1、蓄能中央空调系统在区域供热供冷中的应用secret蓄能中央空调系统在区域供热供冷中的应用 摘 要：介绍了常州某大型住宅小区冰蓄冷中央空调系统、电锅炉蓄热采暖系统和电锅炉蓄热生活热水系统的设计方案和特点，并将其和其他家用空调方式进行了初投资和运行费用的比较，简单介绍了冷热量计费系统。指出蓄能技术应用于区域供热供冷系统区域供热供冷系统具有经济、环保的优点，值得应用和推广。关键字：区域供热 区域供冷 电蓄热 冰蓄冷 计费仪1 引言 从保护环境、提高能源利用效率的角度出发，对于人口密集、空间紧张的城市来说，建筑物空调需要的冷热量采用区域集中供给（DHC）是城市中央空调的发展方向。电力是一种清洁的能源，
2、在各国能源系统中都占有最大的比例，同时它也代表了21世纪环保能源发展的方向。从上世纪60年代开始，各国电力公司开始实行峰谷电分时段计费政策，许多工程技术单位借这一契机，发展了利用夜间廉价电力的蓄能技术，利用电力在电价低谷时段蓄能，并将蓄好的能量在白天电价高峰段使用，从而节省整个系统的运行费用。这一技术对宏观上平衡城市电力供应有着重大的经济和社会效益（火力发电厂的扩容对经济和环境都是不利的）。冰蓄冷就是针对夏季建筑物采用蓄能中央空调而开发出的技术之一。正是由于电力蓄能技术本身所具有的强大发展潜力，使其与代表城市中央空调发展方向的区域供热供冷系统能够完美的结合在一起并在世界各国得到了广泛的应用。我
3、国幅员辽阔、人口众多，对住宅的需求量非常大。我国住宅建设量大面广，至今仍呈上升趋势，据专家估计，这个趋势还将持续20-30年。这显然对在中国发展具有中国特色的区域供热供冷是一个巨大的契机，在大型住宅小区里面应用区域供热供冷联合蓄能技术必将具有广阔的市场前景。2 工程概况常州某住宅小区是常州某房地产开发公司开发的一个高级商住小区，其总占地面积约为63000m2，其中分散了17幢6层的多层住宅楼。机房位于小区超市地下室，通过直埋管网向这些住宅楼提供空调冷热水和生活热水。小区夏季中央空调采用冰蓄冷系统，冬季采用电锅炉蓄热采暖系统，全年的生活热水也采用了电锅炉蓄热系统。此项目是杭州某环境工程有限公司和
4、某房地产开发公司合作完成的一个蓄能技术应用于区域供热供冷系统的大型项目。三个系统于2001年7月施工调试完毕，经过一个夏天的运行，三个运行良好，经济效益显著。以下对各系统分别加以介绍。2.1 冰蓄冷中央空调系统2.1.1 系统负荷计算经过空调负荷计算软件计算，小区的设计日尖峰负荷确定为3500kW。小区日总冷负荷为53000kWh。2.1.2 冰蓄冷系统设计小区空调负荷有其自身的特点，在一周的大部分时间即5个工作日当中，小区内滞留的人员相对减少，整个空调总负荷也相应减小，负荷特性接近过渡季节。由于空调系统处于部分负荷状态下，冰蓄冷空调系统的优势便明显的表现出来：系统可以只开冷冻水泵和次级乙二醇
5、泵通过阀门调节从蓄冰装置内取冷，避免了在部分负荷下开制冷效率已显著下降的常规冷水机组，系统运行效率大大提高。而且冰蓄冷系统处于全量融冰供冷模式，完全可以避开用电高峰期，系统的运行经济性也将达到最佳。本冰蓄冷中央空调系统按照主机与蓄冰装置并联、分量蓄冰模式设计。由于小区夜间也有负荷，在系统中设计了一台基载冷水主机，在设计日负荷条件下全天24h运行。考虑到甲方有一台闲置的1760kW的约克水冷螺杆式冷水机组，故将基载主机的容量确定为1760kW 。经过计算，在系统中还需要两台770 kW的双工况水冷螺杆式冷水机组。在设计日负荷条件下，夜间全力制冰，白天根据实际负荷情况确定开一台或者是两台主机联合蓄
6、冰装置供冷。在此设计流程回路中，基载主机及与其相配套的冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵为一独立系统，2台双工况主机与储冰装置、板式换热器、乙二醇泵、电动阀等设备组成冰蓄冷系统，冰蓄冷中央空调系统的设备配置见表1。表1 冰蓄冷中央空调系统的设备配置与技术参数表 序号名称型号规格数量1常规螺杆式机组1760kW1台2双工况螺杆式机组770 kW2台3冷却塔200m3/h4台4双工况主机冷却水泵Q=200m3/h，H=26m2台5初级乙二醇泵Q=150m3/h，H=18m2台6次级乙二醇泵Q=230m3/h，H=20m2台7基载冷冻水泵Q=304m3/h，H=52m1台8冷冻水泵Q=130m3/h，H=5
7、8m3台9冷冻水泵Q=45m3/h，H=58m1台10板式换热器100万kcal/h2台11储冷冰球1）双金属蕊心7700kWh12储冰槽2）160m31个注：1）华源专利产品；2）普通钢罐。整个系统可按以下4种工作模式进行：a）主机制冰加基载主机供冷模式；b）主机与融冰联合供冷模式；c）融冰单供冷模式；d）主机单供冷模式。冷冻水系统与乙二醇系统通过板式换热器进行热交换，彼此完全隔离。乙二醇仅在制冷机房中流动，这能够减少乙二醇用量并避免乙二醇在空调末端系统中的泄漏，降低了末端系统设计与维护的难度。回路中设有5个电动阀，在控制系统指示下进行工况转换，根据冷负荷变化，调节进入储冰装置的乙二醇流量，
8、保证进入板式换热器的乙二醇温度恒定并满足冷负荷需求。对于大多数住宅小区来讲其房屋销售都需要一定的时间，购房者也是分批入住小区的。小区的空调负荷是在一个比较长的时间逐渐增加到设计日负荷状态的。由于某住宅小区首批入住率大约是40%，故500RT主机暂时不安装，仅预留相应管道，其对应的冷却水系统和冷冻水泵也暂不安装。另将两台220RT主机中的一台通过设置旁通管道将其功能确定为基载主机，在夜间由其向末端提供冷量，另外一台220RT主机则在夜间全力制冰。以后随着小区入住率的提高和空调负荷的增长，通过普通阀门的切换即可将充当基载的冷水主机的功能恢复成为双工况主机，同时500RT的冷水主机也投入运行。由于在
9、一周内住宅小区的负荷的变化比较大，这要求在板式换热器二次侧的冷冻水泵具备根据负荷的变化自行调节供水量的能力。考虑到水泵的功率比较大，没有采用变频控制，同时考虑到与冬季采暖热水供水泵的流量匹配问题，在系统中设计了三台流量130m3/h、扬程58m和一台流量50m3/h、扬程58m的冷冻水泵，由设定的供回水温差自动控制水泵开启的台数。对于蓄能空调系统而言，其节省运行费用的关键是系统能够根据峰谷电的时段和末端负荷自动进行运行模式的转换。而实现这个目的的关键是自控系统是否能稳定可靠的运行。自控系统能够控制制冷主机及其他设备的启停及监视各设备工作状况与运行参数， 并实现整个系统的优化控制，即根据室外温度
10、、天气走势、历史记录、电价政策，自动选择主机优先、融冰优先模式或全量融冰模式；实现系统自动进行制冰、工况转换和优化控制运行，对系统故障进行自动诊断，并向远方报警；工作日、节假日、特殊日期均可设置工作时间表，空调系统即根据设定的时间表自动运行。2.2 电锅炉蓄热采暖系统2.2.1 负荷计算经过空调负荷软件计算，建筑物尖峰热负荷为2600kW。2.2.2 蓄热采暖系统设计本系统采用并联分量蓄热模式，配置1260kW电锅炉两台。蓄热装置内介质蓄热温度为90，将板式换热器二次侧的供水温度确定为50，回水温度确定为42。相应板式换热器一次侧的供回水温度为55和47，蓄热装置可利用的温差达到43，这在一定
11、程度上缩小了蓄热装置的体积，给蓄热装置在施工现场的布置提供了便利。电锅炉利用夜间低谷电的8h（23：00次日7：00）为小区供暖的同时进行蓄热，在用电高峰期间则利用电锅炉和蓄热装置联合供热。在工作日和过渡季节，蓄热量所占系统总负荷的比例逐渐增加时，系统也从分量蓄热模式向全量蓄热模式转换，可以实现避峰运行，从而大幅节省运行费用。与冰蓄冷中央空调系统类似，蓄热采暖系统有四种工作模式：a）电锅炉蓄热兼供热模式；b）电锅炉与蓄热装置联合供热模式；c）蓄热装置单供热模式；d）电锅炉单独供热模式。自控系统同样是蓄热采暖系统的关键部分，通过控制电锅炉、外围设备和电动阀门的启停和调节，使蓄热系统能够实现四种工
12、况的转换并监视系统各设备的工作状况与运行参数。系统设备配置及其性能参数见表2：表2 蓄热采暖系统的设备配置与技术参数表 序号名称型号规格数量1电热水机组1）106万Kcal/h2台2储热水泵Q=24m3/h，H=12m2台3释热水泵Q=140m3/h，H=18m2台4供热水泵4台5板式换热器120万Kcal/h2台6蓄热装置2）150 m31个注：1）源牌全自动电热水机组；2）普通钢罐。2.3 蓄热生活热水系统考虑到住宅小区内住户数量很大，生活热水的使用有很大的不均匀性，再考虑到小区的整体档次和入住者的平均收入水平，将生活热水每人每天的用量确定为100L（65），这一指标已经大于市场上常见的各
13、种家用热水器的供水能力而且不需要提前预热。系统按照全量蓄热模式设计，并将同时使用系数取为65%，经计算整个小区生活热水每天的用水总量为130m3（65）。为了缩小蓄热装置的体积，在保证系统安全使用的前提下将蓄热温度确定为75。由于甲方承诺的供水温度为60，而且也是按照这一供水温度向住户收费。故在系统还设计了一套温度自动调节装置将供水温度控制在60左右。系统配置两台华源900kW电锅炉，同样在夜间利用廉价的低谷电将自来水加热到设计蓄热温度75，并且这个温度可以按照小区实际用水量在自控系统中方便的设定。考虑到小区的管网比较庞大，热水在管道内的温降比较大，为保证用户无论什么时候拧开水龙头都能得到温度
14、合适的热水，系统配置了一台180kW的小电锅炉定时开机将回水加热。由于系统完全利用夜间低谷电，白天只开供水装置和小功率的回水加热电锅炉，系统运行时的经济性非常理想。由于小区用水的不均匀性，管网中水流量变化较大，为了保证任何用户都能得到压力合适的热水，系统的供水装置设计为恒压供水方式。此套装置内包括了三台白天主泵、一台夜间小泵、一只定压罐、一套压力传感装置和一只变频器。白天由远传压力表的压力信号控制主泵开启的台数和其中一台主泵的变频，到了夜间由时间控制开关将系统转换为夜间工作模式，即夜间小泵和定压罐联合工作，定压罐上面的压力传感装置检测到压力下降到一定程度的时候控制小泵开启，同时向末端补水并给定
15、压罐保压。为了进一步节省生活热水系统的运行费用，双工况主机选为带回热器型的。回热器的基本工作原理是在主机的冷凝器的管道上串联了一个换热器，将经过冷却塔散发到空气中的热量回收利用一部分。其额定发热量为165kW，经过几次循环可以将水加热到50。夏季的自来水的温度比较高，在夏季晚上利用主机开机的时候辅助电锅炉蓄热，有时可以完全依靠回热器的热量将自来水加热到理想的温度。回热器的采用大幅减小了系统运行费用，因为这一部分热量是完全免费的。蓄热生活热水系统的设备配置见表3：表3 蓄热生活热水系统的设备配置与技术参数表 序号名称型号规格数量1电热水机组1）620kW2台2自来水补水泵Q=14m3/h，H=1
16、8m4台3生活热水恒压给水装置Q=50m3/h，H=50m1套4回水循环水泵Q=15m3/h，H=25m1台5循环加热电锅炉1）165kW1台6蓄热装置2）120 m31个注：1）源牌全自动电热水机组；2）普通钢罐。蓄热生活热水系统的自控系统能够根据不同的使用要求控制电锅炉、蓄热水泵和供水泵的启停和电动阀门的开关，同时监视系统各设备的工作状态和运行参数。其功能主要有：a） 测生活热水蓄热装置内的液位，在蓄热期间，液位低于设定值的时候自动开启蓄热水泵，在液位达到设定值的时候，自动停止蓄热水泵；b) 控制供水装置开启水泵的台数并进行变频以保证合适稳定的供水压力；c） 自动控制回水加热电锅炉的开机，
17、保证管网内合适的水温。目前某住宅小区实行的生活热水的收费标准是18元/m3，以每个人洗澡一次消耗的热水用量为100L（60）计算，再将自来水年平均水温确定为15，洗澡水温45，则100升60的热水可以产生150升45的水，收费仅为180.1=1.8元，比在公共浴室洗浴要节省的多，而且更加方便舒适。总而言之，由于系统完全利用廉价低谷电，全量蓄热生活热水系统的运行是很经济的。如果将其应用于住宅小区，住户将获得实实在在的实惠，而开发商更加能够得到可观的经济效益。2.4 冷热量计费系统在区域供冷供热用户中进行冷热量计量并收费，实现供冷供热量的商品化，是实现建筑节能的重要举措。热计量关系到居民用热观念的
18、改变。同水表、电表的推行和水电计量收费的实施带来的节能效益一样（水表到户实现了节水30%-40%的显著效益），计量收费能够将用户的自身利益和能量消耗结合起来，势必能够增加公民的节能意识并推动节能工作的开展。随着近几年区域供热供冷的逐渐普及，中央以及地方都相继出台了有关冷热量计费装置的规范和标准，以后有关冷热量计费装置的法令法规将越来越健全，冷热量计费仪也将得到更加快速的发展和更多的市场需求。在常州某住宅小区使用的是杭州华电华源环境工程有限公司开发的拥有完全知识产权的IC卡式冷热量计费仪。计费仪内部的计量感测元件包括两套远传式流量计、一对温度传感器，一套电磁阀，另外还有一套计算显示终端。流量传感
19、器安装在供水管上面，测得微分时间内的瞬时流量和供回水的温差，然后计算终端计算在微分时段内的冷热量，将一个个微分时段的冷热量积分起来便可得到一段时间内消耗的冷热量。另外一个远传流量计是用来计量生活热水的使用量的。冷热量收费是通过用户向物业管理部门交纳一定的费用给IC卡充值，在卡上面余额不足的时候能够提醒用户及时充值，否则冷热量计费仪将控制入户水管上面的总阀（电磁阀）关闭，用户也不能再使用空调系统。有效的IC卡插入之后电磁阀开启，用户恢复使用。冷热量计费装置一个很重要的发展趋势是多功能化，将来冷热量计费仪除了计量空调使用能量之外，还能够计量家庭的用水、用电、用气并统一显示，将大大方便物业部门的日常
20、管理。开发出适合中国国情的冷热量计费装置已成为当务之急，而安装简易、计量准确、管理方便、功能强大的冷热量计费装置也是市场潜力很大的发展对象。3 蓄能中央空调系统技术经济性分析比较蓄能中央空调应用于区域供热供冷是一种新的技术，和那些相对传统或者经典的技术相比有其自身的特点。下面将冰蓄冷中央空调系统、蓄热采暖系统、蓄热生活热水系统和其他系统进行初投资和运行费用的比较。3.1 冷暖空调系统比较住宅小区可能采用的中央空调形式比较多，有冰蓄冷加电锅炉蓄热中央空调、大型风冷热泵、水冷螺杆主机供冷加油锅炉采暖、家用分体空调等。下面就以上几种形式进行系统初投资和运行费用的比较。3.1.1 初投资比较表4 冰储
21、冷空调与电锅炉蓄热采暖系统投资概算 序号名称规格数量功率，kW价格，万元1双工况螺杆机组770kW2台21762602常规螺杆机组1760kW1台3851405冷却塔200m3/h4台45.5487冷却水泵Q=200m3/h，H=26m4台42241.59冷冻水泵Q=300m3/h， H=26m1台1901410冷冻水泵Q=130m3/h， H=58m3台33731.511冷冻水泵Q=50m3/h， H=58m1台11510.812初级乙二醇泵Q=150m3/h， H=18m2台21521.013次级乙二醇泵Q=230m3/h ，H=20m2台218.521.414板式换热器1200kW2台2
22、1315储冷冰球双金属蕊芯7700 kWh8016储冰槽160m31个1817乙二醇涤纶级20吨1418电热水机组1260kW2台2126023819储热水泵Q=24m3/h，H=12m2台21.520.420释热水泵Q=140m3/h，H=18m2台21521.021采暖蓄热罐150m31个17.522板式换热器1400kW2台2823自控装置与系统PLC1套4024主材及安装整套8025调试费1026土建费用15合 计2553702.5表5 大型风冷热泵中央空调系统投资概算 序号名称规格数量功率，kW价格，万元1风冷热泵机组880kW4台430041402冷冻水泵Q=150m3/h，H=5
23、5m5台455543自控装置与系统1套254主材及安装365调试费106土建费用5合 计1420656表6 水冷中央空调机组加燃油锅炉初投资概算 序号名称规格数量功率，kW价格，万元1常规螺杆机组880kW4台41904802冷却塔250m3/h4台47.54103冷却水泵Q=250m3/h，H=28m5台33051.54冷冻水泵Q=150m3/h，H=58m5台355545燃油热水锅炉1400kW2台2102296辅机设备2套257日储油罐1.5 m31只18储油罐15 m31只39给水泵Q=2.5m3/h，H=100m3台21030.510软水设备1套211自控装置与系统3612主材及安装
24、6013调试费1014土建费用15合 计1141584表7 空调末端费用估算 序号名称规格数量功率，kW总价格，万元1TCR3001匹冷量1800台45W1622TCR4001.5匹冷量600台60W663末端系统5804管网系统1005其他费用70合计117kW978某住宅小区的总建筑面积大约为63000m2，按照一个建筑面积为100 m2（三室一厅）的普通住户计算。按照相同的冷负荷，一共需要2到3台一匹机和1台1.5匹机。市面售价分别大约为3000元/台和4000元/台。表8 家用分体式空调初投资概算 数量总价，万元配电，kW1匹机1500台45012001.5匹机600台240750安装
25、免费合计69019503.1.2 运行费用比较3.1.2.1 计算说明a. 空调每年夏季运行120天，其中设计日负荷为20天，60设计日负荷为60天，30设计日负荷为40天；b. 空调每年冬季运行90天，其中设计日负荷为10天，60设计日负荷为50天，30设计日负荷为30天；c. 燃油锅炉采用轻质柴油，热值4.2万kJ/kg，2.65元/L；d. 常州市蓄能电价政策：表9 常州市电价政策 时 段电 价，元/kWh高峰时段7:0011:00，17:0021:000.78平峰时段11:017:00，21:0023:000.52低谷时段23:007:000.26注：常规电力驱动中央空调系统及普通居民
26、用电电价为全天0.52元/KWh3.1.2.2 年空调运行费用计算由于涉及系统比较多，而且每个系统均应按照不同的负荷情况分别加以计算，整个计算过程比较繁琐，故只列出计算结果。各冷暖空调方案的经济分析如表10所示。表10 各制冷空调方案经济分析表 内 容方案一方案二方案三方案四系统尖峰冷负荷 kW3500350035003500系统尖峰热负荷 kW2400240024002400机房设备配电功率 kVA2553147512961950一次投资机房设备概算，万元702.5656584690末端设备概算，万元978978978机房电力增容费，万元免36.8832.448.75小 计，万元1680.5
27、1670.91594.4738.75运行费年供冷费，万元63.8787.6279.3299.8年采暖费，万元74.6775.8388.6185.57合计，万元138.54163.45167.93185.37说明：a）冰蓄冷加电锅炉蓄热中央空调简称方案一，大型风冷热泵简称方案二，水冷螺杆主机供冷加油锅炉采暖简称方案三，家用分体空调简称方案四；b）电力增容费：250元/kVA，储冷空调免；c）由于甲方已经有一台闲置的1760kW冷水机组，故系统的总配电容量比较高。在设计计算中只需要1240kW的主机即可满足要求。3.1.3 结 论3.1.3.1 在四个方案中初投资最节省的是家用分体空调，但是其运行费用也是四个系统中最高的。而且从室内舒适程度和整个小区的环境质量来看也是最差的，其与区域供热供冷系统的技术分析比较见表11：表11 DHC系统与分体空调技术分析比较 项目DHC系统分体空调系统机组效率大型机组效率高，空调使用费更加节省。能效比COP值低,供应相同冷量或热量耗电量大许多，使用电价没有优惠。室内情况室内温度均匀,相对湿度适宜，空气清新舒适。系统运行平稳。舒适度差，难以达到健康空调、绿色建筑的要求。室温调节依靠压缩机开关，室温不稳定，深夜开停机的噪音和气流会影响睡眠。
