林金典（廈門市建設(shè)工程造價(jià)管理站，福建360012）

部分水蓄冷解決空調(diào)非常負(fù)荷的節(jié)能分析

林金典
（廈門市建設(shè)工程造價(jià)管理站，福建360012）

大型空調(diào)應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)小負(fù)荷或者極小負(fù)荷。本文提出利用消防水池蓄冷。在制冷機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，為非常冷負(fù)荷提供冷量，并給出了運(yùn)行流程圖。通過實(shí)例計(jì)算分析表明，利用消防水池蓄冷，可以滿足小負(fù)荷供冷，并且具有造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

水蓄冷；非常負(fù)荷；節(jié)能

0　引言

在許多公共建筑的大型空調(diào)應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)小負(fù)荷或者極小負(fù)荷情況。例如辦公大樓，夜間或者節(jié)假日期間制冷系統(tǒng)停止運(yùn)行，但此時(shí)尚有部份員工加班需供冷。如果制冷系統(tǒng)啟用則運(yùn)行十分不經(jīng)濟(jì)，并且當(dāng)負(fù)荷過低時(shí)系統(tǒng)亦無法正常運(yùn)行。本文提出采用部分水蓄冷措施，解決該矛盾。

非常冷負(fù)荷只是泛稱，本文給予的定義是指當(dāng)制冷系統(tǒng)停止運(yùn)行后某些尚需供冷對(duì)象所需的冷負(fù)荷。制冷系統(tǒng)停止運(yùn)行需供冷的上述房間亦稱為非常冷負(fù)荷房間。

1　水蓄冷系統(tǒng)的特點(diǎn)及選擇分析

1.1水蓄冷系統(tǒng)的特點(diǎn)和構(gòu)成

水蓄冷空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是:可使用常規(guī)的制冷機(jī)組、系統(tǒng)投資低、運(yùn)行控制管理簡單、易于常規(guī)供冷系統(tǒng)的擴(kuò)容和改造、可以利用消防水池作為蓄冷設(shè)施。缺點(diǎn)是水蓄冷屬溫差蓄冷，蓄冷密度小，即蓄冷設(shè)施所占體積較大。

水蓄冷的水池可采用單建獨(dú)立水池，也可由消防水池改造而成。通常若采用單建水池，將占用較大的建筑面積以及增加較多的工程造價(jià)，故水蓄冷空調(diào)較少為大型空調(diào)系統(tǒng)所采用。

1.2消防水池作為蓄冷水池的利弊分析

一般高層民用建筑消防水池有效容積在500～600m3。某些高層建筑設(shè)有雨淋、水幕等系統(tǒng)，則要求的消防水池更大，容量一般大于600m3。用其兼作空調(diào)系統(tǒng)的蓄冷水池，可以明顯節(jié)約空調(diào)工程投資。

消防水池作為蓄冷水池，其不足是蓄冷容量較小。由于水蓄冷的蓄冷密度小，同時(shí)消防水池容積通常不大，故總蓄冷容量較小。與此同時(shí)，非常冷負(fù)荷一般也較小，兩者結(jié)合既可以優(yōu)勢互補(bǔ)，又可以避免消防水池蓄冷容量較小的不足。

1.3消防水池蓄冷形式和可靠性問題

消防水池作為蓄冷水池蓄冷時(shí)，池內(nèi)水的流動(dòng)方式不同決定著蓄冷效率高低。一般可利用分層原理，減少冷熱水的摻混提高蓄冷效率。

作為消防水池，其存蓄的水量不得因?yàn)樗枚萘肯陆?，以及為避免水系統(tǒng)變?yōu)殚_式系統(tǒng)，故存取冷量時(shí)必須采用板式換熱器來實(shí)現(xiàn)。板式換熱器換熱時(shí)存在換熱溫差。當(dāng)制冷系統(tǒng)供回水溫度采用常規(guī)進(jìn)出水溫度7℃/12℃時(shí)，蓄冷水池最低也只能降至8℃。若欲使蓄冷水溫度更低，制冷系統(tǒng)冷水機(jī)組出水溫度必須下調(diào)。這將導(dǎo)致制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率下降，應(yīng)盡量避免。

2　適用消防水池蓄冷的空調(diào)負(fù)荷分析

2.1非常冷負(fù)荷占總冷負(fù)荷的比例

非常冷負(fù)荷占系統(tǒng)總冷負(fù)荷的比例將直接影響蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)成。當(dāng)比例較大時(shí)，可以啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，按照低負(fù)荷模式運(yùn)行供冷。當(dāng)非常冷負(fù)荷占總冷負(fù)荷的比例較低時(shí)，制冷系統(tǒng)處于尷尬狀態(tài)。此時(shí)若啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重。雖然冷水機(jī)組具有自動(dòng)卸載能力，但低負(fù)荷時(shí)機(jī)組能效比差。并且，冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)往往難以調(diào)節(jié)到低負(fù)荷運(yùn)行等情況，將導(dǎo)致單位冷量能耗急劇上升。因此，上述比例越低，單位冷量能耗越高。上述比例低至一定程度，制冷系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行。

非常冷負(fù)荷占總冷負(fù)荷比例過低，導(dǎo)致能耗過高現(xiàn)象在工程實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)。曾有位經(jīng)營40間餐廳的業(yè)者向筆者抱怨:經(jīng)常有某些包間顧客滯留時(shí)間較長，即餐廳只剩小量包間尚在營業(yè)。此時(shí)制冷系統(tǒng)還必須開啟，這幾間包間餐廳的營業(yè)收入還抵不上所耗電費(fèi)。為此，最終為每間包間餐廳另行裝上獨(dú)立分體空調(diào)，以備非常冷負(fù)荷之用。

2.2非常冷負(fù)荷工作時(shí)間

在大型民用建筑空調(diào)中，需要非常冷負(fù)荷的情況經(jīng)常出現(xiàn)。尤其辦公大樓下班時(shí)間或者夜間，或者節(jié)假日期間，有部份員工加班需供冷。一般而言，非常冷負(fù)荷房間的工作時(shí)間都處于電網(wǎng)非高峰時(shí)段。因此，采用蓄冷方式對(duì)其供冷十分合適。

3　消防水池蓄冷的流程

3.1蓄冷的流程

利用消防水池蓄冷，運(yùn)行包括蓄冷和供冷（放出冷量），圖1為利用消防水池蓄冷和供冷的流程圖。

圖1　消防水池蓄冷和供冷的流程圖

圖1中板換1為板式換熱器，泵1為夜間冷凍水泵，泵2為池水循環(huán)泵。

當(dāng)制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，池水屬于蓄冷階段。此時(shí)啟動(dòng)池水循環(huán)泵運(yùn)行，開啟閥1、閥2、閥3、閥4，關(guān)閉閥5、閥6，直至消防池水的水溫降低至8℃。

3.2供冷的流程

當(dāng)制冷系統(tǒng)停止運(yùn)行，需要對(duì)非常冷負(fù)荷供冷時(shí)，其流程可見圖1。啟動(dòng)非常負(fù)荷冷凍水泵和池水循環(huán)泵，關(guān)閉閥1、閥2、閥3、閥4，開啟閥5、閥6，向非常冷負(fù)荷房間供冷。供冷過程中，池水溫度上升，一般當(dāng)池水的溫度升至11℃仍可使用。但此時(shí)空調(diào)末端設(shè)備出力將下降，相應(yīng)地除濕能力亦下降。

3.3蓄冷量計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，消防水池蓄存的可用冷量可以用式（1）計(jì)算:

式中:

QX—水池的蓄冷量，kW·h；

V—水池蓄冷水的體積，m3；

ρ—蓄冷水的密度，一般取1 000 kg/m3

CP—冷水的比熱容，取4.19 kJ/kg·K；

△t—放冷回水溫度與蓄冷水溫度的溫差，℃

4　消防水池蓄冷的空調(diào)工程實(shí)例分析

4.1工程實(shí)例的空調(diào)系統(tǒng)配置

某高層辦公大樓，建筑面積50000m2，制冷系統(tǒng)設(shè)置制冷量為2440kW離心式冷水機(jī)組2臺(tái)，調(diào)負(fù)荷用制冷量為1220kW螺桿式冷水機(jī)組一臺(tái)。調(diào)負(fù)荷用機(jī)組配套冷凍水泵30kW一臺(tái)，冷卻水泵30kW一臺(tái)，冷卻塔15kW一臺(tái)。

該建筑配置了600m3消防水池。按照本文提出的水蓄冷方案，利用該建筑的600m3消防水池蓄冷，蓄存冷量供非常冷負(fù)荷使用。設(shè)置池水循環(huán)泵5kW一臺(tái)，非常冷負(fù)荷冷凍水泵10kW一臺(tái)，板式換熱器一臺(tái)。本文分析中，放冷回水溫度與蓄冷水溫度的溫差取3℃。根據(jù)公式（1）計(jì)算，此消防水池總蓄冷量為2095kW·h。

假定節(jié)假日員工加班有50個(gè)房間需供冷，每個(gè)房間耗冷量為4kW/h，總冷負(fù)荷為200kW/h。工作時(shí)間6小時(shí)，則非常負(fù)荷需要的總蓄冷量為1200kW·h。

4.2調(diào)負(fù)荷機(jī)組運(yùn)行和部分水蓄冷運(yùn)行能耗比較

當(dāng)非常冷負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)，上述辦公大樓如果采用1220kW螺桿式調(diào)負(fù)荷機(jī)組供冷，機(jī)組需調(diào)至最低負(fù)荷率約15%工況運(yùn)行。查機(jī)組性能表，15%工況運(yùn)行時(shí)功率約為60kW，則該運(yùn)行方案消耗的最低功率如表1。

表1　采用調(diào)負(fù)荷機(jī)組供冷和部分水蓄冷供冷的功率比較

當(dāng)出現(xiàn)非常冷負(fù)荷時(shí)，如果啟用水蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行，同樣為50個(gè)夜間冷負(fù)荷房間，每個(gè)房間耗冷量為4kW/h且工作時(shí)間6小時(shí)。此時(shí)調(diào)用蓄冷水池中蓄存冷量1200kW·h，共耗去制備該冷量時(shí)，螺桿式冷水機(jī)組功率220kW/h、冷凍水泵30kW/ h、冷卻水泵30kW/h、冷卻塔15kW/h、池水循環(huán)泵5kW/h、總功率為300kW，折合每小時(shí)功率50kW。水蓄冷運(yùn)行的功率合計(jì)60 kW，如表1所示。

由表1可見，當(dāng)出現(xiàn)非常冷負(fù)荷時(shí)，采用水蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行，本例功率僅為常規(guī)調(diào)負(fù)荷用機(jī)組運(yùn)行的44%。節(jié)能效果明顯。

4.3常規(guī)運(yùn)行和部分水蓄冷新技術(shù)效益分析

由上可見，當(dāng)出現(xiàn)非常冷負(fù)荷時(shí)，采用水蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行，節(jié)能效果明顯。但對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)節(jié)能改造，需要增加投資。按照本例估算，增加了消防水池池壁保溫，以及增加1臺(tái)板式換熱器、2臺(tái)池水循環(huán)泵（其中1臺(tái)備用）、2臺(tái)夜間負(fù)荷冷凍水泵（其中1臺(tái)備用）以及若干管路，造價(jià)約需人民幣10萬元左右。

如果在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，采用利用消防水池的部分水蓄冷方案，則可以考慮減少甚至取消調(diào)負(fù)荷用機(jī)組。此時(shí)增加的投資可以明顯減少甚至不必增加。

以上分析中非常冷負(fù)荷還比較大，有可能采用常規(guī)調(diào)負(fù)荷用機(jī)組運(yùn)行。在實(shí)際空調(diào)用戶中，有許多情況非常冷負(fù)荷很小，甚至非常小。在這些情況中，由于負(fù)荷過分小導(dǎo)致調(diào)負(fù)荷用機(jī)組無法運(yùn)行。此時(shí)，利用消防水池的部分水蓄冷措施/方案就發(fā)揮了不可替代的效果。

另一方面，目前全國各地都采用的峰谷電價(jià)，鼓勵(lì)利用低谷電蓄冷。通常，低谷電價(jià)僅為高峰電價(jià)的1/3，有些省份甚至為1/5。因此，如果利用低谷電價(jià)時(shí)段來運(yùn)行蓄冷，則蓄冷的效益更加明顯。

實(shí)際用戶情況千差萬別，各地氣候條件不同，各地峰谷電價(jià)政策不同，非常冷負(fù)荷的大小、用冷時(shí)間規(guī)律等可能也千差萬別。因此，采用消防水池的部分水蓄冷方案來解決非常冷負(fù)荷，節(jié)能效果/效益大小也各不相同。但是，利用消防水池的部分水蓄冷方案，無疑是解決空調(diào)非常冷負(fù)荷的一種有效措施。文獻(xiàn)［2］的測試表明，采用水蓄冷方式可以減少制冷機(jī)組頻繁啟停，改善空調(diào)效果。同理，利用消防水池的部分水蓄冷方案，無疑也具有同樣效果。

5　結(jié)論

根據(jù)以上分析，消防水池改造為蓄冷水池，對(duì)解決大型空調(diào)系統(tǒng)的非常冷負(fù)荷是一種有效措施。該措施投資少，節(jié)能效益好，并且可以解決極小負(fù)荷時(shí)大型機(jī)組無法運(yùn)行問題。該措施的效益根據(jù)用戶情況有變化，如果在設(shè)計(jì)階段考慮，效益將更加顯著。

［1］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008

［2］鄭文國.酒店建筑中采用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性研究［J］.建筑節(jié)能，2009，37（10）:35-37

Energy-Saving Analysis of Partial Chilled Water Storage for Unusual Small Load in Air Conditioning

LIN Jindian
（Xiamen construction engineering costmanagement station，Xiamen 36012）

Small/tiny load often arises in large air conditioning systems.Fire pool is used to storage cold energy in this paper.The cold energy can provide for unusual small load when refrigerating unit is turn off.The operation flow chart is designed.It is indicated based on a case study that chilled water storage with fire pool can solve unusual small load.Moreover，the low investment and operation fee can also be obtained by thismethod.

Chilled water storage；Unusual load；Energy saving

TK02；TU831 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.012

ISSN1005-9180（2016）02-062-04

2016-2-23

林金典（1965-），男，高級(jí)工程師，從事暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。Email:2585342584@qq.com