冰蓄冷空调系统原理及其技术、应用

     1 冰蓄冷空调系统原理及主要特点

    冰蓄冷空调技术是指在用电低谷时用电制冰并暂时蓄存在蓄冰装置中, 在需要时( 如用电高峰) 把冷量取出来进行利用。由此可以实现对电网的“削峰填谷”, 有利于降低发电装机容量, 维持电网的安全高效运行。

    冰蓄冷空调系统具有以下主要特点:

    (1) 降低空调系统的运行费用。

    (2) 制冷机组的容量小于常规空调系统, 空调系统相应的冷却塔、水泵、输变电系统容量减少。

    (3) 在某些常规空调系统配上冰蓄冷设备, 可以提高30%~50%的供冷能力。

    (4) 可以作为稳定的冷源供应, 提高空调系统的运行可靠性。

    (5) 制冷设备大多处于满负荷的运行状况, 减少开停机次数, 延长设备寿命。

    (6) 对电网进行削峰填谷, 提高于电网运行稳定性、经济性, 降低发电装机容量。

    (7) 减少发电厂对环境的污染。

    2 系统的组成及制冰方式分类

    2.1 系统组成

    冰蓄冷空调系统一般由制冷机组、蓄冷设备( 或蓄水池) 、辅助设备及设备之间的连接、调节控制装置等组成。冰蓄冷空调系统设计种类多种多样, 无论采用哪种形式, 其最终的目的是为建筑物提供一个舒适的环境。另外, 系统还应达到能源最佳使用效率, 节省运转电费, 为用户提供一个安全可靠的冰蓄冷空调系统。

    2.2 制冰方式分类

    根据制冰方式的不同, 冰蓄冷可以分为静态制冰、动态制冰两大类。此外还有一些特殊的制冰结冰, 冰本身始终处于相对静止状态, 这一类制冰方式包括冰盘管式、封装式等多种具体形式。动态制冰方式在制冰过程中有冰晶、冰浆生成, 且处于运动状态。每一种制冰具体形式都有其自身的特点和适用的场合。

    3 运行策略与自动控制

    3.1 运行策略

    与常规空调系统不同, 蓄冷系统可以通过制冷机组或蓄冷设备或两者同时为建筑物供冷, 用以确定在某一给定时刻,多少负荷是由制冷机组提供, 多少负荷是由蓄冷设备供给的方法, 即为系统的运行策略。蓄冷系统在设计过程中必须制定一个合适的运行策略, 确定具体的控制策略, 并详细给出系统中的设备是应作调节还是周期性开停。对于部分蓄冷系统的运转策略主要是解决每时段制冷设备之间的供冷负荷分配问题, 以下为蓄冷系统通常选择的几种运行策略。

    3.1.1 制冷机组优先式

    蓄冷系统采用制冷机组优先式运行策略是指制冷机组首先直接供冷, 超过制冷机组供冷能力的负荷由蓄冷设备释冷提供。这种策略通常用于单位蓄冷量所需费用高于单位制冷机组产冷量所需费用, 通过降低空调尖峰负荷值, 可以大幅度节省系统的投资费用。

    3.1.2 蓄冷设备优先式

    蓄冷设备优先式运行策略是指蓄冷设备优先释冷, 超过释冷能力的负荷由制冷机组负责供冷。这种方式通常用于单位蓄冷量所需的费用低于单位制冷机组产冷量所需的费用。蓄冷设备优先式在控制上要比制冷机组优先式相对复杂些。在下一个蓄冷过程开始前, 蓄冷设备应尽可能将蓄存的冷量全部释放完, 即充分利用蓄冷设备的可利用蓄冷量, 降低蓄冷系统的运行费用; 另外应避免蓄冷设备在释冷过程的前段时间将蓄存的大部分冷量释放, 而在以后尖峰负荷时, 制冷机组和蓄冷设备无法满足空调负荷需要的现象, 因此应合理地控制蓄冷设备的剩余冷量, 特别是对于设计日空调尖峰负荷出现在下午时段时非常重要。一般情况, 蓄冷设备优先式运行策略要求蓄冷系统应预测出当日24 小时空调负荷分布图, 并确定出当日制冷机组在供冷过程中最小供冷量控制分布图, 以保证蓄冷设备随时有足够释冷量配合制冷机组满足空调负荷的要求。

    3.1.3 负荷控制式(限制负荷式)

    负荷控制式就是在电力负荷不足的时段, 对制冷机组的供冷量加以限制的一种控制方法。通常这种方法是受电力负荷限制时才采用, 超过制冷机组供冷量的负荷可由蓄冷设备负责。例如某城市电力负荷高峰时段(上午8∶00~11∶00), 禁止制冷机组运行。

    3.1.4 均衡负荷式

    均衡负荷式是指在部分蓄冷系统中, 制冷机组在设计日24小时内基本上满负荷运行; 在夜间满载蓄冷, 白天当制冷机组产冷量大于空调冷负荷时, 将满足冷负荷所剩余的冷量(用冰的形式)蓄存起来; 当空调冷负荷大于制冷机组的制冷量时, 不足的部分由蓄冷设备(融冰)来完成。这种方式系统的初期投资最小, 制冷机组的利用率最高, 但在设计日空调负荷高峰时段与当地电力负荷高峰时段是否相同时, 即是否与当地电价低谷时段相重叠, 如不重叠, 则系统的运行费用较高。

    3.2 自动控制

    蓄冷系统的控制, 除了保证蓄冷和供冷模式的转换以及空调供水或回水温度控制以外, 主要应解决制冷机组与蓄冷设备之间供冷负荷分配问题, 特别是在部分负荷时, 应保证尽可能地将蓄冷设备的冷量释放完, 即可采用融冰优先式运行策略, 甚至可采用全蓄冷运行, 即白天制冷机组停开, 空调负荷全部由蓄冷设备满足。而在设计日空调负荷时, 应采用制冷机组优先式运行策略, 以保证逐时空调负荷要求。目前蓄冷系统的自动控制系统, 大多采用以计算机技术的直接数字控制器与电子传感器及执行机构相结合的直接数字控制系统。制冷机组的蓄冷量是定量的输出, 而蓄冷设备的释冷是总量的输出。如两者为串联时, 控制系统较为简单, 供水温度易保持恒定; 而对于并联系统, 供水温度控制较难, 特别是在释冷融冰后期, 蓄冷设备的出口温度在逐渐升高, 与制冷机组出口温度相比很难保持恒定不变。为了使每天蓄冷设备冷量充分释放, 保持较为恒定的供水温度, 满足设计日空调负荷要求, 通
常利用计算机作为蓄冷系统的监控设备; 并利用系统中设置的流量计、温度计反馈的信号, 逐时监视蓄冷设备的内部状况; 通过计算机对空调系统负荷的预测, 以此制定蓄冷系统的运行策略是制冷机组优先式还是蓄冷设备优先式。

    4 工程运行分析

    天津市节能技术服务中心于对天津市电力医院冰蓄冷空调系统进行直供和蓄冷运行的对比测试, 结果如下:

    4.1 天津市电力公司公布的每日峰、平、谷电时段及电价

    峰电: 8∶00~11∶00 和18∶00~23∶00, 电价为0.878 元/kWh;

    平电: 7∶00~8∶00 和11∶00~18∶00, 电价为0.540 元/kWh;

    谷电: 23∶00~次日7∶00, 电价为0.224 元/kWh。

    4.2 效益分析

    电力医院工程于1999 年竣工并投入使用, 空调面积约5700m2, 蓄冷系统选用2 台螺杆式双工况制冷机组, 单机空调工况制冷量70RT(246kW), 制冰工况制冷量47RT(165kW)。蓄冷系统由一个60m3 蓄冰罐, 内装STL- CO 型冰球, 3 台溶液泵, 冷却水系统, 自控系统组成。蓄冷冷媒为乙二醇( 25%)———水溶液。

    测试结果如下:

    (1) 蓄冷时间、蓄冷量: 蓄冷时间7 小时( 晚11∶00~次日晨6∶00) 皆为谷电时间。蓄冷量: 1702.66kWh。

    (2)第一周期, 即蓄冷———释冷运行方式。总耗电量1234.81kWh, 电费合计420.33 元, 供出冷量1676.94kWh。

    (3) 第二周期, 即直接供冷运行方式。总耗电量1159.78kWh, 电费合计792.63 元, 供出冷量水1342.78kWh。

    (4) 第一周期方式与第二周期方式比较:耗电量增加75.03kWh, 但电费节省372.3 元/天。

    5 推广建议

    冰蓄冷空调系统的适用场所: 商场、宾馆、饭店、办公楼等冷负荷高峰和用电高峰基本相同, 持续时间长的场所; 体育馆、展览馆、影剧院等冷负荷大, 持续时间短的场所; 制药、食品加工、啤酒工业、奶制品工业等用冷量大, 绝大多数空调负荷集中在白天的制造业; 现有空调系统制冷能力已不能满足负荷需要, 需要扩大供冷量的场所, 这时可以不增加主机, 改造成冰蓄冷空调系统最有利。

    冰蓄冷空调有良好的节能环保效益, 其技术运用了几十年, 已经相当成熟、可靠。笔者对推行冰蓄冷空调提出如下建议: 加强宣传、普及冰蓄冷空调系统相关知识; 电力部门和建设部门联合推广试点示范工程; 政府设立专项扶持基金、优惠贷款来鼓励企业采用冰蓄冷技术。在此基础上, 政府制定相关政策, 强制推广应用冰蓄冷空调。

    小资料

    我国将实行四大节能政策

    在我国加快建设资源节约型社会过程中, 国家主管部门将采取四大节能政策, 以确保这一宏伟目标能够顺利实施。

    1、通过调整产业结构促进节能。我国把转变增长方式作为经济发展的战略重点, 严格控制高耗能、高耗材、高耗水产业发展, 并根据资源环境承载能力, 优化区域产业布局, 实行优化开发、重点开发、限制开发和禁止开发的区别政策。

    2、通过完善价格和财税体制促进节能。我国将继续充分发挥市场配置资源的基础性作用, 加快推进资源性产品价格的市场化进程, 建立反映资源稀缺程度的价格形成机制, 并建立健全相关的财税政策体系, 加快制定鼓励生产、使用节能产品、包括低油耗、小排量车辆的财税政策。

    3、通过提高科技水平促进节能。我国将继续实施激励企业技术创新的财税政策, 加强引进能源技术的消化、吸收和再创新力度, 实施促进自主创新的政府采购, 实施知识产权战略和技术标准战略, 实施促进创新创业的金融政策, 加速能源高新技术产业化和先进适用技术的推广。

    4、通过加强管理促进节能。我国将抓紧制定和修订促进资源有效利用的法律法规, 制定严格的高消耗、高污染行业准入标准, 加快制定产品强制性能效标准, 修订和完善主要耗能行业节能设计规范, 尽快建立建筑节能标准