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某工程冰蓄冷及变风量系统设计 |
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作者：李向东 于晓明 张永海 |
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摘要： 本文在某现代化企业信息科研综合楼工程空调系统设计中，采用了冰蓄冷及变风量等较新的系统型式，针对该工程的具体情况对冰蓄冷系统与常规空调系统作了全面客观的经济分析，对多风机变风量系统中的新风供应、空气交叉污染等方面的问题进行了探讨。
关键词： 冰蓄冷 变风量 常规空调 交叉污染
1 工程概况
该工程为某现代化企业信息科研综合楼，建筑面积17900m2，建筑高度53.3m，属一类高层建筑。地下一层为生活消防合用水池、泵房、制冷换热机房、变配电室。地上十六层，分别为会议、展览、现代化办公、职工活动室等用房。
2 冰蓄冷设计
2.1 概况
本工程为科研性质现代化办公楼，内部设备、灯光、人体发热量大，且建筑造型窗墙比大，空调峰值负荷高。另外，本工程为纯办公建筑，夜间无负荷。空调负荷峰谷差异与电力供应峰谷差异一致，因此，非常适于采用蓄冷空调系统。
经计算，本工程设计日瞬时最大冷负荷2252KW，全日总冷量21000KWH，设计日逐时负荷分布如图(1)所示。冰蓄冷系统潜热蓄冷量6967.6KWH，占全日总冷量33%，双工况制冷主机额定制冷量689.2KW二台，移峰38.8%。
2.2 冰蓄冷方案论证
根据本工程情况，将几种可能的制冷方案进行初投资及运行费用的比较。
方案一：常规空调系统，设二台螺杆压缩式制冷机组，总制冷量2252KW，一次泵系统，台数调节。
方案二：冰蓄冷系统。
方案三：地温水源热泵系统，需打六口200米深井，二抽四灌。
(1)初投资比较，比较结果见表一。各方案初投资一览表(单位：万元)
| 序号 | 项 目 | 方案一 | 方案二 | 方案三 | | 1 | 主机购置费 | 193.7 | 118.7 | 270 | | 2 | 冰蓄冷设备 | -- | 98.2 | -- | | 3 | 水泵 | 9 | 13 | 16.8 | | 4 | 冷却塔 | 20 | 12 | -- | | 5 | 板式换热器 | -- | 34 | 15 | | 6 | 补水定压装置 | 5 | 7 | 5 | | 7 | 乙二醇溶液 | -- | 7 | -- | | 8 | 打井费用 | -- | -- | 72 | | 9 | 配电费用 | --10.8 | 7.2 | 10.8 | | 10 | 用电量统计KW | 595 | 455 | 769 | | 11 | 电力增容费 | 14.5 | -- | 18.8 | | 12 | 初投资合计 | 253 | 295.1 | 408.4 |
说明：
(a)表中设备价格按厂家报价。
(b)冰蓄冷设备价格已包含蓄冷控制系统。
(c)表中水泵：方案一包括循环泵、冷却泵；方案二包括循环泵、冷却泵、卤水蓄冰泵、融冰泵；方案三包括循环泵、井水循环泵、深井潜水泵。
(d)电力增容费按220元/KVA。根据有关规定，采用蓄能系统免收电力增容费。
(2)运行费用计算
夏季空调运行时间按90天，每天运行10h(7：00~17：00)，负荷率达到85%~100%为10天，负荷率达到50%~85%为30天，负荷率小于50%按50天。当地平均电费0.505元/KWh，蓄冷空调执行峰谷分时电价，详表二。表二
| | 时间段 | 电价 | | 高峰时段 | 8:00~11:00
18:00~23:00 | 0.7575 | | 平时段 | 11:00~18:00
7:00~8:00 | 0.505 | | 低谷时段 | 23:00~7:00 | 0.2525 |
a) 方案一运行电费
运行控制按台数调节，50%以上负荷开启一台制冷机及相应水泵、冷却塔，50%以下负荷开启一台制冷机及相应水泵、冷却塔。
夏季运行电费：
595×(10+30+50×0.5)×10×0.505=19.53万元
b) 方案二运行电费
蓄冰系统应分别考虑蓄冷、释冷工况不同耗电量，当部分负荷时，通过调整运行策略，按融冰优先模式运行，以充分节约运行费用。夜间制冰蓄冷运行时间23:00~7:00，运行设备：制冷主机、卤水制冰泵、冷却泵、冷却塔；日间融冰释冷运行时间7:00~17:00，运行设备：制冷主机、融冰泵、循环泵、冷却塔、冷却泵，根据不同工况开停。限于篇幅，不同负荷率下运行电费计算过程略。整个夏季冰蓄冷空调运行电费：
2330.323×10+1313.758×30+844.36×50=10.49万元
比方案一每年可节约运行费用9.04万元，投资回收年限4.7年。
另据杭州交通银行运行记录显示，夏季每天每平方米运行费用98年为0.1元，99年为0.086元，2000年为0.067元，2001年为0.079元。与本计算基本吻合。
c) 方案三耗电量高于方案一，夏季运行费用必然高于方案一，其优点是解决了冬季空调供暖问题，在没有其它热源可利用的情况下，是较为理想的方案之一，但应注意水源能否及时回灌问题，不致破坏地下水资源。
结论：冰蓄冷空调系统技术可靠，运行费用较低，具有较为理想的投资回收期，适合本工程使用。
2.3 蓄冷系统设备
本设计采用完全冻结式冰蓄冷设备，蓄冰设备为冰球，该设备具有如下特点：
(1)采用钢制方形槽体，可充分利用机房有效空间，减少占地面积。
(2)静态制冰，故障率低，使用寿命长。
(3)初投资较低。
(4)国内同类工程较多，施工安装经验丰富。
(5)对制冷设备无特殊要求，设计简单，与空调系统容易结合。
制冰设备采用环保冷媒R134a双工况双螺杆制冷机组，冷媒采用25%乙烯乙二醇溶液，空调工况冷媒温度5/10℃，制冰工况冷媒温度-1.5℃。冷却水温度30/35℃，以充分利用夜间室外空气较低的湿球温度。
2.4 蓄冷系统设计
蓄冰空调方案采用蓄冰槽和双工况制冷机组并联系统，相对于串联系统，并联系统应用于本工程具有如下特点：
(1)并联系统及蓄冰设备与双工况制冷机组在供冷时分成两个独立的系统，白天供冷模式时，双工况制冷机组与融冰输出在各自环路内进行，共同负担空调负荷。
(2)本设计中，负荷侧冷冻水温度为7/12℃，一次侧设定温度为5/10℃，双工况制冷机组效率基本不受影响。
(3)蓄冰设备融冰温度为5/10℃，温度高，融冰输出量大，融冰效率高。
(4)本工程正常运行时夜间无空调负荷，制冰时仅开乙二醇一次泵，二次泵、循环泵均停开；当过渡季节空调系统为部分负荷时，可采用制冷机单独供冷或融冰单独供冷，此时，仅开一次泵或二次泵即可。因此，水泵年耗电量低。
(5)当双工况制冷主机轮流维修保养时，融冰供冷及另一台制冷机供冷均不受影响，提高了系统的可靠性。
(6)本系统运行策略采用融冰优先原则，即首先由蓄冰槽融冰输出冷量供冷，不足部分由双工况制冷主机补充。由于在整个供冷季节，大部分时间的空调负荷不足设计日的60%，采用融冰优先策略后，不仅可以转移高峰用电负荷至低谷，同时可以节约大量运行费用。
2.5 动力系统设计
(1)制冷：由蓄冰设备及双工况制冷机组供应5/10℃乙烯乙二醇溶液，经板式换热器转换为7/12℃空调冷媒水。
(2)制热：采用板式换热器将该地区85/70℃集中供热热媒水转换为60/50℃空调热媒水。板式换热器冬、夏季节分别设置。
(3)空调循环水系统：采用定流量系统，冬、夏季共用一套循环水泵，夏季二用一备，冬季一用二备。
(4)冷却水系统：冷却塔两台设于主楼屋面，冷却塔进水管上分别设电动蝶阀，冷却塔电机、电动蝶阀与主机一一对应。
(5)补水(液)定压：采用密闭式膨胀水箱补水定压，乙二醇系统采用开式补液系统，蓄冰槽液位控制。
(6)水质处理：空调循环水补水采用软化水，冷却水采用电子水处理。冰蓄冷及动力系统流程图见图(2)。
3 变风量空调系统设计
3.1 设计概述
本工程主楼办公部分采用全空气多风机变风量系统。
多风机变风量系统是采用风机取代风阀、总风量控制法下的变风量控制系统，它运用现代计算机控制技术，多变量控制理论对中央空调进行集散控制。通过各房间的数字式温控器，采用模糊逻辑控制技术无级调节相应的变风量箱风机的转速，从而调节房间的送风量，以达到控制室内温度的目的。通过系统中央控制器实现两个控制功能：一方面采集各房间温度和风量参数，通过变频控制空调机组的送风量以及水系统电动二通阀的开度；另一方面，与大楼BA控制系统连接，实现远程集中管理。该系统具有如下特点：
(1)舒适性 能实现各个空调区域的灵活控制，可以根据负荷变化或个人的要求自行设定环境温度(温度控制精度可达±0.75℃)。
(2)节能 由于空调系统绝大部分时间是在部分负荷下运行，而变风量空调系统是通过变频调速改变送风量来调节室温的，因此能够减少空调机组的风机能耗，可明显降低运行电费，并可降低空调机组的总装机容量。
(3)不会发生过冷或过热 由于温度控制的灵活、有效，可以避免常规空调常见的局部区域过冷或过热，既提高了舒适感，又节约了能量。
(4)系统噪声低 由于风量减小是通过风机转速降低实现的，可使系统噪声大幅降低。
(5)无冷凝水烦恼 变风量系统是全空气系统，冷水管路不经过吊顶空间，可以避免冷冻水、冷凝水滴漏污染吊顶。
(6)系统灵活性好 其送风管与风口之间采用软管，送风口的位置可以根据房间分隔的变化而任意改变，也可根据需要适当增减风口，使系统结构变得十分灵活。
(7)相对于风机盘管加新风系统，全空气变风量系统过渡季节可全新风运行，充分利用室外空气“免费供冷”。
3.2 系统组成
由以下四个主要部分组成。
(1)空调机组
组合式空调器或柜式空调机组、吊顶式空调机组等。
(2)末端数字控制器
采用微处理器及人工智能的模糊逻辑控制技术，瞬态响应时间快。该控制器集温控器与执行器于一体，由置于温控器内的温度传感器实时检测室内温度，与用户预先设定的室内温度进行比较，实时自动平滑地调节风机转速，从而实现风机送风量的自动控制和无级调节，控制精度可达±0.75℃，能够准确地调整风量，并使其随负荷变化保持动态平衡。
(3)变风量终端箱
变风量箱是带有动力的风机箱，风压60Pa(标准型)~90Pa(高静压型)，由低噪声离心风机、电容式电机、吸音箱体、保温吸声板等组成。风机为大轮径、大风量、低转速、低能耗、低噪声离心风机，电机为高效、低噪声单相电容电机，箱体内贴保温吸声板，不但可以确保箱体表面不会暴露，同时可以降低箱体噪声。
(4)中央控制器
用于实时采集所有末端控制器的控制信号，判断温度变化趋势，在加以总解耦计算后控制室内风机的送风量，同时对空调水系统电动二通阀进行开度控制或启闭控制。
中央控制器上带有通信接口，可以通过网络进行计算机远程监控，实现楼宇自动化控制。
4 问题探讨
(1)冰蓄冷与变风量结合，如能采用低温送风技术，则节能性更为显著。采用低温送风，应采用钢制盘管蓄冰设备，不宜采用冰球系统，限于投资因素，并考虑到目前国内大温差低温送风空调机组产品较少，本工程未予采用。
(2)变风量系统的新风供应较难处理，应保证风量降低以后而新风量保持不变。本工程采用固定新风风机法。新风风机法是目前国际上公认的最可靠的变风量空调系统新风控制法之一。该法简单实用，只需在新风风道中，安装一台风量等于所需新风量，全压等于新风风道阻力的新风风机即可。当过渡季节需要利用全新风送风时，可以设置独立的新风风道和新风风阀，在设计工况时，该风阀关闭，进入过渡季节后，新风风机关闭，调节新风风阀、回风风阀和排风风阀，实现经济循环。
(3)变风量系统的送风系统，宜采用静压复得法确定管路尺寸，以确保初调节的顺利实现。
(4)对于全空气型的变风量系统，回风较难处理，应首先保证回风管路的通畅，即使有条件设置回风风道，一般情况下回风管道不可能做得很大，回风管道内静压不均匀，影响系统正常运行。目前变风量系统常用的回风方式均为吊顶回风(本工程即采用此方式)或走廊回风，前者存在的问题是吊顶污染，后者对于独立封闭办公房间造成门关闭或开启困难、回风不畅。
(5)当室内送风量降至最小风量，室内温度仍然继续下降(夏季)或升高(冬季)，则通过改变空调机组冷热水盘管的水阀开度，即改变空调机组的送风温度，维持室内温度不变，此时，空调水系统形成了变流量系统，循环水泵应有变流量措施。由于投资因素，本工程水系统采用了定流量系统。
(6)办公类建筑采用全空气系统存在交叉污染问题，特别是当今年出现了史无前例的SARS疫病的暴发流行后，变风量系统的采用受到了较多的质疑。笔者认为，全空气系统确实存在空气的交叉混合问题，但设计良好的变风量系统所具有的节能、舒适等优点又是其他形式的空调系统所无法取代的，因此，如何对变风量系统的某些功能加以改进而不是全盘否定，才是暖通设计工作者应有的科学的态度。在《暖通空调－SARS特集》中，一些专家即提出，空调系统的任务不是要负担起防疫的责任，而应在无论何时都要保持健康的状态。从这个方面来讲，全空气系统由于水系统不进房间，特别是凝水集中在大型空调箱内，易于实现凝水盘的清洗与消毒，而SARS期间各地出台的针对风机盘管凝水盘、表冷器的清洗消毒措施实际是无法做到的；另外全空气系统能够实现全新风运行，这即是过渡季节节能的途径，也是诸如SARS类的空气传播流行病爆发期间，空调系统仍能维持运行的前题条件。在笔者最近的亦相类似工程设计中，采用每个变风量系统增加一套排风设备的措施，排风设备采用变风量风机箱，最小风量时，可保证排除最小新风量，保证新风供应的畅通，最大风量时，可实现全新风运行。
5 结语
本人在该工程设计中，对冰蓄冷及变风量系统作了一些尝试，限于篇幅，难于详细介绍。水平有限，难免错误，欢迎各位同行批评指正。(end)
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(3/1/2005) |
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