冰蓄冷系统的设计与施工方案

1、01工程概述北京国际金融中心位于月坛北桥东侧，建设单位是首创集团融金房地产开发有限公司。该建筑物功能类型为办公，酒店，银行办公的综合大厦，总 建筑面积11.6万平方米。是全国最大的冰蓄冷工程项目。该项目由北京建 工总机电设备安装工程有限公司第一项目部进行施工安装。本系统主要是为该建筑提供空调冷冻水，冷冻站在地下 3层;机房建筑面积1200m2（蓄冰槽 520m2）。冷冻站采用蓄冰空调系统，充分利用夜间廉价的低谷电力储存冷 量，补充在电力高峰期的空调冷负荷需要，节约系统运行成本。02设备配置（一）冷源.双工况螺杆式冷水机组 3台（YSFAFAS55CNES）约克（合资）.基载离心式冷水机组 2台

2、（YKFBEBH55CPE ）约克（合资）（二）冷却塔：大连斯频得冷却塔共计5台，CTA-600UFWS 两台，CTA-450UFWS 三台。（三）板式换热器：丹麦APV板式换热器共计3台，选用APV板式换热器J185MGS16/16。（四）蓄冰槽（现场加工）蓄冰槽共有六台，最大蓄冰量 31787.2KW（9040RT）。（五）乙二醇循环水泵：德国KSB乙二醇循环水泵共计4台，其中1台备用，并配4台变频器。（六）冷却水循环泵：德国KSB冷却水循环泵选用卧式离心泵4台，其中1台备用。03运行策略（一）负荷说明根据建筑使用情况及初步设计估算结果，整幢大楼的尖峰冷负荷为 11428KW （3250R

3、T）。由于气温变化，空调系统在整个运行期间日负荷大 小会有变化，根据负荷分布情况，计算出 100%负荷情况逐时空调负荷：目前蓄冰的模式可采用全部(全量)蓄冰模式或部分(分量)蓄冰模式本工程采用部分蓄冰模式。根据采暖通风专业提供的建筑物设计日 100%负荷如下：最大小时冷负 荷:11428KW (3250RT)设计日冷负荷:151705KWH (43144RTH )最大小时基载冷负荷：2286KW (650RT)扣除设计日基载冷负荷后冷荷:96852.4KWH (27544RTH )(二)系统流程简述本设计蓄冰设备选用冰球式蓄冰设备，系统选用串联单循环回路方式，在 循环回路中，乙二醇制冷主机置于

4、蓄冰装置上游。系统中设有板式热交换器 3台，每台换热量为用3961KW (1126RT),用以把冰蓄冷系统的乙二醇 回路与通往空调负荷的水回路隔离开， 保证乙二醇仅在蓄冰循环中流动，而 不流经各空调负荷回路，可减少乙二醇用量并避免乙二醇在空调负荷回路中 的泄漏。乙二醇回路中设有 4个电动调节阀CV1,CV2,CV8CV9 ,根据冷负 荷变化，通过电动调节阀CV1,CV2调节进入蓄冰装置的乙二醇流量，保证 进入板式热交换器的乙二醇侧温度恒定并满足冷负荷需求。电动调节阀 CV8.CV9调节进入板式热交换器的乙二醇流量，保证进入板式热交换器的 水侧温度恒定并满足冷负荷需求。同时，空调冷冻水回路采用的

5、是二级泵系 统，节省运行费用。本工程最大蓄冰容量 31787.2KW (9040RT ),分6个冰槽，槽内净高2.35 米。为了尽量减少冰槽的占地面积，我们将蓄冰槽作成非标准型的，尽量利 用建筑空间，顶板上方预留设备入口兼检查孔， 供设备及检修人员出入。冰 槽结构为外保温。自蓄冰槽向外的结构组成分为：防水涂刷层，橡塑保冷层。 为满足电力部门削峰填谷的需求，电力高峰段，双工况冷水机组，基载冷水 机组满负荷运行，不足冷量由融冰输出供给。系统设计中同时考虑备用问题， 当任意一台机组发生故障时，开启备用基载冷水机组满足空调供冷的需求。 当任意一台双工况冷水机组发生故障时， 开启备用基载冷水机组，满足第

6、二天空调供冷的需求，当任意一个分区的蓄冰槽发生故障时， 开启备用基载冷 水机组，满足空调供冷的需求。在过渡季节空调供冷时，停开冷水机组，仅输出融冰供冷便可满足空调需求。 此时，电动调节阀CV1 ,电动阀CV3关闭，开启电动阀CV2,CV4 ,乙二醇 溶液冰不流经双工况冷水机组，避免了泵功率的浪费。在蓄冷槽单独供冷时， 乙二醇溶液泵采用变频技术，大量降低水泵能耗。（三）蓄冰运行策略根据全日冷负荷曲线及北京地区的分时电价情况， 本设计采用的是负荷均衡 的部分蓄冰策略，这样既可以用在夜间储存的冷量最大限度的满足在电力高 峰期空调冷负荷需要，节约系统运行成本，也尽可能少的占用该建筑的有效 面积。04运

7、行情况比较由于北京地区电网采用了峰谷电价政策， 高峰电价与低谷电价已达到 4.3 : 1。因此，采用冰蓄冷系统，可以大大降低空调系统运行费用。现阶段，峰 谷分时电价如下表：乙二醇系统的控制根据电力负荷的峰谷时段（电价的高低）和空调负荷的要求，整个蓄冰制冷系统能自动切换系统的运行工况 ：（1）双工况主机制冰模式（2）双工况主机+融冰供冷模式（满负荷情况）（3）融冰单供冷模式（部分负荷情况）。控制系统根据工况要求，自动开关电动阀，组成某工况所需的流体通道。通过阀门调节控制融冰速度；在融冰单供冷工况通过乙二醇泵变频及台数调节控制融冰速度及供水温度。1.双工况主机制冰模式：23 ： 007 ： 00在

8、此时段内为电力低谷期，电价低廉。双工况主机设定为制冰工况并满 负荷运行，所制得的冷量全部以冰形式存储起来，以供冷负荷高峰期使用开启双工况主机和乙二醇泵，在双工况主机、乙二醇泵和储冰槽之间形成一 个制冰循环。在电力低谷期，充分利用低谷廉价电力，三台双工况主机全力 制冰，制冷机组首先使回路显热降温， 直降到蓄冷球相变温度，达到相变温 度后，随着吸收机组产生的冷量，蓄冷球开始发生相变（结冰），在结冰期 间冰球不断吸取机组所产的冷量，至制冷机组产生的冷冻流体温度也略降至 相变结束时对应的最终温度速度很快，而这种快速的降温表明了蓄冷阶段的 结束。因为制冰时主机的效率受到室外空气参数系统设定的影响，达到设

9、计蓄冰量所需要的时间可能超过或短于电力低谷时段， 如果超过电力低谷时段， 系统会在早晨电力平峰期甚至电力高峰期制冰，系统的运行费用增加；如果短于电力低谷期，则会造成系统在达到设计蓄冰量以后无效或低效运行（主 机出口温度很低），系统的运行费用也会增加。所以应该在电力低谷期，充 分用足制冷机组制冰量和冰球的蓄冰能力， 才能最大发挥蓄冰的功效（即最 经济的效果）。判断制冰结束的条件是：控制系统的时间程序指使为非储冰时间。当制冰主机出口温度低于-7C （可调）时或储冰装置的进出温差降到1.5 C （可调）。.双工况主机+融冰供冷模式（满负荷情况）：8 ： 0023 ： 00当用户冷负荷大于制冷机组所产

10、生的冷量时，需要蓄冷槽与制冷机组同时供冷，即联供运行。在此时段双工况主机满负荷运行， 不足冷量由融冰满 足，融冰供冷量根据负荷变化由电动调节阀 CV1、CV2来调节。开启双工 况主机，乙二醇泵和冷冻水泵。在双工况主机、乙二醇泵和板换形成一个供 冷循环。乙二醇泵把主机的冷量输送到板换，冷冻水和乙二醇溶液在板换进 行热交换后，有冷冻水泵输送到分水器或空调末端。除了由于检修原因人为 干预外，应采用基载主机优先。微机控制系统根据动态负荷预测的数据，控制蓄冷槽释冷量的大小，使蓄冷槽的蓄冷量当天基本用尽，又不能出现最后 几小时蓄冷系统供不应求，使冰蓄冷系统运行到最经济的效果。.双工况主机单位供冷模式（部分

11、负荷情况）：11 ： 0018 ： 00在此时段内为电力平价期，电价适中。双工况主机设定为制冷工况并满 负荷运行，满足空调冷负荷需要。开启双工况主机、乙二醇泵和冷冻水泵， 从板换出来的9c的乙二醇溶液先经过主机降温（7C）,主机的设定出口 温度为5C,然后进入储冰槽，储冰槽阀门处于调节状态，经过储冰槽冷却 的乙二醇溶液在阀门的调节下达到设定的供水温度 4C,供给板换。同时通 过调节CV8阀门控制板换二次侧的供水温度。.融冰单供冷模式（部分负荷情况）：8 ： 0011 ： 00;18 : 0023 : 00 在此时段内电力高价期。融冰供冷满负荷运行，不足冷量由双工况主机满足，满足空调冷负荷需要。

12、这样可避开电力高峰期，将系统的最高用电量 降至最低，节约运行成本。融冰供冷量根据负荷变化由变频泵来调节。开启乙二醇泵和冷冻水泵，乙二醇泵变频使板换二次侧的供水温度稳定在设计温 度（如7C）。止匕时，主机退出运行，主机的旁通CV12打开，乙二醇溶液不 在流经主机，直接进入冰槽，通过变频有效节省能耗。某些季节冷负荷低时 往往只靠释冷便能满足冷负荷，要求微机控制系统根据动态蓄冷负荷预测， 自动地控制系统的运行方式，使冰蓄冷系统运行在最佳状态，以达到削峰填 谷节约能源的目的。.备份模式:7 : 508 : 00在此时段内由于没有其它负荷，此间系统中除基载主机及相应设备正常 工作，提供该建筑的基本冷负荷

13、外，所有设备均停止运行，整个系统处于备 份状态。止匕外，业主还可以根据该建筑的实际情况组成其他模式。05冰蓄冷系统自动控制功能.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泵和板换是多对多的关系，也 同样存在象乙二醇系统中的联锁要求，负荷降低所需开启的一次冷冻水泵台数减少，对应的板换开启台数也需要减少，即一次冷冻水泵和板换冷冻水出 口的电动阀门形成联锁，同样这种联锁控制不能影响一次冷冻水泵和板换互 为备用的关系。.冷却水系统的控制根据主机（基载主机和双工况主机）的开启状态开启相应的冷却水泵， 冷却水泵、主机、冷却塔和电动阀门形成联锁。同时，通过电动阀门调节， 冷却水泵、主机和冷却塔能

14、互为备用，即当其中二种设备同时发生故障时， 可以自动开起非对应的设备，通过阀门自动切换所需的工作回路。 根据冷却 水的回水温度（冷凝器的进水温度）调节冷却塔风机、台数控制及冷却水旁 通控制，以保证冷却水的回水温度不低于主机所要求的最低冷却水供水温度， 同时尽可能使冷却水回水温度降低，以提高主机的制冷效率。.整个系统的控制与监视（不包括冷冻水二次水泵）（1）系统的启停顺序控制系统的启停顺序除考虑设备的保护外，还应充分利用主机停机后管道系 统中的冷量。主机，如果主机需要开启，则力求使主机处于满负荷运行状态， 同时当天冰必须能全部用完；同时以末端空调冷负荷。开启顺序：阀门调节到相应的工况状态一冷却水

15、泵一冷却塔一冷却水泵一 （基载主机）一乙二醇泵一双工况主机。停机顺序：双工况主机（基载主机）一冷却塔一冷却水泵一乙二醇泵一冷 冻水泵。以上括号内的设备表示如果该设备需要开启， 可在此阶段开启。系 统的启停顺序以及时间间隔在自控程序中编制完成，自控系统的实际操作中 可以做到根据工况预测开机。（2）系统运行模式的控制储冰制冷系统的运行模式通常有三种：主机优先，融冰优先，优化控制 其中，融冰由现在负荷预测技术成熟后不再采用。系统运行模式的控制必须 结合优化控制软件，根据优化软件的判断结果调整系统的运行状态。主机优先:在设计日工况下（冷负荷大），采用主机优先的模式，冷负荷 高峰时段内主机的容量不能满足

16、冷负荷需求，通过融冰来补充能量。这时主 机在空调制冷工况下运行，满足部分冷负荷的需要，其他的冷负荷有融冰满优化控制：优化控制的目标就是把有限的蓄冰量用在电价最高的时候，但 在一天必须把前一天夜间的制冰量用完。当空调负荷减小到某一数值时（测 试时寻找），当建筑负荷相对较大，储冰空调系统按优化控制方式进行，控 制系统根据当天的预测性负荷图来决定当天的运行策略，即每小时主机和融 冰各自所承担的负荷如何分配，尽量不开主机，如果主机需要开启，则力求 使主机处于满负荷运行状态，同时当天冰必须能全部用完 ；同时以末端空调 冷负荷、主机的出口温度、主机的部分负荷性能指标、电力高峰平峰时段分 布来决定当天的那一

17、时段开启或关闭部分制冷主机，使主机的耗电量与水泵 的总耗电量达到最小。当系统尚不能全融冰供冷即必须开启一台或多台主机补充冷量时，控制系统根据测出的末端负荷（流量和冷冻水供回水温差的函数），判断出主机 开启的最少台数，使必须运行的主机尽可能在高负荷率下工作， 提高整个系 统的功率。避免所有主机都在低负载率下以很低的效率运行，造成系统效率 降低。（3）板换的防冻保护板换冻结的原因是系统处于制冰供况时，板换乙二醇侧的阀门关闭不严，低温的乙二醇溶液流经板换，而水侧处于静止状态，所以水就会有结冰的可台匕 目匕。首先，电动阀门要选用高质量紧密关闭型的阀门，在系统制冰时，板换 乙二醇侧的阀门处于紧密关闭状态

18、。 其次，在每台板换的乙二醇的进口处安 装温度传感器，当温度传器检测到乙二醇进口的温度为1C时，开启板换所对应的冷冻水泵。在系统制冰时同时供冷，则检测到板换出口温度为1C时发出报警信号。06蓄冷空调方案的选择.目前空调蓄冰的方式很多，主要的有冰盘式、冰球式。本工程采用简便、 可靠、性能良好的法国CIAT冰球。它将封闭在一定形状的塑料容器内的液 体制成固态冰的装置。其形状为球形，浸在充满乙二醇溶液的贮槽内，冰球 内的溶液随着乙二醇的温度变化结冰或融冰。本工程采用的冰球，球壳厚 2mm ,直径98mm,每m3有效冰球数1221个，潜热133.4KJ/个。.整个蓄冰系统由充满冰球的贮冰槽组成，承压为

19、0.035Mpa;整个系统为 开式系统。由系统的6#冰槽为定压、膨胀箱。蓄冰槽可采用球型槽，立式槽 和卧式槽。在贮同样冷量的情况下，球槽具有体积小、冷量分配均匀及材料 最少的特点。但限于本工程的位置条件，我们采用了船型卧式槽，总蓄冷体积 为640m3,最大蓄冰量31787.2KW(9040RT)。该槽承压要求小，仅 0.035MPa。本工程选用的蓄冰系统是目前北京最大的冰球式冰蓄冷系统。.在空调蓄冷方案的选择中，空调制冷主机的选择十分重要。根据运行方 式的需要，空调制冷主机必须是双工况的，既能适应空调工况运行又能进行 制冰工况运行。根据常用主机有往复式、螺杆式和多级离心式。根据对压缩 机制冷机

20、的综合分析，离心式和螺杆式是最具有竞争力的。在小于 1060kW(300Rt)时，螺杆机较离心机要有优势，尤其部分负荷时，它的部分 负荷综合值较高，所以在制冰时更显出螺杆机的优越性。本工程采用了单螺杆压缩机，制冷剂采用 HCFC22 o单螺杆机具结构简 单，轴承受力负荷小，运动部件之间无磨损，所以使用寿命长、振动小、制冷效率高。正由于螺杆机的优越性能，在调试过程中，当负荷运行时，单台 主机实际耗电300kW 0采用双工况的单螺杆机是空调蓄冷模式决定的。.蓄冰空调系统流程配置蓄冰空调系统在运行过程中有两种运行工况，即蓄冰工况和放冷工况。在蓄冰工况时，系统内的载冷剂（即 25%浓度的乙二醇溶液）温

21、度低于冰 球内溶液的相变温度，后者内部的溶液便逐步结成冰（或固态物），从而将 冷量储存起来。在放冷工况时，系统的载冷剂温度高于冰球内溶液的相变温 度，球内的冰（或固态物）融解，将冷量释放出来。在蓄冰空调系统中，水系统的流程有两种：并联流程和串联流程。并联流程系统中制冷机与蓄冰槽处于并联位置，当最大负荷时可以联 合供冷。该模式可以实现蓄冰、蓄冷并供冷、融冰供冷、制冷机直接供冷等 多种运行工况。特点:并联流程在发挥制冷机和蓄冰槽的效率方面更为均衡，尤其在部分 蓄冰的条件下，泵的能耗比串联流程有所降低。串联流程系统中制冷机与蓄冰槽处于串联位置，以一台泵维持系统内 的乙二醇溶液循环，供应空调所需的冷量

22、。特点:串联流程可保持恒定的供冷温度，系统运行稳定，在自控方面也较 并联流程简单。根据系统流程的特点及工程使用的要求，在本工程中采用了串联流程。.蓄冰系统设备及流程的选择及配置，只是在节能、移峰填谷、节约投资方面起到一部分的作用；真正做到节约运行成本，同时还应注意系统运行控 制的正确方法，应注意以下问题：据用户冷负荷的需求，按电费结构的特点，自动设置蓄冷系统最佳的运行方式，降低整个系统的运行费用；充分利用蓄冷装置的容量，当日应尽量把所蓄冷量用尽，以发挥夜间 机组制冷的能力，减少白天运行的容量。自动检测系统的运行状态，保障冰蓄冷系统主要设备正常、安全运行、 自动记录系统运行的参数，显示系统运行流

23、程图和打印系统运行参数报表。07工程设计施工中应注意的问题及特点1,蓄冰槽容量不宜过大，会使蓄冰槽因自重变形，必须增加槽的壁厚以及 进行加固，还会给制作安装和运输带来困难，同时也增加了费用。在蓄冰槽 的扩散管的排布上，会因扩散管的排布过密而浪费大量的空间， 还会影响冻 冰及融冰的效果。2,冷冻站通常位于大厦的地下部分，而地下部分又往往是停车库、站房、 办公集中的部位；使用面积非常紧张、造价昂贵；在蓄冰槽的设置及排布上应 尽量使用可利用的空间位置。3,乙二醇溶液100%的价格大约是7100元/吨，价格昂贵。在系统中，如 果因为检修或系统渗漏会造成很大的不必要的经济损失，同时对环境造成污染。在施工

24、中，管道及设备用设立牢固的支、吊架，同时系统应进行严格的 严密性试验。如果有可能在乙二醇溶液充注前进行水溶液的试运转，观察整个系统的运转情况；及自控系统的测点及电动阀门的动作配合。4,蓄冰槽在安装过程中，槽与下面的支撑必须进行隔冷处理，以免局部形成 冷桥，槽的本体必须进行绝热保温设计以减少冷损失。 乙二醇溶液在蓄冰过程中通常在-2.19C/-5.56C范围内，与周围环境的温差大；如果隔热效果不 好，在平时的运行中会造成非常大的浪费。所以蓄冰槽的本体的保温厚度应 大于标准工况的冷冻水的保温厚度，保温层应严密尽量减少冷损失。.蓄冰槽无论是立槽还是卧槽在设计中必须考虑载冷剂（即 25%的乙二 醇溶液

25、）的分配均匀性。在槽的入口和出口设均流管。本工程采用了 DN200 扩散管，均流管供、回各一根，在系统冻冰及融冰过程中流向相反。将载冷 溶液均匀有效地传给槽内蓄冰球。.在蓄冰槽的设计中还考虑人孔以便填充球，在填充蓄冰球时，对高于 2M的卧槽或立槽，应预先在槽中充入 1/3槽的水以减少填球时的冲击使球 均匀地填充（由于冰球的密度比水小，冰球浮于水面有利于冰球的扩散）；同时水不宜过多，不利于冰球填满整个冰槽（造成冰槽底部无冰球）；槽的底部设卸球孔，也可作排污用。.在冰蓄冷系统流程中系统与用户的联接方式有直接连接 （即整个系统全 部充满乙二醇溶液）和间接连接（即乙二醇溶液系统仅限于一定范围内， 通

26、过板式换热器与二次水进行热交换）。本工程在设计中采用了间接连接，乙 二醇溶液仅限于在制冷机房内循环；外部空调水系统仍是水系统。这种做法 有两个好处：A、乙二醇溶液仅限于制冷机房用，用量少；B、减少在大楼内部存在因检修和维护造成乙二醇溶液泄漏的问题。C、尤其是高层建筑能起到隔断高层建筑冷水系统静压以保护空调制冷主 机;提高蓄冰系统安全系数，减少乙二醇溶液泄漏概率；减少设备及阀部件承 压稀疏的作用。其代价仅仅是增加了一台热交换器。.本工程采用了部分蓄冰的控制策略而且是制冷机优先， 这样制冷主机的 容量可以大大减少，同时也减少了电力增容费，在负荷较低时尽量利用所蓄 的冰。.在系统设计中还应考虑到：乙

27、二醇溶液受球内介质相变时的影响而体积 膨胀，在系统中他的相变膨胀量是 2%9%。为此系统应设置膨胀水箱， 而且还设置了溶液补给箱作为膨胀水箱外的溢流箱。在系统亏液或浓度降低 时进行补液。设置溶液补给箱有以下作用：既可方便地给系统补充乙二醇溶液，又便于检查乙二醇溶液浓度。当蓄冰球相变时，体积膨胀使膨胀箱中的溶液容纳不下而溢流至补给 箱在系统检修或维护中的补液及乙二醇液体的回收再利用，有利于减少 运营成本，以环保要求。.蓄冷系统的水处理：乙二醇水溶液系统管路为防止腐蚀， 需加防腐剂使 钢管内形成保护膜，防腐剂须符合环保要求。.阀门的选择上应注意的问题电动调节阀、开关阀门的密闭性能应严格要求 ；在整

28、个系统冻冰及融冰 的过程中，乙二醇侧在一定阶段内会运行在-2.19 C/-5.56C温度范围内，在 板换的另一侧的冷冻水通常在 7C/12 c运行;如果板换的乙二醇侧关闭不严 有泄漏，会造成板换冷冻水一侧结冰，冻裂设备。本工程采用KEYSTONE和SIEMENS的电动蝶阀。电动阀门的两侧应设置检修阀、旁通阀；以便系统检修，和人工手动运 行。电动阀门必须有方便的手动调节装置。.设备投资及运行比较：（见表）比较结果：冰蓄冷系统冷冻站房初投资1531万元，常规空调工况冷冻站房初投资 1300万元；采用冰蓄冷空调系统可以节约运行费用136万元/年；以空调设备运行年限20年计，蓄冰系统共可节约2720万元;经济效