冰蓄冷设计.docx
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冰蓄冷设计
东华大学环境学院
冰蓄冷设计
姓名：
何燕娜
班级：
建筑1202
学号：
121430205
2014年12月
1.1项目概述
本项目为浙江某办公楼建设项目的双工况冰蓄冷系统应用。
1.2冰蓄冷系统在本项目中的应用
冰蓄冷空调是利用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中，白天融冰将所储存冷量释放出来，减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量，它代表着当今世界中央空调的发展方向。
本文就对冰蓄冷系统设计进行详细阐述，并和传统的风冷系统进行初投资和运行成本的综合比较。
1.3冰蓄冷系统的工作模式
冰蓄冷系统的工作模式是指系统在充冷还是供冷，供冷时蓄冷装置及制冷机组是各自单独工作还是共同工作。
蓄冷系统需要在几种规定的方式下运行，以满足供冷负荷的要求，常用的工作模式有如下几种：
（1）机组制冰模式
在此种工作模式下，通过浓度为25%的乙二醇溶液的循环，在蓄冰装置中制冰。
此间，制冷机的工作状况受到监控，当离开制冷机的乙二醇溶液达到最低出口温度时制冷机关闭。
此种工作模式的示意图如图1-2所示。
图1-2机组制冰工作模式示意图
（2）制冰同时供冷模式
当制冰期间存在冷负荷时，用于制冷的一部分低温乙二醇溶液被分送至冷负荷以满足供冷需要，乙二醇溶液分送量取决于空调水回路的设定温度。
一般情况下，这部分的供冷负荷不宜过大，因为这部分冷负荷的制冷量是制冷机组在制冰工况下运行提供的。
蓄冷时供冷在能耗及制冷机组容量上是不经济合理的，因此，只要此冷负荷有合适的制冷机组可选用，就应设置基载制冷机组专供这部分冷负荷，该工作模式示意图如图1-3所示。
图1-3制冰同时供冷模式示意图
（3）单制冷机供冷模式：
在此种工作模式下，制冷机满足空调全部冷负荷需求。
出口处的乙二醇溶液不再经过蓄冰装置，而直接流至负荷端设定温度有机组维持。
该工作模式示意图如图1-4所示。
图1-4单制冷机供冷模式示意图
（4）单融冰供冷模式：
在此工作模式下，制冷机关闭。
回流的乙二醇溶液通过融化储存在蓄冷装置内的冰，被冷却至所需要的温度。
在全部蓄冷运行策略下，融冰供冷是基本的运行方式它的运行费用是最低的，但是要求有足够大的蓄冷装置的容量，初投资费用会较大。
该工作模式示意图如图1-5所示。
图1-5单融冰供冷模式示意图
（5）制冷机与融冰同时供冷：
在此工作模式下，制冷机和蓄冰装置同时运行满足负荷需求。
按部分蓄冷运行策略在较热季节需要采用该种工作模式，才能满足供冷要求。
该工作模式又分成两种情况，即机组优先和融冰优先。
机组优先：
回流的热乙二醇溶液，先经制冷机预冷，而后流经蓄冷装置而被融冰冷却至设定温度。
下该种工作模式示意图如图1-6所示
图1-6机组优先
融冰优先：
从空调负荷端流回的热乙二醇溶液先经蓄冷装置冷却到某一中间温度而后经制冷机冷却至设定温度。
该种工作模式示意图如图1-7所示。
图1-7融冰优先
2.1国家相关设计规范和标准
《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019－2003；
《公共建筑节能设计标准》GB50189－2005；
《全国民用建筑工程设计技术措施——暖通空调·动力》；
《建筑给水排水设计手册》中国建筑工业出版社第二版；
2.2室内外设计参数
2.2.1室外气象参数
夏季空调室外计算干球温度：
34.8℃
夏季空调室外计算湿球温度：
28.1℃
冬季空调室外计算干球温度：
-4℃
冬季空调室外计算相对湿度：
79%
夏季通风室外计算干球温度：
30.6℃
冬季通风室外计算干球温度：
-1.1℃
主导风向和风速：
夏季SSE，2.4M/S；冬季NNE，2.7M/S
大气压力：
夏季，1001.5hPa；冬季，1027.9hPa
2.2.2室内设计参数
房间名称
室内参数
新风量
夏季
冬季
℃
%
℃
%
某住宅
26±2
〈65
20±2
≥30
一次换气
3.1负荷计算及分析
3.1.1空调冷热负荷计算
由于是初步设计，我们对空调冷热负荷进行估算，包括建筑维护结构的传热、照明及电气设备的发热、食物的散热、人体的散热、门窗渗透新风的热量等。
浙江地区属于夏热冬暖地区，以供冷为主，冬季采暖时间较短，这里对冷、热负荷分别进行了估算。
经过估算可知，夏季峰值冷负荷3963kW
3.2负荷分析
根据建筑使用功能及室外气象参数资料对全年的冷、热负荷进行分配和统计。
使用时间暂按8点至晚上18点考虑，设计日逐时负荷分配见下表：
时间
冷负荷（kW）
时间
冷负荷（kW）
00:
00-01:
00
0
12:
00-13:
00
3693
01:
00-02:
00
0
13:
00-14:
00
3963
02:
00-03:
00
0
14:
00-15:
00
3963
03:
00-04:
00
0
15:
00-16:
00
3693
04:
00-05:
00
0
16:
00-17:
00
3423
05:
00-06:
00
0
17:
00-18:
00
3153
06:
00-07:
00
0
18:
00-19:
00
0
07:
00-08:
00
0
19:
00-20:
00
0
08:
00-09:
00
3153
20:
00-21:
00
0
09:
00-10:
00
3315
21:
00-22:
00
0
10:
00-11:
00
3423
22:
00-23:
00
0
11:
00-12:
00
3693
23:
00-24:
00
0
由以上计算可以看出，日负荷呈参差不齐状，差别较大，结合杭州市一般工商业的用电峰谷所在时间表（表3.2）：
尖峰段
高峰段
谷段
时间
19：
00——21：
00
8:
00-11：
00；13:
00-19：
00;21：
00-22：
00
22：
00——8：
00;11：
00-13：
00
电度电价
1.342
1.047
0.541
表3.2杭州市的电力峰谷分布表
可见，冷负荷均分部在用电的峰段。
且最大值∑Qmax=3963KW,出现在
13：
00—15：
00这个时段。
因此，用蓄冷模式对大楼的冷负荷进行调节比较合适。
3.3蓄冷系统的运行策略和工作模式以及工作流程
3.3.1蓄冷系统运行策略
蓄冷空调系统将转移多少高峰负荷应储存多少冷量才具有经济效益,首先取决与采用哪一种运行策略.运行策略的选择需要考虑的因素很多的.主要有建筑物空调负荷分布,电力负荷分布,电费计价结构,设备容量及储存空间,具体需要以实际情况为依据。
所谓的运行策略是指蓄冷系统以设计循环周期（如设计日或周等）的负荷及其特点为基础将电费结构等条件对系统以蓄冷容量,释冷供冷或以释冷连同制冷机组共同供冷做出最优运行安排考虑.一般可归纳为全部蓄冷策略和部分蓄冷策略.
（1）全部蓄冷策略:
其蓄冷时间与空调时间完全错开,在夜间非用电高峰期,启动制冷机进行蓄冷,当冷量达到空调所需的全部冷量时,制冷机停机;在白天空调时,蓄冷系统将冷量供给空调系统.空调期间制冷机不运行.全负荷蓄冷时.蓄冷设备要承担空调所需要的全部冷量.故蓄冷设备的容量较大初次投资费用高.该运行策略适用于白天供冷时间较短的场所或峰谷电差价很大的地区。
（2）部分蓄冷策略:
部分蓄冷策略是在夜间非用电高峰时制冷设备运行.储存部分冷量.白天空调期间一部分空调负荷由蓄冷设备承担.在设计计算日（空调负荷高峰期）制冷机昼夜运行.部分蓄冷制冷机利用率高.蓄冷设备容量小,制冷机比常规的空调制冷机容量小30%—40%，是一种更经济有效的运行模式。
根据本建筑的日负荷曲线应采用部分负荷蓄冷，它不仅使蓄冷装置容量减少，其装机容量也大幅度减低，尤其适合于全天空调时间长、负荷变化大的场合，是一种经济有效的蓄冷设计模式。
3.3.2冰蓄冷空调设计模式的选定
蓄冷系统工作模式是指系统在充冷还是供冷，供冷时蓄冷装置及制冷机组是各自单独工作还是共同工作。
蓄冷系统需要在规定的几种方式下运行，以满足供冷负荷的要求，常用的工作模式有：
机组制冰模式，制冰同时供冷模式，单制冷机供冷模式，单融冰供冷模式，制冷机与融冰同时供冷。
部分蓄冷策略有制冷机优先供冷和蓄冰优先供冷控制策略。
制冷机优先控制策略实施简便，运行可靠，能耗低，制冷机组一直处于满负荷运行，机组利用率高，机组和蓄冰槽的容量最小，投资最节省。
蓄冰装置优先控制策略能尽量发挥蓄冰装置的释冷供冷能力，有利于节省电费，但能耗较高，在控制程序上复杂。
故本设计采用制冷机组优先策略。
3.3.3冰蓄冷空调系统的流程配置
由于本空调系统采用的是不完全冻结式蓄冰盘管的制冷主机上游的串联系统。
3.4设备的确定
3.4.1制冷机组的确定
由《蓄冷空调实用技术》一书中可知其主机容量可用下式来确定：
R2=
3-1
R1=η*R2
式中：
RH——在设计日中建筑物所需的总冷负荷（KW）；
Q——蓄冷槽热损失（KW），其值约为0.04-0.08倍的RH；
D——白天使用空调的时间（h）；
N——晚间制冰时间（h）；
R2——制冷机组在空调工况下制冷量（KW）；
R1——制冷机组在制冰工况下制冷量（KW）；
η——压缩机容量变化率，一般为0.65-0.70。
本设计中根据用电谷峰所在时间段及负荷分布情况确定，白天空调的使用时间D=10h，夜晚制冰的时间N=10h。
总的制冷量∑Q=35472KW=RH。
则其主机空调工况的容量为：
R2=
3.4.2蓄冷设备容量确定
由《蓄冷空调工程实用技术》一书中可知部分蓄冷策略主机优先模式下其蓄冷设备容量可按下式确定：
Qi=N*R1=N*R2*η3-2
式中：
Qi——蓄冷设备蓄冷量（KWh）；
N——夜间蓄冰时间（h）；
R1——制冷机组在夜间制冷工况下制冷量（KW）；
R2——制冷机组在白天空调工况下制冷量（KW）；
η——压缩机容量变化率，一般为0.65-0.70。
在设计高峰负荷时，从蓄冷设备融冰供冷量为：
Qimax=Qmax-R23-3
式中：
Qimax——设计高峰时最大融冰供冷量（KW）；
Qmax——建筑物高峰设计负荷（KW）；
R2——制冷机组在空调工况下制冷量（KW）；
其蓄冷设备容量为：
Qi=N*R1=N*R2*η=10*2243.7*0.66=14808.5（KWh）
3.5机组运行情况的确定
由建筑物的冷负荷在各个逐时的数值和长沙市的电力分布情况制冷机组的容量以及蓄冷设备的容量可编制出机组运行负荷表（表3.3）如下：
表3.3机组运行负荷表
时间
冷负荷（KW）
机组供冷（KW）
融冰供冷（KW）
蓄冷负荷（KW）
00:
00-01:
00
0
0
0
1480.8
01:
00-02:
00
0
0
0
1480.8
02:
00-03:
00
0
0
0
1480.8
03:
00-04:
00
0
0
0
1480.8
04:
00-05:
00
0
0
0
1480.8
05:
00-06:
00
0
0
0
1480.8
06:
00-07:
00
0
0
0
1480.8
07:
00-08:
00
0
0
0
1480.8
08:
00-09:
00
3153
2243.7
909.3
0
09:
00-10:
00
3315
2243.7
1071.3
0
10:
00-11:
00
3423
2243.7
1179.3
0
11:
00-12:
00
3693
2243.7
1449.3
0
12:
00-13:
00
3693
2243.7
1449.3
0
13:
00-14:
00
3963
2243.7
1719.3
0
14:
00-15:
00
3963
2243.7
1719.3
0
15:
00-16:
00
3693
2243.7
1449.3
0
16:
00-17:
00
3423
2243.7
1179.3
0
17:
00-18:
00
3153
2243.7
909.3
0
18:
00-19:
00
0
0
0
0
19:
00-20:
00
0
0
0
0
20:
00-21:
00
0
0
0
0
21:
00-22:
00
0
0
0
0
22:
00-23:
00
0
0
0
1480.8
23:
00-24:
00
0
0
0
1480.8
总计
35472
22437
13035
14808
由机组的运行负荷表（表3.3）可得出空调负荷的分配图如下所以：
3.6蓄冷介质与蓄冷系统形式选择
3.6.1蓄冷介质的选取
众所周知，许多的工程材料都具有蓄热（冷）特性，材料的蓄热（冷）特性往往伴随着温度的变化、物态变化以及化学反应过程而体现出来。
目前，用于空调的蓄冷方式较多，按储能的方式可分为显热蓄冷和潜热蓄冷两大类；按蓄冷介质可分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷和气体水合物蓄冷四种方式。
水、冰具有比热高，潜热高，导热性能好，融点在1.6℃左右，无毒、安全、低造价等优点，所以是理想的蓄冷介质。
水蓄冷具有投资省、技术要求低、维修费用低，可以使用常规空调的制冷机组等优点，但由于水的比热（水的比热为4.18KJ/KG·℃）远小于冰的融解热，故水蓄冷的蓄冷密度低，需要庞大的蓄水池，且冷损耗大，保温及防水处理麻烦。
冰蓄冷的蓄冷密度大（利用冰的相变潜热进行冷量的储存，0℃时冰的蓄冷密度达334kJ/kg），蓄冷温度几乎恒定，体积只有水蓄冷的几十分之一，便于储存，对蓄冷槽的要求较低，占有的空间小，易于制造。
但冰蓄冷具有蒸发温度低、COP（压缩机性能系数）值小、系统复杂、初投资高的缺点。
经综合比较后，本设计采用冰蓄冷系统制冷。
3.6.2蓄冷形式的选取
冰蓄冷系统按其蓄冰元件或制冰方式，通常可分为完全冻结式、冷媒盘管式、封装件式、片冰滑落式和冰晶式这几种系统类型。
目前主流的系统流程是采用不完全冻结式蓄冰盘管的制冷主机上游的串联系统，部分建筑因其负荷特点可考虑采用冰球的并联系统。
经综合比较，本工程拟采用冷媒盘管式冰蓄冷系统。
3.7设备的选择：
3.7.1冷源设备的选择
主机制冷工况的容量为:
R2=2243.7KW
蓄冷工况的容量为：
R1=η*R2=0.66*2243.7=1480.8（KW）
由以上数据，选定四台浙江吉佳公司生产的JCSLD—240型号的机组其技术参数如下：
空调工况的制冷量为846KW,蓄冷工况的制冷量为574KW,压缩机数量2台，压缩机的空调工况额定功率180KW，蓄冷工况额定功率为138KW，其中蒸发器中水流量为146m3/h，冷凝器中水的流量为182m3/h。
蒸发器接管尺寸为150mm，冷凝器接管尺寸为150mm。
3.7.2蓄冰设备的选择
蓄冷槽体积的计算：
V=
3-4
式中：
V——蓄冷槽体积m3；
Qi——蓄冷设备容量（kWh）；
b——容积膨胀系数，对于水蓄冷b≈1.0，对于冰蓄冷b≈1.05-1.15；
q——单位蓄冷槽体积蓄冷能力（KW/M3）
冰槽总体积（闭式系统）V=1.1Qi/q=1.1×14808.5×0.02=325.79m3。
由以上数据选用整装式蓄冰盘管型号TSU-804B的冰槽6个。
其参数如下所示：
蓄冰能力：
3129kwh；潜热：
2827kwh
外型尺寸10817*3034*2150mm3
乙二醇容量：
2.20m3
接管直径：
150mm
TSC-182B24个
3.7.3板式换热器的选择：
系统的最大冷负荷为3963kw，换热器选型时换热器的换热量应在此基础上附加10-20%的余量，则Q’=Q×1.1=4359.3kW。
则：
换热面积F=Q/（k.Δt）
式中
Q——换热器的换热量即总的传热量4359.3kw
k——换热系数，k=5000W/（㎡.k）
Δt——换热温差，取2℃
所以F=4359300/（5000×2）=435.93㎡，选择板式换热器FP31-6/10/16/25三台，换热板数为500，换热面积为150㎡，进出口通径Dn=100mm。
1332*480
3.7.4冷却塔的选型：
冷却塔与制冷机对应，它必须满足制冷机的冷却水量的要求。
根据所选用的四台同型号JCSLD—240型螺杆式冷水机组，其对应的冷凝器侧水流量为182
，选用冷却塔的具体信息如下：
型号：
CNTB系列冷却塔：
选用四台CNTB-200
型号
标准水量/m3/h
外形尺寸（mm）
风机参数
进塔水压/mH2O
进水入管/mm
冷水出管/mm
WB28℃
L
H
W
直径/mm
风量/m3/h
电机功率/kw
CNTB-200
200
3900
3000
4500
9.6
105000
5.5
4.9
200
250
进出水温度：
37℃～32℃
3.7.5乙二醇泵的选型
选择泵的流量和扬程，应考虑载冷剂的浓度、温度、密度、比热、粘度等参数。
在采用质量分数为25%的乙二醇溶液作载冷剂时，所需要流量应比水流量大8%
扬程计算：
管路压降按每m管长0.06～0.15kPa计算；热交换器（如板式换热器）压力降一般为50~100kPa.
溶液泵扬程按下式计算：
H=0.1*（Rc+Rs+Rcs）
公式中H——泵的扬程，m
Rc——蒸发器压降，kPa
Rs——管路压降，kPa；
Rcs——板换压降，kPa。
代入数据，得：
H=0.1*（Rc+Rs+Rcs）
=0.1*（80+0.15*60+50）
=13.9m
由计算知扬程H=13.9m,流量为双工况机组蒸发器流量146m3/h。
由于选择水泵时扬程和流量都要附加10%，则应选择扬程大于15.29m，流量大于160.6m3/h乙二醇泵。
选择IH150-125-2505台（4用1备），具体参数如下所示：
1380*600
型号
转速=1480r/min介质密度=1000kg/m3
流量（m3/h）
扬程（m）
电机功率（kw）
汽蚀余量（m）
效率（%）
IH150-125-315B
176
24
15
6
77
进口管径150mm,出口管径125mm
3.7.6乙二醇膨胀水箱的计算及其确定：
与常规供暖和供冷系统相同，在闭式系统的最高点应设置膨胀水箱，膨胀水箱的体积Ve计算如下：
Ve=Vs*{（p1/p2）-1}
Vs:
蓄冰最低温度时，系统中载冷剂的体积；
p1，p2:
载冷剂最低温和最高温的密度；
经过计算，乙二醇膨胀水箱的有效容积为3.8m3，据此选取公称容积4
的方形乙二醇补液箱一台，有效容积为4.25
，规格为2100×2100×1100。
3.7.7乙二醇补液泵的选择
取其流量为乙二醇循环流量的4%，此处选用三台乙二醇补液泵（两用一备），型号为IH50-32-125。
其对应流量为12.5
，扬程为20m，对应电机功率为2.2kw。
型号
转速=2900r/min介质密度=1000kg/m3
流量（m3/h）
扬程（m）
电机功率（kw）
汽蚀余量（m）
效率（%）
IH50-32-125
12.5
20
2.2
2
51
进口管径50mm,出口管径50mm
3.7.8冷冻水泵的选择
系统最大流量为188
取冷冻水泵安全系数为1.1则其对应总量为206.8
，结合所需压头，选用IH100-65-200型水泵5台，四用一备。
其对应流量为100
，扬程为50m，对应电机功率为30KW.
型号
转速=2900r/min介质密度=1000kg/m3
流量（m3/h）
扬程（m）
电机功率（kw）
汽蚀余量（m）
效率（%）
IH100-80-160
100
32
15
4.5
73
进口管径160mm,出口管径80mm
1200*440
3.7.9冷冻水膨胀水箱的计算及其确定：
采用开式膨胀水箱定压补水方式，通过液位传感器控制系统的补水。
膨胀水箱的选择：
膨胀水箱容积的确定：
（
）
式中：
—膨胀水箱的有效容积，m3
—水的体积膨胀系数，
=0.0006，L/℃
—最大的水温变化值，℃
—系统内的水容量，m3，即水系统中管道和设备内存水量的总和。
也可根据下表选择计算系统内的水容量（L/m2建筑面积）
运行制式
全空气方式
空气-水空气系统
供冷时
0.40～0.55
0.70～1.30
供暖时
1.20～2.00
1.20～1.90
设整栋大楼全空气系统的总建筑面积为30000m2，空气-水系统的总建筑面积为15000m2。
供冷时，全空气系统取0.5L/m2；空气-水系统取1L/m2。
则
=30000×0.5+15000×1=30000L=30
所以
=0.0006×53×30=0.954
选择水箱尺寸为：
1.0*1.0*1.0m3
水箱配管的公称直径DN:
溢流管40
排水管32
膨胀管25
信号管20
循环管20
3.7.10冷冻水补水泵的选择
①系统水量：
按《暖通空调·动力》表6.7.15得空调冷冻水系统的总水量为
=30000×0.5+15000×1=300000L=30
②补水泵流量
系统的小时漏水量为总水量的1%，小时补水量为总水量的2%，补水泵的流量宜取补水量的2.5~5倍，本设计取4，则补水泵的流量为2.4m³/h。
③补水泵扬程
补水点应设在循环水泵的吸入口，扬程附加30~50kPa，本设计决定附加40kPa,则冷冻水补水泵的扬程为92m。
④根据上述参数，空调侧补水泵的型号为：
选择2台（一用一备）40GDL6-12*8型号的水泵2台（一用一备）。
流量为6m3/h，扬程为96mH2O，电功率为4KW。
型号
转速=2900r/min介质密度=1000kg/m3
流量（m3/h）
扬程（m）
电机功率（kw）
汽蚀余量（m）
效率（%）
IH65-50-125
25
20
3
3.5
62
3.7.10冷却水泵的选择
冷却水泵
取冷冻水泵安全系数为1.1则其对应总量为200.2
，结合所需压头，选用IH100-65-200型水泵5台，四用一备。
其对应流量为100
，扬程为50m，对应电机功率为30KW.
型号
转速=2900r/min介质密度=1000kg/m3
流量（m3/h）
扬程（m）
电机功率（kw）
汽蚀余量（m）
效率（%）
IH100-65-200
100
32
15
4.5
71
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