【暖通学院】第十七期 金融中心冰蓄冷系统的应用与经济性分析

冰蓄冷系统按蓄冷模式和运行策略分类，可分为二类：全负荷蓄冰和部分负荷蓄冰。 全负荷蓄冰的特点是完全转移白天高峰电力，电费支出较省，运行模式单一，控制简单，但一次投资较大，投资回收期较长。部分负荷蓄冰方式的特点是仅部分转移白天高峰电力，电费支出较大，运行模式较多，控制复杂，但投资和运行电费综合较优，经济性较好，因而在民用建筑中得到广泛的应用。

典型的部分负荷蓄冰方式中，双工况制冷机组既负责蓄冰又参与空调供冷，机组选型时需兼顾蓄冰工况和空调工况，其空调工况下的COP值一般低于常规制冷机组，并且机组在供冷时需通过板式换热器换热和乙二醇循环泵进行间接供冷，增加的水泵能耗占总电耗的10%~20%。因此， 与常规制冷系统相比，冰蓄冷空调系统在空调工况下的COP值低23%左右，即系统配电功率和供冷时耗电量大23%。 如借鉴全负荷蓄冰方式，采用单工况制冰机组代替双工况制冷机组，该机组只负责制冰蓄冷，同时增加COP值较高、装机功率小的常规制冷机组负责空调供冷，系统的配电容量和耗电量均可降低，从而降低运行费用。本案例结合某金融中心冰蓄冷系统的设计，介绍了一种采用单工况制冰机组代替双工况制冷机组的外融冰蓄冷系统，通过对该系统的运行策略和经济性进行分析，以期为业内同行提供借鉴及参考。

一、工程概况

某金融中心项目位于上海浦东新区，毗邻陆家嘴金融贸易区，总建筑面积约51万 ㎡，其中地上建筑面积约27万㎡，地下建筑面积约24万㎡。地上为三栋无裙房超高层办公建筑，地下室主要功能有停车库、机电设备房、商业、餐饮、剧场等。本项目建筑功能以办公为主，商业餐饮为配套，其空调负荷特征是8:00~18:00为负荷高峰，夜间仅少量负荷，与蓄冷系统运行特征完全匹配，为充分利用上海地区4.2 42889; 1的峰谷电价比，冷源采用冰蓄冷空调系统，以节约空调系统的运行费用。

二、系统设计及运行策略分析

（一）、空调冷负荷

空调冷负荷计算结果如下： 设计日总冷负荷为361，000 kW·h（102，673 RTh），空调最大冷负荷31，350 kW（8916 RT），蓄冰冷量为59，496 kW·h，蓄冷率为16.5%。 总空调逐时冷负荷分布见图1。

图1 设计日空调逐时冷负荷

（二）、冰蓄冷方式确定

部分负荷蓄冰的系统中，双工况制冷机组与蓄冰装置共同承担空调冷负荷，制冷机组和蓄冰装置容量相对较小，投资较低，但这种系统存在以下不足： 双工况制冷机组的空调工况COP值一般比常规制冷机组低10%以上，并且需增加乙二醇泵和板式换热器以进行间接供冷，其系统COP值将进一步降低，因而双工况制冷机组供冷能耗比常规制冷机组大许多。 有文献提出采用双蒸发器机组解决双工况制冷机组供冷能耗大的问题，双蒸发器机组包含乙二醇制冰蒸发器和空调冷水供冷蒸发器，其特点是空调供冷时无须经过板式热交换器，可以直接供冷，提高了系统COP值，但缺点是该类机组为非标设备，价格昂贵，并且主流品牌尚无此类产品，造成设备招标障碍。

为解决以上问题，本案例采用单工况制冰机组的外融冰蓄冷系统。单工况制冰机组代替双工况机组，仅夜间制冰蓄冷（蓄冷量承担部分空调负荷），但不参与日常供冷运行，不足负荷由供冷效率高的常规制冷机组承担。在平时段和峰时段双工况制冷主机承担的空调冷负荷由常规冷水机组负责，因此需要增加相应数量的常规制冷机组。为降低系统初投资，可选取较低的蓄冷率，减少蓄冰系统的投资，如采取合适的运行策略，仍然可得到较好的经济性。与典型的部分负荷蓄冰系统比较，该系统具有以下特点：

1、在白天峰时和平时段，高效率的常规制冷机组代替较低效率的双工况机组，因而提高了系统的COP值，降低了运行能耗，减少了运行费用；

2、采用较低的蓄冷率，虽然增加了常规制冷机组，但减少了价格昂贵的蓄冰装置，降低了系统初投资；

3、降低了供冷时的用电功率，即降低了系统的最大配电功率，减少了变配电设施投资和基本电费；

4、供冷模式中只有蓄冰槽和常规制冷机组参与供冷，因而融冰供冷控制更简单。

相对于内融冰系统，外融冰系统更适合移峰运行而能明显提高蓄冰系统的经济性，从而成为区域供冷采用外融冰供冷的原因之一。 蓄冰槽和常规制冷机组并联供冷方式，有利于根据负荷情况在融冰优先和主机优先之间进行灵活切换，通过制冷机组的台数控制和融冰泵的变流量控制，使负荷调节更灵活、更准确、更简单，更主要的是本项目采用5.5 ℃而不是更低的供水温度。因此，本项目冰蓄冷系统采用钢盘管外融冰方式，常规制冷机组与蓄冰槽为并联连接。

（三）、系统设计

供冷系统大部分时间在50%~75%负荷区间运行，常规制冷机组容量按最大设计负荷的75%确定，蓄冰装置容量承担不足部分，并由此确定蓄冰装置和制冰机组容量。根据计算， 本项目选用6台离心式机组作为常规工况冷水机组并兼作基载主机，单台制冷量为3，700 kW，选用3台2，479 kW冷量的制冰机组。

蓄冰装置由3个不锈钢蓄冰槽组成，每个蓄冰槽均内置12个蓄冷量为1，758 kW·h的钢制制冰盘管，总蓄冰量为63，288 kW·h。融冰系统供冷量按融冰优先的模式确定，并确保蓄冰量在日间峰时段完全融化。经计算，选用3台供冷量为3，700 kW的板式热交换器，并配置3台变频融冰泵和3台变频冷水泵，蓄冰槽融冰冷水供水/回水温度为1 ℃/12℃。

由于本项目具有证券交易及结算等重要金融功能，业主要求设计具有一定的供冷可靠性，并需考虑今后的扩容，因此配置3台乙二醇板式热交换器、3台乙二醇循环泵与制冰机组构成间接供冷系统，作为供冷系统备用，此时制冰机组作为双工况机组使用。另外设有一套供冷量为7，400 kW的冬季免费供冷系统，以满足内区冬季供冷的需求。

为保证常规冷水主机的高效率供冷，兼顾降低输送水泵的能耗， 供冷系统采用5.5 ℃/13.5 ℃的供水/回水温度 ，由于塔楼办公层采用送风温度为18 ℃的变风量地板送风系统而不是低温送风系统，因而没有采用区域供冷外融冰常用的1.5 ℃/12.5 ℃供水/回水温度。

空调冷源设备构成和流程见图2，相应的主要设备规格见表1。

图2 空调冷源系统图

表 1 主要设备表

（四）、冰蓄冷系统运行策略

冰蓄冷系统运行策略应根据峰时段、谷时段和平时段的分布，结合空调负荷特征、制冷主机冷量和蓄冰装置冷量等因素进行制定，以达到最大限度节约运行费用的目的。在以下的运行策略分析中，将参照2014年上海电力公司公布的10 kV工商业用户夏季分时电价数据 （见表 2）。

上海地区商业用电电费一般按二部制计费，其电费由电度电费和基本电费构成。电度电费根据电表电度数和时间段电价进行计算，基本电费根据客户变压器容量或最大需量进行计算。冰蓄冷系统的运行模式设定为以下 4 种： 制冰机组制冰、蓄冰槽融冰供冷、常规制冷机组供冷、蓄冰槽融冰+常规制冷机组供冷。 采用优化控制的运行策略，根据空调负荷率确定蓄冰装置优先或常规制冷机组优先，以充分发挥冰蓄冷节约运行费用的优势。

表 2 上海地区非居民用户夏季电价表（分时）

运行策略按 100%负荷、75%负荷、50%负荷和25%负荷分别进行分析。

1 、100%负荷时运行策略（图 3）

100%负荷工况采用常规制冷主机优先、主机和蓄冰槽并联供冷的运行模式。夜间低谷时段 3 台制冰主机满负荷制冰蓄冷，同时 1 台常规主机供冷；日间常规制冷机组优先供冷，不足冷量由蓄冰槽补充。

图 3 100％负荷运行策略

2 、75%负荷运行策略（图 4）

电价峰时段蓄冰槽优先，其他时段常规制冷主机优先。夜间低谷时段 3 台制冰主机满负荷制冰蓄冷，同时 1 台常规主机供冷；在 8:00~11:00、13:00~15:00电价峰时段，蓄冰槽满负荷运行，不足冷量由常规制冷机组补充；其他时间段由 6 台常规机组供冷。

图 4  75％负荷运行策略

3 、50%负荷运行策略（图 5）

50%负荷的运行策略与 75%负荷相类似，电价峰时段8:00~11:00和13:00~15:00蓄冰槽优先供冷，其他时段常规制冷主机优先供冷。不同的是，蓄冰槽剩余冷量在峰时段 18:00 时优先供应。

图 5  50％负荷运行策略

4 、25%负荷运行策略（图 6）

25%负荷工况，制冰主机夜间满负荷蓄冷，从8:00 时开始，蓄冰槽单独供冷直到融冰结束，之后为常规主机供冷，在夜间由常规制冷主机供冷。

图 6  25％负荷运行策略

5 、系统控制

由于制冰主机不参与供冷，与常规冰蓄冷系统相比，本系统控制更为简单。常规制冷机组与变流量的融冰冷水泵构成群控系统，根据能量计的冷量信号，进行台数调节。

采用常规制冷主机优先供冷模式时，融冰泵根据初级回水温度进行变频变流量运行，与之相应的冷水泵则根据系统冷量进行变频变流量运行。

采用蓄冰槽融冰优先供冷模式时，融冰泵、板式换热器和融冰冷水水泵均为满负荷定流量运行，不足的冷量则由常规制冷机组进行台数调节补充。

三、系统经济性分析

为了探究采用单工况制冰机组的外融冰蓄冷系统在投资和运行费用方面的经济性情况，下面将与采用典型的非低温供冷的外融冰冰蓄冷系统进行比较分析。典型冰蓄冷系统为主机与蓄冰装置并联系统，采用蓄冰装置优先运行策略进行双工况主机和蓄冰装置的容量计算。

（一）、投资比较

1、采用蓄冷装置优先的计算公式，对采用双工况制冷机组的蓄冰系统（以下简称系统 1）进行计算，结果如下：蓄冷量为99，200 kW·h，蓄冷率为27.5%，设置1台基载主机、5 台双工况制冷机组和 5 套钢盘管蓄冰槽。其主要设备规格和投资见表 3。

2、采用单工况制冰机组的外融冰蓄冷系统（以下简称系统 2），蓄冷量为 59，496 kW·h，蓄冷率为16.5%，设置 6 台常规制冷机组、3 台制冰机组和 3套钢盘管蓄冰槽，其主要设备规格和投资见表 4。

表 3 系统 1 投资

注：机房面积包括冷冻机房和蓄冰槽及融冰系统机房。

表 4 系统 2 投资

注：机房面积包括冷冻机房和蓄冰槽及融冰系统机房。

根据表 3 和表 4，系统 1 比系统 2 投资多 829万元，即高 18.3%左右，其主要原因是系统 1 的蓄冰率高，蓄冰量较大，蓄冰装置投资较高。

（二）、运行费用比较

夏季供冷时间假定为 5 个月，工作日 110 天，运行费用按 25%、50%、75%、100%负荷的运行工况进行分别计算。采用 HDY-SMAD 暖通空调负荷计算及分析软件进行整个夏季负荷计算，根据计算结果整理 25%、50%、75%、100%负荷时的天数分别为 10 天、43 天、59 天8 天。为简化计算，冷冻机组在不同负荷率下的耗电量均按额定 COP计算。系统 1 采用的运行策略与系统 2 基本相同，蓄冰槽优先在电价最高的峰时段融冰供冷。在 50%、75%、100%负荷时，由双工况机组和蓄冰槽联合供冷，25%负荷时，全部由蓄冰槽供冷。两种系统的运行费用计算结果见表 5。

表 5 中，由于系统 2 蓄冰量及蓄冷率均小于系统 1，采用峰时段蓄冰装置优先供冷的运行策略时，在 25%、50%和 75%负荷下，其运行费用均略高于系统 1。在 100%负荷时，采用制冷主机优先供冷的运行策略，系统 2 的运行费用则低于系统 1；另外，系统 1 的最大装机功率为 6，248 kW，系统 2 的最大装机功率为 5，175 kW，系统 1 的夏季基本电费比系统 2 多 20 万左右。

综合整个供冷季的运行费用，系统 2 的总运行费用比系统 1 少 3.56 万元左右。结合本文实例，其原因分析如下。

1、制冰机组在制冰工况时 COP 比双工况机组高。在机组选型时，双工况机组需兼顾两个不同工况的压缩比，从而造成 COP 降低。制冷量为2，479 kW 时，制冰机组 COP 为 4.2，双工况机组制冰工况时的 COP 为 4.0。

2、常规制冷机组系统 COP 比双工况机组高。常规制冷机组直接供冷，其 COP 值为 5.67；双工况机组 COP 值为 3，700 kW/742 kW=5.01，加上乙二醇循环泵功率后，系统 COP 值为 3，700/(742+110)=4.34，二者相差约 13.4%。

3、单工况制冰机组方案的装机功率比双工况制冷主机方案少 1，073 kW，每月按装机功率缴纳的基本电费可节约 17%左右。

四、结论

采用单工况制冰机组的外融冰蓄冷系统，采用运行效率高的常规制冷机组直接供冷代替供冷效率低的双工况制冷机组间接供冷，提高了制冷机日间供冷效率，减少了系统配电功率，降低了供配电设施投资和基本电费。 日间供冷时，常规制冷机组与蓄冰装置并联运行，少了双工况机组供冷模式，控制系统更为简便。在本实例中，采用单工况制冰机组的外融冰蓄冷系统采取 16.5%的蓄冷率，与采用 27.5%蓄冷率的典型冰蓄冷方式相比，设备投资降低约 18.3%，且运行费用略有减少。如果考虑到主机的部分负荷性能、不同厂家的设备价格和性能、各地峰谷电价、运行策略、蓄冷率等方面的差异，二种系统的比较结果也将存在一定的差异。

采用单工况制冰机组的外融冰蓄冷供冷方式是一种应用较少的冰蓄冷系统，蓄冷率和常规制冷机组的容量配比及运行策略直接影响到蓄冰系统的初投资和运行费用，需要进行更多的理论结合实践的研究。