摘要：通过对实际空调工程设计的分析阐述整体化蓄冰空调系统这一新的设计理念所带来的显著经济效益和节能作用，重点介绍并分析了冰蓄冷、变风量、低温送风、空调自控等关键技术的具体应用及实施方法和要点。
关键词：蓄冰空调 变风量 空调自控
近几年，冰蓄冷空调工程由于其对均衡电力峰谷负荷具有十分显著的作用而在国内蓬勃兴起，有十分广阔和美好的应用前景。但就已在运行的系统而言，大多数是采用了蓄冰系统与常规空调系统相结合的方式，即蓄冰系统作为空调冷源，而空调系统仍然采用常规水温（7/12℃）和常规送风温度（13～15℃）。这种配置固然可以对电力负荷起到“移峰填谷”的作用，也可部分地节省用户的运行费用，但却也带来了两个严重缺陷，一是用户设备初投资增加；二是能源利用率降低，即所谓的“省钱但不节能”。其实，蓄冰空调技术发展到今天，完全可以避免这两种缺憾，而且还能为用户带来比常规空调更为舒适的空调环境，这就需要我们在设计中贯彻整体化蓄冰空调的理念。?
我们知道，通过合理的设计，冰蓄冷系统的融冰温度可在2℃左右或更低，即使通过板式热交换器进行换热，仍然可以获得3℃左右的空调冷冻水。结合冰蓄冷系统提供的低温位冷源的优势并加以充分利用的空调系统被称作整体化蓄冰空调系统（integrated ice storage air conditioning system），而低温送风技术及与之相应的大温差供水技术就是其最重要应用。?
低温送风空调的送风温度普遍被认为是4~11℃，这对于24℃的室内设计温度，送风温差可达13～20℃，冷冻水温差可达10～16℃。相对于常规空调5℃水温差和10℃送风温差，系统的风量和循环水量可以大幅减少。它的优势是显而易见的：?
1、初投资减少。风量和水量的减少是减少初投资最根本、最直接和最有效的途径，它使所有空气和水的处理、输送及分配设备，包括空调箱、水泵、管道及配件、空气末端设备、空调自控系统等的设备数量和容量均大幅减少，空调机房占地面积及管道所占的建筑空间、空调设备的电力需求等也随之减少，这些都显著地降低了空调系统的初投资，甚至完全可以抵消或超过冰蓄冷系统设备投资所增加的额度。?
2、更节能。空调系统容量的减小，使输送设备的能耗显著降低。虽然冰蓄冷系统制冷机的COP值降低了，但空调系统整体的经济性却可以提高，系统运行费用及设备维修更换费用也随之减少，真正可以做到“既节能又省钱”。?
3、更舒适。由于送风温度降低，去湿能力更强，室内空气相对湿度可控制在30~45%，提高了室内的热舒适性；又由于空气的处理及输送过程均在较低的温度下进行，有利于抑止细菌的繁殖，从而进一步改善室内空气的品质。?
4、当旧有建筑需要增加空调负荷时，仍可利用原空调系统的设备来满足空调负荷的增加，所以也适用于空调系统改造项目等。?
由此可见，整体化蓄冰空调技术可为国家及社会的发展带来巨大的效益，也为用户节省可观的资金，并能提供更舒适的空调环境，虽然整体化蓄冰空调系统有诸多好处，但作为一种新型空调技术，在具体应用时毕竟与常规空调系统的设计方法和设计习惯有诸多不同，而且目前国内尚缺少成熟的工程实践。本文将通过国家电力调度中心工程的空调设计，来介绍这种空调技术的具体应用和实施。?
一、工程概况
国家电力调度中心工程位于北京市。地上建筑十二层，以办公、会议为主，部分区域设置电力调度、计算和通讯机房；地下建筑三层，主要为汽车库、建筑设备用房、餐饮和活动用房。总建筑面积73667m?2，地上建筑高度49.2m，空调面积58000m?2。空调峰值冷负荷7710kW，热负荷6290kW。空调冷源采用冰蓄冷系统，空调热源来自城市热网。空调方式采用变风量低温送风系统，局部区域设置风机盘管系统。大楼设有包括BAS系统在内的完整的智能化系统。?
二、空调负荷
空调负荷计算对于冰蓄冷系统的设计是至关重要的，对于具有同样的峰值负荷而有不同逐时负荷的建筑，冰蓄冷系统会出现完全不同的设备配置和运行方案。所以，应力求准确反映出设计日全天逐时负荷。?
低温送风系统的空调负荷与常规系统相比，在负荷组成比例上稍有差异，但最终结果却相差无几。主要表现在：① 由于低温送风系统可以消除更多的湿负荷，也意味着新风的潜热负荷比常规系统大；② 由于低温送风系统的风量与水量大幅减少，故系统的风机与水泵温升负荷将有所降低、设备的容量可以减小；③ 同样是由于循环风量和水量的减少，空气和水在被输送过程中的管道温升负荷也将减少。综合而言，空调负荷并不因采用低温送风系统而有所增加。?
鉴于智能化办公大楼中个人电脑、打印机、复印机等现代化办公设备的大量采用，办公室中设备散热量取15W/m2；而调度、通信、计算等工艺设备的冷负荷按设备散热量70～150W/m2进行计算。?
三、空调冷热源
1、冰蓄冷系统?
冰蓄冷系统采用分量蓄冰方式，主机与蓄冰装置串联，主机上游。设计工况的供冷运行策略为主机优先模式，部分负荷时可按融冰优先模式甚至全量蓄冰模式运行。系统流程见冰蓄冷系统原理图（附图1）。?
蓄冰装置采用8台不完全冻结式的钢盘管蓄冰槽，蓄冰量为6800RTH，占设计日空调负荷总量的26％。主机采用3台双工况螺杆式冷水机组和1台常规型螺杆冷水机组，制冷工质均为R22。每台双工况机组额定工况（7/12℃）制冷量为417RT，实际空调工况（5.0/10.1℃）时为394RT，制冰工况（-2.0/-5.6℃）时为271RT，装机功率为277kW，载冷剂采用容积百分比浓度为25％的乙二醇溶液；常规型主机用作基载主机，制冷量为420RT，装机功率为277kW；机组总装机功率比常规系统减少24％。乙二醇系统一次泵为定流量控制，与制冷主机采用一一对应方式，二次泵为变频调速的变流量控制。?
冰蓄冷系统可以按照以下工作模式运行：① 基载主机单供冷。② 单制冰。③ 单融冰供冷。④ 双工况主机单供冷。⑤ 双工况主机与融冰的联合供冷。⑥ 制冰及供冷。其中，①模式可与其他5种模式的任意一种联合运行。?
设计日系统运行负荷图见图2；系统主要设备配置见表1。
2、空调冷热水?
冰蓄冷系统的融冰出水温度为2.2℃，通过板式换热器提供3.3℃的冷冻水，直接供空调机组使用，回水温度为14.4℃，温差为11.1℃。对于建筑物内设置的少量风机盘管，采用3.3℃冷冻水与回水混合的方式，提供7.8℃的冷冻水，回水仍为14.4℃，温差为6.6℃。空调热水通过与城市热网提供的110/70℃高温水进行换热后得到，供给空调机组、变风量末端的热盘管和风机盘管使用，供回水温度采用82/70℃，温差为12℃。?
空调水系统采用四管制，空调冷热水泵均采用变频调速的变流量控制。?
四、空调系统
众所周知，相对于水－空气系统，全空气空调系统具有更好的空气品质。为利于单独房间的温度控制及空调节能，本工程大部分区域均采用单风道变风量空调系统；而为了充分利用冰蓄冷系统冷源的低温优势，空调系统主要采用低温送风方式，一次风温度为7.2℃。?
1、送风温度?
空调系统的送风温度越接近于供水温度，对减少系统风量越有利，但也会增加空调箱冷却盘管的费用和能耗，以及增加管道保温层的厚度，所以应通过技术经济比较来确定送风温度值，其主要与下述因素有关：① 供水温度。无疑供水温度越低，越容易获得较低的出风温度。② 空调箱中风机相对于盘管的位置。风机位于盘管的进风侧与出风侧分别被称作“吹出式”和“吸入式”，吹出式的风机温升发生在空气经过盘管之前， 所以可获得的送风温度比“吸入式”低。但“吹出式”在盘管前须设置空气均流装置，无疑增加了空调机组的长度，而且送风气流带水的可能性也增大。所以在机房空间相对狭小的民用建筑中，“吸入式”较为适宜。③ 迎面风速。低温送风系统盘管的迎面风速一般采用1.5～2.3m/s，太大则空气与盘管的换热不充分，风阻也大，容易带水；太小则空调机组的尺寸增大，增加造价。④ 冷却盘管的性能。出风温度越低，意味着空气与水盘管的换热时间越长，接触面积越大，那末盘管的排数就越多，片距越密，也易获得较大的供回水温差，显然，这是以增大风阻为代价的。经过反复计算和比选，我们认为排深为12排、片距为14FPI的盘管对本工程是适合的。
2、过滤等级?
由于空调送风量减少，意味着室内被处理的空气量的减少，应该提高空气过滤等级，而且对于保护较密翅片的盘管也有必要。本工程采用初、中效两级过滤，过滤效率分别为比色法30%和85%，对应的过滤器为G4级和F7级。?
3、空调加湿?
本工程没有蒸汽源，空调加湿采用蒸发式湿膜加湿，加湿材料为植物纤维。由于该方式加湿效率较低，加湿的喷淋水量大，为节约水资源，采用了循环水方式而非直排水方式，且设置良好的自控管理。加湿器的排污水作为中水使用。?
对于发热量较大、在冬季也需供冷的房间，采用低温送风方式会降低对空气的加湿量，此时进行加湿以室内设置加湿器为好。?
4、系统设置?
空调系统主要是按功能分区设置，整个大楼共采用27台空调箱（包括新风机组）。地下室部分的餐饮、活动、商业预留用房和地上部分内区的报告厅、展览厅等采用双风机系统，地上部分的办公、会议、工艺用房等采用单风机系统。过渡季利用新风供冷时，双风机系统利用回风机进行排风，单风机系统通过中庭集中排风。?
空调箱均采用组合式。室内回风与新风混合，经空调箱过滤和热湿处理后，通过变风量末端送入室内。变风量末端均采用压力无关型，并按空调内外区进行布置。外区主要采用并联（PFPB）或串联（SFPB）型风机动力式末端，均带热水再热盘管；内区主要采用单风道式（VAV）和串联风机动力式末端，一般不带热水盘管。空调一次风常年供冷，可以解决办公、展览厅、报告厅及工艺用房等内区或发热量大的房间的常年冷负荷，而冬季外区的采暖热负荷则由外区变风量末端上的热水再热盘管负担。?
5、变风量末端?
变风量末端对室内温度的控制，夏季是调节一次风风量，冬季则用控制水阀调节热水盘管的加热量，冬季加热时，变风量末端（均为风机动力式）的一次风均应开到最小风量。单风道式的变风量末端仅送一次风；并联风机型变风量末端供冷时也仅送一次风，冬季用再热盘管供热时才开启风机；串联风机型变风量末端供冷供热时风机均开启，由于混合了一定量的室内回风，所以送出的冷风温度比一次风温度高，一般控制在接近于常规空调的送风温度13℃左右。?
从室内气流分布的性能来看，串联风机型变风量末端，因送风量恒定无疑最佳，但由于末端内的风机小且效率低，其能耗足以抵消由于系统风量减少而在空调箱风机所能节省的能量，所以，从节能方面来讲，单风道末端因本身无需风机而最具优势，且投资最省，噪声也低。并联型风机末端的性能介于上述两者之间。在本工程的低温送风系统设计中，优先选用的是单风道末端和并联型风机末端，其前提就是采用低温型送风口。?
6、空调风口?
低温风口是实现把低温一次空气直接送入室内而仍会获得良好空调效果的重要部件，它能很大程度地实现节能并减少末端设备和管道的投资。对低温风口的要求不能只局限在具有比常温风口更广泛的温度适用范围，还要具有更广泛的风量适用范围、很好的空气分布特性（APDI）和空气混合特性，以满足变风量系统的要求，而且还应具有可接受的阻力和噪声性能。另外，也应满足对风口的一般性要求，如美观大方、耐用、便于安装和易于清洁等。其代表性产品为Fairchild公司生产的具有热力核芯的高诱导型低温风口（Thermal Core High Induction Diffuser）。低温的一次空气以较高的速度经过核芯周边的小孔，产生对周围环境空气强烈的诱导和卷吸，从而在离开核芯很短的距离内，送风气流成为一次风与一部分室内空气的混合体而温度急剧上升，使送风气流在离开风口时，已具备等同于甚至高于常规送风的气流温度，同时风量也急剧增加。该风口的特点是① 送风诱导比较常规风口大100%～300%；② 风量适用范围大；③ 扩散性能好使得温度梯度小；④ 风口本身不易结露；⑤ 送热风效果也十分令人满意。但该风口也存在一些不足，首先是由于高速诱导造成风口阻力稍大；其次是品种较少，样式单一；目前还需要进口，价格偏高。?
在本工程中，低温风口配合单风道型和并联风机型末端使用，周边区主要采用条形风口沿窗下吹，内区采用方形、矩形风口平吹。在需要恒定风量的场所和室内装饰设计对风口形式有多样要求的场合，则采用品种〖HJ〗多样且更具美观性的常温型风口配合串联型风机末端使用。室内回风主要采用吊顶回风。?
7、风管管材、保温及漏风控制?
本工程空调风管共采用三种材质。空调主风管要求风管具有一定的刚度和强度，地下部分采用带保温的双层无机玻璃钢成品风管，地上部分采用镀锌钢板风管。而变风量末端下游的支风管，应是制作、安装及更改简便的，也要具备消声性能，但却不需具备很高的强度和刚度，而玻纤制品风管恰恰符合这种要求。需要注意的是该类风管应是卫生、无毒、防潮、防霉型产品，且应具有严格的防止纤维脱落和飞散的技术措施和技术认证。?
空调系统的漏风和冷桥是产生结露的最大隐患，在低温送风系统中更为突出。实际测试证明，管道的工厂化加工为低漏风的控制提供了可靠的保障，上述三种风管在750Pa静压下的漏风量均小于0.9 m?3/h.m?2，尤为值得一提的是采用扳边自成法兰工艺加工的镀锌钢板风管也具有十分优异的表现，从根本上扭转了以往由于漏风大而给人们造成的不良印象。空调管道的保温层除要比常规空调管道的保温稍厚外，更要注意杜绝冷桥现象的发生。空调风管的保温采用48kg/m?3带铝箔的离心玻璃棉板。?
8、成组运行?
由于变风量系统的采用，空调系统大部分可实现2～3台空调箱并联连接并成组控制运行的方式，见图3。在非工作时间各层若有局部房间使用时，每组可仅开一台空调箱，既满足使用要求，又利于节能，增强了系统使用的灵活性。成组设置的空调箱型号规格应相同。
9、工艺空调?
与电力调度相关的工艺设备发热量大，运行时间长，房间的空调除需保持常年送冷外，系统必须具有较高的可靠性。考虑到蓄冰装置本身就可视为对制冷主机的一种冷源备用，空调箱的并联连接及成组运行方式也可互相备用，故设计中仅在空调箱的容量方面增加了一些裕量，不再另加设备备份，从而避免了配置备用设备造成闲置的可能性。?
10、风机盘管?
基于下述原因，少量区域设置风机盘管空调系统：?
① 受层高所限，吊顶内无法安装较大尺寸的风管和变风量末端设备的，主要是地下夹层的物业管理用房等；?
② 风管不宜穿越的区域，如各层需设置空调的楼梯间前室；?
③ 位置较分散的且人员较少的空调房间，如地下设备用房的值班室等。??
五、空调自控
空调自控系统是实现空调系统安全可靠运行、满足功能需要、降低能耗以及减少运行费用的根本保障，尤其对整体化蓄冰空调系统来说，完善的自控系统更是必不可少的组成部分。暖通专业的设计任务主要是明确控制对象，提出运行模式和控制要求，合理安排及布置控制装置（主要是传感器和执行器）等。?
本工程空调自控系统采用分布式计算机监控与管理的集散型系统，空调末端设备大都采用DDC控制，冷源设备采用PLC（可编程控制器）控制，中央控制站对系统的运行进行集中监视、控制和管理。?
1、冰蓄冷及空调水系统?
1.1、系统的优化控制和负荷预测?
制冰模式的控制比较简单，一般根据时间预设及剩余冰量来操作，如果剩余冰量大于第二天负荷的全部需求量也可不制冰。?
供冷的模式较多，应用的条件应是在满足空调使用要求的前提下运行费用最少。显而易见，优先次序是优选用冰（单融冰方式），次加基载主机（融冰＋基载），再加双工况主机（联合供冷＋基载）。双工况主机单供冷及制冰供冷模式作为非常规情况下的应急措施，一般不会用到。而联合供冷时，是采用融冰优先方式还是主机优先方式，冰和主机负荷在不同电价时段上如何分配，以及随着用户负荷的变化而进行的各种模式的转换、设备运行状态和参数的调整等，就要以一套完善的优化控制程序为基础了。?
实现系统优化控制的前提是软件的负荷预测能力。有些公司的做法是先利用运行日的室外气温和焓值条件对设计日负荷曲线进行修正，运行后的实际负荷曲线作为下一日室外气候条件下负荷预测的基础，利用软件的再学习和记忆功能，经过一年时间的不断积累，建立起一套比较符合实际情况的各种气候条件下该工程专有的数据库。?
1.2、主要的控制对象及参数说明?
① 冷冻水系统的供水温度、工作压力和供回水压差?
供水温度是通过变频调节乙二醇溶液泵的流量来维持恒定；?
工作压力是采用闭式膨胀水箱的定压及补水来保持恒定；?
供回水压差是通过变频调节冷冻水泵流量来保持恒定。?
风机盘管水系统的出水温度是通过比例调节水泵前的三通阀来保持稳定。?
风机盘管水系统的供回水压差是通过变频调节该系统冷冻水泵流量来保持恒定。?
② 乙二醇溶液系统的供液温度和工作压力?
供液温度稳定在2.2℃是通过：有融冰时，比例调节蓄冰装置出口三通阀；主机单制冷时，主机出水温度设定；制冰供冷时，比例调节板式换热器溶液侧的三通阀。?
工作压力的稳定也是利用闭式膨胀水箱。?
③ 蓄冰装置的充冰量和融冰量?
充冰量和融冰量可以利用蓄冰装置的液位信号来检测，也可利用蓄冰装置供回水的冷量积算来辅助检测。?
④ 制冷机?
出水温度，亦即冷机和冰槽之间的温度，按照系统运行模式的不同，程序将采用不同的设定值，联合供冷时还视主机优先或融冰优先而不同，由制冷机本身的控制器执行。制冰时为-5.6℃，融冰优先时为5℃，主机优先时按最低温度设定为2.2℃，而实际温度值应在5℃～2.2℃之间变化。?
冷机卸载与台数控制，一般发生在融冰优先方式，负荷降低时，冷机进水温度降低，冷机自动卸载而进行台数控制，当进水温度等于出水设定温度时（5℃），全部停机。?
主机制冰时，为保证运行效率最高，一般不进行容量控制，但可进行台数控制。?
制冰时主机停机除受蓄冰装置的液位控制和冷量积算辅助控制外，还应受进出水温度低于预定值控制和蓄冰时间控制。?
⑤ 水泵?
除前述的冷冻水泵和乙二醇溶液次级泵受压差和温度信号变频控制流量外，乙二醇溶液初级泵为定流量运行，可根据冷量积算或温差进行台数控制，但一次液流量不得小于二次液流量。?
⑥ 其他?
负荷侧（空调箱等）采用两通阀对供冷量的控制；板式换热器的防冻保护；低负荷泵、备用水泵及变频器的自动切换；其他必要的参数检测等。?
2、空调系统?
2.1、运行模式?
空调系统大致分三种模式运行，主要按时间预设和程序预设进行控制：?
① 无人占用：房间无人时，室温设置高限和低限，（如夏季32～29℃，冬季13～16℃），供冷时空调机组无新风运行，供热时空调机组不运行，仅利用室内末端热盘管。?
② 预冷预热：在人员进入房间前，系统应按预冷或预热模式运行一段时间，此时，除室温按正常温度设定控制外，设备运行同无人占用状态。?
③ 正常运行：房间正常使用时，室温按温度设定控制，所有设备按程序控制正常运行。
2.2、主要控制参数及方式说明?
以双风机系统为例，参见图4。
① 室内温度?
室温控制由变风量末端控制器来完成。供冷时，比例调节末端一次风阀的开度来控制室温等于设定值；供热时，一次风阀关到最小设定值，双位调节热水再热盘管的水阀。用户和中控室可以进行室温再设定。?
② 送风温度?
比例调节空调箱冷热盘管的水阀，使送风温度等于设定值。当室内末端一次风阀开度不能满足室内温度变化时，或系统风量需求小于最小风量时，程序可以调整送风温度设定值，温度设定值的变化可按每9分钟变化1℃来进行。?
③ 送风管道静压?
变频调节送风机转速以使风管内静压等于预设值，即为变风量系统的定静压控制。?
④ 回风机?
回风机与送风机应同步运行并且风量匹配，控制器应变频调节回风机转速，使该转速下的回风量等于送风机的风量与该区域固定的排风量（如卫生间排风）以及维持微小正压所需风量的差值。?
⑤ 新风量?
比例调节新、回、排风阀的开度，使在系统送风量变化时保持新风量达到预设值。新风量预设值可根据CO?2浓度探测值和室外新风焓值的变化而改变。?
⑥ 湿度控制?
比例调节加湿水管旁通阀，使空气湿度等于预设值。?
⑦ 初始运行及成组控制?
风机启动应在系统最小风量的频率状态下运行，送风温度应设定为常规送风温度（如14℃）。如果领先运行的空调箱风机频率达到某值（如50％）而管道静压仍不足时，该组内其他空调箱应渐次投入运行，后投入运行的空调箱风机应当与先投入运行的空调箱风机同转速时再开启送风出口的电动阀。成组运行的空调箱风机频率应根据管道静压情况同步调整，并根据风机频率值确定增载或卸载。?
⑧ 其他?
空调箱机组还应设置过滤报警、防冻保护、加湿水槽定时排水、相应部件的联锁控制以及必要的参数检测等。?
风机盘管控制主要采用时间预设来控制起停，其室温控制和风机转速控制由室内温控器完成。?
3、BAS?
本工程是高标准的智能化建筑，设置有楼宇建筑设备自动化管理系统（BAS），空调自控系统为BAS系统的主要组成部分，通过BAS系统的数据通讯，不仅可以对冷热源以及通风空调系统的各种水温、水压、流量和空气温度、湿度、风量、压力、风阀开度等参数进行监测和设定，可以对各种通风空调设备，如冷冻机、冷却塔、水泵、空调箱、风机、风机盘管、变风量末端等进行启停、监视和故障报警等，而且还可以通过与其他系统（如照明系统、门禁系统等）的通讯，确定人员占有情况、确定系统工作模式、预测空调负荷等，大大提高了大楼整体的管理水平。?
六、结论
1、整体化蓄冰空调的设计理念进一步拓展了冰蓄冷系统在空调领域的应用价值，对建筑行业蓄冰空调的发展可以起到很大的推动作用。?
2、整体化蓄冰空调系统可以显著地减少空调系统的投资和运行费用，可以使空调系统更加充分及合理地利用能源，大幅度减少能源的消耗，因而可以带来巨大的经济效益和社会效益，具有很大的推广价值。?
3、一年来的运行实践证明，整体化蓄冰空调系统在提高空调品质方面的表现也十分出色。国家环境卫生权威检测机构对该建筑室内环境进行了全面检测，包括室内空气质量、室内微生物含量、空调送风品质、室内噪声、室内热环境等，其评价结论为“达到世界卫生组织（WHO）室内环境标准的健康建筑物”。
表1--主要设备配置表
通风设备网：http://www.tfsb.net
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