水蓄冷及冰蓄冷空调系统技术经济分析

冯禹铭

摘要：中国现已有很多建成的水、冰蓄冷空调系统，这些空调系统以其精心的设计、优质的施工、稳定的运行，既确保了工程质量，又满足了设计要求，并在运行费用节省、“移峰填谷”、变电设备投资减少等上，发挥了一定的积极作用。基于此，本文主要以某工程为背景，计算了蓄冷量和总全日冷量之间的最佳比率，并探讨了水、冰蓄冷空调系统各自的适用范围，仅供参考。

关键词：水蓄冷；冰蓄冷；经济分析；空调系统

随着工业的快速发展以及人们生活水平的稳步提升，空调也越来越普及，相应的电力消耗也快速增长，高峰电力日益紧张，而离峰电力又无法充分应用。所以，目前很多国家越来越重视电力“移峰填谷”、电力供应平衡与电能的合理利用等问题。通过推行“分时电价”等鼓励性政策，大幅推进了离峰电力使用的积极性，这样离峰蓄冷技术便获得发展，而水蓄冷与冰蓄冷空调系统便是两种常用的蓄冷空调系统，为此很有必要分析它们的技术经济性。

一、水蓄冷

一般水蓄冷是指通过3~7℃的低温水来蓄冷，且能直接匹配常规系统，不必专门购置其它设备。它具有很多优点，如省投资、低维修费、简单管理等。然而水只具有较低的蓄能密度，仅可以储存水的显热，所以需要大面积的蓄水槽。倘若借助高层建筑中已有的消防水池，则不必专门设置蓄冷水池，能节约大量的占地。要想将建筑中的消防水池加以利用，则应在对蓄冷槽及制冷机的容量进行确定时，应先按消防水池的具体容量，将蓄冷量算出，再结合剩余负荷量，将冷水机组的实际制冷量加以确定，最后再校核冷水机组可不可以达到夜间蓄冷的要求。

二、冰蓄冷

冰蓄冷以冰为主要介质，按制冰形式，可划分蓄冷系统，一般包括部分和完全这两种蓄冷。其中部分蓄冷以其能降低高峰空调的耗电量、低初投资的优点而被较多采用。而具体在确定部分蓄冷的装置容量时，通常有以下情况：

1、在夜间空调系统不运行，只是在白天运行而已，又或空调在夜间具有较少的运行负荷。基于这种情况，可以根据以下计算公式，来帮助最佳制冷机的平衡进行选择：

其中，qc表示基点为空调工况的时候，制冷机的实际制冷量，单位kW；Qs表示蓄冰槽容量，单位kW；N1表示制冷主机白天在空调工况下实际运行的小时，因为制冷主机白天很难不全是满载运行，所以进行计算时，这个值可这样取值（0.8～1.0）n；N2表示制冷主机夜间在蓄冷工况下实际运行的小时；Cf表示冷水机组的有关系数，即蓄冰工况下和空调工况下，冷水机组制冷能力之间的比值，通常离心式和活塞式这两种冷水机组是0.65左右，而螺杆式冷水机组是0.7左右，这主要取决于机组型号及工况温度。按照上述公式，再结合实际工程，便能算出需要配置的冷水机组的实际蓄冰槽容量和制冷能力。

2、在夜间空调系统部分运行，且需要较大的冷负荷。鉴于此，通常先根据夜间需要的冷负荷，选择合理的基载主机，再将由基载主机承受的负荷，从总负荷中加以扣除，然后根据第一种情况，来配制合理的蓄冰槽和冷水机。

三、分析工程实例

某栋高层建筑具有15000m2的总建筑面积，空调占12000m2的面积。总建筑高为54m，属于一类高工程。以办公为其主要功能，空调一般从8：00运行至18：00，有效的消防水池容积是600m3。设计的全日最高负荷、全日总冷量、空调单位面积总冷量分别为1232kW、9853kW、76W／m。

1、水蓄冷空调系统

由于常规什螺秆机顿汉布保护低温是4℃，所以将水池取冷、回水温度分别设定为5.5℃、12℃，则蓄冷量总共是4524kW。因为冷量损失存在，故确定能利用的实际冷量是4060kW，并以5000m2的面积来负担空调，且制冷主机具有6844kW的容量，即蓄冷量在总冷量中的比是41%（4060／9854）。通过696kW的一台立式螺杆机组，来达到蓄冷池夜间蓄冷的要求。水池供冷系统为开式，为了节约运行空调系统时的费用，所以应尽量减小蓄冷池供冷泵的实际扬程，即在设计系统时，整幢主楼可被划分为高、低区，其中低区空调占5000m2，以蓄冷池进行供冷，且系统为开式；而高区空调占7000m2，以制冷机进行供冷，且系统为闭式。具体的冷冻站情况见表1。

表l在水蓄冷冷冻站的各种概算和配置

2、冰蓄冷空调系统

选用部分蓄冷。

按qc=Q／（CfN2+N1），可得qc=9854／（0.7×8+8.5）=700kW

按Qs=qcCfN2，可得蓄冰槽容量Qs=200×0.7×8=3920kWh

由此可见，应选用700kW的一台双工况螺杆水冷机组，且蓄冰槽具有3920kWh的蓄冷量。具体的冷冻站情况见表2。

表2在冰蓄冷冷冻站的概算和配置

比较上述两种方案和常规空调系统的具体经济性见表3。

表3比较常规、冰、水蓄冷空调系统的经济性

表3显示，水蓄冷空调系统具有很大的优越性，比如节能、初投资节省等方面，这种系统充分发挥了建筑物中固有消防水池的作用，不会再占用任何建筑面积，能节约大量的机房面积。然而，却不可以由此而将水蓄冷完全肯定，却将冰蓄冷加以否定，其实它们二者具有各自的适用范围，以下便进行具体分析：

按照公式：

可以将蓄冷槽的实际蓄冷比率得出来：

针对普通的办公用建筑，N1、Cf、N2都已经被确定，即分别取8.5、8、0.7，所以，

基于该比率，制冷机配置蓄冷槽容量最佳。针对冰蓄冷空调，由于蓄冰槽能按照实际的蓄冷量值来进行配置，而不受限制，所以便能按照该比率，来将蓄冷量加以确定，进而配置出与之相应的蓄冰槽和制冷机。而针对水蓄冷空调，由于所用的是建筑原有的消防水池，且这种消防用水池的容积仅关联着建筑物的使用性质和功能，而和建筑面积之间并没有关系存在。所以鉴于此，针对建筑物具有较大空调面积的情况，由消防水池来蓄存的实际冷量与全日总冷量相比，如果所占的实际比率非常小，比如比39.7％小很多，则建议选用冰蓄冷空调系统；而针对建筑物具有较小空调面积的情况，由水池来蓄存的实际冷量与全日总冷量相比，与39.7％非常接近，甚至比39.7％还高，则建议选用水蓄冷空调系统，与此同时，还需要结合水系统的分区。

四、结语

综上所述，相较于常规空调系统，蓄冷空调系统能很好地均衡电网电力系统的峰谷负荷，以增强发电设备的实际运行经济性。目前，在电力部门推行峰谷时，基于电价政策的支持，通过使用蓄冷空调系统，用户能将运行费用有所节省而受益，因此其国民经济意义十分关键。而现阶段中央空调系统以水、冰蓄冷这两种蓄冷方式最为常用，但究竟该选用那种方式，需要根据实际的工程情况，来分析技术经济以后再加以确定。

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