动态冰与外融冰相结合的区域供冷系统研究

香港华艺设计顾问(深圳)有限公司 李雪松 陶嘉楠 高 龙 洪木荣

近年来，随着经济社会的持续发展，我国大中城市中不断规划建设高新技术园区、新型产业园区、中央商务区等集办公、商业、公寓为一体的建筑群。

区域供冷系统是指对一定区域内的建筑物群，由一个或多个能源站集中制取冷水，通过管网提供给最终用户，满足用户制冷要求。由于建筑群内空调负荷同时使用系数为0.49～0.77[1]，相同供冷面积下，区域集中供冷系统相对常规分散供冷系统能够降低整个系统的装机容量，减少设备投资。同时因其具有节能高效等优点，成为建筑群供冷方式的新兴选择。比如，深圳前海深港现代服务业合作区、广州珠江新城、北京丽泽商务区、重庆江北城CBD等均选择区域集中供冷系统作为空调冷源[2-5]。

区域供冷系统设计时常与蓄冷技术相结合，蓄冷技术将空调负荷从白天用电高峰期转移到夜间用电低谷期，利用峰谷电价差，降低运行费用，所以蓄能空调是“为国节能，为用户节资”的最佳技术之一[6]。目前常用的蓄冷技术包括内融冰蓄冷、外融冰蓄冷、动态冰蓄冷及水蓄冷等，而内融冰和水蓄冷技术由于供水温度的问题不宜应用于大型区域供冷项目[7]。动态冰是近年来新兴的一种冰蓄冷形式，节能潜力很大，可以较大程度降低系统初投资，但是由于其自身的局限性一直未被用在区域供冷系统中。将动态冰和外融冰相结合，应用在区域供冷中，对于节能减排具有重大意义。

本文通过实际工程案例，研究外融冰与动态冰联合供冷的系统形式、初投资及运行费用，以找到2种蓄冰方式初投资和运行费用适宜的结合点，并为其他工程项目提供参考。

深圳某区域集中供冷项目总建筑面积约123.18万m2，总冷负荷为92 363 kW，区域内建筑功能主要为办公、商业、酒店、学校及部分市政设施，其中办公建筑约92.3万m2，商业建筑约12.94万m2，酒店约9万m2。根据深圳地区峰平谷电价政策(见表1)，该项目采用“电制冷+冰蓄冷”系统，不同时刻制冷站供回水温度如表2所示。

表1 深圳商业电价

表2 制冷站供回水温度

2.1 2种蓄冰方式简介

外融冰系统由于温度较高的空调冷水回水与冰直接接触，融冰释冷速度快，释冷曲线为直线，易控制，能够快速制取大量的低温冷水，且可以更灵活地安排运行策略，最大限度地降低运行费用，被广泛应用到区域供冷系统中[7]。但外融冰系统也存在着双工况主机制冰效率不高，由于“冰层热阻”的存在导致蓄冷速度慢，初投资较高等缺点。

传统区域供冷外融冰系统为达到外网低温出水的目的，常采用主机上游串联系统，上游为主机，下游为外融冰冰池，系统原理如图1所示。

注：V1、V2为阀门。图1 外融冰冷水系统原理图

过冷水制动态冰是新兴的冰蓄冷技术，其基本原理为双工况主机制取的-3 ℃乙二醇进入动态冰制冰机，制取-2 ℃的过冷水，过冷水经过促晶技术形成冰浆，通过管道输送到冰池，储存动态冰浆，循环上述过程，不断制取动态冰，动态冰浆机制冰原理如图2所示。

图2 动态冰浆机制冰原理图

动态冰系统具有如下优势：1) 动态冰双工况主机制冰蒸发温度为-3 ℃，相对于冰盘管制冰-5.6 ℃蒸发温度，主机COP提高6%～9%；
2) 动态冰制冰时换热和结冰在时间和空间上是分离的，没有“冰层热阻”，所以相对静态冰系统，制冰速度均匀、蓄冰量大、融冰速度快，能更灵活地安排运行策略；
3) 动态冰单位体积的蓄冰量相对水蓄冷和外融冰要高，约为44 kW·h/m3，而且由于不需要冰盘管，对冰池的形状要求不高，可以利用边角料位置，所以相同蓄冰量情况下初投资较外融冰降低15%～20%。但动态冰需要过冷水制取，制取过冷水的过程需要严格控制水中杂质，水质较差会堵塞过滤器，因外网水质较差，动态冰冰池不能直接接入外网，需要板式换热器和外网分隔。而且现有常规动态冰浆机和双工况主机匹配的规格，最大为4 220 kW，一般为双工况主机和冰浆机一一对应。由于常规建筑物供冷项目较少有这么大需求，需要特殊定制，如果完全将其用在大型区域供冷系统中，动态冰浆机的数量会较多，与其配套的水泵、板式换热器等设备也会较多，占用较大的机房面积。

本文以传统外融冰为基础，在不改变总蓄冰量的前提下，加入动态冰，从供冷系统形式、初投资及运行费用等方面对比分析不同方案，确定整个系统的制冷工艺和动态冰的比例。

2.2 动态冰与外融冰结合的系统形式对比分析

动态冰与外融冰结合的系统形式存在以下2种可行方案。

方案1是在图1外融冰系统基础上将动态冰冰池板式换热器和上述系统并联，即上游基载主机和双工况主机(包括动态冰和静态冰的双工况主机)板式换热器(后文简称双工况板式换热器)二次侧并联后再与下游外融冰冰池串联，然后与动态冰冰池板式换热器并联，系统原理图见图3。

图3 方案1冷水系统原理图

该方案具有动态冰系统融冰过程独立、不受上游冷水机组出水温度影响的优点。但如果外网水温需要恒定2.5 ℃的出水温度，由于动态冰冰池内冷水需要和板式换热器换热后供给外网，所以动态冰冰池的出水温度要求在1.5 ℃以下，融冰量小于50%后无法达到此温度，影响供水水温。同时动态冰后期使用率较低，且外网循环泵1和2流量及扬程相差较大，不易稳定运行。

与老年人接触时要保持微笑，毕竟人上了年纪就会比较敏感。互动时要用心交流，多注视老年人的眼睛，视线不要游离不定——这也是对人最起码的尊重。老年人可能会把一点小事说很久或很多次，不要表现得不耐烦。那样会让老年人敏感的内心受到伤害。切记：一定要注意语言和一些细微的小动作。

方案2是在图1外融冰系统基础上将动态冰冰池板式换热器并联入上游主机，即上游基载主机、双工况板式换热器二次侧和动态冰冰池板式换热器均为并联，再和下游外融冰冰池串联，系统原理图见图4。

图4 方案2冷水系统原理图

该方案由于动态冰冰池板式换热器位于外融冰冰池上游，故动态冰冰池板式换热器出水温度可升高到4 ℃以上，系统稳定性较好，但动态冰冰池板式换热器出水温度需要和基载主机及双工况板式换热器二次侧温度一致，运行受上游出水温度影响。

通过上述定性分析可以发现，为了保证外网出水温度能够稳定在2.5 ℃，并且让动态冰系统融冰更加充分，动态冰与外融冰结合的系统方案选择方案2更为合理，即如图4所示的上游动态冰冰池板式换热器、基载主机及双工况板式换热器二次侧并联后再和下游外融冰冰池串联的系统形式，其供冷系统流程图见图5。根据运行时段负荷及需求供水温度的不同，主要工况阀门状态见表3。

注：V1～V10为阀门。图5 供冷系统流程图

表3 主要工况阀门状态

2.3 动态冰占整个冰蓄冷系统的比例分析

过冷水制动态冰为新技术，且在区域供冷中与外融冰结合使用并无参考先例，本文拟设置3个对比方案，分析采用动态冰对总投资、运行费用等的影响程度，通过技术经济比较来确定动态冰的合理比例。

2.3.1各方案主要设备配置及平面布置

方案1采用图1所示主机上游串联的外融冰系统，不采用动态冰；
方案2及方案3采用图4所示上游动态冰、基载主机及双工况板式换热器二次侧并联后再和下游外融冰冰池串联的系统形式，其中方案2动态冰比例为2.4%，方案3动态冰比例为4.0%。各方案详细机组配置情况见表4。

表4 制冷站各方案主要设备配置及蓄冰率

图6 方案2机房平面布置

2.3.2各方案经济性对比分析

分别计算3种方案运营期内的经济性，计算期定为21 a，其中包括建设期1 a，运行期20 a。

分析运营期经济性，从经济效益和抗风险能力两方面选出最优方案。本文以内部收益率及静态投资回收期为反映经济效益的主要指标。运行期经济分析需要考虑建设成本、运营成本及营业收入。其中，建设成本为项目建设总投资，包括制冷站土建及安装等投资费用。运营成本包含运行电费、水费、维修维护成本、管理成本及折旧成本。营业收入主要包括接入费和售冷费，以方案1接入费和售冷费达到8%的基准收益率为基准。

项目的运营成本主要为运行电费(与各地电价政策密切相关)，占比约为55%。确定了主机配置方案后，运行策略是影响运行电费的主要因素，根据各方案全年运行策略，可计算出其全年运行电费。以方案2的100%负荷工况为例，其逐时运行策略及计算运行电费分别如图7、8所示。

图7 方案2在100%负荷工况下的逐时运行策略

图8 方案2在100%负荷工况下的逐时运行电量及电费

通过对以上各项的分析，计算得出该项目运行费用、内部收益率及投资回收期等各项主要经济指标，如表5所示。

表5 各方案经济性对比分析

从表5可以看出，对于制冷站，在蓄冰率和总蓄冰量基本一致的情况下，方案2、3相对于方案1，随动态冰占比的增大，年运行费用上升，总投资有不同程度的减少。方案2相对方案1总投资减少2 347万元(减小率约为8.3%)，年运行电费仅增加86万元，增加率为4.1%；
方案3相对方案1，总投资减少幅度为10.0%，运行费用增加了12.0%。据此判断，继续增大动态冰比例，整个系统的经济性会越来越差，同时动态冰设备的增加将进一步占用制冷机房空间，导致机房布置紧张，故本文仅给出3种方案，不再增加动态冰蓄冰率继续比较。

导致方案3运行费用较大的原因为：在蓄冰量基本保持不变的情况下，随着动态冰比例的增大，外融冰蓄冰量减少，需要系统上游出水温度降低来保证冷水经过冰池的出水温度，导致上游冷水机组白天运行时COP降低，运行费用增加。

从表5同时可以看出，方案2年均运营费用为3 896万元，内部收益率为9.1%，税后静态投资回收期为10.9 a，各项经济指标均优于其他2种方案，且符合行业标准，税后内部收益率高于行业标准(8%)，投资可在合理时间内回收，有较强的抗风险能力，经济效益最好。综上所述，从运营期经济分析来看，方案2为最优方案。

1) 采用上游动态冰系统、基载主机及双工况板式换热器二次侧并联后再和下游外融冰冰池串联的系统形式，可以在外网供水温度较低的情况下，更加稳定地运行。

2) 在总蓄冰率不变的情况下，动态冰的加入可以有效减少总投资，但也会导致运行费用增加，存在一个投资和运行费用适宜的结合点。通过运营期经济分析可以确定该项目动态冰蓄冰率为2.4%时具有较好的经济性。

猜你喜欢融冰供冷板式1972—2022中美融冰50年环球人物(2022年3期)2022-03-07新型移动式直流融冰装置试验分析研究科学技术创新(2021年25期)2021-09-11顿汉布什为深圳前海深港合作区构筑城市地区绿色能源体系提供助力机电信息(2021年10期)2021-09-10管板式光伏光热系统性能实验研究煤气与热力(2021年7期)2021-08-23地铁板式轨道自密实混凝土施工工艺研究铁道建筑技术(2021年4期)2021-07-21500 kV输电线路移动式直流融冰试验分析机电信息(2020年2期)2020-06-27供电局固定式配电台变短路交流融冰装置的研究与应用中国科技纵横(2020年20期)2020-03-31中国板式网球运动发展现状及对策灌篮(2019年11期)2019-11-26CRTSⅢ型板式道岔铺设施工技术建材发展导向(2019年10期)2019-08-24冷却塔免费制冷系统在大连地区的应用研究制冷与空调(2018年2期)2018-05-15