Chilled water storage system for the Jingxin Building

1 概述 　　水蓄冷系统具有以下优点：①可以充分利用各种蓄水池（如消防水池），不一定期要单独设置专用的蓄冷装置；②制冷机的蓄冷过程中接近正常空调工况，不用改变制冷机的工作条件，可以保持制冷机的高效率运行；③直接取冷，取冷快，不像冰蓄冷系统对取冷功率有较大的限制。尤其对已有蓄水池的场所，水蓄冷初投资可以大为减少，很适用于改造和扩建工程。京信大厦的水蓄冷系统就是这样运作的一个典型工程项目。本文介绍了京信大厦利用消防水池改造的水蓄冷系统，并对各种运行参数曲线进行了分析，然后结合试运行的数据，提出了水蓄冷系统设计、施工中应注意的问题。 　　京信大厦是位于北京市三元东桥附近的一幢写字楼，于1990年投入使用。因扩建宾馆8层，需增加空调负荷，而原有冷水机组出力不足，不能满足空调制冷要求，需增加制冷能力700kW。为节约初投资和运行费，并促进北京市分时电价政策的执 行，我们采用原有有效容积800m3的消防水池兼作蓄冷池。估计蓄冷量为5600 kW（按蓄冷温差6℃考虑），考虑水蓄冷投入时间的平均负荷系数为0.8，则相应可供使用的时间为10h。工程建设于1995年9月底完成，经过试运行，发现基本达到设计要 求。 2 系统设计与控制 水池平面图见图1。 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 　　 　　为了不破坏水池的结构，防止引起水渗漏，影响原水池的功能，本工程利用了原有通过水池壁引出的管段。为了充分利用已有的不规则水池进行高效率的蓄冷，设计中认真做了阻力平衡计算，尽量使通过各水池的流量均匀。 　　针对原水池形状不规则，池底、池壁基本没有保温的情况，我们通过数值计算和模拟计算对各种可行方案进行仔细分析，得出了合理的布管形式和喷嘴流速，对各水池安排了不同管径、不同开孔密度的布水管，以确保在蓄冷、取冷过程中，水池内的水温分层效果。这是保证水蓄冷高效运行的关键因素。 　　系统原理见图2，系统运行方式见表1。 　　 　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 　　 　　表1 运行方式 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 P1 P2 P3 P4 蓄冷 × × √ √ × × × × × × √ √ × × 取冷 × × × × × 调节 调节 调节 √ × × × √ × 常规 √ √ × × √ × × × × √ × × × × 　　夜间蓄冷：原空调系统中供高区的制冷机在夜间不用工作，可以用于水池蓄冷，制冷机型号为FL2-1000A（国产）。根据以往运行数据分析，机组空调工况实际出力仅为80%左右，即实际制冷量约为930kW。 　　白天取冷：原空调系统中低区供冷不足，当全楼冷负荷即将进入高峰时（约11：0），将宾馆冷水系统完全切换，改从水池中冷水，随着天气变化，当冷负荷降低时，可以充分利用低价电蓄积的冷量，而少开一台冷冻机，以取得更大的经济效益。 　　不论蓄冷或取冷，通过水池都将形成开式系统，而常规空调系统是闭式系统。因此为了保证蓄冷泵与取冷泵的安全，不倒空，各个阀门不内漏，并能承受系统运行时的水压，设计时选取了耐高压差的电动阀。在蓄冷池与空调水系统联合运行时，为了保证系统内充满水和水连续流动，采用自动控制系统严格控制各个阀门和水泵的开停顺序，并选用适当的压差传感器来控制回水阀的开度。例如系统从常规运行模式转向取冷模式时，应先切断V1、V2、V5、V10，然后开启V8，待各阀门到位后，启动P3，检测压力传感器的信号。当压力大于25kPa时，开启V6并进行调节，使压力稳定在25kPa。 　　由于系统运行模式多、模式转换要求严格，所以采用自动控制系统。利用计算机逻辑判断能力按一定的顺序和条件开关水泵、阀门，在阀门不能达到预定阀位时给出故障信号。为了充分利用水池蓄存的冷量，采用回水温度作为调节混水阀开度的指标。一方面可根据负荷变化，对系统起质调节的作用；另一方面可保持蓄冷结束时水池上部水温较高，为再次蓄冷时制冷机的高效率运行创造条件。 　　本系统为开式水系统，放工中严把质量关，保证每个阀门都能关断、不发生内漏，使泵的吸入口管道标高低于水池水平 面，并于吸入管道上安装排气管。系统运行后未发生漏水、倒空等问题。

3 性能分析

　　由于运行时间短，水管路上尚未装好流量计，测试时自控未正式投入使用，只能根据测试数据人工调节电动阀的开度。且由于本系统利用消防水池蓄冷，不容许水池排空时间过长，没有时间做内保温，原制冷机低温保护温度偏高（6℃），不能按设计工况运行。因此，必然带来一些总是如冷量蓄存不足、热损失过大等缺点。

　　根据水温和流量、可以逐时计算出冷量：
　　离散化为：
　　式中：CL_j--冷量，J；
　　　　　M_i--i时刻水流量，kg/s；
　　　　　c_p--水的定压比热容，J/（kg·℃ ）；
　　　　　ΔT_i--供回水温差，℃；
　　　　　Δt_i--第i时刻与第i-1时刻的时间间隔，s。
　　由于流量计暂未安装，蓄冷、取冷流量均根据水泵性能曲线，按照设计状态选取。蓄冷流量为300t/h，取冷流量为120 t/h，温度、流量曲线见测试记录图。
　　蓄冷温度曲线（见图3）分析
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3
　　
　　①蓄冷供回水温差开始约为4℃，后期约为2℃，温差随差供回水平均温差随着供回水平均温度的下降而下降。这是由于制冷机蒸发温度下降导致制冷能力下降的正常现象。
　　②从回水温差小是由于实际运行中采用大流量蓄冷。一般冷冻机都有低压保护，一旦供水温度达到设定值时（本工程机组设计值为6℃），立即自我保护、停止运行，即当系统回水温度为11℃时制冷机就会自动停止运行。而此时的水池蓄冷量未达到要求，为此需加大蓄冷泵的流量，减小冷冻水的进出口温差，以求能蓄存更多的冷量。所以，采用300t/h流量蓄冷，制冷机可使用水池回水温度达9.3℃，从而利用水池充分蓄冷。
　　取冷温度曲线（见图4）分析
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4
　　
　　①取冷开始时水温为8℃，高于蓄冷结束时的6.3℃。这是由于蓄冷结束时为7：00，取冷开始时为11：00，水池未做保温，与空气、土壤发生传热，而且是刚开始运行，周围蓄热量很大，因而造成冷量损失。
　　②取冷供回水温差小。这是由于去年北京地区天气凉爽，试运行时气温低，宾馆负荷小，水池取冷设计为质调节，即调节混水阀开度，保证回水温度12℃，故取冷时供回水温度只能基本保持为2℃，而且为了测试水池的最大取冷量，连续运行了24h。
　　③从供回水温度、水池底部出水温度可以看出取冷温度可控性较好，依靠手控操作阀门开度，也能较好地控制混水比例，调节需要的供回水温度。而且水池底部出水温度低，可以适应高峰冷负荷的要求。当出现冷负荷高峰时，关小混水阀，可以取出大流量的低温水，取冷速度快。
　　④蓄冷量基本被取出，而冰蓄冷系统由于存在传热温差，部分蓄冷量会取不出来。
　　冷量曲线（见图5）分析
　　
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5
　　
　　①制冷机出力不足。大流量蓄冷8h，且蒸发温度仍基本为空调工况，蓄冷量仅为2800MJ，平均974kW。
　　②取冷量小于蓄冷量。由于水池未做保温，这部分冷损失会随着运行次数的增多而相应减少。

4 经济分析

　　4．1 初投资
　　①若采用增加1台700kW的制冷机的方案，设备总投资约120万元。每h用电200kW（包括冷却系统用电），需缴纳用电增容费106万元。
　　②水池改造仅需增设4台小水泵，加装水管、控制系统，投资共50万元，取冷时每h增加用电30kW（取冷泵），原供电系统可以满足，不需缴纳和电增容费，故可节约初投资176万元。

　　4．2 运行费
　　电价结构见表2。

　　表2

	高峰	平峰	低谷
时间	8:00～11:00 18:00～23:00	7:00～8:00 11:00～18:00	23:00～7:00
电费	0.534元/kWh	0．318元/kWh	0．118元/kWh

　　①如采用制冷机直接供冷（估计运行16h/d，夜间负荷小可不开此小机组），每h用电200kW，电费为1363.2元/d。
　　②采用蓄冷池供冷
　　蓄冷用电400 kW（停开原循环泵，加开蓄冷泵），电费为337.6元/d；取冷用电30kW，电费同为204.48元/d；总计582.08元/d 。节约运行费781.12元/d。
　　年负荷系数取为0.6，年供冷时间取为180d，则每年可节约运行费84301元。

5 结论

　　从京信大厦水蓄冷系统的初步运行情况可以看出，利用消防水池兼作蓄冷水池，可以节约初投资和运行费。但在设计和施工中，必须保证阀门不内漏，作好开式系统和闭式系统的切换。有条件的话，应做水池内保温，适当降低制冷机低温保护温度（最好能到2～3℃），以保证蓄冷、取冷效果。一定要注意：水池蓄冷、取冷流量要通过模拟分析计算确定，保证水温的良好分层，才能有效地保证水温水，也可考虑将水池分隔开，依次取水，当然管路和调节阀门较为复杂。