水蓄冷空调系统在综合商业建筑中的设计分析

一、基础数据

（一）综合商业建筑设计日逐时冷负荷分布特点

（二）青岛市峰谷电价政策

（三）逐时冷负荷和峰谷电价的时段特点

商业建筑的逐时冷负荷的综合最大值时间为15：00。在12：00~18：00为商业建筑的逐时冷负荷最大的区间段，此区间段处于电价政策的平段。

电价政策的高峰段为8：30~10：30、18：00~19：00、21：00~23：00，共5h；尖峰段为10：30~11：30、19：00~21：00，共3h。此区间段为商业建筑的逐时冷负荷的较低值区间段。

电价政策的谷段为23：00~7：00，共8h，此区间段商业建筑空调不运行。

二、水蓄冷空调系统方案选择

（一）综合商业建筑采用蓄冷空调系统的优势分析

12：00~18：00为商业建筑的逐时冷负荷最大的区间时段，此区间段却处于电价政策的平段。为了降低系统的装机容量，在平段区间要进行释冷 运 行。

电价政策的高峰段为8：30~10：30、18：00~19：00、21：00~23：00；尖峰段为10：30~11：30、19：00~21：00.但是无论高峰段还是尖峰段，都是商业建筑的逐时冷负荷的较低值区间段。这就为空调蓄冷池的释冷运行提供了条件。

电价政策的谷段为23：00~7：00，此区间段商业建筑空调不运行，可以用来进行空调系统的蓄冷运行。

商业建筑运行的电价时段：平段6.5h；高峰段2.5h；尖峰段0.3h。

 （二）水蓄冷及冰蓄冷的技术分析

（三）两种冷源方案的经济分析

1、初投资计算

（1）离心式电制冷机组

（2）离心式电制冷机组+水蓄冷

2、运行费用计算

（1）离心式电制冷机组

（1）离心式电制冷机组 +水蓄冷

3、静态回收期计算

三、水蓄冷空调系统运行策略

（一）蓄冷水池或者蓄冷罐的运行策略

在分层式蓄冷装置中，一般采用垂直排列（每隔200~300mm）的温度传感器来监测蓄冷存量以及斜温层的厚度和垂直变化。

蓄冷运行：当蓄冷水池或者蓄冷罐、蓄冷槽的顶部的水温达到4 ℃时，蓄冷完毕。该过程中，斜温层从底部逐渐上移，直至消失。

释冷支行：当蓄冷水池或者蓄冷罐、蓄冷槽的底部第一测点的水温达到4℃且第二测点的水温达到11℃时，释冷完毕。该过程中，斜温层从顶部逐渐下移，直至消失。

（二）不同负荷工况的运行策略分析

1、设计日（100%）运行策略

2、设计日（75%）运行策略

3、设计日（50%）运行策略

4、设计日（25%）运行策略

5、设计日（15%）运行策略

运行策略经验总结：

水蓄冷运行，优先在电力时段的尖峰及高峰阶段运行；可以考虑上午的尖峰、高峰全部采用蓄冷装置供冷，也可以考虑上午的尖峰、高峰以及晚上的尖峰、高峰增部分负荷释冷运行。

为降低主机装机容量，也要考虑电力平段的蓄冷运行。

主机和蓄冷装置联合供冷时，蓄冷装置逐时释冷量尽量均衡。这一点和冰蓄冷装置的逐时释冷量的控制策略一致。

四、水蓄冷空调系统设计要点

（一）水蓄冷设计系统选择

1、串联系统或者并联系统的选择

···冷水机组在蓄冷装置下游串联形式

冰水机组在蓄冷装置下游串联，为保证下游主机COP值，主机进水温度不能太低，蓄冷装置的蓄冷温度必须高于4 ℃ ，蓄冷能力不能充分利用。因此不建议采用此种方式。

···冷水机组在蓄冷装置上游串联形式

冷水机组在蓄冷装置上游串联，由于释冷过程为动态过程，蓄冷装置的出水温度难以稳定在设计值，从而会影响末端空调设备的效果。因此不建议采用此种方式。

···冷水机组和蓄冷装置并联形式

冷水机组和蓄冷装置采用并联系统，制冷机的COP值及蓄冷装置的蓄冷能力及出水温度都能得到保证，因此水蓄冷空调系统建议采用并联系统形式。

备注：冰蓄冷系统采用的系统，建议采用主机上游串联式系统。因为并联系统的配管流量分配、冷媒温度控制、郭鹏学暖通运转操作更复杂，适用于全蓄冷系统和供水温差（5~6 ℃ ）小的部分负荷蓄冷系统。

2、有无板式换热系统的选择

···采用并联系统时，蓄冷装置水位低于建筑物高度，释冷时需要板式换热器；蓄冷装置水位高于建筑物高度，释冷时可不设置板式换热器。

3、常见水蓄冷空调系统

（1）制冷机直接蓄冷+制冷机及蓄冷装置接放冷

特点：制冷机和蓄冷装置通过板式换热器与二次侧隔开，一次侧为开式系统，二次侧为闭式系统。

优点：板式换热器两侧各自成循环系统，运行安全稳定可靠。

缺点：制冷机单供冷时存在板式换热器的换热损失，制冷机工作效率较低，经济性较差。

（2）无板式换热器系统

特点：蓄冷及释冷系统均为开式系统。

优点：蓄冷及释冷温差大，冷量利用率高，无换热损失；投资较低，经济性较高。

缺点：楼屋较高时，电动转换阀门的两侧压差过大，阀门的操作动作和灵敏度受限制，严重时会损坏阀门的电动执行机构。运行风险较大。

（3）制冷机直接供冷+制冷机直接蓄冷+板式换热器释冷

优点：制冷机单供冷以及制冷机单蓄冷时无板式换热器损失，能效高。

缺点：部分电动阀门转换时阀门的一端为开始系统，一端为闭式系统，两侧存在较大压力差，在高层建筑上存在运行风险。

（4）制冷机直接供冷+制冷机间接蓄冷

特点：制冷机直接供冷，通过板式换热器蓄冷，释冷通过板式换热器释冷。

优点：无电动阀门两侧压差过大问题，运行稳定安全。适用于高层建筑。

缺点：主机蓄冷时通过板式换热器存在换热损失。

（二）水蓄冷装置的选择及蓄冷百分比、容积计算

1、水蓄冷装置选择

···温度自然分层式

利用4 ℃ 水温的特点：4 ℃ 以上时，水温升高密度减小；0 ℃ ~4范围内，水温降低密度减小（2009版技术措施P146为增大，是错误的）。斜温层的控制高度0.3~0.5m。

···隔膜式

隔膜或者隔板的初投资和运行费用较布水散流器高，因此使用较少。

···迷宫式及多槽式

这两种方式主要是在日本使用较多，因为日本是个多地震的国家，为增强抗震能力，很多建筑物的地下基础采用双层板结构或者箱式结构，这种双层板结构或者箱式结构往往用作消防水池、多槽式或者迷宫式蓄冷水槽。

2、蓄冷装置蓄冷百分比计算

3、蓄冷水池容积计算

关于消防水池作为蓄冷水池的注意问题：

消防水池容积计算

···当室外给水管网能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容量应满足在火灾延续时间内室内消防用水量的要求。当室外给水管网不能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容量应满足在火灾延续时间内室内消防用水量与室外消防用水量不足部分之和的要求。

···建筑物内同时内消火栓系统、自动喷水灭火系统、水喷雾灭火系统、泡沫灭火系统或固定消防炮灭火系统时，其室内消防用水量应按需要同时开启的上述系统用水量之和计算；当上述多种消防系统需要同时开启时，室内消火栓用水量可减少50%，但不得小于10L/s。

消防水池的补水

···实际工程中，尤其商业建筑，给排水专业经常把冷却塔的补水量计算在消防水池中，这样冷却塔的补水在保证消防用水量的前提下就从消防水池中解决。如果消防水池设计为水蓄冷装置的一部分，这种做法不可取。

（三）布水散流器的计算

1、常见布水散流器

（1）H型布水散流器：适用于立方体或者长谇本蓄水池或者蓄水罐

（2）八边形布水散流器：适用于圆柱体蓄水池或者蓄水罐

2、布水散流器的计算步骤

3、布水散流器孔的个数计算

设计出水流速v=0.3m/s

孔口直径d=0.02m

散流器孔的孔中心间距：美国ASHRAE（1993年）建议 ≤ 2H i

五、水蓄冷空调系统施工要点

（一）蓄冷水池的保温做法

保温材料基本要求

1、防水、防潮、吸水率低、阻燃防火、不污染水质及与混凝土防水材料、木材等结合性能强，且具有耐槽内水温及水压

2、施工安全、耐用及易维修

3、具有良好的保温性能。蓄冷水池确保在24小时内平均温升不超过0.4 ℃ ，池体不出现结露现象。

常用保温材料及施工工艺

1、聚氨脂现场发泡：现场发泡

2、塑料泡沫玻璃砖：采用粘贴剂敷设

（二）蓄冷水池的防水做法

防水材料基本要求

1、具有良好的防水防潮性能，承受水温及水压的能力强

2、对水质不污染、易于维护

3、具有一定的拉伸性，适应钢筋混凝土水池开裂

常用防水材料及施工工艺

1、PVC防水卷材：钉法固定，非粘贴式安装，水池一旦出现裂缝时不容易破坏

2、SBS防水卷材：明火热熔粘结，水池一旦出现裂缝时易破坏

（三）保温及防水施工质量控制

1、水池四周及顶部保温防水

2、水池底部保温防水

3、穿墙套管处保温防水

六、案例简介

（一）李沧万达广场

商业面积：10万 m ²

采用消防水池为蓄冷池，蓄冷体积1700 m ³

蓄冷百分比： 8%左右

（二）合肥路佳世客购物中心

商业面积：4.2万 m ²

采用 B2专用单建水池为蓄冷池，蓄冷体积4000 m ³

蓄冷百分比：50%左右

（三）青岛啤酒城购物中心

商业面积：12万 m ²

采用消防水池+单建水池为蓄冷池，蓄冷体积2800 m ³

蓄冷百分比：15%左右

（四）上海浦东机场二期工程

采用蓄冷罐为蓄冷池，蓄冷体积39万 m ³

蓄冷百分比：90%左右

七、结论与建议

···青岛地区综合商业建筑的冷源采用大温差水蓄冷空调系统，技术安全可靠，经济效益明显。

···综合商业建筑的水蓄冷空调系统的蓄冷百分比或者总蓄冷量需要通过各类运行策略分析后最终确定（2009版技术措施P148公式6.4.18、及P149公式6.4.19均未提出总蓄冷量Qs的计算方法）。

···水蓄冷空调设计的系统选择，  在满足四种基本工作模式的基础上，需要综合考虑不同的建筑类型后再确定采用何种方案。

···水蓄冷布水散流器的计算还需要进一步的优化，需要综合考虑Re、Fr及Pr准则的影响。同时定型尺寸的选择，除散流长度L及散流高度Hi外，还要考虑布水口的间距以及孔口开直径的影响。