16华森李百公深圳财富港大厦动态冰蓄冷空调系统设计及应用

深圳财富港大厦动态冰蓄冷空调系统设计
及应用
深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司李百公☆
广州高菱能源技术有限公司漆科亮肖睿
摘要：动态冰蓄冷系统具有制冰效率高，放冷速度快的优点，但系统运行不够稳定，应用案例少；在深圳财富港大厦的过冷水式动态冰蓄冷空调系统的设计中采用了模块化设计、优化自控设计等方法，在运行调试中采取各种措施保证了过冷水换热器的稳定运行；通过实测运行工况，掌握了系统运行的实际运行工况，并对该系统的设计、运行维护提出了建议。

关键词：动态冰蓄冷过冷水换热器蓄冷放冷运行稳定
Shenzhen caifugang building dynamic ice storage air
conditioning system design and application
Baigong Li★
Abstract：Dynamic ice storage system has the advantages of high efficiency ice-making, fast speed cooling off, but the system is not stable, and less application case. In ShenZhen caifugang building dynamic supercooled water type adopted in the design of ice storage air conditioning system, and automatic optimization design method of modular design. In the running and debugging took various measures to ensure the stability of the supercooled water heat exchanger; Through actual operation condition, and master the practical operation of the system operation condition, and propose some advantages of the system design, the system running and maintenance Keywords：Dynamic ice storage Supercooled water heat exchanger Cold storage Release cold Running stability
Shenzhen huasen architecture and engineering design consulting co. LTD, Shenzhen, Guangdong province, China
引言
由于深圳峰谷电价政策较为优越，近年来蓄冷空调系统的应用越来越多，因系统应用早，技术相对成熟，蓄冷装置占地面积小等原因，冰蓄冷系统特别是静态冰蓄冷成为蓄冷空调系统的主流。

静态冰蓄冷系统制冰时水静态地被冻结成冰并附着在传热壁面上[1]，随着蓄冰量增加，冰层厚度逐渐加大，传热效率及制冷效率也大为降低。

为克服上述缺点，动态冰蓄冷系统制冰时水与传热壁面发生热交换，但冰的形成并不在传热壁面，而是在远离传热壁面的空间解除过冷生成冰浆，即制冰过程是动态的，该系统消除了静态冰蓄冷技术的固态冰层导热热阻，同时液体和传热壁面间换热效率高。

☆李百公，男，1971年3月生，大学，教授级高级工程师
518031深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司(0755) 86126775
E-mail：libg@
动态冰蓄冷主要有过冷水式和刮刀扰动式两种形式。

在上世纪90年代末日本开展研究，并逐渐在一些项目中应用；我国清华同方、中科院广州能源所在本世纪初开始了研究工作，特别是中科院广州能源所成功地在实验室内解决了过冷水动态冰蓄冷技术的热交换器堵塞、超声波促晶、动态解冰等关键技术难题，但之后并没有实际商业应用案例在实践中验证。

根据有关机构统计和调研[2]，2011年1月至2015年6月，我国完成的蓄冷空调系统，其中完成的各种类型的冰蓄冷空调系统比例统计见表1。

应用案例远低于静态冰蓄冷，会造成技术成熟慢，项目业主应用的意愿低。

深圳财富港大厦于2010年完成设计，在项目施工阶段，经建设方、设计方、监理等各方一起调研分析，最终大胆地决定在本项目上应用过冷水式动态冰蓄冷空调系统，我公司与广州能源所合作，于2011年完成设计，2012年调试，从2013年正式运行，目前成功运行至今，期间也有坎坷弯路，经过双方密切合作，共同努力，一一解决了实际应用的难题，阐述如下。

1 项目概况
财富港大厦位于宝安西乡，总建筑面积13.55万m2，项目包括一栋25层办公楼及三栋住宅楼，办公楼设计为集中空调系统供冷，其一层为大堂及商业、二层为架空层，三层至二十五层为办公，制冷机房设于地下一层及地下二层。

本工程集中空调面积为39458 m2，本工程空调冷负荷计算结果如下：设计日峰值冷负荷为5312KW （1511RT）,设计日总冷负荷为51295KW.h（14520RT.h）。

2 动态冰蓄冷系统设计
2.1 系统基本设计
本工程空调冷源系统采用了过冷水动态冰浆蓄冷系统，选用2台螺杆式双（1825kwX2),供回水温度为5~10°C，制冰工况制冷量为（1375kwX2),供回水温度为-0.5~-3.5°C，每台双工况冷水机组配置一台制冰能力为1825kw的动态制冰机组（该机组集成了过冷水换热器、超声波促晶器、预热及解冻板换等设备），动态制冰机组置于蓄冰槽之外，与其对应的冷水机组之间通过乙二醇管道相连，冷却塔、冷却水泵与主机一一对应配置；其中冷水机组、冷水泵、冷却水泵、乙二醇泵及换热机组设于地下一层制冷机房；动态制冰机组、制冰水泵及放冷水泵均与蓄冷水槽一道设于地下二层制冷机房。

两台双工况主机R-1,2在白天都可参与直接供冷(5~10°C)，在电价高峰时段，主机和蓄冰槽并联联合供冷。

蓄冰槽有效容积约480m3，位于地下2层，采用钢筋混凝土结构，内表面敷设聚氨酯发泡保温层，并采用聚脲防水。

双工况主机夜间8小时全负荷蓄冷，日蓄冷总量为5865RTh，占设计日空调负荷总量的40.4%。

动态冰蓄冷空调系统原理图见图1。

图1动态冰蓄冷空调系统原理图
2.2 系统设计特点
2.2.1模块化设计
冰蓄冰系统的动态制冰机组采用
模块化设计，即一台过冷水换热器、一台超声波促晶器、一台预热及解冻板换等设备集成为一台动态制冰机组，使得系统的安装、运行、维护和维修等大大简化和方便。

2.2.2 优化自控系统设计
蓄冷中央空调系统包含5种运行
模式，并能根据需要自动切换，可根据条件变化灵活满足供冷需求。

5种运行模式分别为主机单独蓄冷、主机单独供冷、单独融冰供冷、主机和冰槽联合供冷、边蓄边供。

5种模式由控制系统根据电价分段情况、末端负荷需求情况、季节变化情况等不同条件自动切换，同时满足在保证供冷品质的前提下实现
运行电费的最低化。

上述模式中的边蓄边供功能是为了应对末端用冷负荷率
非常小时（如少数人加班）的情况，此时开启主机直供会因负荷率太低而能
效极差，因此采用开启主机满负荷蓄冷，同时由蓄冰槽负责供给少量冷量需求，则可实现系统整体节能效益。

本工程蓄冰自控控制系统设计中
还包括主机群控、水泵群控、冷却塔启停、末端负荷监控等节能控制技术，这些技术应用的根本目的是为了实现机
房冷源侧和末端负荷侧之间的实时负
荷追随，从而精细化匹配能源的分配和使用，最终达到提高系统综合运行效率的目的。

主机群控是以末端名义总负荷（即通过分、集水器温差及冷冻水主管流量测算的实时送出冷量）的变化为追随目标而采取的启停组合控制，同时为了解决空调系统的滞后性或反馈惰性，增加了供水温度和回水温度两个补偿
控制，即当送水温度偏高到一定程度，则加载主机，以保证供冷品质不下降，当回水温度降低到一定程度，则减载主机，以避免过度供冷的能源浪费。

水泵结合变频的群控技术也类似主机群控，不在赘述。

冷却塔风机的启停则根据气温的变化和冷却水温度的控制目标，在充分利用环境温度自然冷却能力的基
础上，自动开启或停止以节约风机能耗。

2.2.3 蓄冰槽独立供冷设计
动态冰蓄冷是以冰浆的形式存储冷量，在融冰放冷时因放冷回水（高温水）与疏松状的冰沙进行渗透式直接接触融冰，因而放冷速度大幅度提升，根据负荷需要，可以实现蓄冰槽独立供冷。

制冷机房实景及蓄冰槽监控截图详见图2~4。

图2制冷机房实景图(动态制冰
机组及促晶器)
图3蓄冰槽监控截图（蓄冰结束形成冰水混合物）
3 运行调试难点及解决方案
由于动态冰蓄冷系统的稳定性和可靠性与其过冷水换热器的运行参数和冰浆输送管道的加工和安装水平有很大关系，因此本工程的调试和运行存在一定的难度，并出现了一些技术和系统问题。

3.1 过冷水换热器换热参数衰减造成的系统不稳定性
本工程所选用的过冷水换热器为对数平均温差只有1℃的小温差板式换热器，小温差换热器的换热性能对换热系数的变化非常敏感，一旦换热系数出现较为明显的偏离后，冷热流体的进出口温度都将发生明显变化，这种温度变化足以造成过冷水制取系统的不稳定性。

图4蓄冰槽监控截图（电价高峰时段融冰供冷）
蓄冷系统是开式系统，过冷水换热器中的冰水在使用一段时间后因为金属腐蚀物和硬度等原因逐渐使得换热器表明的污垢系数增大，换热系数也相应降低，这对于小温差换热器来说直接造成过冷水侧的进出口温度偏离设计值，最终造成过冷度衰减，从而诱发系统出现较为频繁的冰堵。

该问题的解决方法一是加强了冰水循环的物理过滤效率，采用目数更高的滤芯；二是执行定期拆洗板换的保养措施。

3.2 过冷水换热器两侧流量的变动造成系统的不稳定性
因水泵的选型偏差和管道阻力的实际施工偏差，造成调试过程中实际流量与设计流量之间的偏差，这种在常规空调系统中并不明显影响系统性能的流量偏差，在本工程中则会对过冷水的温度制取造成显著影响。

调试过程中主要通过设备参数调整和管路整改解决过冷水换热器两侧流量偏差的问题，从而实现系统的稳定运行。

在实际长期运行期间，造成流量
衰减的原因则主要是乙二醇溶液泄漏
以及补水不及时、蓄冰槽水温变化未得到及时恢复、冰水滤芯长期不更换、水泵性能衰减等原因，在本工程中均出现过。

实际解决方案是制定并执行定期的系统巡检和维护措施。

3.3 传感器漂移造成系统运行不稳定
本工程动态冰蓄冷系统的核心控制功能对温度、压力和流量等传感器的精确度和可靠性要求较高。

在调试期间，对其实际测量值的精确校准是关键和重要的工作。

在长期运行中，定期消除各传感器的漂移则是至关重要的。

传感器读数一旦出现较大偏差，尤其是冰水过冷度和流量传感器，将直接导致空调系统出现错误指令，严重影响过冷水系统的安全和稳定制取。

在实际运行中的解决方案仍旧是制定并执行定期的系统巡检校准。

4 运行评估
为了掌握本项目动态冰蓄冷实际运行状态，分析其运行中的问题，提高系统运行效率，本项目业主聘请第三方专业团队监测了该系统在2014年7月1日至9月30日三个月的实际运行工况。

4.1蓄冷放冷数据分析
根据监测数据[3]，夜间23点蓄冷后，双工况主机运行2~3小时即可稳定在-1.3~-1.4℃稳定蓄冷，在典型日1#双工况主机每小时蓄冷量为324~399RT.h，平均值为352RT.h，2#双工况主机效率较高，每小时蓄冷量为361~437RT.h，平均值为388RT.h，主机逐时蓄冷量曲线参见图5。

图5 典型日双工况主机逐时蓄冷量
曲线
从图5可看出，本系统夜间主机蓄冷工况稳定，避免了静态冰蓄冷随着蓄冷时间的持续，结冰厚度增加，双工况主机的出水温度需要从-5.6℃降低至-6.0~-6.5℃，主机效率及制冰量都下降且工况不稳定的缺陷。

根据监测数据，日平均放冷量占总供冷量比例为37%，较为接近设计值40%，日平均放冷量占蓄冷量比例为72~100%（剔除放冷系统不正常的8月23日数据），平均值为93%，系统放冷工况比较理想，逐日放冷量比例曲线见图6。

图6 逐日放冷量比例曲线
需要特别说明的是，由于制冰和储冰的空间分离，即使前一天有未融掉的剩冰，也不会像盘管蓄冰装置，由于控制系统未调整导致第二天蓄冰过量将盘管胀破。

4.2 经济性分析
系统监测时间为3个月（2014年7月1日至9月30日期间），根据实地调研统计，全年时间供冷时间为9个月。

监测相关数据：动态冰蓄冷系统总蓄冷量为1554705 KW.h，蓄冷总耗电量为518240 KW.h ，冰蓄冷系统总放冷量为1460972 KW.h；据此可推算出冰蓄冷系统全年蓄冷总运行电费（含白天放冷水泵及冷冻水泵运行电费）、冰蓄冷系统全年总放冷量如采用常规空调系统主机直供的耗电量及运行电费，两个运行电费差值即为动态冰蓄冷空调系统节省的运行费用；其中电价采用深圳现行的峰谷电价，根据常规空调系统主机、水泵及冷却塔配置情况，系统能效比EER取为3.5。

具体各参数对比统计详见表2。

表2 全年耗电量及运行费用统计表
从表2中可看出，本项目动态冰蓄冷空调系统比较常规空调系统全年节省运行费用为48.56万元，年节省率为19.8%，具有一定的经济效益。

5 结语
动态冰蓄冷空调系统对比静态冰蓄冷空调系统具有制冰效率高、放冷速度快等优点，但在动态制冰设备的研发、生产方面，有经验和技术水平高的厂家偏少，该系统对调试、运行管理要求精准到位，本项目运行调试中过冷水换热器也出现的运行工况不稳定的情况，通过采取及时有效的措施才调试成功。

动态冰蓄冷空调系统要求设计准确，特别是制冰系统的水泵扬程需根据现场管道实际安装情况复核确定；空调系统运行管理单位需制定关键设备及附件（特别是过滤器、过冷水换热器）的定期巡检、维护制度并严格执行。

动态冰蓄冷空调系统目前应用案例少，还有待更多工程的应用，积累经验，才能使动态冰蓄冷空调系统更加稳定成熟，发挥更大的节能效益。

参考文献：
[1] 冯自平.流态化动态冰蓄冷技术
及其先进性 [J].智能建筑与城
市信息，2007,3:28-31
[2] 徐伟，孙宗宇，李骥，张瑞雪，
李锦堂.中国蓄冷空调工程应用
调查分析研究（2011-2015）[J].
暖通空调，2016,46(7):75-80 [3] 刘芳.深圳市财富港大厦动态冰
蓄冷系统运行评估[J]。