山东省建筑设计研究院 李向东
摘 要：文章首先对蓄能系统、温湿度独立控制空调系统的应用形式、特点进行了分析，结合实际工程，对温湿度独立控制空调系统中的大温差蓄冷以及蓄冷、蓄热结合进行了详细的分析、计算，大温差蓄能系统有效地避免了蓄冷系统“节费不节能”的问题，同时实现了全年蓄能系统的有机结合。
关键词：温湿度独立控制空调系统；蓄冷；蓄热；大温差；节能
0 引言
采用电力制冷的蓄冷系统是电力系统需求侧管理的有效手段，对于电网的削峰填谷具有重要意义，同时可以大幅度降低用户制冷电费，在常规空调系统中已得到了广泛的应用。使用电锅炉的蓄热系统，在一些电力条件允许、其他供暖能源不具备时也有一定的应用。
蓄冷系统主要的应用方式为水蓄冷和冰蓄冷，一般情况下，蓄冷系统的主机效率都有不同程度的降低，再加上蓄冷装置的冷量损失、额外增加的蓄冷、释冷水泵的能耗以及换热温差的存在，造成蓄冷系统实际能耗增加，“节费不节能”。在绿色建筑评价中，当需要通过全年能耗分析对围护结构进行节能判定时，蓄冷系统尤其冰蓄冷系统极为不利。一般来说，水蓄冷的节能效果优于冰蓄冷，当同时采用冬季电蓄热时，宜优先采用水蓄冷、蓄热系统。但通常水蓄冷的可利用温差大大小于蓄热时的可利用温差，造成冬、夏季对蓄能槽容积要求的差异，按夏季蓄冷设计的蓄能槽，冬季大部分容积空闲。
温湿度独立控制空调系统采用干式风机盘管、辐射式末端等作为空调系统的显热处理设备，夏季以高温冷水为冷媒，大大提高了冷水机组的效率，是一种较常规空调系统节能的空调系统形式。
温湿度独立控制空调系统如与冰蓄冷系统结合，不仅无法发挥高温冷水系统的优势，反而增加了系统的能耗。因此，温湿度独立控制空调系统应与水蓄冷系统结合使用。由于空调末端对水温需求的的提高，为大温差蓄冷创造了条件，同时也为蓄冷、蓄热联合应用创造了条件。本文将结合一个实际工程，探讨大温差水蓄冷、蓄热系统在温湿度独立控制空调系统中的应用。
1 蓄能系统应用简介
1.1 蓄能的意义
电力供应同时具有昼夜峰谷差与季节峰谷差，其中昼夜峰谷差与人们正常的生活、生产作息规律相关，季节峰谷差则与空调制冷的使用有关。我国以火力发电为主，电力调峰困难，电力企业为平衡电网，需设置抽抽水电站等蓄能装置，成本高，效率低。
空调负荷存在明显的昼夜峰谷差，大量的办公、商业建筑，空调峰值负荷高，夜间基本没有负荷。夏季空调负荷与电力负荷峰谷重叠。冬季供暖以集中供暖为主，采用热泵供暖的比例较低，空调对电力需求的贡献较低。
解决电力负荷峰谷差异的有效方法是采用电力需求侧管理，其中实施峰谷分时电价，采用蓄能空调系统就是一个理想的解决方案。当前北方供暖地区推行“以电代煤”、热泵供暖，从电力供应的角度，也是一种需求侧管理的做法。
采用基于电力需求侧管理的蓄能空调系统，对电力企业，可以减少发电装机容量，均衡负荷、补偿负荷、稳定电力系统；对供电企业，可以减少输变电设备，充分利用现有输变电设备；对用户来说，利用低谷电价，节约运行费用。
虽然大部分的蓄能空调并不节能，但蓄能空调系统对于改善城市、地区电网供电状况，平抑电力峰谷差，提高电厂一次能源利用效率具有重要意义，因此虽然蓄能空调系统不节能，但却一直属于国家及各地推广的“节能技术”。
1.2 常用蓄能空调系统特点分析
蓄能空调系统分为蓄冷和蓄热，其中蓄冷分为水蓄冷、静态冰蓄冷、动态冰蓄冷以及高温相变蓄冷，目前应用以前两种为主；蓄热分为水蓄热、固体蓄热、相变蓄热等，目前应用以水蓄热最为常见。
1.2.1 冰蓄冷系统
静态冰蓄冷以水的相变蓄冷为主（溶解潜热335kJ/kg），单位蓄冷能力40~50kW·h/m3。冰蓄冷系统主机蓄冷工况时的效率约为常规非蓄冷工况的65%左右。蓄冰设备分为封装式（以冰球为主），和盘管式（塑料盘管或钢盘管）。蓄冰槽可以是出厂成品钢制蓄冰槽，也可以是现场制作的混凝土蓄冰槽。蓄冰槽不可兼做蓄热槽。
动态蓄冰有片冰式、冰浆式（流态冰）等，与静态蓄冰相比，蓄冷主机效率衰减幅度略低；采取一定措施，蓄冰槽可兼做蓄热槽。
1.2.2 水蓄冷系统
水蓄冷为显热蓄冷（比热容4.184kJ/kg·℃），单位蓄冷能力7~11.6kW·h/m³，常规蓄冷温度4~6℃，蓄冷温差5~6℃。水蓄冷系统主机蓄冷工况效率与常规非蓄冷系统基本一致。水蓄冷槽可兼做蓄热槽。水蓄冷槽有迷宫式、多槽式、自然分层式等形式。其中自然分层式是最简单、有效、经济的水蓄冷形式，蓄冷效率可达85%~95%。
自然分层式水蓄冷的关键在于散流器（布水器）设计，良好的布水器可以将水平稳地引入蓄冷槽内，依靠密度差而不是惯性力产生重力水流，形成一个使冷热混合尽量小、厚度尽量薄的斜温层，达到自然分层的目的。
1.2.3 电蓄热
根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736–2012以及《公共建筑节能设计标准》GB 50189–2015，直接电加热设备作为供暖热源具有严格且明确的限制条件，首先必须征得供电部门同意，当地电力条件允许且电力需求侧实行峰谷分时电价；其次，作为电蓄热系统必须是一个全量蓄热的系统，电锅炉仅在夜间低谷电力时段使用。
水蓄热系统以电锅炉作为加热设备。电锅炉主要有电阻式电锅炉和电极式电锅炉两种。电阻式电锅炉采用3Φ/380V供电，采用高阻抗电热元件通电发热加热热媒水。电热元件由金属外壳、电热丝和氧化镁三者组成，氧化镁作为绝缘体和导热介质充填在金属管壁和电热丝之间。氧化镁的质量以及制造工艺影响电热元件的使用寿命及锅炉的热效率。电阻式锅炉的优点是水中不带电，使用较为安全，对水质要求不高。但是，电阻式锅炉的容量依靠电热元件的数量来实现、并按实际投运数量来调节锅炉的负荷，容量难以做到很大，负荷无法做到连续调节。
图1 电极热水锅炉结构图
电极式电锅炉（图1）采用3Φ/10kV高压供电，不需变压器，用户直接从高压配电柜将10kV电源进线接入电极锅炉的电极上端即可。电极锅炉以水作为介质，利用水的高热阻特性，直接将电能转换成热能。电极式锅炉可以提供极高的功率，并且启动迅速，短时间内即可达到设计功率；几乎没有能量损失；启动电流小（对于一台额定功率4MW的电极锅炉，其运行电流为：
启动电流为额定电流的10%即23.1A）。电极式锅炉一般都装有套筒，通过调节套筒的高度，改变水的电阻，达到连续调节负荷的目的。电极式锅炉对水质有严格的要求，加热水必须为纯水并投加药剂调整导电率。
2 温湿度独立控制空调系统应用简介
常规集中空调系统夏季采用7℃的低温冷水作为冷媒，采用风机盘管作为空气处理末端，对室内降温的同时，析出空气中的水分，达到除湿的目的，属于温湿度联合控制。常规空调系统主机效率低，能耗高；空调末端冷凝水盘易滋生霉菌，室内空气质量差。
温湿度独立控制空调系统由温度控制系统和湿度控制系统组成，其中温度控制系统利用高温冷水（一般14~17℃）为冷媒，负担室内显热负荷，空调末端在干工况下运行；湿度控制系统由独立的新风除湿系统构成，负担全部的新风冷负荷、湿负荷以及室内湿负荷。温湿度独立控制空调系统中冷水机组在高温水工况下运行，效率高；干式末端无冷凝水，不产生霉菌等对人体健康有害的物质。因此，温湿度独立调节空调系统具有高效、节能、舒适、健康的特点，近几年，已经在一些高档住宅、写字楼、医疗建筑、机场、车站等建筑中得到了越来越多广泛的应用。
根据独立除湿新风系统的不同，温湿度独立控制空调系统主要有基于溶液除湿的温湿度独立控制空调系统和基于内冷式双冷源的温湿度独立控制空调系统两种形式。无论何种形式的温湿度独立控制空调系统，最终的系统节能都要靠高温冷水机组的效率提升实现。
3 大温差水蓄能系统在某温湿度独立控制空调系统中的应用
3.1 工程概况
某工程（图2）包括A、B、C、D四座办公楼、裙房、地下车库。总建筑面积197932.13m2，其中A座、C座办公楼三层以上办公部分采用内冷式双冷源独立除湿新风机组加干式风机盘管的温湿度独立控制空调系统，该部分建筑面积71050m2，夏季空调冷负荷7800kW。
图2 工程鸟瞰图
基于内冷式双冷源独立除湿新风系统的温湿度独立控制空调系统，夏季，干式末端及双冷源新风机组的预冷负荷由集中高温冷源承担，双冷源新风机组深度除湿负荷由机组内置的压缩制冷系统承担。冬季，所有热负荷均由集中热源承担。经计算，本工程空调负荷见表1。
表1 空调负荷统计
3.2 水蓄冷系统
3.2.1 系统概述
夏季设计日逐时冷负荷如图3，设计日总冷量59420.9kW·h。水蓄冷系统采用分量蓄冷模式，主机采用两台变频离心式冷水机组，夜间蓄冷工况串联运行，进出水温度分别为17/11℃、11/5℃；白天空调工况为高温水工况并联运行，供回水温度14℃/19℃。
图3 蓄冷系统逐时冷负荷
蓄冷槽蓄冷完成温度为5℃，释冷完成温度为17℃，有效蓄冷温差12℃，实现大温差蓄冷。
水池侧为开式系统，空调侧为闭式系统，蓄冷槽通过板式换热器与空调侧间接连接，空调系统供回水温度14℃/19℃。水池释冷与主机联合供冷采用并联系统。
3.2.2 主要计算过程
（1）冷水机组容量qc（kW）：
式中：Qc为设计日总冷量（kW·h）；qc为冷水机组名义制冷量（kW）；n1为晚间蓄冷运行时间，n1=8h；n2为白天空调冷水机组运行时间，n2=9h；K为冷损失附加率，考虑蓄冷槽及管道损失，取K=1.03。
冷水机组选型结果见表2。
表2 冷水机组选型结果
（2）蓄冷量QS（kW·h）：
QS = n1×qc = 8×3600.2 = 28801(kW·h)
（3）蓄冷槽容积VC（m3）：
式中：VC为蓄冷槽进出水温差，本工程为12℃；ρ为水密度，取1000kg/m3；CP为水的定压比热，取4.187kj/kg·℃；φ为蓄水槽完善度，考虑冷斜温层和混合的影响，取0.85；η为水池容积率，取0.95。
设计蓄冷槽总有效容积2800m3，其中380m3为与消防水池合用，其余2420m3为与蓄冷槽合用。
3.2.3 水蓄冷系统运行模式
（1）蓄冷：11:00pm~7:00am，两台变频离心式冷水机组串联运行，进出水温度分别为17/11℃、11/5℃。蓄冷运行时，前级主机的COP为7.0，后级主机的COP为5.3，平均6.15，较该机组在名义工况（名义工况指供回水温度7℃/12℃）下的COP（6.0）提高2.5%，实现蓄冷系统同时也是节能系统。
（2）释冷：日间通过释冷水泵自蓄冷槽底部抽取5℃冷水，经板式换热器换热后温度升高到17℃，自蓄冷槽上部返回水池。释冷终期温度17℃，蓄冷槽可利用蓄冷温差12℃。空调侧高温冷水供回水温度14/19℃，与蓄冷水之间最小换热温差为2℃。
（3）主机单独供冷：两台离心式冷水机组均以14/19℃高温工况并联运行为空调系统直接提供高温冷水，主机COP=7.4，较该机组在名义工况下的COP提高23.3%。
（4）水池释冷与主机以并联方式联合供冷。联合供冷模式下，根据当地峰谷电价情况，采取避峰运行，即在上午10:30~11:30尖峰电价时段，仅通过水池释冷运行。
3.3 电蓄热系统
3.3.1 系统概述
冬季设计日逐时热负荷如图4，设计热负荷6445kW，设计日总耗热量58005kW·h。蓄热系统采用全量蓄热模式。加热热源采用两台10kV电极锅炉无压运行，额定功率4.0MW/台。锅炉为专线供电，仅在夜间电力低谷时段（23:00~7:00）蓄热运行。
图4 蓄热系统逐时热负荷
根据现行规范及通用手册，冬季热负荷采用稳态计算方法，因此文献[1]、[2]设计日总耗热量均按设计热负荷乘以供热系统运行时间，即不考虑逐时热负荷。而事实上，因太阳辐射、人体、设备等自由热的存在，设计日的逐时热负荷是客观存在的，受计算工具的限制，工程设计中无法给出较为准确的逐时热负荷，本设计根据既有项目反馈数据，结合项目的本身情况，人为给定了一个较为粗略的、偏于保守的逐时负荷系数。
3.3.2 主要计算数据
（1）电锅炉功率N（kW）：
式中：QR设计日总耗热量（kW·h）；qR为电锅炉总功率（kW）；n1为夜间电锅炉运行时间n1 = 8h；k为热损失附加率，取k =1.05~1.1；η为电锅炉热效率，普通电阻锅炉取，本工程采用电极锅炉，取0.99。
电极式锅炉选型结果见表3。
表3 电极式锅炉选型结果
电极式热水锅炉 功率4MW，进出水温度80/55℃，调节范围1%~100%无极调节，热效率≥99.5%，额定工作压力常压，控制方式PLC，运行重量2200kg，接线电压10kV
（2）蓄热槽容积VR（m3）：
式中：∆t为蓄热槽进出水温差。本工程，有效蓄热温差为25℃；其余同水蓄冷。
计算蓄热槽容积与夏季蓄冷槽容积基本一致且略小，既满足冬夏季分别蓄热、蓄冷的需要，又避免了常规蓄冷、蓄热槽按夏季蓄冷工况确定的容积远大于冬季蓄热工况的问题，实现了全年蓄能的有机结合。
3.3.3 电蓄热系统运行工况
（1）蓄热：11:00pm~7:00am，电锅炉运行蓄热。电极锅炉与蓄热板换构成一次侧循环加热系统，循环介质为纯水，常压运行，供回水温度80℃/55℃；蓄热板换与蓄热槽构成二次侧循环蓄热系统，循环介质为软化水，开式常压运行，供回水温度75℃/50℃，蓄热终期温度70℃。
（2）释热：日间通过释热水泵自蓄热槽上部抽取70℃热水，经板式换热器换热后温度降低到45℃，自蓄热槽底部返回水池。释热终期温度45℃。空调侧热媒水设计供回水温度55/40℃，与蓄热槽之间换热温差为5℃。
因电蓄热为全量蓄热模式，本系统不存在锅炉单独供热与联合供热模式。
3.4 蓄能系统流程
图5为该工程蓄能系统流程图，表4为对应的运行策略。
图5 蓄冷蓄热系统流程图
表4 蓄能系统运行策略
3.5 蓄能水池做法
图6为消防兼蓄冷水池结构示意图，图7为蓄冷兼蓄热水池结构示意图。
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| 图6 消防兼冷水池结构示意 | 图7 蓄冷兼蓄热水池结构示意 |
4 小结
本工程结合温湿度独立控制空调系统的高温冷水需求，夏季采用大温差水蓄冷，与冬季蓄热系统结合，实现全年蓄能系统的有机结合。
大温差水蓄冷通过蓄冷工况下主机串联运行实现，两台主机的平均效率大于常规工况，而日间空调工况为高温工况并联运行，效率远大于常规工况，实现了蓄能系统同时是一个高度节能系统的目的。
参考文献
[1] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司.《全国民用建筑工程设计技术措施.暖通空调.动力》. 北京:中国计划出版社，2009.
[2] 陆耀庆主编.《实用供热空调设计手册》第二版. 北京:中国建筑工业出版社, 2013.
[3] 中国建筑科学研究院.《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736–2012.北京：中国建筑工业出版社, 2012.
[4] 中国建筑科学研究院.《公共建筑节能设计标准》GB 50189–2005.北京:中国建筑工业出版社,2015.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年6月刊总第22期。
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