技術案例___金融中心冰蓄冷系統的應用與經濟性分析

       冰蓄冷系統按蓄冷模式和運行策略分類，可分為二類：全負荷蓄冰和部分負荷蓄冰。全負荷蓄冰的特點是完全轉移白天高峰電力，電費支出較省，運行模式單一，控制簡單，但一次投資較大，投資回收期較長。部分負荷蓄冰方式的特點是僅部分轉移白天高峰電力，電費支出較大，運行模式較多，控制復雜，但投資和運行電費綜合較優，經濟性較好，因而在民用建筑中得到廣泛的應用。

       典型的部分負荷蓄冰方式中，雙工況制冷機組既負責蓄冰又參與空調供冷，機組選型時需兼顧蓄冰工況和空調工況，其空調工況下的COP值一般低于常規制冷機組，并且機組在供冷時需通過板式換熱器換熱和乙二醇循環泵進行間接供冷，增加的水泵能耗占總電耗的10%~20%。因此，與常規制冷系統相比，冰蓄冷空調系統在空調工況下的COP值低23%左右，即系統配電功率和供冷時耗電量大23%。如借鑒全負荷蓄冰方式，采用單工況制冰機組代替雙工況制冷機組，該機組只負責制冰蓄冷，同時增加COP值較高、裝機功率小的常規制冷機組負責空調供冷，系統的配電容量和耗電量均可降低，從而降低運行費用。本案例結合某金融中心冰蓄冷系統的設計，介紹了一種采用單工況制冰機組代替雙工況制冷機組的外融冰蓄冷系統，通過對該系統的運行策略和經濟性進行分析，以期為業內同行提供借鑒及參考。

一、工程概況

       某金融中心項目位于上海浦東新區，毗鄰陸家嘴金融貿易區，總建筑面積約51萬 ㎡，其中地上建筑面積約27萬㎡，地下建筑面積約24萬㎡。地上為三棟無裙房超高層辦公建筑，地下室主要功能有停車庫、機電設備房、商業、餐飲、劇場等。本項目建筑功能以辦公為主，商業餐飲為配套，其空調負荷特征是8:00~18:00為負荷高峰，夜間僅少量負荷，與蓄冷系統運行特征完全匹配，為充分利用上海地區4.2?1的峰谷電價比，冷源采用冰蓄冷空調系統，以節約空調系統的運行費用。

二、系統設計及運行策略分析

（一）、空調冷負荷

       空調冷負荷計算結果如下：設計日總冷負荷為361，000 kW·h（102，673 RTh），空調最大冷負荷31，350 kW（8916 RT），蓄冰冷量為59，496 kW·h，蓄冷率為16.5%。總空調逐時冷負荷分布見圖1。

圖1 設計日空調逐時冷負荷

（二）、冰蓄冷方式確定

       部分負荷蓄冰的系統中，雙工況制冷機組與蓄冰裝置共同承擔空調冷負荷，制冷機組和蓄冰裝置容量相對較小，投資較低，但這種系統存在以下不足：雙工況制冷機組的空調工況COP值一般比常規制冷機組低10%以上，并且需增加乙二醇泵和板式換熱器以進行間接供冷，其系統COP值將進一步降低，因而雙工況制冷機組供冷能耗比常規制冷機組大許多。有文獻提出采用雙蒸發器機組解決雙工況制冷機組供冷能耗大的問題，雙蒸發器機組包含乙二醇制冰蒸發器和空調冷水供冷蒸發器，其特點是空調供冷時無須經過板式熱交換器，可以直接供冷，提高了系統COP值，但缺點是該類機組為非標設備，價格昂貴，并且主流品牌尚無此類產品，造成設備招標障礙。

       為解決以上問題，本案例采用單工況制冰機組的外融冰蓄冷系統。單工況制冰機組代替雙工況機組，僅夜間制冰蓄冷（蓄冷量承擔部分空調負荷），但不參與日常供冷運行，不足負荷由供冷效率高的常規制冷機組承擔。在平時段和峰時段雙工況制冷主機承擔的空調冷負荷由常規冷水機組負責，因此需要增加相應數量的常規制冷機組。為降低系統初投資，可選取較低的蓄冷率，減少蓄冰系統的投資，如采取合適的運行策略，仍然可得到較好的經濟性。與典型的部分負荷蓄冰系統比較，該系統具有以下特點：

1、在白天峰時和平時段，高效率的常規制冷機組代替較低效率的雙工況機組，因而提高了系統的COP值，降低了運行能耗，減少了運行費用；

2、采用較低的蓄冷率，雖然增加了常規制冷機組，但減少了價格昂貴的蓄冰裝置，降低了系統初投資；

3、降低了供冷時的用電功率，即降低了系統的最大配電功率，減少了變配電設施投資和基本電費；

4、供冷模式中只有蓄冰槽和常規制冷機組參與供冷，因而融冰供冷控制更簡單。

       相對于內融冰系統，外融冰系統更適合移峰運行而能明顯提高蓄冰系統的經濟性，從而成為區域供冷采用外融冰供冷的原因之一。蓄冰槽和常規制冷機組并聯供冷方式，有利于根據負荷情況在融冰優先和主機優先之間進行靈活切換，通過制冷機組的臺數控制和融冰泵的變流量控制，使負荷調節更靈活、更準確、更簡單，更主要的是本項目采用5.5 ℃而不是更低的供水溫度。因此，本項目冰蓄冷系統采用鋼盤管外融冰方式，常規制冷機組與蓄冰槽為并聯連接。

（三）、系統設計

       供冷系統大部分時間在50%~75%負荷區間運行，常規制冷機組容量按最大設計負荷的75%確定，蓄冰裝置容量承擔不足部分，并由此確定蓄冰裝置和制冰機組容量。根據計算，本項目選用6臺離心式機組作為常規工況冷水機組并兼作基載主機，單臺制冷量為3，700 kW，選用3臺2，479 kW冷量的制冰機組。

       蓄冰裝置由3個不銹鋼蓄冰槽組成，每個蓄冰槽均內置12個蓄冷量為1，758 kW·h的鋼制制冰盤管，總蓄冰量為63，288 kW·h。融冰系統供冷量按融冰優先的模式確定，并確保蓄冰量在日間峰時段完全融化。經計算，選用3臺供冷量為3，700 kW的板式熱交換器，并配置3臺變頻融冰泵和3臺變頻冷水泵，蓄冰槽融冰冷水供水/回水溫度為1 ℃/12℃。

       由于本項目具有證券交易及結算等重要金融功能，業主要求設計具有一定的供冷可靠性，并需考慮今后的擴容，因此配置3臺乙二醇板式熱交換器、3臺乙二醇循環泵與制冰機組構成間接供冷系統，作為供冷系統備用，此時制冰機組作為雙工況機組使用。另外設有一套供冷量為7，400 kW的冬季免費供冷系統，以滿足內區冬季供冷的需求。

       為保證常規冷水主機的高效率供冷，兼顧降低輸送水泵的能耗，供冷系統采用5.5 ℃/13.5 ℃的供水/回水溫度，由于塔樓辦公層采用送風溫度為18 ℃的變風量地板送風系統而不是低溫送風系統，因而沒有采用區域供冷外融冰常用的1.5 ℃/12.5 ℃供水/回水溫度。

空調冷源設備構成和流程見圖2，相應的主要設備規格見表1。

圖2 空調冷源系統圖

表 1 主要設備表

（四）、冰蓄冷系統運行策略

       冰蓄冷系統運行策略應根據峰時段、谷時段和平時段的分布，結合空調負荷特征、制冷主機冷量和蓄冰裝置冷量等因素進行制定，以達到最大限度節約運行費用的目的。在以下的運行策略分析中，將參照2014年上海電力公司公布的10 kV工商業用戶夏季分時電價數據 （見表 2）。

       上海地區商業用電電費一般按二部制計費，其電費由電度電費和基本電費構成。電度電費根據電表電度數和時間段電價進行計算，基本電費根據客戶變壓器容量或最大需量進行計算。冰蓄冷系統的運行模式設定為以下 4 種：制冰機組制冰、蓄冰槽融冰供冷、常規制冷機組供冷、蓄冰槽融冰+常規制冷機組供冷。采用優化控制的運行策略，根據空調負荷率確定蓄冰裝置優先或常規制冷機組優先，以充分發揮冰蓄冷節約運行費用的優勢。

表 2 上海地區非居民用戶夏季電價表（分時）

運行策略按 100%負荷、75%負荷、50%負荷和25%負荷分別進行分析。

1、100%負荷時運行策略（圖 3）

100%負荷工況采用常規制冷主機優先、主機和蓄冰槽并聯供冷的運行模式。夜間低谷時段 3 臺制冰主機滿負荷制冰蓄冷，同時 1 臺常規主機供冷；日間常規制冷機組優先供冷，不足冷量由蓄冰槽補充。

圖 3 100％負荷運行策略

2、75%負荷運行策略（圖 4）

電價峰時段蓄冰槽優先，其他時段常規制冷主機優先。夜間低谷時段 3 臺制冰主機滿負荷制冰蓄冷，同時 1 臺常規主機供冷；在 8:00~11:00、13:00~15:00電價峰時段，蓄冰槽滿負荷運行，不足冷量由常規制冷機組補充；其他時間段由 6 臺常規機組供冷。

圖 4  75％負荷運行策略

3、50%負荷運行策略（圖 5）

50%負荷的運行策略與 75%負荷相類似，電價峰時段8:00~11:00和13:00~15:00蓄冰槽優先供冷，其他時段常規制冷主機優先供冷。不同的是，蓄冰槽剩余冷量在峰時段 18:00 時優先供應。

圖 5  50％負荷運行策略

4、25%負荷運行策略（圖 6）

25%負荷工況，制冰主機夜間滿負荷蓄冷，從8:00 時開始，蓄冰槽單獨供冷直到融冰結束，之后為常規主機供冷，在夜間由常規制冷主機供冷。

圖 6  25％負荷運行策略

5、系統控制

由于制冰主機不參與供冷，與常規冰蓄冷系統相比，本系統控制更為簡單。常規制冷機組與變流量的融冰冷水泵構成群控系統，根據能量計的冷量信號，進行臺數調節。

采用常規制冷主機優先供冷模式時，融冰泵根據初級回水溫度進行變頻變流量運行，與之相應的冷水泵則根據系統冷量進行變頻變流量運行。

采用蓄冰槽融冰優先供冷模式時，融冰泵、板式換熱器和融冰冷水水泵均為滿負荷定流量運行，不足的冷量則由常規制冷機組進行臺數調節補充。

三、系統經濟性分析

       為了探究采用單工況制冰機組的外融冰蓄冷系統在投資和運行費用方面的經濟性情況，下面將與采用典型的非低溫供冷的外融冰冰蓄冷系統進行比較分析。典型冰蓄冷系統為主機與蓄冰裝置并聯系統，采用蓄冰裝置優先運行策略進行雙工況主機和蓄冰裝置的容量計算。

（一）、投資比較

1、采用蓄冷裝置優先的計算公式，對采用雙工況制冷機組的蓄冰系統（以下簡稱系統 1）進行計算，結果如下：蓄冷量為99，200 kW·h，蓄冷率為27.5%，設置1臺基載主機、5 臺雙工況制冷機組和 5 套鋼盤管蓄冰槽。其主要設備規格和投資見表 3。

2、采用單工況制冰機組的外融冰蓄冷系統（以下簡稱系統 2），蓄冷量為 59，496 kW·h，蓄冷率為16.5%，設置 6 臺常規制冷機組、3 臺制冰機組和 3套鋼盤管蓄冰槽，其主要設備規格和投資見表 4。

表 3 系統 1 投資

注：機房面積包括冷凍機房和蓄冰槽及融冰系統機房。

表 4 系統 2 投資

注：機房面積包括冷凍機房和蓄冰槽及融冰系統機房。

根據表 3 和表 4，系統 1 比系統 2 投資多 829萬元，即高 18.3%左右，其主要原因是系統 1 的蓄冰率高，蓄冰量較大，蓄冰裝置投資較高。

（二）、運行費用比較

       夏季供冷時間假定為 5 個月，工作日 110 天，運行費用按 25%、50%、75%、100%負荷的運行工況進行分別計算。采用 HDY-SMAD 暖通空調負荷計算及分析軟件進行整個夏季負荷計算，根據計算結果整理 25%、50%、75%、100%負荷時的天數分別為 10 天、43 天、59 天8 天。為簡化計算，冷凍機組在不同負荷率下的耗電量均按額定 COP計算。系統 1 采用的運行策略與系統 2 基本相同，蓄冰槽優先在電價最高的峰時段融冰供冷。在 50%、75%、100%負荷時，由雙工況機組和蓄冰槽聯合供冷，25%負荷時，全部由蓄冰槽供冷。兩種系統的運行費用計算結果見表 5。

       表 5 中，由于系統 2 蓄冰量及蓄冷率均小于系統 1，采用峰時段蓄冰裝置優先供冷的運行策略時，在 25%、50%和 75%負荷下，其運行費用均略高于系統 1。在 100%負荷時，采用制冷主機優先供冷的運行策略，系統 2 的運行費用則低于系統 1；另外，系統 1 的最大裝機功率為 6，248 kW，系統 2 的最大裝機功率為 5，175 kW，系統 1 的夏季基本電費比系統 2 多 20 萬左右。

綜合整個供冷季的運行費用，系統 2 的總運行費用比系統 1 少 3.56 萬元左右。結合本文實例，其原因分析如下。

1、制冰機組在制冰工況時 COP 比雙工況機組高。在機組選型時，雙工況機組需兼顧兩個不同工況的壓縮比，從而造成 COP 降低。制冷量為2，479 kW 時，制冰機組 COP 為 4.2，雙工況機組制冰工況時的 COP 為 4.0。

2、常規制冷機組系統 COP 比雙工況機組高。常規制冷機組直接供冷，其 COP 值為 5.67；雙工況機組 COP 值為 3，700 kW/742 kW=5.01，加上乙二醇循環泵功率后，系統 COP 值為 3，700/(742+110)=4.34，二者相差約 13.4%。

3、單工況制冰機組方案的裝機功率比雙工況制冷主機方案少 1，073 kW，每月按裝機功率繳納的基本電費可節約 17%左右。

四、結論

       采用單工況制冰機組的外融冰蓄冷系統，采用運行效率高的常規制冷機組直接供冷代替供冷效率低的雙工況制冷機組間接供冷，提高了制冷機日間供冷效率，減少了系統配電功率，降低了供配電設施投資和基本電費。日間供冷時，常規制冷機組與蓄冰裝置并聯運行，少了雙工況機組供冷模式，控制系統更為簡便。在本實例中，采用單工況制冰機組的外融冰蓄冷系統采取 16.5%的蓄冷率，與采用 27.5%蓄冷率的典型冰蓄冷方式相比，設備投資降低約 18.3%，且運行費用略有減少。如果考慮到主機的部分負荷性能、不同廠家的設備價格和性能、各地峰谷電價、運行策略、蓄冷率等方面的差異，二種系統的比較結果也將存在一定的差異。

       采用單工況制冰機組的外融冰蓄冷供冷方式是一種應用較少的冰蓄冷系統，蓄冷率和常規制冷機組的容量配比及運行策略直接影響到蓄冰系統的初投資和運行費用，需要進行更多的理論結合實踐的研究。