1、某工程冰蓄冷及變風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文作者：李向東 于曉明 張永海摘要：本文在某現(xiàn)代化企業(yè)信息科研綜合樓工程空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了冰蓄冷及變風(fēng)量等較新的系統(tǒng)型式，針對(duì)該工程的具體情況對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)作了全面客觀的經(jīng)濟(jì)分析，對(duì)多風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)中的新風(fēng)供應(yīng)、空氣交叉污染等方面的問題進(jìn)行了探討。      關(guān)鍵詞：冰蓄冷 變風(fēng)量1 工程概況該工程為某現(xiàn)代化企業(yè)信息科研綜合樓，建筑面積17900m2，建筑高度53.3m，屬一類高層建筑。地下一層為生活消防合用水池、泵房、制冷換熱機(jī)房、變配電室。地上十六層，分別為會(huì)議、展覽、現(xiàn)代化辦公、職工活動(dòng)室等用房。2 冰

2、蓄冷設(shè)計(jì)2.1 概況本工程為科研性質(zhì)現(xiàn)代化辦公樓，內(nèi)部設(shè)備、燈光、人體發(fā)熱量大，且建筑造型窗墻比大，空調(diào)峰值負(fù)荷高。另外，本工程為純辦公建筑，夜間無負(fù)荷。空調(diào)負(fù)荷峰谷差異與電力供應(yīng)峰谷差異一致，因此，非常適于采用蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算，本工程設(shè)計(jì)日瞬時(shí)最大冷負(fù)荷2252KW，全日總冷量21000KWH，設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷分布如圖(1)所示。冰蓄冷系統(tǒng)潛熱蓄冷量6967.6KWH，占全日總冷量33%，雙工況制冷主機(jī)額定制冷量689.2KW二臺(tái)，移峰38.8%。2.2 冰蓄冷方案論證根據(jù)本工程情況，將幾種可能的制冷方案進(jìn)行初投資及運(yùn)行費(fèi)用的比較。方案一：常規(guī)空調(diào)系統(tǒng),設(shè)二臺(tái)螺桿壓縮式制冷機(jī)組，總制冷量2

3、252KW，一次泵系統(tǒng)，臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)。方案二：冰蓄冷系統(tǒng)。方案三：地溫水源熱泵系統(tǒng)，需打六口200米深井，二抽四灌。（1）初投資比較，比較結(jié)果見表一。 各方案初投資一覽表（單位：萬元） 表一 序號(hào) 項(xiàng) 目 方案一 方案二 方案三 1主機(jī)購置費(fèi) 193.7118.72702冰蓄冷設(shè)備 -98.23水泵 91316.84冷卻塔 20125板式換熱器 34156補(bǔ)水定壓裝置 5757乙二醇溶液 78打井費(fèi)用 729配電費(fèi)用 10.87.210.810用電量統(tǒng)計(jì)KW59545576911電力增容費(fèi) 14.518.812初投資合計(jì) 253295.1408.4說明：(a)表中設(shè)備價(jià)格按廠家報(bào)價(jià)。(b)冰蓄冷設(shè)

4、備價(jià)格已包含蓄冷控制系統(tǒng)。(c)表中水泵：方案一包括循環(huán)泵、冷卻泵；方案二包括循環(huán)泵、冷卻泵、鹵水蓄冰泵、融冰泵；方案三包括循環(huán)泵、井水循環(huán)泵、深井潛水泵。(d)電力增容費(fèi)按220元/KVA。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，采用蓄能系統(tǒng)免收電力增容費(fèi)。（2）運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間按90天，每天運(yùn)行10h（7：0017：00），負(fù)荷率達(dá)到85%100%為10天，負(fù)荷率達(dá)到50%85%為30天，負(fù)荷率小于50%按50天。當(dāng)?shù)仄骄娰M(fèi)0.505元/KWh，蓄冷空調(diào)執(zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià)，詳表二。 表二 時(shí)間段 電價(jià) 高峰時(shí)段 8:0011:0018:0023:000.7575平時(shí)段 11:0018:007:008:0

5、00.505低谷時(shí)段 23:007:000.2525) 方案一運(yùn)行電費(fèi)運(yùn)行控制按臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)，50%以上負(fù)荷開啟一臺(tái)制冷機(jī)及相應(yīng)水泵、冷卻塔，50%以下負(fù)荷開啟一臺(tái)制冷機(jī)及相應(yīng)水泵、冷卻塔。夏季運(yùn)行電費(fèi)：595×(10+30+50×0.5)×10×0.505=19.53萬元b) 方案二運(yùn)行電費(fèi)蓄冰系統(tǒng)應(yīng)分別考慮蓄冷、釋冷工況不同耗電量，當(dāng)部分負(fù)荷時(shí)，通過調(diào)整運(yùn)行策略，按融冰優(yōu)先模式運(yùn)行，以充分節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。夜間制冰蓄冷運(yùn)行時(shí)間23:007:00，運(yùn)行設(shè)備：制冷主機(jī)、鹵水制冰泵、冷卻泵、冷卻塔；日間融冰釋冷運(yùn)行時(shí)間7:0017:00，運(yùn)行設(shè)備：制冷主機(jī)、融冰泵

6、、循環(huán)泵、冷卻塔、冷卻泵，根據(jù)不同工況開停。限于篇幅，不同負(fù)荷率下運(yùn)行電費(fèi)計(jì)算過程略。整個(gè)夏季冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)：2330.323×10+1313.758×30+844.36×50=10.49萬元比方案一每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用9.04萬元，投資回收年限4.7年。另據(jù)杭州交通銀行運(yùn)行記錄顯示，夏季每天每平方米運(yùn)行費(fèi)用98年為0.1元，99年為0.086元，2000年為0.067元，2001年為0.079元。與本計(jì)算基本吻合。c) 方案三耗電量高于方案一，夏季運(yùn)行費(fèi)用必然高于方案一，其優(yōu)點(diǎn)是解決了冬季空調(diào)供暖問題，在沒有其它熱源可利用的情況下，是較為理想的方案之一，但應(yīng)注

7、意水源能否及時(shí)回灌問題，不致破壞地下水資源。結(jié)論：冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)可靠,運(yùn)行費(fèi)用較低，具有較為理想的投資回收期，適合本工程使用。2.3 蓄冷系統(tǒng)設(shè)備本設(shè)計(jì)采用完全凍結(jié)式冰蓄冷設(shè)備，蓄冰設(shè)備為冰球，該設(shè)備具有如下特點(diǎn)：（1）采用鋼制方形槽體，可充分利用機(jī)房有效空間，減少占地面積。（2）靜態(tài)制冰，故障率低，使用壽命長。（3）初投資較低。（4）國內(nèi)同類工程較多，施工安裝經(jīng)驗(yàn)豐富。（5）對(duì)制冷設(shè)備無特殊要求，設(shè)計(jì)簡單，與空調(diào)系統(tǒng)容易結(jié)合。制冰設(shè)備采用環(huán)保冷媒R134a雙工況雙螺桿制冷機(jī)組，冷媒采用25%乙烯乙二醇溶液，空調(diào)工況冷媒溫度5/10，制冰工況冷媒溫度-1.5。冷卻水溫度30/35，以充分利

8、用夜間室外空氣較低的濕球溫度。2.4 蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)蓄冰空調(diào)方案采用蓄冰槽和雙工況制冷機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)，相對(duì)于串聯(lián)系統(tǒng)，并聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用于本工程具有如下特點(diǎn)：（1）并聯(lián)系統(tǒng)及蓄冰設(shè)備與雙工況制冷機(jī)組在供冷時(shí)分成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，白天供冷模式時(shí)，雙工況制冷機(jī)組與融冰輸出在各自環(huán)路內(nèi)進(jìn)行，共同負(fù)擔(dān)空調(diào)負(fù)荷。（2）本設(shè)計(jì)中，負(fù)荷側(cè)冷凍水溫度為7/12，一次側(cè)設(shè)定溫度為5/10，雙工況制冷機(jī)組效率基本不受影響。（3）蓄冰設(shè)備融冰溫度為5/10，溫度高，融冰輸出量大，融冰效率高。（4）本工程正常運(yùn)行時(shí)夜間無空調(diào)負(fù)荷，制冰時(shí)僅開乙二醇一次泵，二次泵、循環(huán)泵均停開；當(dāng)過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)為部分負(fù)荷時(shí)，可采用制冷機(jī)單獨(dú)供冷或

9、融冰單獨(dú)供冷，此時(shí)，僅開一次泵或二次泵即可。因此，水泵年耗電量低。（5）當(dāng)雙工況制冷主機(jī)輪流維修保養(yǎng)時(shí)，融冰供冷及另一臺(tái)制冷機(jī)供冷均不受影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。（6）本系統(tǒng)運(yùn)行策略采用融冰優(yōu)先原則，即首先由蓄冰槽融冰輸出冷量供冷，不足部分由雙工況制冷主機(jī)補(bǔ)充。由于在整個(gè)供冷季節(jié)，大部分時(shí)間的空調(diào)負(fù)荷不足設(shè)計(jì)日的60%，采用融冰優(yōu)先策略后，不僅可以轉(zhuǎn)移高峰用電負(fù)荷至低谷，同時(shí)可以節(jié)約大量運(yùn)行費(fèi)用。2.5 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）制冷：由蓄冰設(shè)備及雙工況制冷機(jī)組供應(yīng)5/10乙烯乙二醇溶液，經(jīng)板式換熱器轉(zhuǎn)換為7/12空調(diào)冷媒水。（2）制熱：采用板式換熱器將該地區(qū)85/70集中供熱熱媒水轉(zhuǎn)換為60/50空

10、調(diào)熱媒水。板式換熱器冬、夏季節(jié)分別設(shè)置。（3）空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)：采用定流量系統(tǒng)，冬、夏季共用一套循環(huán)水泵，夏季二用一備，冬季一用二備。（4）冷卻水系統(tǒng)：冷卻塔兩臺(tái)設(shè)于主樓屋面，冷卻塔進(jìn)水管上分別設(shè)電動(dòng)蝶閥，冷卻塔電機(jī)、電動(dòng)蝶閥與主機(jī)一一對(duì)應(yīng)。（5）補(bǔ)水（液）定壓：采用密閉式膨脹水箱補(bǔ)水定壓，乙二醇系統(tǒng)采用開式補(bǔ)液系統(tǒng)，蓄冰槽液位控制。（6）水質(zhì)處理：空調(diào)循環(huán)水補(bǔ)水采用軟化水，冷卻水采用電子水處理。冰蓄冷及動(dòng)力系統(tǒng)流程圖見圖（2）。3 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)概述本工程主樓辦公部分采用全空氣多風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)。多風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)是采用風(fēng)機(jī)取代風(fēng)閥、總風(fēng)量控制法下的變風(fēng)量控制系統(tǒng)，它運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)

11、控制技術(shù)，多變量控制理論對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行集散控制。通過各房間的數(shù)字式溫控器，采用模糊邏輯控制技術(shù)無級(jí)調(diào)節(jié)相應(yīng)的變風(fēng)量箱風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)房間的送風(fēng)量，以達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的。通過系統(tǒng)中央控制器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制功能：一方面采集各房間溫度和風(fēng)量參數(shù)，通過變頻控制空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量以及水系統(tǒng)電動(dòng)二通閥的開度；另一方面，與大樓BA控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中管理。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）舒適性 能實(shí)現(xiàn)各個(gè)空調(diào)區(qū)域的靈活控制，可以根據(jù)負(fù)荷變化或個(gè)人的要求自行設(shè)定環(huán)境溫度（溫度控制精度可達(dá)±0.75）。（2）節(jié)能 由于空調(diào)系統(tǒng)絕大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過變頻調(diào)速改變送風(fēng)量來

12、調(diào)節(jié)室溫的，因此能夠減少空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)能耗，可明顯降低運(yùn)行電費(fèi)，并可降低空調(diào)機(jī)組的總裝機(jī)容量。（3）不會(huì)發(fā)生過冷或過熱 由于溫度控制的靈活、有效，可以避免常規(guī)空調(diào)常見的局部區(qū)域過冷或過熱，既提高了舒適感，又節(jié)約了能量。（4）系統(tǒng)噪聲低 由于風(fēng)量減小是通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低實(shí)現(xiàn)的，可使系統(tǒng)噪聲大幅降低。（5）無冷凝水煩惱 變風(fēng)量系統(tǒng)是全空氣系統(tǒng)，冷水管路不經(jīng)過吊頂空間，可以避免冷凍水、冷凝水滴漏污染吊頂。（6）系統(tǒng)靈活性好 其送風(fēng)管與風(fēng)口之間采用軟管，送風(fēng)口的位置可以根據(jù)房間分隔的變化而任意改變，也可根據(jù)需要適當(dāng)增減風(fēng)口，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得十分靈活。（7）相對(duì)于風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)過渡季節(jié)

13、可全新風(fēng)運(yùn)行，充分利用室外空氣“免費(fèi)供冷”。3.2 系統(tǒng)組成 由以下四個(gè)主要部分組成。 （1）空調(diào)機(jī)組 組合式空調(diào)器或柜式空調(diào)機(jī)組、吊頂式空調(diào)機(jī)組等。 （2）末端數(shù)字控制器 采用微處理器及人工智能的模糊邏輯控制技術(shù)，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間快。該控制器集溫控器與執(zhí)行器于一體，由置于溫控器內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測室內(nèi)溫度，與用戶預(yù)先設(shè)定的室內(nèi)溫度進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)自動(dòng)平滑地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的自動(dòng)控制和無級(jí)調(diào)節(jié)，控制精度可達(dá)±0.75，能夠準(zhǔn)確地調(diào)整風(fēng)量，并使其隨負(fù)荷變化保持動(dòng)態(tài)平衡。 （3）變風(fēng)量終端箱 變風(fēng)量箱是帶有動(dòng)力的風(fēng)機(jī)箱，風(fēng)壓60Pa（標(biāo)準(zhǔn)型）90Pa（高靜壓型），由低噪聲離心

14、風(fēng)機(jī)、電容式電機(jī)、吸音箱體、保溫吸聲板等組成。風(fēng)機(jī)為大輪徑、大風(fēng)量、低轉(zhuǎn)速、低能耗、低噪聲離心風(fēng)機(jī)，電機(jī)為高效、低噪聲單相電容電機(jī)，箱體內(nèi)貼保溫吸聲板，不但可以確保箱體表面不會(huì)暴露，同時(shí)可以降低箱體噪聲。 （4）中央控制器 用于實(shí)時(shí)采集所有末端控制器的控制信號(hào)，判斷溫度變化趨勢，在加以總解耦計(jì)算后控制室內(nèi)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，同時(shí)對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)電動(dòng)二通閥進(jìn)行開度控制或啟閉控制。 中央控制器上帶有通信接口，可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化控制。4 問題探討（1）冰蓄冷與變風(fēng)量結(jié)合，如能采用低溫送風(fēng)技術(shù)，則節(jié)能性更為顯著。采用低溫送風(fēng)，應(yīng)采用鋼制盤管蓄冰設(shè)備，不宜采用冰球系統(tǒng)，限于投資因素，并

15、考慮到目前國內(nèi)大溫差低溫送風(fēng)空調(diào)機(jī)組產(chǎn)品較少，本工程未予采用。（2）變風(fēng)量系統(tǒng)的新風(fēng)供應(yīng)較難處理，應(yīng)保證風(fēng)量降低以后而新風(fēng)量保持不變。本工程采用固定新風(fēng)風(fēng)機(jī)法。新風(fēng)風(fēng)機(jī)法是目前國際上公認(rèn)的最可靠的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)控制法之一。該法簡單實(shí)用，只需在新風(fēng)風(fēng)道中，安裝一臺(tái)風(fēng)量等于所需新風(fēng)量，全壓等于新風(fēng)風(fēng)道阻力的新風(fēng)風(fēng)機(jī)即可。當(dāng)過渡季節(jié)需要利用全新風(fēng)送風(fēng)時(shí)，可以設(shè)置獨(dú)立的新風(fēng)風(fēng)道和新風(fēng)風(fēng)閥，在設(shè)計(jì)工況時(shí)，該風(fēng)閥關(guān)閉，進(jìn)入過渡季節(jié)后，新風(fēng)風(fēng)機(jī)關(guān)閉，調(diào)節(jié)新風(fēng)風(fēng)閥、回風(fēng)風(fēng)閥和排風(fēng)風(fēng)閥，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)。（3）變風(fēng)量系統(tǒng)的送風(fēng)系統(tǒng)，宜采用靜壓復(fù)得法確定管路尺寸，以確保初調(diào)節(jié)的順利實(shí)現(xiàn)。（4）對(duì)于全空氣型的變風(fēng)量

16、系統(tǒng)，回風(fēng)較難處理，應(yīng)首先保證回風(fēng)管路的通暢，即使有條件設(shè)置回風(fēng)風(fēng)道，一般情況下回風(fēng)管道不可能做得很大，回風(fēng)管道內(nèi)靜壓不均勻，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。目前變風(fēng)量系統(tǒng)常用的回風(fēng)方式均為吊頂回風(fēng)（本工程即采用此方式）或走廊回風(fēng)，前者存在的問題是吊頂污染，后者對(duì)于獨(dú)立封閉辦公房間造成門關(guān)閉或開啟困難、回風(fēng)不暢。（5）當(dāng)室內(nèi)送風(fēng)量降至最小風(fēng)量，室內(nèi)溫度仍然繼續(xù)下降（夏季）或升高（冬季），則通過改變空調(diào)機(jī)組冷熱水盤管的水閥開度，即改變空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)溫度，維持室內(nèi)溫度不變，此時(shí)，空調(diào)水系統(tǒng)形成了變流量系統(tǒng)，循環(huán)水泵應(yīng)有變流量措施。由于投資因素，本工程水系統(tǒng)采用了定流量系統(tǒng)。（6）辦公類建筑采用全空氣系統(tǒng)存在交叉污染問題，特別是當(dāng)今年出現(xiàn)了史無前例的SARS疫病的暴發(fā)流行后，變風(fēng)量系統(tǒng)的采用受到了較多的質(zhì)疑。筆者認(rèn)為，全空氣系統(tǒng)確實(shí)存在空氣的交叉混合問題，但設(shè)計(jì)良好的變風(fēng)量系統(tǒng)所具有的節(jié)能、舒適等優(yōu)點(diǎn)又是其他形式的空調(diào)系統(tǒng)所無法取代的，因此，如何對(duì)變風(fēng)量系統(tǒng)的某些功能加以改進(jìn)而不是全盤否定，才是暖通設(shè)計(jì)工作者應(yīng)有的科學(xué)的態(tài)度。在暖通空調(diào)SARS特集中，一些專家即提出，空調(diào)系統(tǒng)的任務(wù)不是要負(fù)擔(dān)起防疫的責(zé)任，而應(yīng)在無論何時(shí)都要保持健康的狀態(tài)。從這個(gè)方面來講，全空氣系統(tǒng)由于水系統(tǒng)不進(jìn)房間，特別是凝水集中在大型空調(diào)箱內(nèi)，易于實(shí)現(xiàn)凝水盤的清洗與消毒