水蓄冷在中小型建筑中的應(yīng)用

賴文彬

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010）

0 前 言

在暖通設(shè)計(jì)和管理中，當(dāng)樓宇極低負(fù)荷時(shí)如何開啟運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)，是個(gè)令人頭疼的問題。由于負(fù)荷低，強(qiáng)行開啟制冷系統(tǒng)會(huì)帶來系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用高、制冷主機(jī)停啟頻繁等問題。為了解決這些問題，通常會(huì)采取附加一臺(tái)小容量機(jī)組或采用多聯(lián)機(jī)等辦法，但附加一臺(tái)小容量機(jī)組并不能徹底解決，而且同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行更復(fù)雜，多聯(lián)機(jī)是一個(gè)較好的解決辦法，但往往受限于建筑形式，無法擺放室外機(jī)。為此，本人在廣州的某超高層建筑的設(shè)計(jì)中引入水蓄冷的概念，較好的解決了這些問題。

1 工程概況及系統(tǒng)選擇分析

該建筑總面積約5.6萬m2，其中空調(diào)面積2.5萬m2。地下室五層，地上三十二層，總建筑高度154m。避難層設(shè)于5層 （21.5m標(biāo)高）和 18層（80.0m標(biāo)高）。裙房4層，以大堂、會(huì)議、羽毛球館為主要功能；5層以上為塔樓，以辦公、會(huì)議為主。根據(jù)業(yè)主提出：由于經(jīng)常需要加班，且無規(guī)律可循，要求必須做到哪怕一間房間加班，空調(diào)系統(tǒng)也能開啟。塔樓每層建筑面積僅1000m2，沒有露臺(tái)，坡屋頂，裙房屋面僅有不到600m2。

同時(shí)由于辦公面積緊張，建筑專業(yè)無法另外安排出空間來擺放室外機(jī)，從而沒有設(shè)多聯(lián)機(jī)的可能性。

基于建筑的特性，只能設(shè)集中式空調(diào)系統(tǒng)，由于建筑屬于超高層，如果設(shè)一個(gè)系統(tǒng)勢必系統(tǒng)壓力過高，設(shè)備無法承受。要解決安全性的問題，有三個(gè)方案可考慮：（1）分設(shè)高區(qū)和低區(qū)兩套獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，高區(qū)制冷主機(jī)設(shè)于塔樓上，低區(qū)設(shè)于地下室；（2）設(shè)一套系統(tǒng)，制冷主機(jī)設(shè)于地下室，在18層避難層設(shè)板式換熱器轉(zhuǎn)換；（3）仍分設(shè)高區(qū)和低區(qū)兩套獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，高區(qū)和低區(qū)制冷主機(jī)均設(shè)于地下室。

分析這三個(gè)方案：

方案1：主機(jī)直接供冷，系統(tǒng)效率高，但屋頂沒有放冷卻塔或風(fēng)冷機(jī)的空間，沒有實(shí)施的可能性。

方案2：18層以上有約1.1萬m2的空調(diào)面積，占整個(gè)建筑空調(diào)面積的44%。經(jīng)過板換轉(zhuǎn)換后，整個(gè)大樓能耗增加超過6%，經(jīng)濟(jì)性差，不節(jié)能。

方案3：建筑需要設(shè)空調(diào)的區(qū)域?qū)嶋H高度約135m，制冷機(jī)房需設(shè)于地下二層 （-9.4m），空調(diào)系統(tǒng)工作壓力為1.85MPa。這對(duì)于制冷主機(jī)和水泵及其連接設(shè)備來說完全可以承受，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，末端設(shè)備及配件的工作壓力控制在1.6 MPa以下才是較安全的。同時(shí)，高低區(qū)均由主機(jī)直接供冷，系統(tǒng)效率高。這樣只要控制好系統(tǒng)末端的靜壓，本方案有可行性，同時(shí)也最合理。

再來分析建筑的布局及冷量分配：一至五層，羽毛球館設(shè)在二層，且大部分開啟時(shí)間在下班后，冷量為126.6kW（36RT）。5層為避難層。5層以上是辦公，使用時(shí)間相對(duì)一致。

5層以下總冷量為844kW（240RT），選用2臺(tái)422kW（120RT）的螺桿機(jī)組，5層以上冷量為3025.5kW（860RT）。如果用120RT的機(jī)組供羽毛球館，則勢必造成機(jī)組不斷的啟停。

據(jù)了解，一般螺桿式冷水機(jī)組在停機(jī)后，至少需20分鐘才能夠安全的再次啟動(dòng)。同時(shí)系統(tǒng)小，管路里面的水容量小，機(jī)組停機(jī)后沒有充足的回油時(shí)間即需要再次啟動(dòng)，勢必造成機(jī)組的損壞幾率加大。且機(jī)組在低負(fù)荷的工況下運(yùn)行，效率低。為了解決以上問題，筆者在設(shè)計(jì)時(shí)引入水蓄冷。

2 水蓄冷在低負(fù)荷時(shí)的作用

圖1 制冷機(jī)組效率曲線

蓄冷，在大部分設(shè)計(jì)師的眼中均認(rèn)為只有存在電價(jià)差時(shí)才有使用的價(jià)值。其實(shí)不然。下面分析某廠家的實(shí)際選型效率曲線，見圖1（冷卻水進(jìn)水恒定在32℃）。

機(jī)組在負(fù)荷由100%降到20%時(shí)機(jī)組的效率從5.67下降到4.47，下降了21%，加上水泵的功率，綜合效率下降了約30%。這是一個(gè)很大的損失。如果我們能用一個(gè)蓄冷池把冷量蓄起來，讓主機(jī)保持在100%負(fù)荷 （或最高效時(shí)的負(fù)荷率）運(yùn)行，其余時(shí)間由蓄冷池提供冷量，同時(shí)蓄冷池供冷時(shí)水泵采用變頻運(yùn)行。這樣系統(tǒng)的效率將大為提高。當(dāng)然，如果采用一級(jí)泵變頻的技術(shù)，在系統(tǒng)低負(fù)荷時(shí)綜合效率會(huì)有所提高，但實(shí)際上，水泵的變頻量是有限制的，為簡化系統(tǒng)分析，一級(jí)泵采用定頻控制。且當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷小于單機(jī)最小負(fù)荷 （冷卻水溫在32℃時(shí)最小負(fù)荷約為25%）時(shí)機(jī)組將會(huì)自動(dòng)的停機(jī)，通常機(jī)組要完全安全的再次啟動(dòng)需要至少約20分鐘的時(shí)間，這時(shí)系統(tǒng)需要蓄有足夠的冷量供用冷點(diǎn)使用。

我們以低區(qū)系統(tǒng)為例做計(jì)算：

在僅開啟羽毛球館時(shí)系統(tǒng)可用的水體量：系統(tǒng)干管、制冷機(jī)房水管、3層支管共約4.5m3

水體蓄冷量：

羽毛球館需要冷量：

管網(wǎng)蓄存冷量能維持時(shí)間：

顯然機(jī)組停機(jī)后并沒有得到相應(yīng)的調(diào)整時(shí)間就必須重新啟動(dòng)，且機(jī)組開啟后按25%負(fù)荷率運(yùn)行不到15分鐘就會(huì)被要求停機(jī)，顯然對(duì)機(jī)組是非常不利的。筆者在系統(tǒng)中設(shè)一個(gè)150m3的蓄冷水池，水池蓄冷量為：

式中：

Cp—冷水的比熱容，取4.187kJ/kg℃；

FOM——蓄冷水槽的完善度；

αv—蓄冷水槽的體積利用率

水池蓄冷量能維持時(shí)間：

加上管網(wǎng)的蓄冷量，系統(tǒng)機(jī)組停機(jī)后可運(yùn)行約5.76小時(shí)，保證羽毛球館的用冷，且放冷冷凍水泵采用變頻運(yùn)行，軸功率遠(yuǎn)小于循環(huán)泵。按此原理，系統(tǒng)中每一間房均可單獨(dú)的開啟。

我們?cè)賮矸治鲋鳈C(jī)的效率曲線：單機(jī)負(fù)荷在253.2kW（60%）時(shí)，主機(jī)的效率從5.67下降到5.34，下降了 5.8%，如果系統(tǒng)負(fù)荷維持在253.2kW，采用水池供冷，可維持的時(shí)間為2.78小時(shí)，這段時(shí)間內(nèi)如果直接由主機(jī)連續(xù)供冷，主機(jī)和水泵的總耗電量為160.3kW.h。而改由水池供冷，主機(jī)和水泵的總耗電量為：

主機(jī)100%運(yùn)行時(shí)功率：P=74.4 kW

主機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行蓄冷時(shí)間：

主機(jī)用電量：Wl=P?Tj=124.2 kWh

循環(huán)水泵軸功率：Pb=10.25 kW

循環(huán)水泵耗電量：

放冷泵軸功率：Pf=4.2 kW

放冷泵耗電量：

總耗電量：

節(jié)省電量：W=160.3-146=14.3 kWh

耗電量減少了14.3 kWh，即節(jié)能了約9%。證明在系統(tǒng)低負(fù)荷及機(jī)組效率低時(shí)采用水池供冷取得良好的節(jié)能效果。

系統(tǒng)的高區(qū)受到條件的限制不能相應(yīng)的設(shè)蓄冷水箱，為了系統(tǒng)同樣能夠得以運(yùn)行，筆者在地下室設(shè)置板式換熱器將高區(qū)和低區(qū)系統(tǒng)并聯(lián)，即可做到兩個(gè)系統(tǒng)互為備用，解決了高區(qū)低負(fù)荷時(shí)無法運(yùn)行的問題。當(dāng)然這時(shí)系統(tǒng)的節(jié)能效果將受到影響，同時(shí)高區(qū)的末端放冷量也略有影響，但基本能滿足使用要求。

3 水蓄冷的設(shè)置和運(yùn)行控制

從以上計(jì)算可知，如果系統(tǒng)引入水蓄冷，系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行將變得簡單安全且系統(tǒng)更加的節(jié)能。但如果系統(tǒng)完全的按常規(guī)水蓄冷的做法來設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將變得較為繁瑣，占用的空間大，中小型建筑的地下室往往較小而沒有相應(yīng)的空間，而且在沒有電價(jià)差的建筑內(nèi)也沒有必要完全的按常規(guī)水蓄冷的做法來設(shè)計(jì)。本建筑，一層地下室僅4000 m2，除掉其它設(shè)備房、核心筒及車庫等，將沒有更充?？臻g做水蓄冷池。為了解決這個(gè)問題，筆者結(jié)合建筑實(shí)際情況將系統(tǒng)做了調(diào)整，如圖2。

圖2 制冷系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)沒有像常規(guī)的水蓄冷那樣設(shè)置專門的蓄冷水泵和高大的蓄冷罐 （或板式換熱器），將蓄冷水箱設(shè)在系統(tǒng)的最高點(diǎn) （5層），同時(shí)也起到膨脹水箱的作用。由于沒有電價(jià)差，也無需專門安排時(shí)間來做蓄冷運(yùn)行，系統(tǒng)只要在正常開啟時(shí)主機(jī)保持滿負(fù)荷 （或最高效時(shí)的負(fù)荷率）運(yùn)行，當(dāng)末端冷量需求小于1臺(tái)機(jī)組的容量，則如前面所說的將多余的冷量將通過壓差電動(dòng)閥進(jìn)入蓄冷水箱，至水箱冷量蓄滿。在低負(fù)荷時(shí)只需將主機(jī)和相應(yīng)的冷凍水泵關(guān)閉，開啟放冷水泵即可。這樣在正常供冷時(shí)完全可以讓系統(tǒng)保持在高效點(diǎn)的工況來運(yùn)行。

當(dāng)末端冷量需求大于1臺(tái)、小于2臺(tái)機(jī)組的容量，且同時(shí)開啟2臺(tái)機(jī)組總體效率低時(shí)，則開啟1臺(tái)主機(jī)制冷，同時(shí)開啟放冷水泵，抽取水箱內(nèi)的水實(shí)行聯(lián)合供冷，這樣可以保證主機(jī)永遠(yuǎn)在高效的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)然要做到這點(diǎn)前提條件是系統(tǒng)設(shè)有自控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)放冷泵的頻率使之與系統(tǒng)本身的循環(huán)泵在系統(tǒng)主供水管上提供的壓力達(dá)到一致。這樣在任何時(shí)候系統(tǒng)都可以讓主機(jī)和水泵保持在高效的工況點(diǎn)運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。至于系統(tǒng)直接供冷和水池供冷的轉(zhuǎn)換點(diǎn)的確定及蓄冷水池的大小要決定于主機(jī)的效率曲線及容量，確保系統(tǒng)綜合高效運(yùn)行。

4 結(jié)束語

由此可知，具有一定電價(jià)差的條件的系統(tǒng)采用水蓄冷固然有節(jié)能減費(fèi)的作用，但在沒有電價(jià)差的時(shí)候，在系統(tǒng)中設(shè)蓄冷水池，在低負(fù)荷時(shí)由蓄冷水箱供冷，調(diào)節(jié)制冷主機(jī)的負(fù)荷率及啟停頻率，使主機(jī)保持高效運(yùn)行，同時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的配置，使系統(tǒng)的配置和控制簡單化，也可起到相應(yīng)的節(jié)能減費(fèi)的效果，且保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

[1] 陸耀慶主編.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007