷工程发展情况,从以下几个方面分别论述。

一、国内冰蓄冷系统设计中存在的问题 总结调查实际情况后, 我们认为国内相当一部分冰蓄冷空调工程中存在冷机 或冷槽余量过大的问题。 由于我国的冰蓄冷事业刚刚开始, 部分设计者对冰蓄冷 系统的能力不大信任, 以至于将系统冷机选得过大或过多,有的系统无需冷槽即 可保证系统负荷要求。 另一方面的问题则是冷槽的余量取得过大, A 工程为例, 以 其冰蓄冷空调系统中选取了 42 台冷槽,每台的蓄冷容量均为 180RTH,总蓄冷 容量为 7560RTH,但该系统所选配的蓄冷主机为两台,每台空调工况供冷能力 为 382RTH,若按其当前实际 9 小时蓄冷时间计算,则冷机夜间的蓄冷能力约为 382×0.7×2×9=4813RTH,占冷槽实际蓄冷容量的 63%左右,与我们的实测 蓄冷量基本相符, 此工程中蓄冷槽的安全系数选择太大,以至冷槽实际无法充分 发挥作用,是一种设备资源和用户资金的浪费。B 工程也有类似的问题,其建筑 面积仅 4000 平方米,所选的冷槽容量共达 950RTH,在运行中这五个冷槽实际 上只用四个, 另一个备用, 而事实上在蓄冷空调系统中备用冷槽并没有很大的实 际意义。 即使按照四个冷槽 760RTH 容量计算, 该系统蓄冷时间也需要 760/ 101 ( ×0.7) =11 小时左右, 实测则发现蓄满约需 12 小时, 远超过较合理蓄冷时间段, 即不能在低谷时段充分发挥蓄冷作用。 冰蓄冷空调的初投资较常规定空调系统高, 怎样充分发挥冰蓄冷空调系统的 优势, 尽量减少装机容量和设备初投资, 是每个设计者都应当关心的问题。 当然, 国内也有一些冰蓄冷空调系统真正做到了减少装机容量,安全系数选取比较合

理, 如交通银行杭州市分行、 清华同方人环楼等工程。 下面将调查的各工程冷机、 冷槽容量选择情况, 可以看出同样是蓄冷系统, 冷槽和冷机的装置比例相差很多。 在调查中还发现,有的冰蓄冷系统显得实验性过强,如某工程选用了 5 个 蓄冰罐,每个容积均为 100 立方米,共分三个支路并联在系统中,两组为两个 串联罐,一组为一个单罐,他们通过的流量大致相等,串联罐流过的流量略小。 蓄冷 13 小时后,小罐结冰达到 IPF=1,串联罐的结冰率仅为 0.6 左右,测试结 果表明串联罐的结冰速度远小于单罐, 因此根本无法充分发挥其削峰填谷蓄冷作 用。 二、冰蓄冷系统的控制问题 冰蓄冷系统的控制分为冷机优先、冷槽优先和优化控制三种,同样系统的控 制好坏往往直接关系到用户运行费用, 关系到蓄冷系统是否充分发挥其移峰填谷 能力,关系到空调系统的运行品质的好坏。另外,从我国国情出发,由于电价政 策在不断调整, 这就要求系统控制能较为灵活,能对不同的电价政策有一定的适 应性。以杭州为例,从以前的电价政策规定上午三个小时禁开冷机,现在此规定 已取消。但我们这次测试中发现,当时设计安装的一些系统如国际大厦、世贸中 心等仍基本按照以前的控制思路运行,或者按照机房人员的经验来运行,这样必 然不能保证系统运行的节能和优化。 这次测试中发现, 冰蓄冷系统的控制情况各不相同,总的来看大多数系统的 控制效果都较好,能够保证系统空调供回水温度控制平稳。如杭州世贸中心、交 通银行杭州市分行及清华同方人环楼等。而有的工程控制系统水平较低,空调水 温控制极不稳定,从现象上分析推测已接近 ON—OFF 控制。就测试调查情况来 看,Honeywell 及国内一些蓄冷空调系统控制软件技术上比较成熟,实际控制效 果比较好,实测的空调供回水温度比较平稳,较好地为用户做好了削峰节能。 三、蓄冷槽的性能比较 目前在我国真正用于实际工程的蓄冷装置主要是两大类: 封装式蓄冷槽和盘 管式蓄冷槽。 封装式蓄冷槽细分为冰球式蓄冷槽和蕊芯褶囊冰球式蓄冷槽,前者 如 CIAT 公司的产品,后者如杭州华源公司的产品。盘管式蓄冷槽在国内应用的 一般都是内融冰形式,细分为 U 型塑料盘管、圆形塑料盘管、金属蛇形盘管等 几种。U 形盘管以 FAFCO 的产品为代表,圆形盘管以 CLAMAC 的产品为代表,

金属蛇形盘管的生产厂家则有 BAC、清华同方等。蓄冷装置形式不同,则其取冷 特点各不相同,以下分别论述。 冰球式蓄冷槽的蓄冷速度较慢,但取冷速度较快且在整个过程中不断降低。 以深圳中电大厦的测试结果为例,在蓄冷流量约 0.19m3/h/RTH,蓄冷温度约-6 摄氏度条件下,花费了 12.5 小时才全部蓄满,且在蓄至 80%左右时,蓄冷速度 降低较为严重。

四、新型蓄能系统
近年来,蓄能空调的形式发生了不少变化,总的看其趋势有两个,一个高效 节能,一种设备多种用途;另一个是蓄能空调的规模,大的可实现集中供冷、供 热,小的则是发展微型蓄能系统,如家用蓄能空调机组等。 1. 蓄冷与蓄热的结合 (1)水池蓄冷与蓄热 水池内水流向与流速的严格控制是保证池内水温自然分层, 提高蓄能效率的 关键。 蓄热水槽不得与消防水池合用。 注意对池壁温度应力的验算与措施。 (2)蓄冷与蓄热合用槽体 乙二醇水溶液可在 85 摄氏度至 90 摄氏度范围内不分解变质是前提。 提高水蓄冷槽的蓄冷效率,减少冰盘管容量。 节省蓄能槽体的占用空间,冬、夏蓄冷,蓄热合用一个槽体。 可适用于内融冰盘管或外融冰盘管系统。 可适用于热泵系统或电加热蓄热系统。 2. 外融冰盘管系统,可获得 1 摄氏度左右的低温供水 (1)实现大温差供水,减少水系统能耗与初投资 一般空调水:t=7℃/12℃,△t=5℃。 大温差供水:t=1℃/15℃,△t=14℃,流量减小,节电、省管径。 可建成集中供冷,冷源与热网合用管线。 减少用户建设冷热源所需的投资与面积。 减轻污染,可用氨高效制冰。

高效、节能、减少初投资。 (2)实现低温送风,节省空调风系统容量与能耗 一般空调风:t=16℃/24℃,△t=8℃ 低温送风:t=11℃/27℃,△t=16℃,风量减半,节电、节省风道和空间。 提高室内卫生标准,相对温度低,人更舒畅,不易滋生细菌。 (3)可以极大地提高取冷率,即单位时间取冷量可扩大到 50%左右,克服了内 融冰盘管取冷速率较小(最大约 13~14%)的缺点。 (4)开式系统与水系统一样,必须解决好系统中压力保持问题。 3. 热泵系统 (1)风冷热泵,多用于中小规模的建筑 系统配置简单,没有冷却水系统,不占机房面积,全部放在室外。 供冷与一般风冷机组相同,COP=4~5。 供热:出水温可达 40℃~45℃,最低工作温度-10℃左右,COP=2.0~2.5。 初投资较高,但与一般直燃机相比,基本持平。 可以与电热结合使用。 (2)水源热泵,可用于大、中型规模的建筑 供冷与一般水冷机组相同,COP=4.5~5.5。 供热:出水温可达 56℃至 58℃,COP≈3.2~3.8。 初投资比风冷热泵便宜,但要有合适的水源系统。 同样可与电热结合使用。 系统较简单方便,无任何污染,冷、热效率较高,有广泛应用前途。 4.利用电能蓄热 (1)系统简单、方便、无任何污染。 (2)热效率较低,COP≤1.0,且发电中一次能源效率只有 30%左右。 (3)利用低谷电进行蓄热,可以适当采用,运行费用较低,约 29 元/m2 年。 (4)直接电加热,则运行费过高,一般不宜采用,其供暖费用约 50 元/m2 年。 五、结论 冰蓄冷技术在中国的应用至今已有 5~6 年的历程,可以说已经走过了艰难 的启动状态,走进了进一步发展和完善的良性轨道,可从如下事实说明:

(1)发展速度:1995 年全国只有 2 家蓄冷工程;1997 年发展到 33 项;1998 年建成 60 多项;1999 年底已建成和正在建的蓄能空调有 100 余项。 (2)发展规模:1997 年最大蓄冷量只有约 3000RTH,1998 年建成 8200RTH 的大系统,1999 年又建成蓄冷量达 12000RTH 的更大系统。 (3)发展模式:1998 年以前几乎全部都是静态蓄冷系统,1999 年出现两家动 态蓄冷系统,而且规模还相当大;除单纯蓄冷形式外,又出现了不少既蓄冷又蓄 热的系统,因地而异大胆采用了电能蓄热系统等等。
(4)发展目标:人们对“为国节能为民节资”的关系,对“节能与环保”的关系有了进 一步的认识,保证了蓄能空调技术发展的大方向。 总之,根据以上情况,我们可以预见到,在中国大量发展蓄能空调的技术已经相当成熟,广 泛应用蓄能技术已经势在必行。

蓄冷空调方案的选择:
1.目前空调蓄冰的方式很多,主要的有冰盘式、冰球式。本工程采用简便、可靠、 性能良好的法国 CIAT 冰球。它将封闭在一定形状的塑料容器内的液体制成固态 冰的装置。其形状为球形,浸在充满乙二醇溶液的贮槽内,冰球内的溶液随着乙 二醇的温度变化结冰或融冰。本工程采用的冰球,球壳厚 2mm,直径 98mm, 每 m3 有效冰球数 1221 个,潜热 133.4KJ/个。 2.整个蓄冰系统由充满冰球的贮冰槽组成,承压为 0.035Mpa;整个系统为开式系 统。由系统的 6#冰槽为定压、膨胀箱。蓄冰槽可采用球型槽,立式槽和卧式槽。 在贮同样冷量的情况下,球槽具有体积小、冷量分配均匀及材料最少的特点。但 限于本工程的位置条件,我们采用了船型卧式槽,总蓄冷体积为 640m3,最大蓄冰 量 31787.2KW(9040RT)。该槽承压要求小,仅 0.035MPa。本工程选用的蓄冰系 统是目前北京最大的冰球式冰蓄冷系统。 3.在空调蓄冷方案的选择中,空调制冷主机的选择十分重要。根据运行方式的需 要, 空调制冷主机必须是双工况的,既能适应空调工况运行又能进行制冰工况运 行。根据常用主机有往复式、螺杆式和多级离心式。根据对压缩机制冷机的综合 分析,离心式和螺杆式是最具有竞争力的。在小于 1060kW(300Rt)时,螺杆机 较离心机要有优势,尤其部分负荷时,它的部分负荷综合值较高,所以在制冰时 更显出螺杆机的优越性。 本工程采用了单螺杆压缩机,制冷剂采用 HCFC22。单螺杆机其结构简单, 轴承受力负荷小, 运动部件之间无磨损, 所以使用寿命长、 振动小、 制冷效率高。 正由于螺杆机的优越性能,在调试过程中,当负荷运行时,单台主机实际耗电 300kW。采用双工况的单螺杆机是空调蓄冷模式决定的。 4.蓄冰空调系统流程配置: 蓄冰空调系统在运行过程中有两种运行工况,即蓄冰工况和放冷工况。在 蓄冰工况时,系统内的载冷剂(即 25%浓度的乙二醇溶液)温度低于冰球内溶 液的相变温度,后者内部的溶液便逐步结成冰(或固态物),从而将冷量储存起 来。 在放冷工况时, 系统的载冷剂温度高于冰球内溶液的相变温度, 球内的冰 (或 固态物)融解,将冷量释放出来。

在蓄冰空调系统中,水系统的流程有两种:并联流程和串联流程。 ①并联流程系统中制冷机与蓄冰槽处于并联位置,当最大负荷时可以联合 供冷。该模式可以实现蓄冰、蓄冷并供冷、融冰供冷、制冷机直接供冷等多种运 行工况。 特点:并联流程在发挥制冷机和蓄冰槽的效率方面更为均衡, 尤其在部分蓄 冰的条件下,泵的能耗比串联流程有所降低。 ②串联流程系统中制冷机与蓄冰槽处于串联位置,以一台泵维持系统内的 乙二醇溶液循环,供应空调所需的冷量。 特点:串联流程可保持恒定的供冷温度, 系统运行稳定, 在自控方面也较并 联流程简单。 根据系统流程的特点及工程使用的要求,在本工程中采用了串联流程。 5.蓄冰系统设备及流程的选择及配置,只是在节能、移峰填谷、节约投资方面起 到一部分的作用;真正做到节约运行成本,同时还应注意系统运行控制的正确方 法,应注意以下问题: ①据用户冷负荷的需求,按电费结构的特点,自动设置蓄冷系统最佳的运 行方式,降低整个系统的运行费用; ②充分利用蓄冷装置的容量,当日应尽量把所蓄冷量用尽,以发挥夜间机 组制冷的能力,减少白天运行的容量。
③自动检测系统的运行状态,保障冰蓄冷系统主要设备正常、安全运行、自动记录系统 运行的参数,显示系统运行流程图和打印系统运行参数报表。

冰蓄冷系统的设计与施工(工程实例)
一、工程概述 北京国际金融中心位于月坛北桥东侧, 建设单位是首创集团融金房地产开发 有限公司。该建筑物功能类型为办公,酒店,银行办公的综合大厦,总建筑面积 11.6 万平方米。是全国最大的冰蓄冷工程项目。该项目由北京建工总机电设备 安装工程有限公司第一项目部进行施工安装。 本系统主要是为该建筑提供空调冷 冻水,冷冻站在地下 3 层;机房建筑面积 1200m2(蓄冰槽 520m2)。冷冻站采用 蓄冰空调系统, 充分利用夜间廉价的低谷电力储存冷量,补充在电力高峰期的空 调冷负荷需要,节约系统运行成本。 二、设备配置 (一)冷源 1. 双工况螺杆式冷水机组 3 台(YSFAFAS55CNES)约克(合资) 2. 基载离心式冷水机组 2 台(YKFBEBH55CPE)约克(合资) (二)冷却塔:大连斯频得 冷却塔共计 5 台,CTA-450UFWS 三台,CTA-600UFWS 两台。 (三)板式换热器:丹麦 APV 板式换热器共计 3 台,选用 APV 板式换热器 J185-MGS16/16。 (四)蓄冰槽(现场加工) 蓄冰槽共有六台,最大蓄冰量 31787.2KW(9040RT)。 (五)乙二醇循环水泵:德国 KSB 乙二醇循环水泵共计 4 台,其中 1 台备用,并配 4 台变频器。 (六)冷却水循环泵:德国 KSB 冷却水循环泵选用卧式离心泵 4 台,其中 1 台备用。 三、运行策略: (一)负荷说明 根据建筑使用情况及初步设计估算结果,整幢大楼的尖峰冷负荷为 11428KW(3250RT)。由于气温变化,空调系统在整个运行期间日负荷大小会 有变化,根据负荷分布情况,计算出 100%负荷情况逐时空调负荷:

目前蓄冰的模式可采用全部(全量)蓄冰模式或部分(分量)蓄冰模式。 本工程采用部分蓄冰模式。 根据采暖通风专业提供的建筑物设计日 100%负荷如下:最大小时冷负 荷:11428KW(3250RT) 设计日冷负荷:151705KWH(43144RTH) 最大小时基载冷负荷:2286KW(650RT) 扣除基载冷负荷后的最大小时冷负荷:9142.33KW(2600RT) 扣除设计日基载冷负荷后冷负荷:96852.4KWH(27544RTH) (二)系统流程简述 本设计蓄冰设备选用冰球式蓄冰设备,系统选用串联单循环回路方式,在 循环回路中,乙二醇制冷主机置于蓄冰装置上游。系统中设有板式热交换器 3 台,每台换热量为用 3961KW(1126RT),用以把冰蓄冷系统的乙二醇回路与 通往空调负荷的水回路隔离开, 保证乙二醇仅在蓄冰循环中流动,而不流经各空 调负荷回路, 可减少乙二醇用量并避免乙二醇在空调负荷回路中的泄漏。乙二醇 回路中设有 4 个电动调节阀 CV1,CV2,CV8CV9,根据冷负荷变化,通过电动调节 阀 CV1,CV2 调节进入蓄冰装置的乙二醇流量,保证进入板式热交换器的乙二醇 侧温度恒定并满足冷负荷需求。电动调节阀 CV8.CV9 调节进入板式热交换器的 乙二醇流量,保证进入板式热交换器的水侧温度恒定并满足冷负荷需求。同时, 空调冷冻水回路采用的是二级泵系统,节省运行费用。 本工程最大蓄冰容量 31787.2KW (9040RT) 分 6 个冰槽, , 槽内净高 2.35 米。为了尽量减少冰槽的占地面积,我们将蓄冰槽作成非标准型的,尽量利用建 筑空间,顶板上方预留设备入口兼检查孔,供设备及检修人员出入。冰槽结构为 外保温。自蓄冰槽向外的结构组成分为:防水涂刷层,橡塑保冷层。为满足电力 部门削峰填谷的需求, 电力高峰段, 双工况冷水机组, 基载冷水机组满负荷运行, 不足冷量由融冰输出供给。 系统设计中同时考虑备用问题,当任意一台机组发生 故障时, 开启备用基载冷水机组满足空调供冷的需求。当任意一台双工况冷水机 组发生故障时,开启备用基载冷水机组,满足第二天空调供冷的需求,当任意一 个分区的蓄冰槽发生故障时,开启备用基载冷水机组,满足空调供冷的需求。

在过渡季节空调供冷时,停开冷水机组,仅输出融冰供冷便可满足空调需 求。此时,电动调节阀 CV1,电动阀 CV3 关闭,开启电动阀 CV2,CV4,乙二醇 溶液冰不流经双工况冷水机组,避免了泵功率的浪费。在蓄冷槽单独供冷时,乙 二醇溶液泵采用变频技术,大量降低水泵能耗。 (三)蓄冰运行策略 根据全日冷负荷曲线及北京地区的分时电价情况,本设计采用的是负荷均 衡的部分蓄冰策略, 这样既可以用在夜间储存的冷量最大限度的满足在电力高峰 期空调冷负荷需要,节约系统运行成本,也尽可能少的占用该建筑的有效面积。 四、运行情况比较: 由于北京地区电网采用了峰谷电价政策,高峰电价与低谷电价已达到 4.3∶1。因此,采用冰蓄冷系统,可以大大降低空调系统运行费用。现阶段,峰 谷分时电价如下表: 乙二醇系统的控制根据电力负荷的峰谷时段(电价的高低)和空调负荷的 要求,整个蓄冰制冷系统能自动切换系统的运行工况: (1)双工况主机制冰模式 (2)双工况主机+融冰供冷模式(满负荷情况) (3)融冰单供冷模式(部分负荷情况)。控制系统根据工况要求,自动 开关电动阀,组成某工况所需的流体通道。通过阀门调节控制融冰速度;在融冰 单供冷工况通过乙二醇泵变频及台数调节控制融冰速度及供水温度。 1.双工况主机制冰模式:23∶00~7∶00 在此时段内为电力低谷期,电价低廉。双工况主机设定为制冰工况并满负 荷运行,所制得的冷量全部以冰形式存储起来,以供冷负荷高峰期使用。开启双 工况主机和乙二醇泵, 在双工况主机、 乙二醇泵和储冰槽之间形成一个制冰循环。 在电力低谷期,充分利用低谷廉价电力,三台双工况主机全力制冰,制冷机组首 先使回路显热降温,直降到蓄冷球相变温度,达到相变温度后,随着吸收机组产 生的冷量,蓄冷球开始发生相变(结冰),在结冰期间冰球不断吸取机组所产的 冷量, 至制冷机组产生的冷冻流体温度也略降至相变结束时对应的最终温度速度 很快, 而这种快速的降温表明了蓄冷阶段的结束。因为制冰时主机的效率受到室 外空气参数系统设定的影响, 达到设计蓄冰量所需要的时间可能超过或短于电力

低谷时段, 如果超过电力低谷时段,系统会在早晨电力平峰期甚至电力高峰期制 冰,系统的运行费用增加;如果短于电力低谷期,则会造成系统在达到设计蓄冰 量以后无效或低效运行(主机出口温度很低),系统的运行费用也会增加。所以 应该在电力低谷期, 充分用足制冷机组制冰量和冰球的蓄冰能力,才能最大发挥 蓄冰的功效(即最经济的效果)。判断制冰结束的条件是: ①控制系统的时间程序指使为非储冰时间。 ②当制冰主机出口温度低于-7℃(可调)时或储冰装置的进出温差降到 1.5℃(可调)。 2.双工况主机+融冰供冷模式(满负荷情况):8∶00~23∶00 当用户冷负荷大于制冷机组所产生的冷量时,需要蓄冷槽与制冷机组同时 供冷,即联供运行。在此时段双工况主机满负荷运行,不足冷量由融冰满足,融 冰供冷量根据负荷变化由电动调节阀 CV1、CV2 来调节。开启双工况主机,乙二 醇泵和冷冻水泵。在双工况主机、乙二醇泵和板换形成一个供冷循环。乙二醇泵 把主机的冷量输送到板换, 冷冻水和乙二醇溶液在板换进行热交换后,有冷冻水 泵输送到分水器或空调末端。 除了由于检修原因人为干预外,应采用基载主机优 先。微机控制系统根据动态负荷预测的数据,控制蓄冷槽释冷量的大小,使蓄冷 槽的蓄冷量当天基本用尽, 又不能出现最后几小时蓄冷系统供不应求,使冰蓄冷 系统运行到最经济的效果。 3.双工况主机单位供冷模式(部分负荷情况):11∶00~18∶00 在此时段内为电力平价期,电价适中。双工况主机设定为制冷工况并满负 荷运行,满足空调冷负荷需要。开启双工况主机、乙二醇泵和冷冻水泵,从板换 出来的 9℃的乙二醇溶液先经过主机降温(7℃),主机的设定出口温度为 5℃, 然后进入储冰槽, 储冰槽阀门处于调节状态,经过储冰槽冷却的乙二醇溶液在阀 门的调节下达到设定的供水温度 4℃, 供给板换。 同时通过调节 CV8 阀门控制板 换二次侧的供水温度。 4.融冰单供冷模式(部分负荷情况):8∶00~11∶00;18∶00~23∶00 在此时段内电力高价期。融冰供冷满负荷运行,不足冷量由双工况主机满足,满 足空调冷负荷需要。这样可避开电力高峰期,将系统的最高用电量降至最低,节 约运行成本。 融冰供冷量根据负荷变化由变频泵来调节。开启乙二醇泵和冷冻水

泵,乙二醇泵变频使板换二次侧的供水温度稳定在设计温度(如 7℃)。此时,主 机退出运行,主机的旁通 CV12 打开,乙二醇溶液不在流经主机,直接进入冰槽, 通过变频有效节省能耗。某些季节冷负荷低时往往只*释冷便能满足冷负荷,要 求微机控制系统根据动态蓄冷负荷预测,自动地控制系统的运行方式,使冰蓄冷 系统运行在最佳状态,以达到削峰填谷节约能源的目的。 5.备份模式:7∶50~8∶00 在此时段内由于没有其它负荷,此间系统中除基载主机及相应设备正常工 作, 提供该建筑的基本冷负荷外, 所有设备均停止运行, 整个系统处于备份状态。 此外,业主还可以根据该建筑的实际情况组成其他模式。 五、冰蓄冷系统自动控制功能 1.冷冻水系统连锁控制: 冷冻水系统中,和板换相连的一次冷冻水泵和板换是多对多的关系,也同 样存在象乙二醇系统中的联锁要求,负荷降低所需开启的一次冷冻水泵台数减 少, 对应的板换开启台数也需要减少,即一次冷冻水泵和板换冷冻水出口的电动 阀门形成联锁,同样这种联锁控制不能影响一次冷冻水泵和板换互为备用的关 系。 2.冷却水系统的控制 根据主机(基载主机和双工况主机)的开启状态开启相应的冷却水泵,冷 却水泵、主机、冷却塔和电动阀门形成联锁。同时,通过电动阀门调节,冷却水 泵、主机和冷却塔能互为备用,即当其中二种设备同时发生故障时,可以自动开 起非对应的设备, 通过阀门自动切换所需的工作回路。 根据冷却水的回水温度 (冷 凝器的进水温度)调节冷却塔风机、台数控制及冷却水旁通控制,以保证冷却水 的回水温度不低于主机所要求的最低冷却水供水温度, 同时尽可能使冷却水回水 温度降低,以提高主机的制冷效率。 3.整个系统的控制与监视(不包括冷冻水二次水泵) (1)系统的启停顺序控制 系统的启停顺序除考虑设备的保护外,还应充分利用主机停机后管道系统 中的冷量。主机,如果主机需要开启,则力求使主机处于满负荷运行状态,同时 当天冰必须能全部用完;同时以末端空调冷负荷。

开启顺序:阀门调节到相应的工况状态—冷却水泵—冷却塔—冷冻水泵— (基载主机)—乙二醇泵—双工况主机。 停机顺序:双工况主机 (基载主机) —冷却塔—冷却水泵—乙二醇泵—冷冻 水泵。以上括号内的设备表示如果该设备需要开启,可在此阶段开启。系统的启 停顺序以及时间间隔在自控程序中编制完成, 自控系统的实际操作中可以做到根 据工况预测开机。 (2)系统运行模式的控制 储冰制冷系统的运行模式通常有三种:主机优先,融冰优先,优化控制。其 中, 融冰由现在负荷预测技术成熟后不再采用。系统运行模式的控制必须结合优 化控制软件,根据优化软件的判断结果调整系统的运行状态。 主机优先:在设计日工况下(冷负荷大),采用主机优先的模式,冷负荷高 峰时段内主机的容量不能满足冷负荷需求,通过融冰来补充能量。这时主机在空 调制冷工况下运行,满足部分冷负荷的需要,其他的冷负荷有融冰满足。 优化控制:优化控制的目标就是把有限的蓄冰量用在电价最高的时候, 但在 一天必须把前一天夜间的制冰量用完。当空调负荷减小到某一数值时(测试时寻 找),当建筑负荷相对较大,储冰空调系统按优化控制方式进行,控制系统根据 当天的预测性负荷图来决定当天的运行策略, 即每小时主机和融冰各自所承担的 负荷如何分配,尽量不开主机,如果主机需要开启,则力求使主机处于满负荷运 行状态,同时当天冰必须能全部用完;同时以末端空调冷负荷、主机的出口温度、 主机的部分负荷性能指标、 电力高峰平峰时段分布来决定当天的那一时段开启或 关闭部分制冷主机,使主机的耗电量与水泵的总耗电量达到最小。 当系统尚不能全融冰供冷即必须开启一台或多台主机补充冷量时,控制系 统根据测出的末端负荷(流量和冷冻水供回水温差的函数),判断出主机开启的 最少台数,使必须运行的主机尽可能在高负荷率下工作,提高整个系统的效率。 避免所有主机都在低负载率下以很低的效率运行,造成系统效率降低。 (3)板换的防冻保护 板换冻结的原因是系统处于制冰供况时,板换乙二醇侧的阀门关闭不严, 低温的乙二醇溶液流经板换,而水侧处于静止状态,所以水就会有结冰的可能。

首先,电动阀门要选用高质量紧密关闭型的阀门,在系统制冰时,板换乙 二醇侧的阀门处于紧密关闭状态。其次,在每台板换的乙二醇的进口处安装温度 传感器,当温度传器检测到乙二醇进口的温度为 1℃时,开启板换所对应的冷冻 水泵。在系统制冰时同时供冷,则检测到板换出口温度为 1℃时发出报警信号。

工程设计施工中应注意的问题
1.蓄冰槽容量不宜过大,会使蓄冰槽因自重变形,必须增加槽的壁厚以及进 行加固,还会给制作安装和运输带来困难,同时也增加了费用。在蓄冰槽的扩散 管的排布上, 会因扩散管的排布过密而浪费大量的空间,还会影响冻冰及融冰的 效果。 2.冷冻站通常位于大厦的地下部分,而地下部分又往往是停车库、站房、办 公集中的部位;使用面积非常紧张、造价昂贵;在蓄冰槽的设置及排布上应尽量 使用可利用的空间位置。 3. 100%乙二醇溶液的价格大约是 8500 元/吨,价格昂贵。在系统中,如果 因为检修或系统渗漏会造成很大的不必要的经济损失,同时对环境造成污染。在 施工中, 管道及设备用设立牢固的支、 吊架, 同时系统应进行严格的严密性试验。 如果有可能在乙二醇溶液充注前进行水溶液的试运转,观察整个系统的运转情 况;及自控系统的测点及电动阀门的动作配合。 4.蓄冰槽在安装过程中,槽与下面的支撑必须进行隔冷处理,以免局部形成 冷桥, 槽的本体必须进行绝热保温设计以减少冷损失。乙二醇溶液在蓄冰过程中 通常在-2.19℃/-5.56℃范围内,与周围环境的温差大;如果隔热效果不好,在平 时的运行中会造成非常大的浪费。 所以蓄冰槽的本体的保温厚度应大于标准工况 的冷冻水的保温厚度,保温层应严密,尽量减少冷损失。 5.蓄冰槽无论是立槽还是卧槽在设计中必须考虑载冷剂(即 25%的乙二醇 溶液)的分配均匀性。在槽的入口和出口设均流管。本工程采用了 DN200 扩散 管,均流管供、回各一根,在系统冻冰及融冰过程中流向相反。将载冷溶液均匀 有效地传给槽内蓄冰球。 6.在蓄冰槽的设计中还考虑人孔以便填充球,在填充蓄冰球时,对高于 2M 的卧槽或立槽, 应预先在槽中充入 1/3 槽的水以减少填球时的冲击使球均匀地填 充(由于冰球的密度比水小,冰球浮于水面有利于冰球的扩散);同时水不宜过 多,不利于冰球填满整个冰槽(造成冰槽底部无冰球);槽的底部设卸球孔,也 可作排污用。 7.在冰蓄冷系统流程中,系统与用户的联接方式有直接连接(即整个系统全

部充满乙二醇溶液)和间接连接(即乙二醇溶液系统仅限于一定范围内,通过板 式换热器与二次水进行热交换)。本工程在设计中采用了间接连接,乙二醇溶液 仅限于在制冷机房内循环,外部空调水系统仍是水系统。这种做法有两个好处: A、乙二醇溶液仅限于制冷机房用,用量少,节省费用; B、减少在大楼内部存在因检修和维护造成乙二醇溶液泄漏的问题; C、 尤其是高层建筑能起到隔断高层建筑冷水系统静压以保护空调制冷主机; 提高蓄冰系统安全系数, 减少乙二醇溶液泄漏概率;减少设备及阀部件承压稀疏 的作用。其代价仅仅是增加了一台热交换器。 8.本工程采用了部分蓄冰的控制策略而且是制冷机优先, 这样制冷主机的容 量可以大大减少,同时也减少了电力增容费,在负荷较低时尽量利用所蓄的冰。 9.在系统设计中还应考虑到: 乙二醇溶液受球内介质相变时的影响而体积膨 胀,在系统中他的相变膨胀量是 2%~9%。为此系统应设置膨胀水箱,而且还 设置了溶液补给箱作为膨胀水箱外的溢流箱。在系统亏液或浓度降低时进行补 液。 设置溶液补给箱有以下作用: ①既可方便地给系统补充乙二醇溶液,又便于检查乙二醇溶液浓度。 ②当蓄冰球相变时,体积膨胀使膨胀箱中的溶液容纳不下而溢流至补给箱。 ③在系统检修或维护中的补液及乙二醇液体的回收再利用, 有利于减少运营 成本,以环保要求。 10.蓄冷系统的水处理:乙二醇水溶液系统管路为防止腐蚀,需加防腐剂使 钢管内形成保护膜,防腐剂须符合环保要求。 11.阀门的选择上应注意的问题: ①电动调节阀、 开关阀门的密闭性能应严格要求;在整个系统冻冰及融冰的 过程中,乙二醇侧在一定阶段内会运行在-2.19℃/-5.56℃温度范围内,在板换的 另一侧的冷冻水通常在 7℃/12℃运行;如果板换的乙二醇侧关闭不严有泄漏,会 造成板换冷冻水一侧结冰,冻裂设备。本工程采用 KEYSTONE 和 SIEMENS 的电 动蝶阀。 ②电动阀门的两侧应设置检修阀、 旁通阀;以便系统检修, 和人工手动运行。 ③电动阀门必须有方便的手动调节装置。

12.设备投资及运行比较: 比较结果: ①冰蓄冷系统冷冻站房初投资 1531 万元,常规空调工况冷冻站房初投资 1300 万元; ②采用冰蓄冷空调系统可以节约运行费用 136 万元/年; ③以空调设备运行年限 20 年计,蓄冰系统共可节约 2720 万元;经济效益非 常可观; ④系统的工作压力和温度较低,安全可靠。机组采用智能控制,实行远程 监控,无须专人值守,便于管理; ⑤采用蓄冰系统削峰填谷,可避免变压器夜间空载运行,减少不必要的损 失; ⑥随着国家电力政策对削峰填谷的进一步倾斜,鼓励用户使用蓄冷空调技 术,电力部门将采取一系列的优惠政策,用户将获得更大的投资收益; ⑦蓄冰系统作为相对独立的冷源,增加了集中空调系统的可靠性。 13.运行管理: ①乙二醇溶液的浓度的监测:乙二醇系统在运行时, 乙二醇溶液会有部分变 质和挥发。使乙二醇溶液的浓度降低,凝固点温度提高;无法保证冷水机组的防 冻保护。 在系统运行中要求管理人员定期检测乙二醇浓度的变化, 及时进行补充。 主要观测点: 1、冷水机组出口处; 2、板换乙二醇侧出水口; 3、蓄冰槽的泄水口; 4、水泵的进水口。 ②板换的冰冻保护:在系统运行过程中, 应严密监测板换冷冻水侧的运行情 况。 如发现水流速度过低, 水流进出口压差异常;出口温度过低;要及时进行检查。 以防止由于水温过低;发生板换冷冻水侧的冻结,从而损坏设备。 ③冰球的保护:在系统运行过程中, 由于冰球完全封闭在槽体内。 只能通过 检测参数了解运行情况;无法直观进行监测。一旦冰球损坏,封装液体进入乙二 醇溶液;将严重降低抗冻能力。依*简单的乙二醇补充是无法弥补的。所以在冰球

的灌装中,应严格执行操作规程;保证冰球的完好率。在冰球的选择上,应考虑 到冰球的使用寿命及强度。 八、结论: 1.转移制冷机组用电时间,起到了转移电力高峰期用电负荷的作用,制冷 机组在夜间电力低谷时段运行储存冷量, 白天用电高峰时段用储存的冷量来供应 全部或部分空调负荷,少开或不开冷机。 2.空调蓄冷系统的制冷设备容量和装设功率,小于常规空调系统。一般可 减少 30%~50%。 3.空调蓄冷系统的一次投资比常规空调系统要高。如果计入供电增容费及 用电集资费等,有可能投资相当或增加不多。 4.空调蓄冷系统的运行费用由于电力部门实施分峰谷、分时电价政策,比 常规空调系统要低,分时电价差值愈大,得益愈多。 5.空调蓄冷系统中制冷设备负荷运行的比例增大,状态稳定,提高了设备 利用率。 6.空调蓄冷系统并不一定节电,而是合理使用峰谷段的电能。 7.蓄冷系统在充冷运行时,基本可满负荷运行,且夜间冷却水温较低,有 利于制冷效率提高。

自控的基本功能
冰蓄冷空调由于自身的特点而对自控系统有一定的依赖, 而这种依赖就决定了自 控系统的基本功能。 就一般情况而言,冰蓄冷空调对自控系统有如下四个方面的 基本要求: 1、工况切换和设备起停控制。冰蓄冷空调是在同一管道系统上通过对水 泵和阀门等设备的不同组合而得到不同的工况的, 而不同的工况组合又体现出不 同的运行策略。 因此, 选择冰蓄冷空调只是为降低运行费用在设备上提供了可能, 而真正实现降低运行费用还需将系统中所有设备有机地结合起来, 并使操作者方 便快捷地在各工况之间切换。 就具体的工程而言, 不同的工况对参与运行的水泵以及阀门的开启和关闭都 有不同的规定, 与此同时, 对各设备的启动顺序和设备启动的时间间隔都有具体 的要求。这就要求自控系统能为工况的切换提供方便、安全的操作手段。理想情 况下, 操作者希望通过鼠标在屏幕上的点击或通过菜单的选择就能切换工况。但 是自控系统在提供操作方便的同时又要能够防止人员的误操作, 所以建议把工况 切换和系统启动分为两步操作,即切换工况只是为系统启动做好了工况的选择, 而并不是在切换工况后直接启动系统。 2、融冰速率控制。为了真正做到移峰填谷,蓄冰系统都追求较高的融冰速 率,以期能在峰电时段内完全释放冷量。但随之而来的问题是,如果不对融冰速 率进行控制则蓄冰装置将以最快的速度融冰,造成冷量的浪费。因此,冰蓄冷空 调要求自控系统能对融冰速率进行控制, 使其能跟踪负荷情况并满足系统对供冷 量的要求。 控制融冰速率的方法有很多,但大体可归纳为两类:改变出水温度和改变出 水流量。 如果以换热器为蓄冰装置的负载来描述,前者改变的是换热器冷媒水侧 入水的温度,后者改变的是换热器冷媒水侧入水的流量。通常情况下,前一种方 式更能兼顾换热效率,追求较低的换热温差。 控制融冰速率的最终目的是控制水的温度。由于管道中的水温有很大的惯 性, 一旦建立起了变化趋势后温度会朝着固有的方向变化而不会立即对控制系统 的调节做出响应,这就使该回路的控制特性偏软,并且有很大的滞后。管道中水

温的这些特性使常规的 PID 调节往往不能取得理想的效果。 因此, 在要求较高的 应用中需在控制模型中加入程度较深的反馈, 条件允许时还可在控制模型中引入 一定的预警措施,使控制器的调节动作产生在温度变化之前。 3、空调水供回水差压控制。当末端采用变流量系统时,空调水供回水总管 之间的差压是随末端的使用情况而变化的。虽然变流量的末端系统有很多的优 点,但如果不对供回水总管之间的差压进行控制,其危害也是显然的。首先,差 压的波动会使整个管道系统中控制阀门的阀权度发生变化, 这将破坏常规的 PID 控制环的稳定行,当阀权度减小到一定程度时还会导致控制阀的振荡。其次,当 该差压不足时,会使远端的能量供应不足,影响使用效果;反之,差压过大又会 影响到末端系统的安全。因此,这就要求自控系统能对该差压进行实时监测,并 采取相应的调整手段来使差压稳定在一个合理的范围内。 控制空调水供回水总 管之间的差压, 简单而行之有效方法就是在空调水供回水总管上加装旁通阀,控 制系统根据实际的差压来调整阀门的开度。在采用换热器的系统中,这种方法能 保证流经换热器二次边的流量恒定在设计值上, 以兼顾换热效率并追求较低的换 热温差。这种方法的缺点是水泵的成本不能随负荷的减少而下降。同时,由于旁 通阀上的差压变化很大, 这就导致在大的阀权度变化下,旁通阀很多时候实际是 工作在开/关状态,无法达到理想的控制效果。 因此, 另一种常见的办法就是采用速度可调的水泵。由自控系统根据空调水 供回水总管之间的差压来调整变速泵的转速,从而达到稳定差压的目的。为了在 最坏的情况下仍有足够的水流来保证水泵的安全, 许多情况下在采用了调速泵后 仍须安装旁通调节阀门。 4、逐时负荷预测。严格意义上说逐时负荷预测不是一个控制功能,但由于 它对冰蓄冷空调有着重要的意义,因此也列在基本功能中。 为了尽量减少高价峰电的使用,操作者需要对当天的逐时负荷有个了解,从 而制定出操作策略, 力求在峰电时段少使用冷机并尽可能使蓄冰量能在峰电时段 内完全释放。 缺少严格制定的操作策略往往会产生这样的情况:或者预留了过多 的冷量从而在峰电时段结束时仍有较多的剩余冷量, 或者过早地将冷量完全释放 而不得不在峰电时段多使用冷机。 制定操作策略的意义还在能合理安排蓄冰量的 使用, 除了给峰电时段预留外, 还能在冷机因负荷较低运行效率下降的时候使用

融冰供冷。 制定操作策略的依据是逐时符合,所以,逐时负荷的预测对冰蓄冷空调降低 运行成本有着重要的意义。但是,要实现逐时负荷的预测却有相当的难度,这一 方面是由于影响逐时负荷的因素太多,更主要是对历史运行数据的要求。目前预 测逐时负荷的方法大多离不开系统运行的历史数据。因此,获得和维护一个完整 的历史数据库就成为实现逐时负荷预测的先决条件, 这在操作上显然有一定的难 度。 要使逐时负荷的预测功能变得切实可行, 这一方面有待于可以不借助历史数 据库的预测方法,同时也有待于更简便可行的维护和建立历史数据库的手段。


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