(19)--特灵空调冰蓄冷系统-中央空调节能系统设计指南.pdf

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1、冰蓄冷系统中央空调节能系统设计指南(三)Ice Storage System 前言3一.蓄冰技术介绍4二.蓄冰系统的组成62.1 蓄冰设备62.2 双工况主机72.3 载冷剂82.4 乙二醇泵92.5 低温送风末端10三.蓄冰系统的设计113.1 定义任务113.2 计算蓄冰量113.3 选择冰槽与主机163.4 系统的布置17四.系统的控制194.1 系统组件194.2 工作模式214.3 控制的策略234.4 优化控制244.5 自控系统的规模24五.三级离心机蓄冰的优势255.1 三级离心机组特点255.2 三级离心机蓄冰系统的特点26六.附录29目录contents目录冰蓄冷系统近年来

2、，愈来愈严重的电荒和能源紧缺已成为阻碍经济发展的一大瓶颈，而随着全社会对能源危机意识的增强，国家明确提出将节能增效放在能源工作的首位。最近我国政府要求切实加强资源节约工作，建设节约型社会，故而各行各业必须在节约用电的同时充分利用现有电力资源。目前，电力供应紧张有两个特点：一是电网负荷率低，系统峰谷差加大，二是随着用电结构的变化，工业用电比重相对减少，城市生活、商业用电快速增长。而空调的用电量占到建筑物用电的40%，所以节约空调系统的高峰用电将是缓解缺电矛盾的重要一环，目前各省市、地区电业部门纷纷公布用电政策和峰谷分时电价，以经济手段推动电力“削峰填谷”的实现。随着蓄冰空调系统越来越多的使用，有

3、关的设计手册及行业规范也陆续出台，如蓄冷空调工程技术规程、新版的实用供热空调设计手册也将增加“蓄冷与蓄热”一章，这些都将对从事蓄冷空调系统设计的人员提供帮助。而特灵空调公司作为一家空调主机的生产厂家，有义务发布一些有关蓄能空调系统的经验及数据，我们根据来自实验室的研究、软件模拟以及现场经验，编写了这一探索蓄冰系统设计的手册。本手册是为了与业界分享特灵公司关于蓄能系统的知识经验，主要服务对象是对技术有兴趣的业主，暖通设计师，工程顾问等。在编写手册时，我们尽量采用中立的态度以保证本手册的非商业性。本手册只讨论以乙二醇为基础的蓄冰系统，原因是在中国市场出现过很多种形式的蓄能空调系统，但随着时间的推移

4、却逐渐消失了，只有以乙二醇为基础的蓄冰系统仍然非常流行，因为这一系统简单可靠并且与常规的系统很相似，对业主或设计师来说做一个这样的系统与常规的系统差别不大，原来用在常规系统的设备几乎都可以用在乙二醇系统上，故乙二醇系统一直流行到现在。本手册主要针对基于乙二醇蓄冰系统设计中普遍存在的问题：系统设计、蓄冰容量、冷水机组、系统布置及系统控制等做了阐述。欢迎专家学者和资深工程技术人员对本手册的内容提出宝贵的意见，以便在版本更新时作改进。前言冰蓄冷系统3前言成都中国移动通信办公大楼蓄冰技术介绍4冰蓄冷系统1.1 什么是蓄冰空调蓄冰空调系统，即是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将冷量以冰

5、的形式贮存起来，在电力负荷较高的白天，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷需要的空调系统。蓄能技术是转移高峰电力、开发低谷用电，优化资源配置，保护生态环境的一项重要技术措施。冰（水）蓄能技术在中国20世纪90年代通过引进和发展，作为电能应用的一项成熟技术，已在大型商场、办公楼、商住楼、宾馆、饭店、娱乐场所、体育场馆、金融大楼、医院、学校等场所得到了广泛的应用，效果显著，有着广阔的发展前景。1.2 蓄冰技术发展简介世界上采用人工制冷的蓄冰空调大约出现在1930年前后。70年代世界范围的能源危机促使蓄冰技术迅速发展，首先在美国将蓄冰技术作为电力负荷的调峰手段广泛应用在建筑物的空调降温工程建设

6、中，80年代以后逐渐普及。欧洲和日本等经济发达国家在80年代初期就开始对蓄冰技术的应用进行研究，日本尤为重视普及冰蓄冷系统的应用和研究。近几年，日、韩等国正以更快的速度推广应用蓄冰技术。我国大陆地区在空调工程中应用蓄冰技术起步较晚，从九十年代初，开始建造水蓄冷和冰蓄冷空调系统。至今已有建成投入运行和正在施工的工程400余个，但总的看来，当前我国在空调蓄冰技术的应用与开发方面仍处于起步阶段，因此蓄冰空调系统在国内发展前景广阔。1.3 蓄冰空调的适用条件 合适的分时电价构成和相关优惠政策 空调负荷在用电峰谷时段有一定不均衡性 场所使用时间空调负荷大,非使用期空调负荷较小的建筑 作为特殊场所的冷源或

7、应急备用冷源 作为区域供冷工程的冷源1.4 蓄冰空调的适用范围 商业,民用建筑空调工程 大型区域供冷工程 工业制冷 食品加工 电力发电工程(进气冷却)一、蓄 冰 技 术 介 绍图1-1-1 典型逐时空调负荷图图1-1-2 蓄冰空调系统负荷图负荷Ice Dischanrge 溶冰供冷Chiller Cool 制冷主机Ice Making 制冰小时小时400035003000250020001500100050001357911 13 15 17 19 21 23400035003000250020001500100050001357911 13 15 17 19 21 235蓄冰技术介绍1.5

8、蓄冰空调的收益政府方面的益处 转移电力高峰期的用电量,平衡电网的峰谷差,发电机组效率提高.减少新建电厂投资 减少环境污染,有利于生态平衡 充分利用有限的不可再生资源对建筑物业主潜在的好处1）节省运行费用 减少在电价高峰期主机、冷却塔及冷却水泵的电力消耗 设备满负荷运行比例增大,充分提高设备利用率和效率 可增大冷冻水温差，减小冷冻水泵的能耗2）减少设备的容量 可减少30%50%的主机装机容量和功率 可减少冷却塔装机容量和功率 减少相应的电力设备投资,如:变压器,配电柜等 减少管路系统及水泵的尺寸(大温差工况)3）减少初投资 众多设备容量的减少及对蓄冰系统的奖励政策可以帮助降低初投资 减少机房有效

9、占地面积4）增加系统的安全性 可作为应急冷源,停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷冰蓄冷系统图1-5-1 冰桶现场布置二、蓄 冰 系 统 的 组 成蓄冰系统的组成6冰蓄冷系统2.1 蓄冰设备蓄冰设备特点一般来说，用在乙二醇蓄冰系统中的蓄冰设备也叫静态冰槽。静态冰槽因为没有运行部件而得名，是一个封闭式的容器，里面贮存的冰是用来蓄能的介质。蓄冰设备除了有贮存冰的功能之外，实际上也是一种高效的换热器，冰的贮存及与乙二醇的换热都是在同一个容器内进行的，蓄冰设备在蓄冰及融冰的时候也充当乙二醇与冰之间的换热器。各个厂家生产的静态冰槽的材料、结构、尺寸都不一样，典型的蓄冰设备是由钢、聚乙烯或聚丙烯等材料制作

10、，结构上看有盘管式和封装式二大类。不同的蓄冰设备的热工性能表现也不一样，各有各的融冰曲线与制冰曲线。蓄冰槽的性能由于静态冰槽不能像冷水机组那样可以由控制中心来控制恒定的出水温度，所以蓄冰设备的热工性能更像换热器，只是这个换热器的其中一侧为冰水混合物，其温度一直维持在0。所以蓄冰设备的热工性能主要是由以下因素决定的。蓄冰设备的材料及结构 蓄冰设备的换热面积 进入冰槽的乙二醇的温度 乙二醇的流速对于给定的蓄冰槽要控制融冰及结冰速率，只能通过调节进入冰槽的乙二醇的温度及流速来进行控制。一般来说进入冰槽的乙二醇流量越大，温度越高(结冰的时候是温度越低)，融(结)冰的速率越快。融冰及蓄冰的温度融冰时冰槽

11、的最高出口温度定义为融冰温度，蓄冰结束时进入冰槽的温度定义为蓄冰温度。影响融冰温度的因素 冰槽的结构、材料 冰槽换热面积 冰槽内的剩余的冰量融冰的速率对与给定的冰槽，其结构材料换热面积已经固定，它的融冰温度主要由冰槽内贮存的冰量与融冰的速率决定。如要控制冰槽的出口温度在某个值的话，需要控制融冰的速率不超过设定值，同时还要控制冰槽内贮存的冰量不能太少。影响蓄冰温度的因素影响蓄冰温度的一个至关重要的因素是冰层厚度，因为冰就像隔在乙二醇与水之间的保温层，在结冰的初期冰层的厚度很薄，对换热的影响也很小，到了蓄冰的末期随着冰层厚度的增加，冰对换热的影响就非常的明显了，这时需要更低的乙二醇的进口温度来维持

12、住蓄冰速率。不同的蓄冰设备的换热面积相差很多，冰层的厚度也相差非常大，从1-5cm的产品都有，故蓄冰的温度也不相同，可以从-4.4C（24F）到-8.9C（16F）。水冰蓄冰初期蓄冰末期图2-1-1 蓄冰初期与末期的比较7蓄冰系统的组成2.2 双工况主机双工况主机与常规主机的区别在大部分的蓄冷系统中，采用同一台主机白天制冷，夜间制冰，这样可以显著降低系统的初投资，这样的主机也叫双工况主机。空调工况与制冰工况有以下几点不同之处：a）主机的蒸发温度与冷凝温度不同夜间制冰工况下运行的时候主机的出口温度要比空调工况下运行低很多，这会使主机的制冷量与效率下降很多。制冰工况下的冷凝温度也与空调工况不同，虽

13、然风冷机组的冷凝温度是由干球温度决定的，水冷机组的冷凝温度是由湿球温度决定的。在夜间，干球温度与湿球温度都要比白天低几度，这可以降低主机的冷凝器的温度，从而帮助主机减轻在制冰工况下制冷量与效率的下降。b）主机的控制模式不同：空调工况：主机的容量根据负载的大小调节，主机的出口温度控制在设定值。制冰工况：主机强制满载运行，如进入主机的温度降到设定值以下，主机会停止工作。制冰工况对不同主机制冷量的影响a）对容积式压缩主机制冷量的影响冰蓄冷系统3530252015干球湿球室外温度图2-2-1 室外温度变化趋势午夜上午6点中午下午6点午夜运行模式 冷冻水出口温度 制冷剂蒸发温度制冷剂密度空调工况4.4C

14、（40F）2.2C（36F）15.6kg/m3（0.972 1b/ft3）制冰工况-5.6C（22F）-9.4C（15F）10.2kg/m3（0.640 1b/ft3）现用R-134a的螺杆机为例，来说明随着出口温度的不同，制冷剂密度的变化。容积式的压缩(如：螺杆式、涡旋式、活塞式压缩机)制冷机，压缩机进口处的体积流量是固定不变的，在制冰工况下进入压缩机的制冷剂的密度降低了，在同样的体积流量下，制冷剂的质量流量会降低，制冷机的容量是制冷剂的质量流量决定的，故制冰工况下容积式的压缩机制冷量会减少。上面举的例子中，制冰工况下的制冷量约为空调工况下的66%。b）对速度式压缩主机制冷量的影响离心式的压

15、缩机是通过将动能转化成势能来提升制冷剂气体的压力的，我们把这类的压缩机称作速度式的压缩机。速度式压缩制冷机的制冷量也是由制冷剂的质量流量决定的，对于给定尺寸的叶轮来说，其体积流量也是不变的，在制冰工况下，制冷剂的密度下降会使质量流量下降，所以速度式压缩制冷机在制冰工况下制冷量也会衰减。对于离心式的压缩机来说可以通过调节叶轮尺寸的方法来调节制冷量，而不仅仅是压缩机的型号规格，故而离心机在制冰工况下的制冷量可以在一个更宽广的范围(50%-80%)内调节，这相比螺杆机要灵活得多。表2-2-1 螺杆机制冷剂密度变化 蓄冰系统的组成8冰蓄冷系统制冰工况对不同主机效率的影响在制冰工况下主机的效率也会下降很

16、多，因为要获得更低的出口温度，需要一个很低的制冷剂的蒸发温度及蒸发压力，这要求压缩机提供更高的“提升力”，使压缩机的负担加重了。压缩机负担加重及制冷量衰减，两方面的影响合在一起使主机在制冰工况下的效率要比空调工况下的效率更差。制冰工况对风冷机组效率的影响风冷机组的效率主要受干球温度的影响，夜间干球温度的下降幅度比较大，这使得风冷机组的效率在夜间制冰工况下的下降并不明显，但要注意的是风冷机组的制冷量还是会随出口温度的下降而下降。制冰工况对三级压缩机效率的影响制冰工况对三级压缩机的效率也是有影响的，但是出口温度的降低对三级压缩的制冷机效率的影响并不明显。（其原理见第五章说明）由表2-2-2可以看出

17、三级压缩制冷机的特点如下：1.主机的出口温度对效率的影响不明显；2.在低温工况下，三级压缩效率明显更高。2.3 载冷剂蓄冰系统需要通过载冷剂来传送冷量，载冷剂的冰点需要低于水的冰点，以便在制冰时仍能传送冷量。最常用的载冷剂是在水中添加防冻剂来降低其冰点，在乙二醇蓄冰系统中防冻剂一般为乙烯乙二醇（Ethylene glycol）和丙烯乙二醇（Propylene glycol）。载冷剂的冰点比较丙烯乙二醇的防冻能力要比乙烯乙二醇弱，故要达到同样的冰点温度，丙烯乙二醇需要的浓度较高。用不同的物质做防冻液的话需要的浓度是不一样的。一般来说典型的蓄冰系统，需要25%浓度(质量浓度)的乙烯乙二醇来满足防冻

18、的需要，但如果用丙烯乙二醇的话就需要30%的浓度。工况描述上游工况下游工况制冰工况出口温度6.13.3-5.6COP5.24.73.7kW/Ton0.670.750.95kW/Ton0.650.690.79单级压缩机效率COP5.45.14.5三级压缩机效率制冷压力焓节流装置冷凝器压缩机蒸发器36 F(2.2 C)15 F(-9.4 C)制冰表示单级压缩制冷循环表示三级压缩制冷循环图2-2-2 制冰工况对不同主机效率的影响表2-2-2单级压缩机与三级压缩机在不同的出口温度下的效率的比较图2-2-3 单级压缩机与三级压缩机效率比较制冰工况下游工况上游工况单级压缩机三级压缩机10.80.60.40

19、.20kW/Ton9蓄冰系统的组成冰蓄冷系统制冷剂水25%乙烯乙二醇28%乙烯乙二醇30%丙烯乙二醇（kJ/kg.）4.23.773.73.85比热（mPa-sec）1.53.24.05.2粘度（）0-10.7-12.7-12.8冰点温度表2-3-1 载冷剂的热工性能比较载冷剂温度4.4（44F）冰点温度 F(C)-40 F(-40 C)-20 F(-29 C)0 F(-18 C)20 F(-7 C)40 F(4 C)防冻液的质量浓度(%)图2-3-1 载冷剂的冰点温度比较706050403020100丙二醇乙二醇防冻液浓度对系统的影响由下表可以看出，防冻液浓度对载冷剂的粘度的影响很大，对比热

20、的影响不大，而载冷剂的粘度对主机的效率与水泵的能耗和影响是很大的。对主机和乙二醇泵来说，载冷剂的粘度越小越好，换言之防冻液浓度越小越好。典型的蓄冰系统，制冰结束时温度一般为-5.6，这时主机的蒸发温度为-9.7，用25%的乙二醇冰点温度在-10.7，可以保证有1的安全余量，如果制冰温度为-6.7，则需要用28%浓度的乙二醇，其乙二醇的粘度会上升很多，这对于主机的效率及水泵的功率都有较大的影响。载冷剂的防腐处理虽然乙二醇对普通金属的腐蚀性比水低，但乙二醇在使用的过程中会被氧化成弱酸性物质，因此乙二醇水溶液中应加入添加剂，添加剂包括防腐剂和稳定剂，一方面防止乙二醇被氧化，另一方面维持溶液为碱性(P

21、H7)，用户也可以直接采购已经调配好添加剂的乙二醇。为了防止乙二醇被氧化，整个乙二醇载冷剂系统应被设计成闭式系统。载冷剂的毒性载冷剂是有一定的毒性的，为了安全起见一般会在系统里设置板换，以防止乙二醇进入到末端系统。对于重视毒性问题的蓄冰应用场合(如制药行业和食品加工)，通常建议采用丙烯乙二醇，因为其毒性相对于乙烯乙二醇要小很多。2.4 乙二醇泵乙二醇的密度稍大于水，粘度大于水，比热小于水，所以在计算乙二醇的流量与扬程时需要注意与常规系统的算法不同，乙二醇泵的参数的计算方式也不同。乙二醇泵流量的计算公式：流量(L/S)=冷量(KW)/温差()/比热3.77乙二醇泵扬程的计算方法：对于乙二醇系统的

22、阻力计算，双工况主机、蓄冰槽及板换等设备的阻力都可以由生产厂家提供，只有机房及系统中管道的阻力需要设计人员具体计算，一般需要乘一个修正系数。详见表2-4-1。蓄冰系统的组成10冰蓄冷系统注：1.乙烯乙二醇水溶液浓度通常根据制冷机及蓄冰装置生产 厂商的建议来确定。2.浓度为重量百分比表2-4-1 载冷剂的物理性能1.081.091.1流量修正系数管道阻力修正系数（）-10.712.7-14.151.221.241.257-51.361.3751.386相变温度（%）252830浓度2.5 低温送风末端因蓄冰系统很容易提供1-4的冷介质温度，以实现49的送风温度，故冰蓄冷系统常常采用低温送风末端系

23、统。低温送风的优点包括：降低了机械系统的造价与运行费用；降低了楼层高度的要求；用较低的房间相对湿度来提高舒适性；减少风机的电耗与电力需求；提高了现有空气分布系统的供冷能力；以下情况则不适合用低温送风系统：无法提供1-4的冷介质温度时；房间相对湿度必须高于40%；需要较高的通风换气量；全年中有较长时间段可以利用7-13的室外新风来做节能器供冷。低温送风系统所推荐的盘管迎面风速一般为1.52.3m/s，这一风速要求低于标准的设计风速，原因是要从空气中凝结出更多的水分。冷却盘管一般选择610排，每毫米0.30.6片的肋片密度(即每英寸8-14片)。图2-5-1 低温送风末端11蓄冰系统的设计冰蓄冷系

24、统蓄冰系统的设计可按以下步骤进行：1.定义任务2.计算蓄冰量3.选择冰槽与主机4.系统的布置3.1 定义任务对于冰蓄冷系统，是要设计成全负荷蓄冰系统，还是部分负荷蓄冰系统？如果是部分蓄冰系统，蓄冰量多少最为合适？蓄冰系统是为节省高峰的负荷，还是为了节省装机容量？运行策略是主机优先，还是融冰优先？需在进行具体设计之前确定。不同的系统有不同的优点，对于一个给定的项目，在我们决定选用何种方式的系统之前，我们必须确认本项目需要的是获得冰蓄冷系统的哪一项或哪几项潜在的好处，设计人员称这个步骤为：“任务说明”或“设计意图”。一个目的明确的任务说明可以帮助我们决定采用何种形式的蓄冰系统和控制模式。对一些项目

25、来说，为了使其中的某项潜在的好处最大化，常常会牺牲其它一项或几项潜在的好处。而任务说明就是要明确哪些潜在的好处是本项目所需要的，如果需要的是几个好处，其中哪个好处是最重要的。例如：一个任务定义为尽量削减高峰电量的项目，系统的蓄冰量会设计得较大，这会使系统的投资增加。相反，若任务定义为节省初投资的项目，就会设计相对较少的蓄冰量，主要是为了降低主机的容量，如果再能得到政府部门的鼓励政策及补贴，就可以使系统的初投资下降很多，但这样的设计就不会削减太多的高峰时段的用电量。不同的需求决定了不同的系统，不同系统都有其适用的条件和场合，所以研究一个系统的适用条件比研究哪个系统更好来得有意义。在实际的应用中经

26、常会出现电力政策或者是建筑功能变动之类的情况，这会使建筑的需求发生变化，一个好的设计应该有一定的灵活性，允许系统在初次安装完毕以后还可以进行调整。3.2 计算蓄冰量蓄冰系统可以节省大量的运行费用，但蓄冰系统的造价往往非常高，这是一对矛盾。要平衡初投资与运行费用，核心的问题在于蓄冰量的选择，蓄冰量越大意味着运行费用越少，但造价也越高，所以在设计蓄冰系统时，设计人员首先要想办法找出最佳蓄冰量。此外当我们把注意力转到蓄冰系统所选用的冷水机组和冰槽上的时候，所选用的冷水机组和冰槽及合适的系统流量、融冰温度及制冰温度等一系列的决定都是相互关联的，把这些参数和谐地结合到一个平衡的系统中可能显得是一项困难的

27、工作，但只要蓄冰量一旦确定下来以后，这些变量之间的关系就很容易明确了。有的项目中任务定义得比较简单，所以可以很快地找出最佳蓄冰量，但有的任务就不是很容易确定最佳的蓄冰量，此时就要进行详细的计算并结合实际情况来作决策。总的来说系统蓄冰量会受到以下因素的影响：a)可用来放置冰槽的空间b)整个系统初投资c)系统的运行费用可用来放置冰槽的空间可用来放置冰槽的空间大小会直接限制到冰槽的容量，有时最佳容量的蓄冰槽的体积超过了可用来放三、蓄 冰 系 统 的 设 计蓄冰系统的设计12冰蓄冷系统冰槽的空间，就会影响系统的经济性，此时需要想办法利用地下室，车库或建筑物周围的空间，以减少限制，同时蓄冰槽的供应商也提

28、供了各种结构和外形尺寸的组合，使冰槽可以放在室内室外，地面或者埋在地下。根据我们的经验来说，往往是可利用的空间决定了蓄冰槽的数量，而不是出于经济性的目的考来选择。系统初投资蓄冰系统增加的投资包括以下部分：蓄冰槽 系统自控增加 载冷剂的费用蓄冰系统减小的投资包括以下部分：减少了主机、泵、冷却塔的容量及配电设备费 减少了末端系统的投资 减小了风机的功率 减小了管路系统的尺寸 政府的相关鼓励政策及补贴另外蓄冰槽可以提供比常规系统温度更低的冷冻水，这样可以使系统的投资进一步降低。低温冷冻水可以降低末端盘管的换热面积，这样翅片的间距就可以适当放大，盘管的阻力就会下降，风机的功耗也会降低。低温冷冻水也可以

29、用来配合大温差的冷冻水系统，减少水泵及管路系统的投资。低温冷冻水也可以用于低温送风的技术，来降低AHU和风管的投资，VAV末端也能相应减少，从而节约运行费用。机房部分的初投资与蓄冰量的关系以上分析可以发现蓄冰系统的初投资相比常规系统有增加的部分也有减少的部分，具体会减少还是增加受到很多因素的影响。现对冷冻机房内的设备进行分析，以便找出蓄冰量对不同设备的影响。根据与蓄冰量的关系，可以将机房的设备可以分为三类：相对固定的部分-无论蓄冰量的大小，其价格都不变的设备，如注入泵、冷水机组和管路系统中的乙二醇；蓄冰系统所需的自控系统(BAS)以及控制阀；双工况主机的控制模块。蓄冰成本-与蓄冰量的大小有直接

30、关系的设备，如冰槽及冰槽内充注的乙二醇、乙二醇泵等。这些设备的投资与蓄冰量相关。本手册中采用都是标准的整装式冰槽，故投资与蓄冰量成正比；如果采用水泥槽的外壳，蓄冰量越大，单位蓄冰量的外壳投资就越便宜。常规设备-冷水机组及其冷却水塔和冷却水泵的投资与蓄冰量的关系比较特殊，随着蓄冰量的增加，主机与塔泵的投资是先减少后增加的，参见图中红色曲线。蓄冰量少的时候主机的容量需按白天的负荷需求来选，白天主机容量随蓄冰量的增加而减少；蓄冰量多的时候需按主机的制冰量选，此时随着蓄冰槽的增加，主机容量也要增加。蓄冰量在某个特定点时，主机投资会选到最小，在这个点上主机白天负荷与夜间负荷是相同的，这时主机的利用率是最

31、高的，白天与夜间都可以满负荷工作，故主机与水塔的初投资最低。很多设计师将这个点当作最佳点，但实际并不如此，因为主机与水塔并不代表整个系统的投资。此外，系统蓄冰量的选择还要视项目的任务和能耗的节省情况等因素。图3-2-1 负荷曲线1冷吨午夜午夜上午6点下午6点中午冰主机容量80060040020013蓄冰系统的设计冰蓄冷系统系统的运行费用蓄冰系统除了可以帮助节省初投资以外，也可以通过节约大量的运行费用来体现出它的优势，所以评估一个蓄冰系统需要同时计算系统初投资和运行费用。对于项目的任务是需要节省初投资或者需要转移高峰电力消耗来说，重点在初投资上和电力的转移上，对运行费用的计算可以简化。但对于项目

32、的任务是关注运行费用的节省，或要得到一个最佳的资金回收期，就需要对运行费用进行详细的计算，其关键是负荷曲线和电价政策。系统的设计日负荷曲线在进行蓄冰系统的设计时，计算每天的逐时负荷是非常必要的，它可以帮助确定主机与冰槽的容量，并确定蓄冰槽的融冰速率、结冰速率是否能满足系统的要求。如果系统的任务是节省电力高峰段的能耗，需要把所有电力高峰段的负荷累加起来，就是需要转移的高峰段的负荷，单位用KWH或RTH来表示。逐时冷负荷可用冷负荷的计算软件计算，也可用系数法或平均法计算：系数法：逐时冷量qiKqmax (系数K见附录)平均法：设计日总冷量Q=qmaxN(运行时间)N(系数N一般取0.650.85)

33、系统的设计年负荷曲线系统的年负荷曲线对蓄冰系统的设计也很重要，因为一年中系统使用的时间长短与部分负荷的情况对运行费用的影响是很大的。例如：同样多的冰槽分别用在一个全年需要供冷的工厂项目和仅夏季需要供冷的办公楼项目上，节省的运行费用就不一样，因为工厂全年使用，一样多的冰槽由于使用的时间长，节约的费用就多。再例：同样的冰槽都用在二栋尖峰负荷相同的建筑上，全年使用的时间也是一样的，但一栋楼较多时间在低负荷运行，另一栋大楼较多时间在高负荷运行。图3-2-3 初投资与蓄冰量的关系蓄冰量%投资增加%1601208040Base-40-固定部分-蓄冰设备-主机及冷却塔、水泵-总投资0 10203040506

34、0708090 100午夜午夜上午6点下午6点中午图3-2-2 负荷曲线2冷吨冰制冰容量制冷容量800600400200午夜午夜上午6点下午6点中午图3-2-4 峰值制冷需求1007550250冷负荷比例系统的总投资将以上三种类型的设备投资叠加在一起，可得出机房设备的总投资。我们可以发现蓄冰量对初投资的影响是非常大的，所以蓄冰量的多少对系统的经济性有很大的影响，在决策的时候需要重点关注。蓄冰系统的设计14冰蓄冷系统由于高负荷运行时，冰可以用在高峰时段；低负荷运行时，冰不能全部用在高峰时段，这样高负荷运行时间长的建筑，节省的费用就多。以上分析可以发现同样多的蓄冰量在不同的年负荷曲线下节省的费用是

35、不一样的，不同的年负荷曲线所对应最佳的蓄冰量也是不一样的。运行费用的计算方法要准确地计算蓄冰系统的运行费用，就要计算逐时逐月的费用，而不仅仅是设计日的费用，这需要建立在设计日负荷曲线与年负荷曲线的基础上，对系统的能耗进行逐时的分析，这样的计算一般比较复杂，需要借助计算机，用系统能耗分析软件来帮助计算，而特灵公司具备这能力。如果没有相应软件则可以用Excel文件进行手工简化计算，步骤如下：（1）一天的逐时运行费用表(表3-2-1)：Ton Ton KWKWKW台KW台KW台KW台KW台KW台KWKW元元台Ton TonTon输入功率小时费用小时电价总功率总功率总功率总功率总功率23:002:00

36、1:00时间总计逐时负荷基载外负荷冰槽放冷量基载主机双工况主机冷却塔*KW/台基载冷却塔*KW/台基载冷却塔*KW/台基载冷却塔*KW/台乙二醇泵*KW/台冷冻水泵*KW/台冷冻水泵*KW/台供冷 量输入功率供冷 量开启开启开启开启开启总功率开启总功率总功率开启（2）年负荷表：有很多负荷计算软件可以算出冷负荷年曲线(蓝线)，为了计算与检验的方便，采用计算曲线(红线)来代替全年的曲线，从图3-2-5可得出红线由30%负荷2个月，50%负荷2个月，80%负荷3个月，100%负荷1个月组成，最终简化为如下年负荷表(表3-2-2)：注：以上的负荷与天数仅为示例，不同地区的不同建筑，不尽相同。负荷天数1

37、00%3080%9050%6030%60图3-2-5 年负荷曲线计算模拟月份负荷1234567891011 12120%100%80%60%40%20%0%计算负荷曲线年负荷曲线15蓄冰系统的设计冰蓄冷系统蓄冰量与运行费用节省的关系将不同的蓄冰量下的运行费用的节省都计算出来，可以得到蓄冰量与运行费用节省的关系（见图3-2-5），可以看出运行费用的节省与使用率是有关的，随着蓄冰量的增加，冰槽的使用率会降低，单位冰槽的节省费用能力也会变差。要详细而准确地计算出不同蓄冰量下的运行费用，需要大量的计算，这个过程非常的烦琐，但这个过程又很必要，所以特灵公司开发了专门的软件来辅助计算。蓄冰系统运行费用的节

38、省也会受到多种因素的影响，其中电价政策是对蓄冰系统影响最大的因素。当有合适的分时电价的时候，蓄冰系统的运行费用才会有节省，但是除了分时电价以外，很多地区对蓄冰系统还有特殊的政府鼓励政策，以使蓄冰系统运行费用的节省进一步的加大。此外，如果蓄冰系统运行得当的话，也可以使运行费用的节省增加，再加上鼓励性电价，蓄冰系统运行费节省就更可观了（见图3-2-5）。系统的经济分析在获得系统的蓄冰量与系统的初投资和运行费的节省之间的关系以后，可以将这些数据放在一张表里，我们也把这个经济分析的工具叫做“成本线”，它的横坐标是蓄冰量，纵坐标是初投资的增加。采用“成本线”这个经济分析工具，决定蓄冰系统的规模就简化了，

39、但要注意实际情况的限制，比如可用来放冰槽的场地会限制最大的蓄冰量(D区域不可用)；或者某项目的任务定义是要减少设备的配电功率，会限制蓄冰量不能小于某个值(A区域不可用)；再如某项目比较小，控制系统比较简单，只能采取简单运行策略来决定蓄冰量，故只能选取其中的几个点如B点、C点，见图3-2-7。图3-2-5 5年运行费用合计蓄冰量%初投资鼓励政策下节省运行费用节省60504030201000102030405060708090 100注：负荷与天数由年负荷表生成，以上仅为示例。负荷年费用总计100%80%50%30%100%负荷逐时运行费用80%负荷逐时运行费用50%负荷逐时运行费用30%负荷逐时

40、运行费用=天费用 x 天数=天费用 x 天数=天费用 x 天数=天费用 x 天数30906060系统一天运行费用（元）小计（万元）天数（天）表3-2-3 负荷与天数的案例A区：配电功率限制区域B点：主机优先策略C点：融冰优先策略D区：空间限制区域费用节省投资增加1601401201008060402000102030405060708090 100初投资增加蓄冰量%图3-2-7 成本线A区D区B点C点蓄冰系统的设计16冰蓄冷系统3.3 选择冰槽与主机 在确定蓄冰量以后，设计人员需要对主机与冰槽进行选型，这个步骤要考虑的因素是制冰速率、融冰速率、系统流量及进出口温度。但在决定主机与冰槽时候要注意

41、很多参数对冰槽和主机的影响是不同的，比如制冰温度低有助于提高冰槽的吸冷能力，但会降低主机的制冰能力以及水泵的功耗。选择一个合适的冰槽来满足制冰速率、融冰速率，同时选择一个与冰槽相配的主机，这个过程需要冰槽厂家与主机厂家的电脑选型软件配合完成，可能需要多次的迭代才可以得出结果。目标制冰速度要求足够快：在可用制冰的时间内将设计冰量制足，并且不要让出口温度太低，保持系统效率。融冰速率足够大：并有一定的灵活性及适应性。主机与冰槽要合理地平衡：在融冰与制冰工况下都有很好的性能。辅助设备能耗低：主要是乙二醇泵的能耗要尽量低。温度的选择制冰温度一般来说，为了最大限度地利用夜间电能，主机在制冰工况下是强制满载

42、运行的，此时主机没有调节容量的能力，只能靠主机与冰槽容量的对比来进行调节。图3-3-1形象地表示了制冷机与冰槽制冰温度之间的关系。通过调节主机与冰槽容量的对比来调节制冰温度，在正常情况下一个平衡好的的蓄冰系统，8小时制冰结束的时候一般制冰温度在22F(-5.6)。要注意主机的制冰容量并不是越大越好，对整个系统来说主机与冰槽间平衡才是关键。常规的设计要求在正常情况下制冰结束时温度不低于22F(-5.6)；如果碰到特殊情况，如室外温度比较低，引起主机制冷量的提高，或者是前一天冰没有用完而在原来的基础上制冰，所以原则上要求所有的设备必须要有2F的安全余量以保证系统的安全。也就是说设计为-5.6的主机

43、，最低的出口温度要能够达到-6.7。另外还要注意，乙二醇也需要这个安全余量，如设计成-6.7制冰温度的系统，要采用28%的乙二醇（关于乙二醇浓度的影响见前面章节介绍）。对制冰温度的另一个影响因素是系统的流量。下图表示在相同的制冰速率的情况下，系统的流量与进出口温度的关系。这里需要注意的是当进入冰槽的温度从26F(-3.3)降低到22F(-5.6)的时候，水泵的功耗也会降低很多；但低于22F(-5.6)之后，水泵功耗的下降就不明显了。进入冰槽的温度降低，会增加主机的功耗，一般平衡得比较好的冰槽，进口温度在22-24F(-4.4-5.6)左右，此时系统的能耗比较合理。图3-3-1冰槽制冰温度太低

44、太高0-1.1-2.2-3.3-4.4-5.6 406080100流量（GPM）出口进口水泵功率2.0 HP1.0 HP图3-3-2 系统流量与进出口温度的关系17蓄冰系统的设计冰蓄冷系统对于主机处于下游的系统，主机在下游稳定出口温度，冰槽在上游进出口温度都很高，故其释冷的速度是非常快，系统的关键在于主机，需要对主机的出口温度与水泵能耗进行平衡。对于冰槽处于下游的系统，冰槽的出口温度的提高可以增加冰槽的融冰速率，但这样也会增加系统的流量，而导致泵的能耗增加，所以要根据负荷情况和冰槽的性能合理选择出口温度，一般在3-5是比较合理的。系统的流量融冰温度与制冰温度确定以后，系统的流量也就确定了，但是

45、白天的最佳流量并不一定与夜间的最佳流量相同。对定流量的系统来说，要通过选择合适的板换阻力，使得系统的流量在白天和晚上都达到最佳值（因为在夜间乙二醇溶液是不通过板换的）。3.4 系统的布置小型系统的流程布置对于小于3万平方米的项目，采用下图的布置是比较理想的，其好处是设计简单，控制简便。注意：这种常见的系统设计中只要一个乙二醇泵就可以让乙二醇在主机、冰槽及板换之间循环，冰槽和板换用标准的三通阀和旁通阀来控制。主机与冰槽串联产生较大的温差，可以降低系统的流量并节约水泵的功耗。另外，还要注意主机位于冰槽上游，如果是更小的系统(小于1万平方米)，可以采用定流量系统，主机与冰槽的出口温度都设定为固定值，

46、这样系统回水先经过主机再经过冰槽，随着回水温度的下降，主机优先降载，也就是融冰优先。这样，系统的控制非常简单，依靠冷水机组的控制中心就可以实现对整个系统的控制。融冰温度要提高冰槽的融冰速率，需要提高冰槽的出口温度。下图表示了出口温度与冰槽释冷能力的关系，提高冰槽的出口温度会大大增加冰槽的释冷速度。旁通阀三通阀蓄冰槽水泵主机图3-4-1 小型系统的布置图025 5075 100125 150 17552F42F32F44 F38 F137（吨/小时）167（吨/小时）冰槽出口温度融冰量（T/H）图3-3-3 出口温度与冰 释冰能力的关系大型系统的流程布置大型系统采用比较复杂的控制，此时要重点考虑

47、系统的能耗，特别是辅助设备的能耗。右图是常被采用的大型系统的形式，要注意主机泵与冰槽的泵是分开布置的，主机泵根据主机的流量配置（变流量主机可用变频泵），可随主机一起关闭；冰槽泵根据冰槽的流量布置，采用变频控制，因泵的功耗与流量的三次方成正比，在部分负荷下可以大大节省水泵功耗。若采用大温差的设计，泵的功耗可以达到最低。现以1000RT系统为例(主机供冷600TON,冰槽供冷400TON)，400TON)，来分析不同系统的水泵功耗(表3-4-1)：由上数据可以看出：1串联系统只有一组泵，其优点是控制简单、可靠，推荐在小型系统中使用。2并联系统虽然水泵数量多，控制也较复杂，但是水泵控制更灵活，部分负

48、荷下运行更节能。常规温差并联系统在满负荷下水泵总功率大于串联系统，但如能采用大温差的并联系统，其水泵总功率会小很多，在部分负荷下的优势更明显，故大型系统中一般都采用大温差并联系统。蓄冰系统的设计18冰蓄冷系统串联大温差并联大温差并联常规温差备注系统温度3-113-115-10系统流量（CMH）416.5416.5666.4主机流量（CMH）416.5249.9399.8冰槽流量（CMH）416.5166.6266.6主机阻力（mH20）8.83.28.1冰槽阻力（MH20）9.81.64.0主机泵流量（CMH）冰槽泵流量（CMH）主机泵扬程（MH20）冰槽泵扬程（MH20）主机泵电机功率（KW

49、）冰槽泵电机功率（KW）根据设备提供冷量及温差计算设备的阻力与流量的平方成正比板换和管路系统阻力按照15MH20水泵总功率KW416.533.655.9555.95249.9166.618.216.618.6511.1929.8399.8266.623.119.037.322.459.7乙二醇泵VFD旁通阀三通阀蓄冰槽水泵主机图3-4-2 大型系统的布置图19系统的控制冰蓄冷系统蓄冰系统的控制可以分成几个不同的层面，最底层为系统组件，各个组件协同工作形成各种工作模式，工作模式又组成运行策略，运行策略需要根据负荷进行调整以达到某一特定目的，优化控制系统要求能根据负荷的变化找到最优的运行策略，有关

50、控制的介绍是由低向高的，先介绍各设备是如何执行这些动作的，然后再介绍什么时候执行，最后讨论控制系统的问题。1.系统组件 解决主机与冰槽如何充放冷量的问题，由设备生产厂家实现。2.工作模式 各个组件协同工作形成各种工作模式。3.控制的策略 不同的工作模式的组合，可以生成不同的运行策略。4.优化控制 运行策略需要根据负荷进行调整以达到某一特定目的，优化控制系统要求能根据负荷的变化找到最优的运行策略。5.自控系统的规模4.1 系统组件（1）主机的控制 空调工况：主机的容量根据负载的大小调节，主机的出口温度控制在设定值。制冰工况：主机强制满载运行，直到进口温度降到设定值以下才会停止工作。在以下三种情况