鄭州華南城一期1#交易廣場(chǎng)冰蓄冷空調(diào)設(shè)計(jì)

劉賀兵

深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司

1 項(xiàng)目概況

工程位于河南省新鄭市，為鄭州華南城一期1#交易廣場(chǎng)（圖1），分A、B、C、D、E 五座單體，系新建工程；總建筑面積約為50萬(wàn)m2，空調(diào)面積約為41萬(wàn)m2，總高度為22.32 m，屬于多層公共建筑[1]。本工程地下一層為汽車庫(kù)，地上一至五層均為商業(yè)，五層局部為餐廳、廚房等。

圖1 鄭州華南城一期1#交易廣場(chǎng)

為在宏觀上節(jié)約能源，提高電網(wǎng)效率，鄭州華南城一期1#交易廣場(chǎng)的空調(diào)系統(tǒng)采用了具有削峰填谷、平衡電網(wǎng)壓力、節(jié)能效果較好的冰蓄冷空調(diào)[2]。

2 室外氣象參數(shù)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，可得鄭州市室外氣象參數(shù)：夏季大氣壓992.3 kPa；夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度34.9℃；夏季空調(diào)日平均溫度30.2 ℃；夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度27.4 ℃；夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度30.9℃。

3 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)介紹

1號(hào)交易廣場(chǎng)夏季尖峰冷負(fù)荷為11172 RT（39281 kW），設(shè)計(jì)日空調(diào)總冷量為95298 RT，設(shè)計(jì)蓄冷量為30600 RTh。共選用5臺(tái)空調(diào)工況制冷量為1200 RT的雙工況冷水機(jī)組和一臺(tái)空調(diào)工況制冷量為1200 RT的基載主機(jī)。在設(shè)計(jì)工況下，1#交易廣場(chǎng)的冷負(fù)荷由基載冷水機(jī)組、雙工況冷水機(jī)組、蓄冰桶共同承擔(dān)。

本工程末端共分十個(gè)回路，峰值負(fù)荷分別為：A/B/E座上部分為 4520 kW、A/B/E座下部分為4400 kW、C/D座上部分為4797 kW、C/D座下部分為4677 kW，共45708 kW。

鄭州華南城一期1#交易廣場(chǎng)的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)采用分量蓄冰[4]，制冷主機(jī)和蓄冰設(shè)備為串聯(lián)方式[4]，制冷主機(jī)位于蓄冰設(shè)備上游[4]。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)按主機(jī)制冰、主機(jī)制冰同時(shí)供冷、制冷機(jī)供冷、冰供冷、制冷機(jī)與融冰聯(lián)合供冷等5種模式運(yùn)行，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)

4 主要設(shè)備選型

1）雙工況冷水機(jī)組：選用五臺(tái)離心式雙工況冷水機(jī)組，空調(diào)工況制冷量為4219 kW（1200 RT），冷水進(jìn)出水溫度11.5 ℃/6.5 ℃，冷卻水進(jìn)出水溫度32 ℃/37 ℃；制冰工況制冷量為 2630 kW（748 RT），冷水進(jìn)出水溫度-2.3 ℃/-5.6 ℃，冷卻水進(jìn)出水溫度30 ℃/33.4 ℃。

2）基載冷水機(jī)組：選用一臺(tái)離心式冷水機(jī)組為基載機(jī)，制冷量為4219 kW（1200 RT），冷水進(jìn)出水溫度12.5 ℃/6.5 ℃，冷卻水進(jìn)出水溫度 32 ℃/37 ℃。

3）蓄冰槽：蓄冰設(shè)備采用圓形蓄冰桶，盤管使用PERT改性導(dǎo)熱材料，蓄冰桶保溫采用整體發(fā)泡，厚度不小于80 mm，布置于制冷機(jī)房?jī)?nèi)，設(shè)計(jì)總蓄冰容量為30600 RTh。

4）板式換熱器：制冷機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)有七臺(tái)（六用一備）乙二醇－水板式換熱器，單臺(tái)換熱量5940 kW（1690 RT），在設(shè)計(jì)工況下聯(lián)合供冷運(yùn)行時(shí)，板式換熱器低溫側(cè)介質(zhì)為質(zhì)量濃度25%的乙二醇溶液，進(jìn)/出乙二醇溫度為3.5/11.5 ℃，板式換熱器高溫側(cè)介質(zhì)為水，進(jìn)/出水溫度為12.5 ℃/6.5 ℃。

5）水泵選型：所有水泵選用雙吸臥式離心泵，板換冷凍水泵8臺(tái)（7用1備），基載冷凍水泵及冷卻水泵各2臺(tái)（1用1備），冷卻水泵7臺(tái)（6用1備），乙二醇泵6臺(tái)（5用1備）。所有水泵（除冷卻水泵）均采用變頻控制，根據(jù)工況調(diào)整水泵運(yùn)行頻率，以降低運(yùn)行功率。

6）冷卻塔選型：以室外濕球溫度27.4 ℃，處理水量400 m3/h，設(shè)計(jì)選擇橫流型冷卻塔，共18臺(tái)。

7）水處理設(shè)備：冷卻水、冷（熱）水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有循環(huán)物化自動(dòng)水處理器，具備水質(zhì)預(yù)設(shè)定、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水質(zhì)調(diào)節(jié)、壓差自動(dòng)反沖洗功能。

8）冷凝器清洗設(shè)備：為保證機(jī)組的能效比，設(shè)有冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置5臺(tái)。

5 冰蓄冷運(yùn)行模式

根據(jù)氣候特點(diǎn)和空調(diào)實(shí)際需求，蓄冰系統(tǒng)可按以下工作模式運(yùn)行：

1）制冰（蓄冷）模式（00∶00-8∶00）

雙工況主機(jī)在電力低谷時(shí)段充分利用當(dāng)?shù)氐牡蛢r(jià)電運(yùn)行制冰。在該時(shí)段內(nèi)，制冷機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，通過(guò)低溫的乙二醇溶液將蓄冰桶內(nèi)的水制成冰。根據(jù)所需頻率開(kāi)啟乙二醇泵后，乙二醇溶液進(jìn)入主機(jī)的蒸發(fā)器（蒸發(fā)器出水溫度-5.6 ℃），經(jīng)主機(jī)降溫后的乙二醇溶液（蒸發(fā)器回水溫度-2.3 ℃）進(jìn)入蓄冰裝置，將盤管外的水結(jié)成冰。

2）雙工況主機(jī)和蓄冰桶聯(lián)合供冷

在最大空調(diào)負(fù)荷時(shí)段，為了盡量減少系統(tǒng)的電力運(yùn)行費(fèi)用，空調(diào)冷負(fù)荷由制冷主機(jī)聯(lián)合蓄冰桶供冷。根據(jù)所需頻率開(kāi)啟乙二醇泵后，從板式換熱器熱側(cè)來(lái)的高溫乙二醇溶液（11.5 ℃）進(jìn)入主機(jī)的蒸發(fā)器降至約6 ℃后進(jìn)入蓄冰裝置進(jìn)行融冰，融冰后產(chǎn)生的低溫乙二醇溶液（3.5 ℃）送至板式換熱器冷側(cè)進(jìn)行換熱，根據(jù)冷負(fù)荷的變化通過(guò)相應(yīng)電動(dòng)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入蓄冰裝置的乙二醇流量，以穩(wěn)定3.5 ℃的乙二醇供液溫度。從集水器回來(lái)的12.5 ℃冷凍水進(jìn)入板式換熱器冷卻到6.5 ℃，然后進(jìn)入分水器送到空調(diào)末端滿足空調(diào)的需求。

3）蓄冰桶單獨(dú)供冷模式

在非最大負(fù)荷時(shí)段，為了避免在電力高峰期內(nèi)開(kāi)啟冷機(jī)，該時(shí)段內(nèi)蓄冰桶的總?cè)诒├淞繛榭照{(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的全部。根據(jù)所需頻率開(kāi)啟乙二醇泵后，從板式換熱器回來(lái)的高溫乙二醇溶液（11.5 ℃）進(jìn)入蓄冰裝置進(jìn)行融冰，融冰后產(chǎn)生的低溫乙二醇溶液通過(guò)乙二醇泵送至板式換熱器冷側(cè)進(jìn)行換熱，進(jìn)行融冰供冷，根據(jù)冷負(fù)荷的變化通過(guò)相應(yīng)電動(dòng)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入蓄冰裝置的乙二醇流量，以穩(wěn)定3.5 ℃的乙二醇供液溫度。

4）雙工況主機(jī)單獨(dú)供冷模式

空調(diào)負(fù)荷改變時(shí)，為了將蓄冰桶的冷量盡量用于電力高峰時(shí)段，在電價(jià)平峰時(shí)段內(nèi)的冷負(fù)荷可以適當(dāng)?shù)赜呻p工況主機(jī)單獨(dú)提供，這時(shí)蓄冰桶與系統(tǒng)隔離。根據(jù)所需頻率開(kāi)啟乙二醇泵后，11.5 ℃的乙二醇溶液分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的主機(jī)蒸發(fā)器，經(jīng)過(guò)降溫至6.5 ℃通過(guò)乙二醇泵進(jìn)入板式換熱器進(jìn)行供冷。

5）空調(diào)設(shè)計(jì)日冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行方式

a.主機(jī)制冰（蓄冷）模式（00∶00-8∶00）。這期間為鄭州電力低谷時(shí)段，自控系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)閥門的切換，形成該模式運(yùn)行，5臺(tái)雙工況主機(jī)制冰模式下滿負(fù)荷運(yùn)行，制得46800 RTh的冷量?jī)?chǔ)存在蓄冰槽中。

b.基載主機(jī)、雙工況主機(jī)與蓄冷裝置聯(lián)合供冷模式（8∶00-00∶00）。這期間控制系統(tǒng)根據(jù)末端負(fù)荷的情況，切換到該供冷模式，優(yōu)先采用蓄冷裝置經(jīng)行供冷，不足部分冷量由機(jī)載主機(jī)和雙工況主機(jī)提供。

6）非設(shè)計(jì)日冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行方式

在天氣發(fā)生變化，當(dāng)日負(fù)荷較小時(shí)，系統(tǒng)將依據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷需求，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，在每一時(shí)段內(nèi)自動(dòng)調(diào)整蓄冰裝置融冰供冷及主機(jī)供冷的相對(duì)應(yīng)比例，以實(shí)現(xiàn)分量蓄冰模式逐步向全量蓄冰模式的運(yùn)行轉(zhuǎn)化，按照蓄冰裝置優(yōu)先供冷的原則，最大限度地限制主機(jī)在電力高峰期間的運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

6 冰蓄冷的自動(dòng)控制要求

本工程空調(diào)制冷系統(tǒng)包括制冷主機(jī)、蓄冰槽、乙二醇水泵、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔、定壓設(shè)備、水路電動(dòng)閥門、各種溫濕度、壓力傳感執(zhí)行機(jī)構(gòu)，蓄冰運(yùn)行控制包括有單制冰運(yùn)行、主機(jī)獨(dú)立供冷運(yùn)行、聯(lián)合供冷運(yùn)行、冰槽獨(dú)立供冷運(yùn)行四種狀態(tài)，蓄冷系統(tǒng)的控制主要要求如下：

a、控制乙二醇系統(tǒng)的電動(dòng)轉(zhuǎn)換閥門，實(shí)現(xiàn)四種工況運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換。

b、實(shí)現(xiàn)各工況運(yùn)行方式的能量調(diào)節(jié)及溫度控制；主機(jī)蓄冷時(shí)控制主機(jī)的蒸發(fā)溫度；主機(jī)單獨(dú)供冷時(shí)恒定主機(jī)出口溫度為6.5 ℃調(diào)整主機(jī)出力；蓄冷裝置單獨(dú)供冷時(shí)恒定蓄冷槽出口溫度為3.5 ℃及換熱板換冷水回水溫度為12.5 ℃，調(diào)節(jié)進(jìn)入蓄冰槽的乙二醇流量，控制融冰供冷量；聯(lián)合供冷時(shí)，恒定主機(jī)與蓄冰裝置后的乙二醇溫度為3.5 ℃，調(diào)節(jié)主機(jī)出力，調(diào)節(jié)進(jìn)入蓄冰槽的乙二醇溶液流量，控制融冰供冷量。

本工程的冷水機(jī)組、乙二醇溶液泵、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)及其進(jìn)水電動(dòng)蝶閥應(yīng)進(jìn)行電氣聯(lián)鎖啟停，其啟動(dòng)順序（停止時(shí)，反之）為：

a、主機(jī)蓄冷工況：主機(jī)、冷卻塔處電動(dòng)蝶閥－冷卻泵、溶液泵－冷卻塔風(fēng)機(jī)－冷水機(jī)組。

b、主機(jī)單獨(dú)供冷：主機(jī)、板換、冷卻塔處電動(dòng)蝶閥－冷卻泵、冷水泵、溶液泵－冷卻塔風(fēng)機(jī)－冷水機(jī)組。

c、蓄冰槽單獨(dú)供冷：主機(jī)處溶液管路、板換處電動(dòng)蝶閥－溶液泵、冷水泵。

d、蓄冰槽單獨(dú)供冷聯(lián)合供冷工況：主機(jī)、板換、冷卻塔處電動(dòng)蝶閥－冷卻泵、冷水泵、溶液泵－冷卻塔風(fēng)機(jī)－冷水機(jī)組。

e、溶液系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換閥門控制要求見(jiàn)表1。

表1 溶液系統(tǒng)的閥門轉(zhuǎn)換

7 結(jié)論

鄭州華南城一期1#交易廣場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)采用冰蓄冷空調(diào)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，在2013年8月正式投入使用，冰蓄冷空調(diào)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目建筑體量巨大，采用冰蓄冷技術(shù)，很好的移峰填谷，利用夜間相對(duì)廉價(jià)的低谷電將冷量?jī)?chǔ)存，白天釋放，不僅為工程本身大大降低了運(yùn)行成本，而且還為國(guó)家節(jié)約了能源，具有很好的社會(huì)效益，該空調(diào)系統(tǒng)具有以下節(jié)能特點(diǎn)：

1）空調(diào)冷水系統(tǒng)采用變頻泵設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)壓力變化改變水泵電機(jī)頻率來(lái)減少水流量，降低水泵功率[5]。

2）中央空調(diào)水系統(tǒng)采用6 ℃溫差設(shè)計(jì)，不增加末端造價(jià)的情況下，可降低水泵功率，縮小水管管徑。

3）自動(dòng)控制系統(tǒng)采用智能控制，能自動(dòng)監(jiān)視和控制空調(diào)設(shè)備，使空調(diào)系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際所需冷量來(lái)控制供冷量。

4）采用了較高能效制冷主機(jī)，制冷主機(jī)COP達(dá)到5.8，制冰工下COP為3.6。

5）選擇了較高的效率的水泵，減少輸送能耗。