0 引言

　　虽然我国拥有庞大的发电量，但电站装机容量有限，仍不能满足夏季高峰期的电力消费量。近年来国家从电力用户方面考虑并制定了一系列的移峰填谷和节约用电政策，加强对用电需求侧的管理(DSM)。由于高峰用电量中空调用电占30%以上，占建筑物用电的40%～60%，采用蓄冰空调后可大大缓解由于空调用电负荷在用电峰谷时段的不均衡而造成的电网不均衡。

　　蓄冰空调是在夜间用电低谷时，用制冷设备制冷，将冷量通过蓄冷装置贮存起来，在白天电网高峰期，将贮存的冷量释放出来，达到平衡用电负荷的作用。

　　1 工程概况

　　三星驻中国总部大楼工程位于北京市东三环中央电视台新台址，建筑面积16.7万m²，工程用电面积8 223m²，建筑物包含地下室、裙楼、塔楼3个部分。地下室分为7层，深28.7m，主要为停车场、各大设备与电机房;裙楼共6层，高27m，主要由商铺、多功能报告厅、银行、食堂、健身房等构成;塔楼57层，高260m。

　　本项目的蓄冷空调系统主要为该建筑提供空调冷冻水，冷冻机房设在地下6层，机房建筑面积1 470m²。蓄冰槽设于地下6层冷冻站南侧，建筑面积160m²，冰槽总容积900m³。

　　2 蓄冰设备选型

　　2.1 冷源

　　采用美国特灵公司的离心式制冷机组5台，其中3台给塔楼办公区域供冷，2台给裙房商业区供冷。

　　塔楼3台编号为CHLR-T-1～CHLR-T-3，双工况制冷，制冰模式时设备能力为1 792kW/509.7RT，制冷机机进口温度-1.7℃，出口温度-5.5℃;冷冻水模式时，设备能力为2 285kW/650RT，制冷机机进口温度10℃，出口温度5.2℃。

　　裙楼2台编号为CHLR-P-1～CHLR-P-2，采用冷冻水模式制冷，设备能力为2 461kW/700RT，制冷机进口温度13.3℃，出口温度5.5℃。

　　2.2 冷却塔

　　本工程在屋面设置5台冷却塔，其中3台开式塔，2台闭式塔，具体参数如表1所示。

　　  

　　表1 冷却塔参数  

　　 

　　 

　　

　　2.3 板式换热器

　　采用瑞典进口的阿法拉伐板式换热器，设备具体数量及参数如表2所示。

　　  

　　表2 板式换热器参数 

　　 

　　 

　　

　　2.4 蓄冰槽

　　现场加工，采用韩国SK进口聚脲防水。蓄冰槽位于地下6层东南侧，最大蓄冰量43 610.8kW(12 400 RT)。

　　2.5 乙二醇循环水泵

　　乙二醇循环水泵共计4台，其中1台备用，并配备4台变频控制柜。每台流量为8 395L/min，扬程34m，功率为75kW。

　　2.6 冷却水循环泵

　　冷却水循环泵选用立式离心泵8台，其中2台备用。T-P-CW-B6-1～4具体参数:流量4 900L/min，扬程36m，功率55kW;T-P-CW-23-1～4具体参数:流量4 900L/min，扬程44m，功率75kW。循环泵采用变频和软启动两种方式运行。

　　3 蓄冰池设计与施工

　　3.1 蓄冷方案选择与冰球选型

　　3.1.1 蓄冰方案选择

　　冰球式与盘管式蓄冷设备是在我国应用较广泛的两类蓄冷系统形式，下面从蓄冰融冰特性、设备寿命及应用于系统时的各种问题对金属盘管式和冰球式蓄冷设备进行全面比较。

　　1)使用材料

　　盘管式采用金属材质，维修比较困难;冰球式蓄冷系统，材质为HDPE，形状为沉陷结构，从表面到冰中心的距离最小，从内部容易冷却结冰，提高蓄冷效果，破损率<1%，使用寿命长，维修简便。

　　2)制冰及融冰方式

　　盘管式蓄冷系统采用内融型方式:制冰时，低温乙二醇在盘管内部，从而使管道外部的水结成冰;融冰时，高温乙二醇在管道内部流动，从而进行融冰和冷却。盘管式蓄冷系统，融冰时在管道和冰之间生成的水起到热阻力作用，因此降低融冰效率。

　　冰球式蓄冷系统采用外融型方式。制冰时，低温的乙二醇溶液在其周围流动，从而融解冰球内部的水;融冰时，高温乙二醇与冰球内部的冰交换热量后变成低温乙二醇，并从蓄冷槽流出。外融型方式蓄冷槽结构更容易制冰和融冰。

　　3)蓄冷槽

　　盘管式制冷系统由于在蓄冷槽内部的盘管传热面积小，因此在相同时间内为了制冰需要更多地降低乙二醇温度。8h制冰时，乙二醇温度应该保持在-6.7℃以下，降低冷冻机效率。融冰时，因传热面积小，初期蓄冷槽的出口温度保持在3℃以下，但是随着盘管周围的冰融解变成水，降低其热交换性能。在进行50%以上融冰后，蓄冷槽的出口温度持续上升。因蓄冷槽的出口温度高，对Peak负荷的反应能力下降。

　　冰球式蓄冷系统，由于冰球的传热面积大，因此其制冰及融冰性能较好。融冰时即使冰量减少，由于传热面积大，蓄冷槽的出口温度能够保持恒定，在整个融冰时间内几乎可以保持在恒定温度(3℃)，因此对Peak负荷的反应能力非常优秀。

　　4)冷却性能

　　盘管式蓄冷系统随着冰被融解，与盘管接触的冰量减少，因此其冷却性能下降。蓄冷槽容量为12 160 RT·h时，每小时融冰量为1 094 RT。

　　冰球式蓄冷系统因冰球内部冰的密度比水轻，冰始终紧贴在冰球表面，因此通过与最多冰进行热交换后，能够得到低温乙二醇。蓄冷槽容量为12 160 RT·h时，每小时融冰量为1 763 RT。因此，具有对瞬间负荷的应对效果及抑制Peak的效果。

　　5)特性曲线

　　盘管式蓄冷系统没有把整个冰用于冷却，利用80%左右后，蓄冷槽的出口温度变高，因此需要启动冷冻机才能进行冷却。启动冷冻机后，运行费增加。

　　冰球式蓄冷系统通过蓄冷槽的均匀分配，防止蓄冷槽内部的死角区域，因此能够把整个制冰后的冰用于冷却。因此，能够最大限度地利用蓄冷槽，减少冷冻机的启动。

　　6)泵的动力

　　盘管式蓄冷系统由于乙二醇在管道内部循环，因此增加磨损水头，增加乙二醇泵的动力。

　　冰球式蓄冷系统采用开放型蓄冷槽，因此没有乙二醇流动引起的磨损，乙二醇泵的扬程短，能够降低泵的动力。

　　实验分析表明，与盘管式系统相比，冰球式蓄冷系统的乙二醇泵动力能够减少50%以上。

　　7)运行费

　　考虑乙二醇泵的动力减少及蓄冷槽的冷却性能时，与盘管式系统相比，冰球式蓄冷系统节省15%左右的年冷却运行费。

　　8)蓄冰槽维修管理

　　因盘管材质为金属，有腐蚀的可能性，因此需要进行水质管理。因采用多台蓄冷槽，安装流量分配用阀门等管理事项比较多。盘管因腐蚀等因素破损时，整个系统统停止运行，因此不可能进行冷却。

　　冰球材质为HDPE+LDPE，没有腐蚀的可能性，因此其寿命长，在更换系统前不发生冰球的更换情况。因没有蓄冷槽的管理事项，因此维修管理非常方便。

　　9)蓄冷槽发生问题对策

　　盘管破损时，乙二醇溶液流出而管道压力下降，乙二醇浓度下降，系统不能运行，只有解决蓄冷槽问题，才能运行系统。

　　冰球式蓄冷系统，即使发生部分冰球被破损，此时启动乙二醇泵，制冷及融冰不受任何影响。在冷却结束后，更换被破损的冰球也方便。

　　10)设备管理

　　盘管式制冷系统，因设备构成复杂，系统运行及维修管理困难。冰球式蓄冷系统构成简单，可运行多台冷冻机，自动控制简单。

　　综上分析，冰球式蓄冷系统的外融型制冷方式，温度特性优秀，同时乙二醇流动较慢，设备动力损耗低。虽然前期投入费用高，但运营管理方便，后期维护简单，维护费用少，因此综合上述因素，本项目选用冰球式蓄冷系统。

　　3.1.2 冰球选型

　　目前在中国市场冰球状态和品牌对比如表3所示。

　　本项目选用热传导系数较高的ENE容积960cc+60cc的混合冰球，加快了制冰效率，同时体积较小的冰球，通过双工况蓄冷机将蓄冰槽内的乙二醇溶液制成-4℃左右的低温制冷液剂，将冰球内的水制成冰，日间再用冰球内的冰为建筑物提供冷量。

　　  

　　表3 冰球品牌对比 

　　 

　　 

　　

　　冰球式蓄冷系统中消除过冷现象是特别重要的。本项目选定冰球内加入优良性能的造核剂使冰球内的水在0℃时就开始结冰，因而大大提高了系统的整体效率。

　　3.2 蓄冰槽施工

　　3.2.1 基层处理

　　通过利用混凝土抛丸机处理基层，以便充分暴露混凝土面层的裂缝，同时能形成良好的纹路，增强硬泡聚氨酯保温的粘接效果。

　　抛丸结束后，用刮板、刮刀将混凝土裂纹用防水腻子进行修补，修补完成后用笤帚、吸尘器将基层的浮尘清理干净。

　　3.2.2 蓄冰槽保温施工

　　蓄冰槽保温层采用可以在-50℃～150℃的环境下长期使用的聚氨酯硬质泡沫材料，其导热系数极低，具有优异的保温隔热性能。硬泡聚氨酯具有很强的自粘接能力，其粘接强度大于自身的抗裂强度，可以与混凝土基层有效粘接。

　　在基层上均匀喷涂硬泡聚氨酯，每次喷涂厚度控制在10mm，经多次喷涂，使聚氨酯保温层厚度达到100mm。

　　3.2.3 防潮层施工

　　聚氨酯喷涂完成后，用角磨机对凹凸部位打磨平整，之后刷涂高级脂肪酸防水剂，去除聚氨酯表面的针孔或气孔，提高聚氨酯层的保温效果并达到防渗目的。在防水剂快要凝固前，喷涂1mm厚胶浆，喷涂胶浆的目的是填充防水剂形成的凹凸面，使表面光滑平整。防水剂和胶浆作为蓄冰槽的第1层防水，起到了防水防渗的效果。

　　3.2.4 聚脲防水施工

　　聚脲防水材料物理性能优异，具有较高的抗拉抗撕裂强度、耐磨性能好同时还具有防腐保温的功能，可耐受乙二醇防冻液的长期浸泡。聚脲防水剂固含量100%，无挥发性，施工中无污染，符合环保要求。蓄冰槽的防水做法如图1所示。

　　

　　图1 蓄冰槽防水做法 

　　 

　　3.2.5 布水器及散水板施工

　　在蓄冰槽顶部和底部分别设置上布水器和下布水器，上布水器下安装格栅板，确保进水均匀布置，消除蓄冰槽内换热死角，提高蓄冰槽整体效率。

　　3.3 蓄冰槽设计施工中应注意的问题

　　1)本大厦冷冻站位于地下6层，冰蓄槽位于冷冻站东南角，四面墙体，有两面为大楼外墙。设计前需考虑基础筏板地面返水及外墙渗水破坏蓄冰槽内壁。因此本工程在地面增加排水板，排水板上铺0.8mmPE膜，之后打80mm厚混凝土垫层，在顶层上布置DN50地漏，连接至排水井，以便观察渗漏情况;两面外墙分别用压条满铺排水板，有效避免了蓄冰槽外墙及地面侧渗漏对蓄冰槽内壁造成破坏。

　　2)乙二醇价格昂贵，蓄冰槽检修或者渗漏都会造成很大损失，因此保温层、防水层施工中必须做好质量检查。布水器安装前采取必要保护措施，安装完成后注意检查，各支架末端再次涂刷聚脲。以上工作完成后，灌水进行闭水试验，试验过程中启动循环泵及阀部件，观察系统情况。闭水试验合格后，放出三分之一的水保证浮力，以免冰球投入时破坏防水层，冰球快填满蓄冰池时，人工进入蓄冰池添加，不得使用任何坚硬工具。

　　3)为防止乙二醇对管道造成腐蚀，在管道完成后，在注水后加入化学药剂清洗管道，通乙二醇后加入缓蚀剂进行预膜。在乙二醇的运行过程中也要定期添加稳定剂。

　　4)运行过程管理在运行过程中，乙二醇会有一定程度的挥发，为避免由于乙二醇的挥发导致防冻液冰点升高，对设备及管道造成破坏，需要实时监测乙二醇的浓度，及时补充乙二醇，主要监测点布置在以下部位:(1)冷水机组出口处;(2)板换乙二醇侧出水口;(3)蓄冰槽的泄水口;(4)水泵的进水口。

　　5)冰球保护由于蓄冰槽是封闭的，因此无法实时观测冰球的情况，只能依靠检测乙二醇浓度了解是否有破损，因此冰球灌装前一定严格按照要求采取必要保护措施，运行时定期检查蓄冰槽顶部冰球情况，如发现破损冰球及时清理，更换新冰球，同时注意添加乙二醇。

　　4 冰蓄冷系统自动控制功能

　　4.1 冷冻水系统连锁控制

　　冷冻水系统中，和板换相连的一次冷冻水水泵和板换是多对多的关系，也同样存在像乙二醇系统中的连锁要求。

　　当负荷降低时，一次冷冻水泵出口电磁阀与板换冷冻水出口电磁阀形成连锁，对应的冷冻水泵和板换相应减少。反之，负荷增加时相应冷冻水泵和板换增加。

　　4.2 冷冻水、冷却水温度控制

　　冷却水系统控制根据双工况主机的开启状态来连锁冷却水泵。冷却塔、冷却水泵、冷机以及电磁阀形成连锁。即根据监测到的冷却水回水温度调节冷却塔的旁通阀开度以及散热风机启动台数，保证冷却水回水温度在设定的主机冷却水供水温度范围内，提高主机制冷效率。

　　4.3 整个系统的控制与监视

　　1)系统的启停顺序控制

　　开启顺序:阀门调节到相应的工况状态→冷却水泵→冷却塔→冷却水泵→(基载主机)→乙二醇泵→双工况主机。

　　停机顺序:双工况主机→冷却塔→冷却水泵→乙二醇泵→冷冻水泵。

　　系统的启停顺序以及时间间隔在自控程序中编制完成，自控系统在实际操作中可以做到根据工况预测开机。

　　2)本项目蓄冷系统有两种控制模式:主机优先和优化控制。

　　主机优先模式:在冷负荷大情况下，优先开启主机，当主机的容量不能满足冷负荷需求时，通过融冰来补充能量。

　　优化控制:当冷负荷较小时，控制系统根据当天各时间段负荷消耗，来确定运行策略，达到最优控制。主要从以下方式确定主机或融冰的运行分配:融冰满足当天蓄冷情况下尽量不开主机，融冰不能满足当天负荷时根据当天各时间段预测负荷来确定各时间段融冰与主机的负荷分配，同时遵照以下原则:主机如需开启，尽量使主机处于满负荷状态;当天融冰尽量保证当天用完，避免能源浪费;主机及相关水泵等设备开启时尽量调整在电价较低时间段;在电价较高时间段尽量提高融冰效率。

　　5 冰蓄冷经济效益分析

　　本项目冰槽的容量设计为12 400 RT·h。蓄冰主机的功率为:夜间制冷量540RT，功率461.4kW;日间制冷量650RT，功率490kW。按照计算，夜间制冷12 400Rt·h需要10 591kW·h，费用共计3 812元。

　　如果不使用冰槽，而采用主机直供的常规系统进行供冷，则制冷12 400Rt·h的冷量需要9 348kW·h，费用共计约11 900元。则每天节省费用约8 088元，按照每年使用150d计算，则每年节约费用约121.32万元。如果不采用冰槽的蓄冰形式，则需要增加至少2台主机，才能满足建筑物峰值供冷的负荷，需要约250万元。

　　采用冰槽的形式，冰槽的投资费用为650万元，两种形式的差价为400万元。投资回收期为3年4个月。

　　采用蓄冰系统投入使用10年后预计比直接采用冷机制冷节省费用为813万元。

　　6结语

　　现已完成冰蓄冷工程全部施工，该系统的保温、防水施工技术先进、耗时短、使用效果好。采用新型冰球材料、优良布水设施、先进节能的蓄冷设备，保障系统的稳定运行。同时其优异的控制模式，通过对电能移峰填谷，保障了用电的平衡，取得了良好的经济效益和社会效益，为后续工程的施工提供了有力的保障。