冰蓄冷空调系统设计

1、华 电 电 力 科 学 研 究 院杭州华电华源环境工程有限公司二一一年十二月一、冰蓄冷技术发展历史背景一、冰蓄冷技术发展历史背景1、3060年代，减少冷机容量，降低初投资，主要用于影剧院、教堂、乳品加工厂等短时间降温、周期性使用的场所。随着制冷机制作成本的降低，逐渐失去吸引力。2、7080年代，随着世界范围内的能源危机加剧，促使冰蓄冷技术迅速发展。主要在一些只在用电高峰时段使用空调的建筑物，如办公楼、大型商场内推广使用。3、8090年代，除了转移尖峰用电时段的空调负荷目标外，又增加了利用冰蓄冷的“高品位冷能”，以提高空调制冷系统整体能效和降低制冷系统整体投资及建筑造价、改善室内空气品质和热舒适

2、性的目标。二、冰蓄冷技术原理二、冰蓄冷技术原理 在夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式储存起来，而在电力负荷较高的白天，也就是用电高峰期，将冰融化释放冷量，用以部分或全部满足建筑物空调负荷的需要。三、冰蓄冷技术特点三、冰蓄冷技术特点平衡电网峰谷荷，减缓电厂和输配电设施的建设和投资。空调用户制冷主机容量减少，空调系统电力增容费和供配电设施费减少。利用电网峰谷电力差价，降低空调运行费用。冷冻水温度可降到14，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风输送系统的投资和能耗。空气相对湿度较低，空调品质提高。具有应急冷源，空调使用可靠性提高。冷量对全年负荷的适应性好，能量利用率高。通常在不计电

3、力增容费的前提下，一次性投资较大。蓄冷时由于制冷主机的蒸发温度较低，效率有所下降。尽管由于制冷设备的减少可以减少空调机房面积，但要增加放置蓄冰设备的地方。四、冰蓄冷技术适应条件四、冰蓄冷技术适应条件 在执行峰谷电价且峰谷电价差较大的地区，具有下列条件之一，经经济技术比较合理时，宜采用蓄冷空调系统：建筑物的冷负荷具有显著的不均衡性，低谷电期间有条件利用闲置设备进行制冷时；逐时负荷的峰谷差悬殊，使用常规空调系统会导致装机容量过大，且经常处于部分负荷下运行时；空调负荷高峰与电网高峰时段重合，且在电网低谷时段空调负荷较小；有避峰限电要求或必须设置应急冷源的场所；采用大温差低温供水或低温送风的空调工程；

4、采用区域集中供冷的空调工程。在新建或改建项目中，需具有放置蓄冰装置的空间。五、冰蓄冷系统分类五、冰蓄冷系统分类冰盘管式冰盘管式冰片滑落式、冰晶式冰片滑落式、冰晶式容积式容积式融冰机理融冰机理六、蓄冰盘管结冰、融冰性能六、蓄冰盘管结冰、融冰性能标准系列盘管储冰装置在不同制冰时间下主机出口温度的变化曲线-6-5.5-5-4.5-4-3.5-3-2.5-20306090120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540制冰时间（分钟）温度（）7小时完成结冰8小时完成结冰9小时完成结冰六、蓄冰盘管结冰、融冰性能六、蓄冰盘管结冰、融冰性

5、能七、系统配置模式七、系统配置模式n 全量蓄冰n 分量蓄冰n 混合蓄冰全量蓄冰全量蓄冰826 826826 826 826826 8265607358309409609801000935780540826 82682601002003004005006007008009001000rt12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24时间储冰负荷融冰负荷分量蓄冰融冰优先分量蓄冰融冰优先348 348 348 348 348 348 348138422313422408422518422538422558422578422513422358

6、422118422348 348 34801002003004005006007008009001000负荷（r t ）01234567891011121314151617181920212223时间储冰负荷融冰供冷机组供冷分量蓄冰主机优先分量蓄冰主机优先422 422 422 422 422 422 4224788247825747835247846247848247850247852247845747830247862422 422 42201002003004005006007008009001000负荷（r t ）012345678910111213141516171819202122

7、23时间储冰负荷融冰供冷机组供冷三种模式的设备容量比较项 目 全量储冰融冰优先主机优先压缩机容量（rt）1131578478蓄冰容量（rth）826042203480八、系统流程八、系统流程 冰蓄冷系统流程一般形式l 冰球并联流程l 盘管串联流程 a.主机下游串联流程 b.主机上游串联流程主机与蓄冰槽并联主机与蓄冰槽并联回水 供水主机储冰槽主机与蓄冰槽串联主机与蓄冰槽串联回水 供水主机蓄冰槽各种流程比较各种流程比较流程形式 设计供水温度及温差 主机效率 蓄冰装置要求 控制性能 并联 供水温度 5 供回水温差 5 较高 低 控制复杂 融冰优先难实现 主机下游串联 供水温度 24 供回水温差 71

8、0 低 低 融冰优先难实现 主机上游串联 供水温度 24 供回水温差 710 高 高 控制简单 可以轻松实现主机优先、融冰优先控制 串联主机上游系统流程特点串联主机上游系统流程特点n 乙二醇系统供水温度低，根据要求可以提供24的低温乙二醇。n 制冷主机效率高，较并联流程提高34.5%，较主机下游串联流程提高9%。n 乙二醇侧大温差设计，较并联流程减小了乙二醇泵、管路及附件规格。n 系统乙二醇填充量约为冰球或冰板系统的1/4。n 系统控制简单，可以轻松实现各种工况切换及根据负荷情况选择主机优先或融冰优先的控制模式。n 系统运行能耗低。n 系统流程更简单，布置紧凑，简化施工及维护管理。并联系统流程

9、并联系统流程开 启双工况主机制冰运 行 工 况主机与蓄冰装置联合供冷主机制冰兼联合供冷融冰单独供冷主机单独供冷调 节关 闭v1a、v1b、v3v1a、v1b、v3、v4v4v1a、v1b、v2v2、v4v2、v3v1a、v1b、v4v2v3、v4v1a、v1bv2、v3初级乙二醇泵双工况冷水机组蓄冰槽次级乙二醇泵板换冷冻水泵基载冷冻水泵基载冷水机组分水器集水器串联单级泵系统流程串联单级泵系统流程乙二醇泵双工况冷水机组供冷板式换热器板换冷冻水泵基载冷冻水泵基载冷水机组分水器集水器蓄冰盘管膨胀水箱开 启双工况主机制冰运 行 工 况主机与蓄冰装置联合供冷融冰单独供冷主机单独供冷调 节关 闭v2、v3

10、v5v3、v4v2v1a、v1bv2、v3，v4、v5v4、v5v1a、v1b、v2、v5v1a、v1b、v4v1a、v1b、v3串联双级泵系统流程串联双级泵系统流程开 启双工况主机制冰运 行 工 况主机与蓄冰装置联合供冷融冰单独供冷主机单独供冷调 节关 闭主机制冰兼供冷v2、v3v5v3、v4v3v2v1a、v1bv2、v3，v4、v5v4、v5v4、v5v1a、v1b、v2、v5v1a、v1b、v4v1a、v1b、v3v1a、v1b、v2初级乙二醇泵双工况冷水机组冷冻水泵分水器集水器蓄冰盘管膨胀水箱供冷板式换热器次级乙二醇泵串并联系统流程串并联系统流程开 启双工况主机制冰运 行 工 况主机

11、与蓄冰装置联合供冷融冰单独供冷主机单独供冷调 节关 闭主机制冰兼供冷v2、v3v3、v4、v7、v8v3、v4、v8、v9v2、v3、v4、v5、v6、v8v1a、v1b、v7、v8、v9v2、v3，v4、v5v4、v8v1a、v1b、v7、v9v6初级乙二醇泵双工况冷水机组冷冻水泵分水器集水器蓄冰盘管膨胀水箱供冷板式换热器次级乙二醇泵外融冰系统流程外融冰系统流程开 启双工况主机制冰运 行 工 况主机与蓄冰装置联合供冷融冰单独供冷主机单独供冷调 节关 闭主机制冰兼供冷v1a、v1a、v2、v3、v4v3、v4v4v2v1a、v1bv3、v4v4、v5v2、v3v1a、v1b、v2v1a、v1b

12、、v3v1a、v1bv2乙二醇泵双工况冷水机组冷冻水泵分水器集水器蓄冰盘管膨胀水箱放冷泵主机供冷板换融冰供冷板换鼓气泵九、系统控制策略及特点九、系统控制策略及特点 分量蓄冷系统的控制较复杂，除了保证蓄冷工况与供冷工况之间的转换操作以及空调供水温度控制以外，主要应解决制冷主机和蓄冷装置之间的供冷负荷分配问题，充分利用蓄冷系统节省运行费用。常用的控制策略有三种，即：主机优先，融冰优先和优化控制。制冷主机优先制冷主机优先 制冷主机优先控制特点制冷主机优先控制特点n 主机满负荷运行，冷量不足由融冰补充n 在部分负荷时，主机出水温度下降，效率降低n 随着建筑物的负荷的降低，蓄冷装置的使用率也会降低，不能

13、有效的削减峰值用电而节约运行费用n 控制简单，运行可靠融冰优先融冰优先融冰优先控制特点融冰优先控制特点n 蓄冰装置按要求提供冷量，冷量不足由主机补充，主机经常运行在部分负荷下。n 主机出水温度设定较高，效率较高n 随着建筑物的负荷的降低，蓄冷装置的使用率能得到保证，能有效的削减峰值用电而节约运行费用n 控制较主机优先复杂，如果不能解决好释冷量的在时间上的分配问题，可能造成在某些时间段总的供冷能力不足。十、设计、计算十、设计、计算1、工程概况建筑性质、规模（面积、层高）、机房位置、变配电房、冷却塔位置、设备层承载、末端管材、末端定压方式等尖峰负荷、使用时间、电价时段、供回水温度等2、负荷确定软件

14、计算逐时负荷系数类似工程由甲方提供的设计院计算数据3、系统流程选择（典型形式）冰蓄冷流程：冰球并联流程、蓄冰盘管串联流程设备选型配置设备选型配置1、设备品牌 a.制冷机组：约克、特灵、顿汉布什、麦克维尔、克莱门特 b.水泵（乙二醇泵、冷冻水泵、冷却水泵、蓄热水泵、供热水泵、生活热水循环泵）：上海凯泉、格兰富（paco）、itt、威乐 c.板换：swep、apv、alfalaval e.蓄冰装置：源牌产品、bac钢盘管、益美高钢盘管、faco塑料盘管、高灵冰筒、西亚特冰球 f.蓄热装置（方形水箱、圆形水箱）：自制 g.冷却塔：上海良机、上海金日、上虞联丰、广州马利 h.定压装置（乙二醇、冷冻水）

15、：自制或外购 i.管道及分、集水器：自制设备选型配置设备选型配置2、设备容量 a.为解决夜间蓄能期间末端负荷所设的基载，其容量按夜间末端最大负荷确定 b.白天末端负荷较大，受蓄能空调能力所限，大部分的负荷由常规基载提供的系统，其基载容量按尖峰负荷减去蓄能空调所能提供的最大容量 c. 板换换热量为尖峰负荷减去基载容量，系统没配置基载时即为尖峰负荷 d.蓄能水泵应满足板换换热量和主机容量的要求，冷热水循环泵应满足末端负荷的要求 e.蓄能主机应满足蓄能容量的要求以及联供时所承担的负荷 f. 蓄能装置应满足避峰单供时或联供时所承担的负荷设备选型配置设备选型配置g.冷却塔及冷却泵应满足当地室外湿球温度下

16、所需处理冷水机组的散热量进出口5温差时的冷却水量（其中散热量为主机名义下的制冷量和电机的功率，实际上还包括冷却水泵的输入功率） h.乙二醇定压装置应按系统容积25%乙二醇溶液在16与-10不同温度下的密度来计算膨胀量，确定气压罐或开式系统中的水箱容积。 i.末端管路膨胀量,冷冻水约0.1l/kw，热水约0.3l/kw j.冰球系统蓄冰槽容积按蓄冰量的0.072m3/rth，纯乙二醇量按0.91t/100rth进行估算 k.盘管系统纯乙二醇量：源牌盘管0.2t/100rth，bac盘管0.247t/100rth设备选型配置设备选型配置 l.常规空调供回水温度7/12，供热供回水温度60/50 m

17、.制冰温度：盘管系统-5.5，冰球系统-6.7 n.板换乙二醇侧进出口温度:盘管3.5/10.511，冰球系统5/10设备选型配置设备选型配置 3、设备台数 a.配置螺杆冷水机组时，最多考虑三四台。对于供冷规模较大的系统，可考虑大型制冷量的离心式冷水机组 b.水泵与主机一对一设置(大型主机可考虑二台水泵与一台主机相对应） c.蓄能装置蓄能量大小以主机出力（低谷电时段）、场地大小以及初投资确定 d.板换基本上与主机一对一或少于主机台数，单台换热量大于4000kw时考虑一分为二，变成二台。从安全、可靠运行的角度来看选用多台使用互备较好，但投资增加。 e.冷却塔与主机一对一设置设备选型配置设备选型配

18、置 4、水泵扬程估算 a. 乙二醇回路，主机蒸发器、盘管、板换（乙二醇侧）压降按样本或厂家提供的计算书，管道估算8米，富裕2米，总扬程在32米45米之间 一级泵系统乙二醇泵扬程负担蒸发器、盘管、板换（乙二醇侧）以及所有乙二醇管路的压降 二级泵系统初级泵负担蒸发器、盘管以及部分乙二醇管路；次级泵系统负担板换以及部分乙二醇管路 b.冷冻水回路，板换（水侧）压降、基载蒸发器压降按样本或厂家提供的计算书，管道（机房、末端管网）估算22米，总扬程在32米38米之间设备选型配置设备选型配置 c. 冷却水回路，主机冷凝器压降、冷却塔扬程按样本或厂家提供的计算书，管道估算6米，富裕2米，总扬程在22米28米之

19、间 以上乙二醇管路和冷冻水管路为闭式系统，管路系统水泵扬程计算时与管道垂直距离无关，而冷却水管道大多数为开式系统，需考虑低位的水（冷却塔集水盘）提升到管路系统最高点的高差，一般在厂家样本中有冷却塔扬程设计制图设计制图 1、现场或建筑图勘察 a.了解冷冻机房和锅炉所在位置 b. 机房的层高（该层楼面间的高度），扣除梁高的的净高 c.设备吊物孔或运输通道 d.冷、热水管道走向 e.大楼总高度 f.冷却塔放置位置 g.配电室位置，低配动力电缆至机房的走向 h.排水集水井位置、大小设计制图设计制图 2、设备布置 a.控制室靠近大楼的配电间，控制室内主要设备为电气专业的动力柜、系统柜和上位机控制台，面积

20、约18m2 b.冷水机组、电锅炉应与控制室相近，减少动力电缆的长度 c.冷水机组考虑其中一侧检修抽管空间（纵向），卧式电锅炉两端留大于900mm的电热管更换空间，立式电锅炉留在锅炉的上方 d.冷热系统同处一个机房的应划分好区块，将冷热分块布置，有利于管路设计和操作管理 e.蓄冰装置和蓄热装置应尽量远离控制室，靠墙角布置 f.系统设有燃油燃气锅炉应单设锅炉房，与冷冻机房隔墙隔开设计制图设计制图 g.水泵应集中布置，乙二醇泵、冷却水泵靠近主机，冷冻水泵靠近板换和分、集水器，减少管道交叉 h.分、集水器应靠近管道出机房至管井的位置 i. 设备间距：机房面积允许的话尽可能将设备间的距离拉大（可参见规范

21、要求），保证设备巡检和维修通道。一般情况下（通常蓄能机房机房偏小），水泵基础之间保证700 mm，电机端基础距墙400mm，泵端接吸入管后留有1200 mm的通道。冷水机组前后基础之间距离1500 mm，距墙1000mm，控制面板前应足够的巡视空间。电锅炉前后基础之间距离1200mm，后距墙600mm，动力系统柜前应足够的巡视空间。方形蓄冷热水箱离墙侧设计制图设计制图 尽可能地贴近墙面，留出100mm空间可进行发泡保温即可，但注意左右配管水箱应有足够的接管空间。蓄冰装置之间留有100150mm的净空，便于现场安装就位，盘管设有液位显示的一端应保证足够的巡视空间。分、集水器尽可能布置在一起，沿纵

22、向靠墙布置。 j.冷却塔应放置在裙房的屋顶，四周空旷，有良好的通风条件设计制图设计制图3、管道接管 a.严格按流程和设计要求进行连管 b.管道绘制采用双线图表示，按真实尺寸进行管道连接，尽可能考虑到现场安装细节 c.受高度空间的限制，管道竖向按二层布管，最多不要超过三层 d.多台设备（如水泵、冷水机组、电热水锅炉、蓄冰盘管等）并联接管时尽可能按同程连接，而在遇到开式多台（常压）设备（如冷却塔、蓄热蓄冷水箱、常压锅炉等）并联接管时不必刻意同程连接，这样会适得其反 e.不同高度而同一方向的管道尽可能布置成同一水平管位，可以节省管道的支、吊架设计制图设计制图f.管道布置时尽可能沿建筑物的墙、柱、梁布

23、置，便于设置支吊架 g.蓄冰槽槽体内布管（分配管）可采用左右流的沿槽体纵向两端部进行布管，也可以采用上下布管。蓄热槽均采用上下布管l 系统稳定可靠系统稳定可靠参数控制准确，控制目标稳定。l 节能、舒适环境节能、舒适环境通过初步计算平均节能达30%以上。主要采用预测控制、优化控制、模糊控制（多环路pid的整合，解决系统热惰性大滞后的稳定控制）、设备群控、变频调节、大温差技术、温度流量随环境温度动态调整技术等手段。根据人体工程学分析，控制系统各参数以及室内温度和换气次数稳定在合理的范围内（避免开窗户等浪费行为）。根据以上思路编写了控制策略和建模。l 便于管理操作维护便于管理操作维护智能化运行，低设

24、备故障率快速更换设备设计，根据实际运行统计制定合理的设备管理维护计划，管理者远程监控。l 降低运营本降低运营本。十一、自动控制系统十一、自动控制系统自控目标自控目标 根据室外温度，天气走势，历史记录，自动选择主机优先或融冰优先运行方式。 自控系统能根据以往的空调负荷曲线和预报的环境温度，决定当天采用以下哪种运行模式：a 主机优先运行b 蓄冷优先运行c 全量蓄冷运行负荷预测与优化控制负荷预测与优化控制负荷预测与优化控制软件预测负荷与实际负荷的对比控制策略图控制参数表0100200300400500600700800900012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1

25、9 20 21 22 239日逐时9日#10日逐时10日#8月月10日预测负荷与实测负荷日预测负荷与实测负荷 8月10日，最高气温35.4，最低气温31.2 无人值守无人值守 系统可脱离上位机工作，根据时间表，自动进行制冰和控制系统运行、工况转换，对系统故障进行自动诊断，并向远方报警。节假日设定节假日设定 空调系统根据时间表，自动运行，节假日和工作时间表容易设置，对重要库房进行恒温控制和远方设定。特殊日期设定工作或停止。1.操作系统软件操作系统软件 microsoft windows sever 20032.控制系统管理软件控制系统管理软件 主要有wincc software rc、 winc

26、c software rt、wincc冗余软件包、winccwebnavigator因特网监控软件、wincc option、wincc 二次开发软件、 c语言、vb等。3.控制软件控制软件 step 7 、step 7冗余软件包、 step 7二次开发软件、 protool、 protool二次开发软件等。系统组态软件及功能系统组态软件及功能十二、工程实例十二、工程实例 建筑面积约为34503m2，地下二层，地上26层，总建筑高度145.9m, 主体建筑高度约99.9m，包括顶部天线高度135.9m，副楼1-6层和主楼1-5层为综合营业用房，主楼5-26楼为银行办公用房。 大厦主楼1-26层

27、空调改造设计，制冷制热系统设计。夏季空调冷负荷3348kw; 冬季空调热负荷2558kw。工程概况工程概况十二、工程实例十二、工程实例室外设计参数：夏季：室外计算干球温度35.6，室外计算湿球温度27.9；冬季：室外计算干球温度-3；室内设计参数：工程概况工程概况房间名称夏季冬季温度相对湿度%温度相对湿度%营业厅25271921餐厅24261820办公室24261921会议室25271921活动室26281820过道门厅区域27301518十二、工程实例十二、工程实例电价政策电价政策时段时间蓄冷蓄热电价常规空调电价备注谷时段23:00次日5:000.368元/kwh0.980元/kwh低谷电价

28、平时段05:0017:000.736元/kwh0.980元/kwh峰时段17:0023:001.104元/kwh0.980元/kwh十二、工程实例十二、工程实例设计日逐时负荷设计日逐时负荷时段冷负荷（kw）时段冷负荷（kw）时段冷负荷（kw）0：00-1：0008：00-9：00231016：00-17：0028051：00-2：0009：00-10：00264017：00-18：0024752：00-3：00010：00-11：00297018：00-19：0016503：00-4：00011：00-12：00313519：00-20：0004：00-5：00012：00-13：003135

29、20：00-21：0005：00-6：00013：00-14：00297021：00-22：000夏季设计日空调冷负荷分布表十二、工程实例十二、工程实例设计日逐时负荷设计日逐时负荷冬季设计日空调热负荷分布表时段热负荷（kw）时段热负荷（kw）时段热负荷（kw）0：00-1：008：00-9：00255816：00-17：0016501：00-2：009：00-10：00243017：00-18：0015002：00-3：0010：00-11：00230218：00-19：0003：00-4：0011：00-12：00217419：00-20：0004：00-5：0012：00-13：00191

30、920：00-21：0005：00-6：0013：00-14：00185021：00-22：000十二、工程实例十二、工程实例设备配置设备配置编号设 备 名 称规 格 及 参 数数 量备 注双 工 况 螺 杆 机 组2台蓄冰装置2套冷却塔2台供 冷 板 式 换 热 器2台乙二醇泵3台二用一备，变频冷热水泵3台二用一备冷却水泵3台二用一备1台电热水锅炉2台蓄热槽1座供 热 板 式 换 热 器1台蓄热水泵3台二用一备，变频全 自 动 软 水 器1台分水器1台集水器1台1台1台乙二 醇 膨 胀 箱乙二 醇 补 液 箱乙二 醇 补 液 泵十二、工程实例十二、工程实例运行策略运行策略时 间逐时冷负荷主机供冷主机制冰融冰供冷融冰速率主机台数主机负载率kwkwkwkwkw00：00-01：00923 101：00-02：00923 102：00-03：00923 103：00-04：00923 104：00-05：00923 105：00-06：0006：00-07：0007：00-08：001980 1386 594 9%1100%08：00-09：002310 1386 711 11%1100%09：00-10：