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1、京信大厦水蓄冷系统Chilled water storage system for the Jingxin Building提要 介绍了京信大厦由消防水池改造的水蓄冷系统，并结合运行数据，分析了蓄冷池在各种运行工况下的热工性能，认为利用消防水池兼作水蓄冷，可以节约初投资和运行费，指出了水蓄冷系统设计、施工中应注意的问题。关键词 水蓄冷系统 性能分析 设计 施工 Abstract Introduces the water thermal system for the building. Analyses its thermal properties in different work condi
2、tions with the data measured on site. Holds that the fire storage tank can also serve as a chilled water pool so to reduce both the first cost and operation costs. Points out the problems which should be noted in design and installation of the system.Keywords chilled water storage system property an
3、alysis design installation1 概述水蓄冷系统具有以下优点：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；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；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
4、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
5、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V1V2V3V4V5V6V7V8V9V10P1P2P3P4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
6、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
7、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
8、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：CLj-冷量，J；Mi-i时刻水流量，kg/s；cp-水的定压比热容，J/（kg ）；Ti-供回水温差，
9、；ti-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。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
10、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。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。从供回水温度、水
11、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。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。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41 初投资若采用增加1台700kW的制冷机的方案，设备总投资约120万元。每h用电
12、200kW（包括冷却系统用电），需缴纳用电增容费106万元。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。42 运行费电价结构见表2。表2 高峰平峰低谷时间8:0011:0018:0023:007:008:0011:0018:00 23:007:00电费0.534元/kWh0318元/kWh0118元/kWh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。采用蓄冷池供冷蓄冷用电400 kW（停开原循环泵，加
13、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23），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。
