上海保利大剧院冰蓄冷工程综述.docx
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上海保利大剧院冰蓄冷工程综述
上海保利大剧院冰蓄冷工程
冰蓄冷空调技术相对于常规空调技术的不同在于冰蓄冷系统的供冷冷源包括制冷主机以及冰蓄冷装置。
在相同的空调负荷下，冰蓄冷系统有多种设备配置方案可供选择，在相同的设备配置下，冰蓄冷系统的供冷方式可以通过灵活调整制冷主机以及蓄冰装置的供冷比例做到千变万化。
但万变不离其宗，任何建筑物都有最适用于其自身的某种冰蓄冷空调系统的最优化集成方案。
结合本工程的建筑功能，将“系统最优化”作为本冰蓄冷中央空调系统集成的逻辑主线并剖析以上不同的重要命题。
1工程概况
本项目为上海保利大剧院蓄能工程系统，嘉定保利大剧院是由一个1500座的大剧场、一个400多座的多功能厅、排练厅、车库、公共服务空间、交通服务用房等组成，建筑主体为一幢100米×100米，高34.1米的正方形建筑。
建筑总面积为54934平方米（包含建筑地下室面积）；其中地下20064平方米；地上34870平方米。
系统冷源采用冰蓄冷形式，按分量蓄冰进行设计，可实现双工况主机制冰、融冰单供冷、主机单供冷、主机与融冰联合供冷等四种工况运行。
建筑夏季空调设计尖峰冷负荷为3730kW，冷冻水供回水温度6/13℃，冰蓄冷系统采用双工况主机上游的串联形式，蓄冰装置采用不完全冻结式的蓄冰盘管，蓄冰容量不低于4140RTh；双工况主机为2台1200kW螺杆式冷水机组。
载冷剂采用浓度为25%的乙二醇溶液。
2冰蓄冷空调系统简介
2.1冰蓄冷空调系统原理
冰蓄冷空调系统是指在夜间低谷电时段将建筑物所需的空调冷量全部或者部分以冰的形式制备并储存起来，在非电力低谷时段融冰供冷的一种空调系统。
2.2冰蓄冷技术特点
冰蓄冷空调技术之所以得到各国政府以及工程技术界的重视，重要原因之一是冰蓄冷技术具有卓越的移峰填谷功能，是电力需求侧管理的重要技术手段。
冰蓄冷技术具有以下特点：
冰蓄冷技术具有卓越的“移峰填谷”的作用
平衡电网昼夜峰谷电力负荷，减缓电厂建设，提高火电厂发电效率。
减少制冷主机容量，减少空调系统电力工程贴费及配电设施费用。
合理利用峰谷电价差价，显著降低空调系统运行费用。
空调系统使用更加灵活，节假日、休息日等小负荷状态下，可融冰供冷，无需开启制冷主机，避免制冷主机低效运行，节能效果明显。
蓄冰装置的冰蓄冷量可作为应急冷源，在停电时只需开启水泵即可供冷，提高了空调系统的可靠性。
冷冻水温度可降至2～4℃,可实现冷冻水大温差或低温送风，降低水管、风管的口径，降低建筑层高。
低温送风技术可降低室内相对湿度，提高空调舒适性。
使空调冷水机组更平稳地运行，更多时间处于满负荷工作状态，提高冷水机组的利用率和使用寿命。
供冷启动时间短，只需15-20分钟即可达到所需温度，常规系统约需1小时。
3冰蓄冷系统设计要点综述
采用分量蓄冰模式设计，合理配置主机容量和蓄冰容量，使系统技术经济性最优；根据不同冰蓄冷工程项目的实际情况，通常有两种蓄冰模式可供选择，一种称之为全量蓄冰模式，与之相对称之为分量蓄冰模式。
分析：
1）全量蓄冰模式与分量蓄冰模式最大的差异在于蓄冰率的高低，全量蓄冰模式蓄冰率达100％，转移电量最多，运行费用最低，但在制冷机组、蓄冰装置上投入过多，经过经济比较，投资回收期反而较分量模式长。
目前国内绝大多数冰蓄冷工程项目均采用分量蓄冰模式。
2）由于全年空调负荷存在不均衡性，在负荷逐渐下降时，分量蓄冰系统的蓄冰率会逐渐上升，避免了全量蓄冰模式在部分负荷下系统设备闲置过多的问题。
采用制冷主机上游、蓄冰盘管下游的单级泵串联系统流程，本系统形式效率高、控制简单可靠、使用灵活。
该系统流程在全球数千工程实例中已经得到了应用；
冷冻水供回水温度为6/13℃，温差为7℃,大温差运行，减少末端能耗；
采用的双工况主机为2台1200kW螺杆式冷水机组；
蓄冰盘管蓄冰能力不小于4140RTh。
冰蓄冷主机上游单级泵串联流程示意图
1双工况制冷主机2蓄冰装置3供冷板式换热器4乙二醇泵
5冷冻水泵6温度传感器7电动调节阀
4空调负荷分布
4.1夏季设计日空调冷负荷分布表
根据经验，计算得出逐时负荷如下表所示：
时段
逐时负荷（KW）
时段
逐时负荷（KW）
8:
00-9:
00
1158
16:
00-17:
00
2270
9:
00-10:
00
1154
17:
00-18:
00
2527
10:
00-11:
00
1189
18:
00-19:
00
3730
11:
00-12:
00
1376
19:
00-20:
00
3704
12:
00-13:
00
1437
20:
00-21:
00
3700
13:
00-14:
00
1450
21:
00-22:
00
3600
14:
00-15:
00
1278
22:
00-23:
00
0
15:
00-16:
00
1278
23:
00-24:
00
0
总计
29851
4.2夏季设计日逐时空调负荷分布图
5系统主要设备优化选型计算
5.1制冷主机
由于本项目选用分量蓄冰，根据设计日的逐时负荷，按主机优先模式，采用的双工况主机为2台空调工况下制冷量为1200kW的螺杆式冷水机组，其制冰工况下制冷量为820kW。
主机进出口温度核算：
双工况主机的入口温度即板式换热器乙二醇侧的出口温度越高，则双工况主机的制冷效率越高，本工程双工况主机的入口温度取11.5℃，高于常规冰蓄冷系统的11.0℃，故双工况主机在空调工况下的效率增加约1.5%。
双工况主机的出口温度与乙二醇系统的流量关系密切，乙二醇溶液的循环量以尖峰负荷计算：
双工况主机和蓄冰装置联合供冷的最大供冷量为3730KW，板换按该冷量与供回水温差（3.5℃供/11.5℃回）配置，则每台乙二醇泵的流量需200m3/h，考虑到乙二醇溶液的比热后取1.09的系数，则每台乙二醇泵的循环水量取约220m3/h。
如果双工况主机的制冷量为1200kW，根据乙二醇溶液流量，联合供冷模式下，计算此时双工况主机的温差为5.15℃，双工况主机的出口温度为6.35℃，进口温度为11.5℃。
实际上双工况主机的制冷量、双工况主机的进出温度、板式换热器的进出温度、板式换热器的换热量（一般情况下是系统供冷量，但板式换热器的换热量还需考虑适当的设计余量）之间是相当紧密的，在设计参数时需反复核算以选取最佳流量与温度参数。
5.2蓄冰装置
蓄冰装置是冰蓄冷系统中重要的核心设备，双工况主机夜间低谷电期间运行制冰工况时制备的冷量通过载冷剂（通常为25％质量比的乙二醇溶液）在蓄冰装置内与水发生热交换，水凝结成冰，储存在蓄冰装置内。
在白天供冷时，同样通过载冷剂，在蓄冰装置内与冰发生热交换从而获取冷量，并将冷量通过板式换热器传递至空调冷冻水。
蓄冰装置可根据其制冰机理，分为动态蓄冰（美国MUELLER）和静态蓄冰，国内绝大多数冰蓄冷工程均采用简单可靠的静态蓄冰，与之相适应的蓄冰装置可分为封装式蓄冰装置和盘管式蓄冰装置。
封装式蓄冰装置以杭州华电华源公司的双金属蕊芯冰球、西亚特cristopia冰球和广州贝龙环保的HDPE冰球为代表，盘管式蓄冰装置根据内部换热结构的不同，可分为完全冻结式蓄冰盘管和不完全冻结式蓄冰盘管。
完全冻结式蓄冰盘管以美国高灵（CALMAC）、美国发福克（FAFCO）和广州贝龙环保的塑料盘管为代表。
不完全冻结式盘管则以杭州华电华源的“源牌”纳米复合导热蓄冰盘管、美国益美高（EVAPCO）、美国BAC为代表。
蓄冰装置的优劣直接关系到冰蓄冷系统能否实现设计目标，对于面积较大的集中式供冷中央空调，要求稳定的低的融冰出口温度，对蓄冰装置的制冰性能、融冰性能和融冰率提出了较高的要求。
因此所选用的蓄冰装置须达到如下要求：
较高的制冰温度，保证制冰时具有较高的制冷主机运行效率；
稳定的出口温度，且温度需能达到较低的水平；
融冰末期的温度必须稳定，确保供水温度不会上升，满足空调系统的供冷需求；
高的融冰率，保证所蓄冷量能够利用。
本工程设计总潜热蓄冰量不小于4140RTh；选择单台蓄冰量为828RTh的不完全冻结式内融冰蓄冰装置5台。
本工程采用源牌纳米导热复合盘管，技术上与钢制蓄冰盘管相比，还具有以下特点：
特殊的管材：
采用具有发明专利产品纳米聚合物基高分子复合导热材料（专利号：
ZL021124817），在充分保证导热性能的提前下又能彻底杜绝腐蚀隐患，而钢制盘管容易腐蚀；同时钢制盘管变形能力差，延伸率小，如果结冰过量，钢制盘管将容易破裂泄漏。
更大的换热面积：
源牌纳米导热复合盘管的换热面积比钢制盘管增加80-100%的换热面积（盘管密度大），故结冰厚度相对较薄，制冷主机运行效率高（制冰完成温度一般较钢盘管高1℃左右，主机效率大大提高）；
重量轻、施工方便、承重要求低；
设备检修方便：
源牌纳米导热复合盘管的集管在蓄冰装置的顶部，从而带来方便的维修性，而钢制盘管的集管均在蓄冰槽内，故每套蓄冰槽的端部区域必须预留约600mm的检修空间与相应的人孔，否则就缺少了相应的维修空间。
由于源牌纳米导热复合盘管彻底杜绝了腐蚀隐患，故盘管的正常使用寿命大大高于钢制盘管。
源牌纳米导热复合盘管广泛应用于各大冰蓄冷工程中：
如杭州市民中心、上海世博中心、同济大学、可口可乐等100余个工程项目。
针对本工程的实际应用状况，实现同程的关键因素为与蓄冰盘管相连的管道管长，采用了REVERSERETURN（同程接管）的方式进行5台装置的接管。
根据机房现场实际情况，将5台蓄冰装置一字排开，在每组蓄冰盘管以内，均采用同程接管，保证每台盘管之间流量分配的均衡性。
5.3水泵
名称
介质
流量m3/h
扬程mH2O
工作压力MPa
转速rpm
水泵型式
数量
备注
乙二醇循环泵
25%乙二醇溶液
220
38
1.0
1450
卧式离心式
3台
2用1备变频
冷却水泵
水
270
28
1.6
1450
卧式离心式
3台
2用1备
冷冻水泵
水
230
32
1.6
1450
卧式离心式
3台
2用1备变频
（1）乙二醇泵
乙二醇泵共选用3台，2用1备，乙二醇泵必须满足冰蓄冷系统主机制冰、融冰单供冷、联合供冷、主机单供冷等4个工况的要求。
a.当乙二醇泵运行在“主机单独制冰模式”时，流量按主机制冰容量820kW与供回水温差（约3.5℃）配置，则每台乙二醇泵的流量取200m3/h，考虑到乙二醇溶液的比热后取1.09的系数，则每台乙二醇泵的流量取220m3/h，扬程取26m。
b.当乙二醇泵运行在“主机单供冷模式”（该模式是非标准模式）时，流量按主机制冷容量约1150kW与供回水温差（约5℃供/10.15℃回）配置，则每台乙二醇泵的流量取192m3/h，考虑到乙二醇溶液的比热后取1.09的系数，则每台乙二醇泵的流量取209m3/h，扬程取26m。
c.当乙二醇泵运行在“主机与融冰联合供冷模式”时，系统冷量如果按板式换热器换热能力（且需要满足尖峰负荷）计算，则双工况主机和蓄冰装置联合供冷的供冷量为3730KW，按该冷量与供回水温差（3.5℃供/11.5℃回）配置，则每台乙二醇泵的流量需200m3/h，考虑到乙二醇溶液的比热后取1.09的系数，每台乙二醇泵的流量取约220m3/h，扬程取38m。
d.当乙二醇泵运行在“融冰单独供冷模式”时，流量按蓄冰装置最大融冰量1968kW及供回水温差（3.5℃供/11.5℃回）配置，则乙二醇泵的流量需212m3/h，考虑到乙二醇溶液的比热后取1.09的系数，则乙二醇泵的总流量取231m3/h，扬程取26m。
综上所述，乙二醇泵参数取流量220m3/h，扬程38m，共计三台（两用一备），同时变频控制，充分满足系统各工况对乙二醇流量的需求。
（2）冷却水泵
流量根据单台双工况主机的最大散热量（全封闭机组相对较大，开式机组相对较小）及冷却水系统的供回水温差5℃（37-32℃）计算，每台冷却水泵的流量取270m3/h，扬程取28m，共计三台，2用1备，充分满足制冷主机的冷却要求。
（3）板换冷冻水泵
流量根据系统冷量3730kW与末端供回水温差（6℃供/13℃回）配置，每台冷冻水泵的循环水量取230m3/h，扬程取32m，共选用3台（2用1备）。
5.4制冷板式换热器
本系统板式换热器是将蓄冰系统中循环的乙二醇溶液与通往空调末端系统的冷冻水隔离，同时进行低温乙二醇溶液与冷冻水之间的热交换，产生末端所需的冷冻水。
本工程共配置2台蓄冰系统换热用水-乙二醇板式换热器。
用途
单台换热量
一次侧
二次侧
工作压力
进口
出口
压降
进口
出口
压降
冰蓄冷系统供冷换热器
1865
3.5℃
11.5℃
≤80kPa
13℃
6℃
≤80kPa
1.0
MPa
5.5定压装置
本工程为乙二醇系统、冷冻水系统各配置了一套定压装置，结合气压罐及水泵实现系统稳压。
采用“普雷希尔”品牌SD型定压装置，它由控制单元和压力隔膜罐两部分组成。
此型定压装置等级质量为：
（1）控制单元的设计、制造和检验严格按照CE标准执行；
（2）罐体的制造和检验严格按照97/23/EC标准执行；
（3）符合ISO9001系列要求的质量体系认证；
（4）经过欧洲TUV认证。
5.6乙二醇溶液
经计算，本项目共需纯乙二醇约13吨。
本次选用陶氏的乙二醇溶液。
5.7自控装置与系统
冰蓄冷空调系统的最大特点就是可以根据空调负荷的变化情况，选择最合理的供冷运行模式。
要实现本冰蓄冷空调系统的诸项控制目标，包括不同工况之间的正常切换、空调负荷的及时响应、系统内温度、压力、流量诸参数的控制以及运行费用的最优化等等，必须依靠先进、完善的自动控制系统。
6运行策略
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