• 低溫區域供冷技術在中關村商務中心區的應用
  • 2015-09-29

近年來隨著經濟建設的發展,產生了大量的區域性建筑群。北京中關村商務中心區(也稱中關村廣場)占地51.44公頃,將以土地一級開發形式建設成為中關村地區高科技產業管理、信息、研發中心。該區域被分成25個地塊,根據規劃各地塊上將建起的地上建筑總面積約100萬平方米,地下建筑總面積約50萬平方米。建造區域供冷冷源向一部分地塊進行集中供冷成為一種很自然的選擇。目前在地下建造的1#冷站擬向0.5公里半徑內的4棟建筑供冷,供冷面積32萬平方米。將來如有更多的用戶加入該系統,再根據需要增建1~2個冷站。

北京地區采取單一的按電力峰、谷段分時電耗計費。商業用電峰谷電價比為3.45:1,峰段用電時間為每天8小時,1-10KV高壓用電峰、谷價差的絕對值為0.71元/千瓦時。中關村商務中心區擬采用集中供冷的建筑為辦公、金融和商場等商業性建筑,白天空調負荷絕對值很大,夜間空調負荷很小,負荷變化規律性比較強,采用空調蓄冷系統作為商務中心區區域供冷的冷源,具備較好的先決條件。

蓄冰形式

相比水蓄冷和共晶鹽蓄冷方式,冰蓄冷系統在單位蓄槽體積內具備更大的蓄冷能力,適于作為區域供冷的冷源。對于冷媒輸送距離較遠,用戶冷負荷較大,冷凍水供水流量很大的區域冰蓄冷冷站來說,盡可能降低用戶供水水溫即減少系統總流量,能夠節約冷媒輸送電耗,減小冷媒輸送管徑,降低冷水輸送管道投資。

動態蓄冰方式因其造價高昂,運行控制要求高,國內用于大型蓄冷系統較少。靜態蓄冰形式國內應用較多的是冰球蓄冷系統(封裝冰蓄冷系統的代表)和內融冰系統。冰球系統用于大型蓄冷的主要問題在于冰球融冰換熱時,冰球內的冰、水、空氣(球體內留有一定結冰膨脹空間)的混合物,在融冰過程隨著球體內冰體的融化其傳熱狀況變化很大,特點是開始融冰時釋冷速率較大,但在整個融冰過程中釋冷速率的變化很大;僅憑蓄冰裝置無法保證系統供水溫度的恒定,可采取在蓄冰裝置下游設置制冷機組或使制冷機組與蓄冰裝置并聯等手段來彌補這一不足。為此,一方面需增加更精密的流量控制和冷機的負荷調節裝置,增加了自控系統的造價;另一方面,上述冷機位置的設置導致制冷機的出水溫度下降,降低了制冷機的效率。由于制冷機蒸發器出水(液)溫度每降低1℃,電耗增加2%-3%,顯然,對于大型系統是很不理想的;此外,冰球系統和內融冰系統一樣,屬于間接冷媒系統,由于其常用的乙二醇水溶液冷媒不直接進入空調水系統,在融冰環節需通過換熱器和系統回水換熱融冰,與用戶之間多了一級換熱,難以制出較低的水溫;而且乙二醇水溶液比熱容較低而相對密度較高,傳熱性能比水差,0℃時30%體積濃度的乙二醇溶液傳熱系數為0.429W/(m2.℃),需較大的換熱面積,這樣就增加了設備投資。

在中關村冷站中我們采用了盤管外融冰系統,該方式在融冰環節中沒有冰球和內融冰系統的中間換熱環節,融冰時空調系統的回水直接進入蓄冰槽引起盤管外的冰層融化。外融冰模式有以下幾個特點:首先是可以提供低溫供水,外融冰系統所提供的冷水溫度比內融冰和冰球系統低,中關村1#冷站的設計供水溫度為1.1℃,回水溫度12.2℃,對用戶冷水供水流量僅需常規空調供水系統的一半左右,盡可能低的供水溫度使輸送至用戶空調系統的能耗和管道投資均大為降低;其次是釋冷過程溫度恒定,在釋冷周期中,冰槽中80%以上的冰融化以前,可以平穩地控制冰槽出水溫度在1℃左右。這樣對于保證大型系統用戶參數的穩定很重要。

系統及運行模式

中關村冷站系統采用全量蓄存模式和分量蓄存模式相結合的運行方式。采取在電價平、谷期進行蓄冷,在電價高峰期全部冷量由蓄冷裝置提供的運行模式即全量蓄存模式,運行電費最低。但它對于區域供冷來說,為滿足用戶在夏季的設計冷負荷,需要很大的蓄冰裝置和制冷機組,初投資高,設備利用率和負荷適用性不高。在夏季中關村1#冷站采用分量蓄存模式,即在夏季日負荷高于夜間蓄冷量時,在白天由蓄冷裝置和制冷機聯合供冷,進入過渡季,負荷下降可采取全量蓄存模式。

常見的外融冰蓄冷系統見圖1,基載制冷機組的作用是滿足夜間制冰時系統內某些用戶的空調負荷,白天時也參與供冷。該系統可制出低達1℃的系統出水溫度,除基載制冷機組外,冷站內制冷機組的冷媒是乙二醇水溶液,雖然融冰環節系統回水直接進入冰槽化冰,無須進行換熱,但是當主機在白天也參與對空調系統供冷時,外網水系統并不直接進入主機,需和主機的乙二醇冷媒進行換熱,也存在著一個換熱環節。

圖1

在中關村1#冷站系統中,采用美國YORK公司設計制造的一臺設計制冷量2000冷噸的離心機組作為基載制冷機組,三臺2000冷噸的雙蒸發器螺桿機組作為蓄冷兼制冷機組。這三臺螺桿機組(型號RWBⅡ-856E)與常規螺桿機組在結構上最大的不同是它們具有兩個蒸發器,其中的冷媒分別是乙二醇和水。

在蓄冷循環時,利用乙二醇冷媒制冰;當白天有制冷要求時,與常規外融冰系統不同,系統回水直接進入另一個蒸發器,降低溫度到4.4℃左右后進入冰槽融冰。此系統見圖2。該系統與一般外融冰系統的差異在于:取消了乙二醇-水換熱器,這樣在白天供冷過程中,進入螺桿機的冷媒溫度高于常規外融冰系統。鑒于取消的換熱器因系統水量非常大所以換熱溫差不會太小,至少應在1.5℃以上,否則因換熱面積的增大,換熱器的設備費用太大。因此該系統的主機較之常規外融冰系統主機白天供冷時的效率,因蒸發器入口冷媒溫度的升高而提高至少在5%以上;沒有了板式換熱器的設置及其阻力損失;由于乙二醇和水的換熱性能差異,白天制冷所用的水冷媒蒸發器的換熱面積小于使用乙二醇冷媒制冷的蒸發器。當然,由于主機增加了一個蒸發器且自控要求更高,這種螺桿機的設備造價略高于單蒸發器的螺桿機組。但就整個系統而言,由于減少了換熱環節,提高了系統總效率,沒有工況改變時閥門的相互切換調節,系統只靠啟停主機和水泵及恒溫變容量運行。作為一個大的區域供冷系統,較充分地發揮了外融冰系統的優點。長期運行的經濟效益將非常可觀。

低溫區域供冷系統的用戶

作為中關村商務中心區的特色之一,各種能源管線如市政給水、燃氣、電力電信、及熱力管線是由外網進入一條環繞中心區長達1.5公里的綜合管廊,該管廊通過二十多條支管廊將各種管線輸送至區域內的各地塊,區域冷站的冷水供回管路也通過綜合管廊送至各用戶,選擇納入區域供冷系統的地塊與區域冷站供水系統的連接非常便利,供冷管路的維護和監控也十分方便。

有了上述的冷站和冷媒輸送系統,中關村商務中心區內的二十多個用戶都可以選擇加入區域供冷網絡,我們將根據用戶增長的情況考慮建設2#、3#冷站。不遠的將來,在建立一個合理收費標準的基礎上,納入該系統的用戶可以取消制冷機房的投資,把機房的建筑空間轉變為其它用途;低溫供水為用戶大大節約其建筑內部空調系統的造價和運行能耗,而且用戶可以很自然地選擇低溫送風方式優化空調系統,例如商務中心區內的21#地--中關村金融中心,在利用區域冷源供冷的前提下,即選用了低溫送風變風量系統;冷源的建設不再是建筑投資商的必然選項,空調系統供水成為一種可以購買到的服務,對用戶而言是具有很大吸引力的。

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