板冰在中央空调蓄冷工程中的应用

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1、板冰在中央空调蓄冷工程中的应用蓄冷空调起步于上世纪30 年代, 走过了降低中央空调设备投资、 为电网移峰填谷减缓电网高峰用电压力和提高空调系统使用的灵活性及可靠性等不同目标的发展过程。冰蓄冷空调根据制冰方式的不同, 分为静态制冰和动态制冰2 种. 在动态制冰中, 冰片滑落式冰蓄冷系统因制冰装置和储冰装置分离,储冰罐价格低廉与蓄冰策略灵活的结合进一步体现其经济性的优势,成为近几年来冰蓄冷空调领域研究的热点。1、冰片滑落式冰蓄冷系统工作原理 冰片滑落式冰蓄冷系统含有以下几个循环回路, 即制冷剂循环回路、 一次冷冻水循环回路、 二次冷冻水循环回路和冷却水循环回路。 制冷剂在蒸发板夹层内侧蒸发制冷,与

2、蒸发板表面上的水或冰层进行热交换,吸收热量后蒸发,再被制冷机组吸入、 压缩、 冷凝与节流, 重新进入蒸发板蒸发制冷完成制冷循环。水在循环水泵的作用下由蓄冰槽进入布水器,通过布水器的均匀分配,沿蒸发板表面呈膜状均匀流下,被蒸发板内侧的制冷剂快速冻结成板状冰。未被冻结成冰的水流回蓄冰槽,重新被水泵抽出进入布水器完成水循环。 当冰层在蒸发器上逐渐冻结至一定厚度( 5-10 mm)时,引制冷机组高温排气进入降膜蒸发板夹层内侧,蒸发板温度升高, 与其表面接触的冰受热融化失去附着力,同时沿蒸发板表面喷淋的水在冰层与蒸发板之间形成水膜, 冰层依靠重力滑落到蒸发板下部蓄冰槽内,完成脱冰过程。 近几年,板冰 -

3、冷水机组成为用于冰片滑落式冰蓄冷系统一种新的制冰设备。板冰-冷水机组蒸发器的设计采用了降膜蒸发的理念,换热表面为降膜流动方式。将多块特制的蒸发板垂直安装, 并与制冷阀件、 管道等一并组装而成一个蓄能模块,将制冷主机与油分离器、 低压循环桶、 制冷剂泵与制冷阀件、 管道等一并组装而成一个主机模块, 将一组或多组蓄能模块与主机模块、 蓄冰槽、 蓄冷循环泵及管道等连接起来即成为一个动态冰蓄冷系统。 2、板冰-冷水机组运行特点 板冰-冷水机组板式换热器的流道设计改变了传统的蛇形层流流道的设计理念, 采用了蜂窝状紊流流道的设计理念, 强化了流体内在的换热效率,减小了流体流动的阻力; 流体在换热器表面呈薄

4、膜状态流动, 过流面积大, 因此具有较高的换热效率。板冰 -冷水机组用于冰蓄冷除了具有冰蓄冷的共同优点外, 还具有其独特的运行特征, 主要表现在以下几个方面:1) 制冰机运行工况稳定, 只是在满负荷下运行,保持着最高运行效率, 无须配备调节装置, 减少了初投资和维修工作量。2) 系统简单, 换热效率较高。板冰 -冷水机组制冷系统为直接蒸发式, 无二次换热,效率可提高10%-15%。板冰-冷水机组制冰厚度为5-10mm, 比静态冰蓄冷结冰厚度要薄, 相应地控制了冰的传热热阻, 提高了换热效率。3) 有效地控制了冻结冰层的厚度, 能够实现高运转率的反复快速制冰。4) 片状冰具有较大的表面积, 可获

5、得较高的释冷速率。5) 在融冰循环过程中,水与冰直接接触融冰,融冰温度相对保持稳定。6) 制冰与蓄冰分离, 且蓄冰槽内无任何制冷部件。不存在静态冰蓄冷系统泄漏位置查找困难的问题。蓄冰装置维护的工作量少, 不影响系统的正常使用, 维护费用低。系统运行特性与蓄冰槽内冰的量无关,在整个蓄冷循环中保持不变, 蓄冷过程稳定。同时, 根据制冷负荷的特征, 在制冷机组和蒸发器都不改变的情况下, 可以实现日蓄冰、 周蓄冰等多种运行模式。7) 由于系统制冰与蓄冰装置分离, 系统既可输出冷水又可输出冰, 应用范围更广, 可用在多种用冷用冰的场所。8) 可实现冷热同槽。由于制冰与蓄冰分离,蓄冰槽中储存的只是冰和水,

6、 蓄冰槽既可作为夏季蓄冰槽,又可作为冬季的蓄热槽。9) 安装便捷。设备以模块化设计组装而成,在出厂前即已完成装配。主机模块与蓄能模块之间各管道预留了法兰接口,现场机组定位后, 只须连接各管道相应法兰接口即可。 3、应用实例3.1 工程概况 该工程是在保证某央企行政楼原中央空调系统可独立运行的基础上, 增加一套冰蓄冷系统。该系统采用谷值电价蓄冷, 在平价以及峰值电价释放冷量以满足空调制冷要求, 从而实现原行政楼中央空调系统由2 套不同方式冷源独立供冷, 达到实时切换,进行对比的目的。该行政楼建筑面积为8000m2,空调总面积为 4500m2,典型计算日最高冷负荷为480kW,日逐时总负荷为454

7、6kWh。3.2 系统流程冰蓄冷主体可分为 4 个模块, 包括主机模块、蓄能模块、 蓄冰槽模块和换热模块。其中主机模块、 蓄能模块置于蓄冰槽上部, 换热模块放置于原有制冷机房的值班室内。控制原理:（1）主机蓄冰工况: V1 全闭, V2 和 V4 全开,V3 调节,蓄冰槽蓄冰量达到设定值时停主机。主机蓄冰同时供冷工况: V3 调节, V4 全开,根据 T1 恒定来调节V1 和 V2 开启度,改变进入板换一次冷冻水流量。（2）蓄冰装置单独供冷工况: 板冰机停, V3 全开, V4 全闭, 根据T 1 恒定来调节 V1 和V2 开启度,改变进入板换一次冷冻水流量。（3）联合供冷工况: 板冰机启动,

8、 V3 全闭, V4全开,根据T 1 恒定来调节V1 和 V2 开启度,改变进入板换一次冷冻水流量。（4）冷冻水供冷控制:以上三个工况,恒定负荷侧压差改变冷水泵频率,以均衡负荷侧冷量。3. 3 蓄冰策略 中央空调运行时间为 8: 00 ) 22: 00, 共计 14h。为尽可能利用晚上用电谷荷时段进行蓄冷,本工程设计采用近似于日需求全量蓄冰的策略,即在用电谷荷时段 23: 00-7: 00 共计 8 h 内所蓄冰量尽可能接近4546kWh。3.4 蓄冷设备选型根据蓄冰策略计算,当为全量蓄冰时, 制冷机组在蓄冰工况下制冷量(kW)为R= E Q/ H s 式中: R 为制冰机组蓄冰工况下的制冷量

9、( kW) ; E Q 为日逐时总负荷( 4 546 kW # h) ; H s 为制冰机组制冰蓄冷运行时间,共8 h。 则 R= 568.3kW。方案拟选用中机远雄板冰 -冷水机组, 在中机远雄设计手册冰蓄冷技术参数表中查知蓄冰工况下制冷量接近于上面计算的机组制冷量的机组有2 档:一档为460 kW,另一档为630 kW。综合比较后,选择前者,即YBX655FS/ F3。该机组在蓄冰工况下制冷量为460 kW,输入功率为118 kW,直接制冷工况下制冷量为655 kW,输入功率为130 kW。 所选板冰 -冷水机组蓄冰工况下制冷量小于理论计算值,根据夏季天气特点, 考虑在极端天气出现时(只是

10、少数几天) , 在用电平荷段部分时间内,制冷主机直接制冷,以弥补蓄冰量的不足。此时,蓄冷系统则采用分量蓄冰、 融冰优先的运行策略。 由于在供冷季节内每天的负荷都不同, 蓄冰系统始终以最经济的方式运行, 充分利用低谷时段的电力,节约最多的运行费用,机组的运行模式也须做相应调整。通过不同冷负荷状态下蓄冷策略运行方案的分析，只有冷负荷达到100%时,白天8: 00-9: 00和9: 00-10: 00 这2 h 内763. 2 kWh 的冷量需要由制冷机提供。其他负荷状况下蓄冷量均能够达到空调所需的全部冷量。因此能够很好平衡空调日负荷、 电力负荷、 设备容量及储存空间的关系, 并很好地利用当地电费计

11、价结构特点。该策略是符合本工程的最优蓄冷运行策略。 4、经济效益分析 冰蓄冷系统经济分析评价范围包括整个冰蓄冷系统与整个常规空调系统的比较, 有多种评价方法和评价指标。评价方法主要分为动态经济评价和静态经济评价; 评价指标为投资回收期。静态经济评价方法主要考虑设备的成本和运行费用,一般认为, 投资回收期少于 5 年为经济可行。这种方法最为简单和直观,因而得到了广泛应用。影响冰蓄冷经济效益的因素主要是不同地区的电价政策、系统的初投资和年运行费用。 资本回收周期：原中央空调投资为146.5万元,蓄冷空调投资为187.2万元, 系统增加的投资为I S- I C= 40.7万元，资本回收周期为40.7

12、/13. 62= 2.99年。 要说明的是,蓄冰槽出水温度比较低, 90%以上的融冰时间内可维持在1. 5以下, 适合采用大温差送风(可减少送风量)。若采用相同类型的末端送风方式,当送风温度为7 时, 低温送风系统比常规送风系统风机功率减少30%-50%。 同时,由于低温送风系统的送风温度低,送出风的含湿量低,空气相对湿度低, 使得在保持相同的舒适感条件下,可适当提高室内干球温度1-2 ,房间空气干球温度提高后,房间冷负荷降低,制冷机的能耗可减少5%-10%。另一方面, 采用大温差送风,风管尺寸减少30%-36%,空气处理机尺寸减少20%-30%, 与常规空调送风相比,空调水系统与风系统的投资

13、可减少14%-19%。所以,粗略地计算投资回收期在3年内,实际回收期要短很多。 如果是新建工程, 因为低温送风风管比常规风管小,须安装风管的房间顶部空间高度至少可以减小 90-185 mm, 建筑工程总造价可减少3.76%-13. 6%。如此,在新建工程中使用冰蓄冷技术很可能就不存在回收期的问题, 反而会在综合初投资上节省大量资金。以上工程,因为使用了近似全量蓄冰的策略,冰蓄冷装机容量要比分量蓄冰大, 与常规空调相近。全量蓄冰增加了冰蓄冷工程的初投资, 但是运行费用节省十分可观,从计算数据看,运行费用仅为常规空调的27% (仅机房部分,不含末端设备)。 5、社会效益 冰蓄冷制冷机组容量小、 噪

14、声小,改善了工作环境。同时,制冷机组装机容量的减小降低了制冷剂的消耗量和泄漏量,这必然会减轻制冷剂对大气臭氧层的破坏作用及全球的温室效应的影响。采用冰蓄冷中央空调系统, 平衡峰谷用电负荷,减少了高峰期燃煤电站的运行负荷, 减少了烟尘和二氧化碳、 二氧化硫等污染气体的排放。 按照国家发改委 2007 年度5中国电力需求侧管理报告6的计算标准, 该办公大楼经过蓄能改造后,可实现转移峰值用电负荷18. 59 万 kWh, 相应减排二氧化硫和二氧化碳分别为 107.1 吨和0.71吨,一个制冷季可节省电费13.62 万元。 6、结束语 通过对常规空调与板冰 -冷水机组冰蓄冷中央空调进行经济性比较分析可知,本工程采用板冰-冷水机组冰蓄冷系统,虽然初投资增加了40.7 万元,但是每年节约电费 13.62 万元,不到3年就可以收回冰蓄冷系统较常规空调系统增加的初投资。同时,该工程转移了大量的夏季峰值负荷,为电网的供电平衡做出贡献,也响应了政府所提倡的节能减排政策,更有利于环境保护和可持续发展。