水蓄冷 解决夜间冷负荷--节能有效措施之一
厦门协立机电设计事务所 黄章星
0.引言
夜间冷负荷只是泛称，本文给予的含义是指当制冷系统停止运行后某些尚需供冷房间所需的冷负荷。比如办公大楼，节假日期间制冷系统停止运行，但此时尚有部份员工需加班，所需冷负荷即为夜间冷负荷。又如商业建筑各空调房间营业时间不尽相同，当制冷系统停止运行后某些商业用房仍需供冷即为夜间冷负荷。上述需供夜间冷负荷的房间亦称为夜间冷负荷房间。
水蓄冷属温差蓄冷，存在着蓄冷量小、水温变化快等特点，故较少使用于大冷负荷场合。
本文试图将水蓄冷所蓄存的冷量应用于夜间冷负荷以达到节能的目的。
1.关于水蓄冷
1.1水蓄冷的构成
水蓄冷水池可采用单建独立水池，也可由消防水池改造而成。一般地若采用单建水池的将占用较大的建筑面积以及增加较多的工程造价，故较少采用。而作为公共建筑，其消防水池容量一般大于600m3，故目前水蓄冷水池较多采用消防水池兼作蓄冷水池。
1.2 消防水池作为蓄冷水池存在的问题
1.2.1 蓄冷容量小
作为蓄冷水池，其蓄存的冷量仅体现为温差蓄冷，以600m3水池为例，当蓄存温差为3℃时，其蓄存的冷量也仅为2100kw·h，当系统耗冷量大时，其蓄存的冷量将被迅速取用而使将蓄冷水池失效。故目前少见消防水池作蓄冷水池应于大耗冷量系统中。
1.2.2 水温的影响
蓄冷水池蓄冷为温差蓄冷，池水蓄冷至一定的温度后被取用，若此时无冷量继续蓄入，则水温将持续上升，上升至某一温度后蓄冷水池将失效。
1.2.3 消防水池可靠性问题
作为消防水池其存蓄的水量不得因为它用容量下降以及为避免水系统变为开式系统，故存取冷量时必须采用板式换热器来实现。而板式换热器换热时均存在换热温差。当制冷系统供回水温度采用常规进出水温度7℃/12℃时，蓄冷水池最多也只能降至8℃。若欲使蓄冷水池温度更低而将制冷系统冷水机组出水温度下调将导致效率下降也是不可取的。
1.2.4 消防水池作为蓄冷水池蓄冷时池内水的流动方式不同决定着蓄冷效率高低，一般地可利用分层原理减少冷热水的掺混，尽量使池水呈活塞式流动可提高蓄冷效率。
2.关于夜间冷负荷
2.1 夜间冷负荷占总冷负荷的比例
夜间冷负荷占总冷负荷比例将直接影响系统构成。当比例较高时，只能启动制冷系统供冷。当比例较低时，制冷系统处于尴尬状态。此时若启动制冷系统，“大马拉小车”现象严重。虽然冷水机组具有自动卸载能力，但低负荷时机组能效比差以及冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机必须运行等情况将导致单位冷量能耗急促上升。而且上述比例越低，单位冷量能耗越高。上述比例低至一定程度，制冷系统将停止运行。
夜间冷负荷占总冷负荷比例过低导致能耗过高现象在工程实际中经常出现。曾有位经营40间豪华包间餐厅的业者向笔者抱怨：某些包间餐厅顾客滞留时间较长，尚若只剩包间尚在营业，此时制冷系统还必须开启，所耗电费还抵不上这几间包间餐厅的营业收入。为此，只好为每间包间餐厅另行装上独立空调以备用。
2.2 夜间冷负荷工作时间
夜间冷负荷房间若因工作需要需启动制冷系统，其工作时间越长，倘若无相应的节能措施，其能耗越大。
3.关于水蓄冷和夜间冷负荷
3.1 消防水池蓄冷量小，夜间冷负荷一般也较小，两者能否结合起来呢？图一为利用消防水池蓄冷提供冷量给夜间冷负荷房间之简图。
图中板换1为板式换热器， 泵1 为夜间冷冻水泵，泵2为池水循环泵。当制冷系统开启时，池水属于蓄冷阶段。此时开启池水循环泵，开启阀1、阀2、阀3、阀4，关闭阀5、阀6，直至池水水温至8℃。当制冷系统停止运行后，开启夜间负荷冷冻水泵和池水循环泵，关闭阀1、阀2、阀3、阀4，开启阀5、阀6，向夜间冷负荷房间供冷。
3.2 当制冷系统开启时，消防水池内池水蓄冷至8℃。当制冷系统停止运行后，取消防水池蓄存的冷量向夜间负荷房间供冷。此时，池水温度上升，一般地池水水温升至11℃仍可使用，但此时末端设备出力将下降，相应地除湿能力亦下降。
3.3 600m3消防水池蓄存的可用冷量当温差为3℃时为2100kw·h，大约可供100间办公室使用6小时。
4.工程实例
4.1 某高层办公大楼，建筑面积50000m2，制冷系统设置制冷量为2440kw离心式冷水机组2台，调负荷用制冷量为1220kw螺杆式冷水机组一台。负荷用机组配套冷冻水泵30kw一台，冷却水泵30kw一台，冷却塔15kw一台。
4.2 上述办公大楼节假日员工加班若启动调负荷机组供冷。假定50个房间为夜间冷负荷房间 使用时间6小时，则其最低耗电量如下：
a. 调负荷用冷水机组调至最低负荷率10%运行，其电耗60kw；
b. 冷冻水泵30kw；
c. 冷却水泵30kw；
d. 冷却塔15kw；
合计总耗电量为135kw。
4.3 为避免应付夜间冷负荷出现上述的高能耗情况。在制冷机房旁设置 600m3消防水池蓄存冷量供夜间冷负荷使用。设置池水循环泵3kw一台，夜间冷负荷冷冻水泵10kw一台，板式换热器一台。
4.4 上述办公大楼节假日员工加班而启用水蓄冷系统。同样为50个夜间冷负荷房间，使用时间6小时，其耗电量如下：
a. 调用蓄冷水池中蓄存冷量1050kw·h，共耗去制备该冷量时冷水机组电耗、冷冻水泵电耗、冷却水泵电耗、冷却塔电耗、池水循环泵电耗为300kw，折合每小时电耗50kw。
b. 夜间冷负荷循环泵10kw。
合计总耗电量为60kw。
4.5 运行费用比较
4.2 给出了应付50间办公室加班而启用调负荷用机组每小时耗电为135kw，4.4给出了应付50间办公室加班而启用水蓄冷系统每小时耗电为60kw，耗电比率为44%。上述分析基于50间办公室加班耗冷而得出，当加班间数低于50间时，其耗电比率更比；当加班间数高于50间，则耗电比例亦上升。
5.消防水池改造及配套增加的造价
增加了消防水池池壁保温，以及增加1台板式换热器、2台池水循环泵（1台备用）、2台夜间负荷冷冻水泵（1台备用）以及若干管路，造价约需人民币10万元左右。
6.小结
6.1 消防水池改造为蓄冷水池，由于其蓄冷容量小，不容易满足较大冷负荷需求，但对于较小冷负荷的夜间冷负荷是容易满足的。
6.2 消防水池改造为蓄冷水池提供冷量给夜间冷负荷房间其造价增加是较低的。
6.3 消防水池蓄存的冷量提供给夜间冷负荷房间相比于制冷系统提供冷量给夜间冷负荷房间，其节能效果是显著的。