冰蓄冷空调问题与对策探讨

    前言

    我国的电力工业发展很快，96年发电装机容量已达到世界第2位，到97年底全国发电装机容量达2.5亿千瓦，2004年装机容量达到4.4亿千瓦，预计2005年要突破5亿千瓦，仅比美国装机容量少3亿千瓦左右。但是，尽管如此，我国的电力供应仍日益紧缺，尤其是高峰不足与低谷过剩的矛盾日益突出，如果全靠新建电厂来满足尖峰需求，则势必造成电厂及输配电设备投资的浪费，使国家经济遭受损失，如1997年每千瓦装机容量所产生的国民经济总产值为28800元，而到2004年则降为27300元，随着未来几年新建电厂的陆续投产，此现象将更加突出。这样不能充分利用廉价环保能源，与建设节约型社会的要求不相符合。如果采用需求侧调控的方法，如空调的冰蓄冷等可以将用电时间移至非高峰期，起到“移峰填谷”的作用。以上海市为例，历史最高用电负荷为1668.2万千瓦，而同日的最低用电负荷为1050万千瓦，其中空调用电约占45%，同使用常规空调相比，冰蓄冷空调有25%左右的移峰能力，理论上可转移11%的高峰负荷到低谷。可见大力发展冰蓄冷空调前景广阔。

    但是冰蓄冷空调在我国的发展速度非常缓慢，如上海市已建成的蓄冷工程仅十余家，广东省也只有十多家，如此并没有发挥出应有的“移峰填谷”作用。为何既节能又环保的冰蓄冷空调会受到如此冷遇？

    据研究，在我国已建的冰蓄冷工程中，存在以下问题：

    - 投资回收周期长，经济性不佳。

    - 设计选型复杂、设计工作量大、各部件匹配优化难。

    - 供货商众多，安装调试周期长，系统施工质量难以控制。

    - 运行操作使用困难。

    - 维护成本高。

    以上因素阻碍了冰蓄冷空调在我国的发展。本文将探讨相关方法，试图从根本上解决上述问题，以期能够迅速、广泛地推动冰蓄冷空调在我国的正常发展。

    1 多种途径降低初投资

    对于业主来说，选择空调系统的主要原则之一就是经济性，包括初投资和运行维护费用。国内外大量的工程实践表明，单纯的冰蓄冷加常规空调系统，由于增加了蓄冰系统和乙二醇载冷剂板式换热器，空调系统设备的初投资比常规设备高20%以上，单单依靠目前电力峰谷电价差所获得的运行节约费用，其实际偿还年限一般需7—12年，甚至达到19年，这就是制约我国冰蓄冷空调产品发展的主要原因。为此，设计院、设备制造厂、安装公司、电力部门应全力配合，从设计、设备制造、安装、选用、政策激励等方面着手，大幅度降低用户初投资。

    1.1 采用冷水大温差系统以降低冷水管路投资。常规空调水系统的供回水温度为7-12℃，冷水机组一般也按此设计，冰蓄冷空调在融冰与主机联合供冷时，载冷剂侧的温差要大于5℃，达到7-8℃。若将空调水系统温差提高到10℃，可以节约50%的系统循环水量以及相应的水泵电耗，水系统和空气端设备的总成本可降低5%左右。若再将空调水系统从传统并联方式变为更加灵活的串联或串并联方式、以更加灵活合理地利用冷冻水温差，还可以节约相关成本2-3%。

    1.2 采用大温差低温送风方式。常规空调系统从空气处理机送出来的空气温度为16℃~18℃左右，而低温送风系统的上述空气温度为7~12℃。低温送风一方面可减小空气处理机、风机规格和投资成本，另一方面也会增加冷却盘管、末端装置和管道保温投资，但投资减少金额高于投资增加金额，使得低温送风初投资可减小很多，如当送风温度为7℃时，风管尺寸减少30%~36%，空气处理机尺寸减少20%~30%，风机功率减少30%~40%。当对现有建筑的常规送风系统进行改造时，如改为低温送风，则其供冷能力可大大提高。由计算得知：低温送风与常规送风相比，空调水系统与风系统的投资可减少14%~19%，而总投资可减少6%~11%。节省用电量显著，特别是高峰期用电量减少，年运行费可降低18%~ 28%。此外，由于低温送风风管比常规送风风管小，还能节省建筑空间和造价，据统计，采用低温送风所需安装风管的房间顶部空间至少可以降低85~180mm，建筑工程造价相应可减少3.76%~13.6%。同时，风管等尺寸的缩小还节省基建初投资，建筑空间的减小相应增加了层高和建筑物总层数，增加建筑使用面积，这时的送风相对湿度一般为33%~38%，室内空气品质优良，具有较好的舒适度并能减少建筑病综合症的发生。

    1.3 充分考虑初投资的系统流程布置方式，如串联系统中冷水机下游布置方式可以降低成本，改善蓄能槽放热特性，这方面美国日本已有许多应用，甚至已在设计手册中作了专门说明，但国内目前还很少使用。

    1.4 大力使用国产优质设备。据调查，在国内目前已建成的一些项目中，冰蓄冷空调的冷水机和蓄冰槽(盘管、球)大都采用进口设备，而这些进口设备价格必然偏高。其实，对于冷水机组，国际许多著名企业早已在中国设立了生产基地，其制造产品质量标准、关键件来源、工艺手段等与国外完全一样，甚至还出口国外（包括对产品质量要求极高的欧洲），因此，各设计单位和业主应放心使用国内生产的品牌产品。而对于蓄冰槽(盘管、球)等，由于它们都是常规的换热部件，采用的也都是成熟的焊接、热处理及保温加工方法，国内厂家的选材质量和安全余量要求并不比国外低，该相应的国产产品在食品、制药等行业已使用多年，效果良好。同时，选用国产优质设备，在系统设计、安装、服务、零配件供应、日后维修等方面也具有更多的优势，在笔者所熟悉的冰蓄冷工程项目中，就有由于进口设备出现问题无法及时维修掉换而造成工期延误、经济受损的实例。

    1.5 实行积极的电力补贴政策。冰蓄冷空调系统具有移峰填谷、均衡用电负荷、提高电力建设投资效益等优点，能减少电厂和输配电设备的建设、使用环保廉价能源以降低环境污染，高效率使用已有发电设备，给国家和电力部门带来巨大利益。但要想使之得到良好发展，还必须依赖相关政策法规的尽快出台、以使建筑业主得到实惠。为缓解夏季电力高峰供电缺口，我国某些地区和个别项目采用电力补助的措施，如福建规定2004年新建的冰蓄冷空调每千伏安补贴200元，2005年新建的每千伏安补贴100元；2004年用冰蓄冷技术改造原有空调的每千伏安补贴500元，2005年进行改造的每千伏安补贴300元；2006年（以后）新建或改造的将不予以补贴。这些临时措施应制度化，建议政府、电力部门、相关设备制造商应尽快研究并颁布制度化的激励措施，特别是能够获得巨大利益的电力部门，应从实际或潜在获利中拿出部分返还业主和设备制造商，比如可考虑借鉴燃气空调的补贴制度：上海在2004年实行了燃气空调的补贴制度，规定在2004－2007年内，对纳入上海市燃气空调推进计划的燃气空调，由市政府给予100元/千瓦制冷量的设备补贴；还可比照日本和美国的冰蓄冷扶持政策：电力公司给予用户/设备厂商每转移1千瓦高峰电200-300美元的电力补贴。若政府及电力部门能对冰蓄冷空调采用类似于上述燃气空调的政策，相当于每转移1千瓦高峰用电补贴1600元，基本接近美国和日本等广泛使用冰蓄冷空调国家的补贴水平，则可降低蓄冷空调初投资8-10%，大幅度缩短冰蓄冷空调的投资回收期。

    2 发展系统产品降低设计安装复杂性

冰蓄冷空调设计和常规空调相比，其设计选型复杂性大大提高、安装施工难度大，故有设计施工能力的安装公司极少，工程质量较难控制，详见表1，这也是制约我国冰蓄冷空调发展的重要原因。

表1 常规空调与冰蓄冷空调设计安装比较

    若制造公司能够提供一种类似常规空调的系统冰蓄冷产品，使得设计师、安装公司、业主不再对冰蓄冷空调望而生畏，将会有力推动蓄冷空调事业的发展。

    最近，文献[1]报道了一种系统的冰蓄冷空调产品。该系统产品由冰蓄冷主机、水力控制模块、蓄冰槽三大部件组成，见图1。

图1 冰蓄冷系统产品

    冰蓄冷系统产品能将分散的零部件在出厂前制作为完整的产品，选型安装方便，并结合了多项先进技术：

    冰蓄冷系统产品主机形式多样，包括风冷蓄冷产品和水冷蓄冷产品，压缩机可采用涡旋、螺杆和活塞式。在缺水或日夜温差大的地区可使用风冷主机，其它地区可选用水冷主机。水冷产品中螺杆机效率较高，可优先选用。对于风冷、热回收、水源热泵型等压缩比大的应用场合，活塞机、涡旋机的效率也不错、且价格实惠，可考虑使用。对于具有多台压缩机的主机，由于其部分负荷性能好、备机功能强，同等条件下应优先考虑。

    如图1，冷水机组布置在蓄冰槽下游，标准空调水进出水温度为15-5℃，调节方便，稳定，蓄冰槽的融冰释冷速度快。这样，设计师只需直接按照10℃大温差空调水来设计系统即可，不必再花费精力和时间研究如何制取10℃大温差空调水。

    带有蓄能量测量装置和严密隔热防潮措施的模块式蓄冰槽，安装极其方便，只需将蓄冰槽体就位和接管即可，不需任何槽体内部安装工作。

    水力控制模块包括载冷剂泵、冷却水泵、空调水泵、板式换热器、闭式膨胀水箱、过滤器、电动调节阀门、蓄冷系统的电力控制柜，以及排气、泄水口。水力控制模块已经各种运行模式的水力平衡设计和校核，换热器和水泵的工作性能匹配优化。

    该系统冰蓄冷产品还能与热回收、水源热泵结合，以进一步提高使用效能和产品的可靠性。

    该类产品避免了大量复杂机房设计和现场装配工作，质量可靠、运行性能佳、使用方便放心。与同类产品比较可显著降低设计、交货、安装、调试时间，见图2。这样，对于机房设计，冰蓄冷产品的设计工作量与常规空调产品相当，现场安装工作简洁，省时省力，也大大减少安装出错的可能性。

图2 系统冰蓄冷产品特点

    3 开发先进的自适应控制系统

    常规空调的运行模式单一，只要控制主机的出力和冷水温度即可；而冰蓄冷空调运行模式多样：有夜间蓄冷、白天主机单独供冷、蓄冰槽单独供冷、主机和蓄冰槽联合供冷等。除主机外还要控制蓄冰槽的工作，以及主机和蓄冰槽出力分配和优化运行，因此，普通的控制系统难以真正发挥冰蓄冷的功能。

    早期的冰蓄冷工程自动控制水平不高，需要由机房操作人员手动设置运行模式。依靠工人技术水平和经验性手动控制难以胜任这些工作，致使有的冰蓄冷空调建成后蓄冷功能基本不用，有的冰蓄冷空调运行费用大大高出预期成本。手动控制不能发挥冰蓄冷的全部优势，更不能保证最低的能耗水平。近期的冰蓄冷空调工程多采用PLC结合上位机模式，用户操作界面友好，利用已建立的历史数据库，实现冰蓄冷空调全自动运行，但成本高、还不能按建筑负荷的需求自动寻求最经济有效的工作方式。

    新型的冰蓄冷空调控制系统应包括：

    - 简单、直接、精确的蓄冰量测量装置。蓄冰量测量的准确与否直接影响到能否保证室内空调参数的稳定。

    - 根据外界气候条件变化或空调水温变化的情况自动判断和预测最佳工作模式和最佳空调水工作温度，即先进的自适应控制逻辑。如部分蓄冷系统的控制策略有主机优先和融冰优先两种控制策略。主机优先是指在需要用冷时，首先制冷主机运行供冷，不足部分由蓄冰槽提供，融冰优先则是先由蓄冰槽供冷，不足部分由主机提供。融冰优先的控制策略能充分利用电力低谷，节省运行费用。应能够根据气候、电力政策自动确定最佳控制策略。自适应控制逻辑将根据外部需求和蓄冰槽的蓄冰情况，最大限度地发挥融冰优先的控制优势。

    - 依据日程计划能在不同运行模式间自动切换。

    - 实现与空气端DDC（直接数字控制）装置的信息传递。

    4 建立设计选型软件和标准产品参数

    4.1 逐时负荷分布图。建筑物的负荷计算是空调设计的依据。对于常规空调系统，制冷设备的装机容量一般只需根据建筑物设计日的最大小时负荷来确定；而在冰蓄冷空调设计中，需采用专门的建筑负荷设计软件，设计师按照当地逐时气象参数与建筑维护结构参数、建筑物内居住、照明产热设备的工作时间表等数据，计算出整个供冷季节的逐时空调负荷，从而确定系统的设备容量。目前市场上主要的设备制造商都具备有关建筑负荷设计计算软件，在具体项目中可协助设计院进行建筑负荷计算。

    4.2 简化冰蓄冷主机选型和蓄冷模式的经济分析方法。传统的冰蓄冷空调系统，由于其制冷机和蓄冷设备容量的确定非常烦琐，因为还不能简单地依靠某个逐时负荷，而是需要结合所选蓄冷系统形式、运行与控制模式、当地电价结构及蓄冷装置的蓄、放冷特性曲线等诸多因素进行综合考虑。相比之下，文献[1]报道的系统冰蓄冷产品已经将设备匹配和设计等优化为经济运行控制模式，融冰性能完全满足要求，在确定建筑物逐时负荷后可方便地开展主机、蓄能槽、水力控制模块选型，并进行经济分析。

    4.3 厂家提供系统的设计数据。常规空调的产品参数在厂家样本中一般都很完整，冰蓄冷空调也应该象常规空调一样能够提供完整的系统参数，以方便设计师选型计算。如有需要的话，设备制造商还应能够针对具体项目、利用系统性能计算软件提供系统的冰蓄冷性能参数。

    4.4 完整的系统操作运行维护手册。在传统的冰蓄冷空调系统中，各分散的零部件供应商只负责提供部件技术资料，而由安装公司负责施工，但由于缺乏系统性操作运行维护手册，给操作者带来很大的不便。应有完整的系统操作运行维护手册，以培训操作人员，同时供日常使用参考。

    5 结论

    采取多种途径降低初投资，努力发展系统的冰蓄冷空调产品以改善设计、安装、运行、维护的复杂程度，开发自适应控制系统以进一步降低运行费用，提高操作简便性，建立标准设计选型软件，提供标准的冰蓄冷产品参数和技术资料，将会有力地改变冰蓄冷空调在我国发展缓慢的现状。

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