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蓄冷空调系统的负荷计算

设计参考

蓄冷空调系统的负荷计算

山东省建筑设计研究院 李向东☆ 于晓明 牟灵泉

提要 分析了常规空调系统和蓄冷空调系统负荷计算的不同及逐时负荷分布对蓄冷系统负荷计算的重要性,指出了在蓄冷系统负荷计算时应该注意的问题。关键词 蓄冷空调 负荷计算 逐时负荷分布 非工作时段 得热

C a l c ul a ti o n of c o oli n g l o a d f or c o ol t h e r m a l st or a g e s yst e m s

By Li X iangdong ,Y u X iaoming and Mou Lingquan

A b s t r a c t An a l ys e s t h e dif f e r e n c e b e t w e e n c o nv e n t i o n a l A C s ys t e ms a n d c o ol t h e r ma l s t o r a g e s ys t e ms i n c o ol i n g l o a d c a l c ul a t i o n a n d t h e i m p o r t a n c e of t h e l o a d di s t r i b u t i o n h ou r b y h ou r t o t h e c a l c ul a t i o n.P oi n t s ou t s e v e r a l r e s p e c t s t o b e p a i d a t t e n t i o n t o.

Ke yw o r d s c o ol t h e r ma l s t o r a g e ,l o a d c a l c ul a t i o n ,h ou r l y c o ol i n g l o a d di s t r i b u t i o n ,un o c c up i e d t i me ,h e a t g a i ns

☆李向东,男,1969年7月生,大学,工学学士,工程师250001济南市经四路小纬四路4号

(0531)7913035

收稿日期:1997-10-15

负荷计算对于常规空调系统来说,就是为了确

定制冷设备的容量大小,因此计算出一定不保证率下设计日的逐时负荷,选取最大值,负荷计算即告结束。而对于蓄冷空调系统来说,制冷机容量的确定不是简单地选取某个逐时负荷,它需要与所选用的蓄冷系统形式、蓄冷设备性能相匹配,它的合理确定离不开对蓄冷/释冷循环周期内逐时负荷分布的分析。准确的负荷计算在一定意义上成了某个蓄冷系统成败的关键。1 逐时负荷分布对蓄冷系统的影响

不同的蓄冷系统是由不同的蓄冷设备决定的,各种蓄冷设备其蓄冷、释冷特性各异,各有千秋,亦各有其局限性。

水蓄冷系统可以利用常规制冷机,蓄冷效率高,释冷过程初期可以提供稳定的冷量,但随着释冷过程的进行,水温逐渐升高,可提供的冷量将急剧减少。

冰蓄冷系统中,外融冰系统(如冷媒盘管式)释冷过程中,高温二次冷媒直接与冰接触,换热效率高,可以提供瞬时较大冷量,但如果控制不好,容易造成初期释冷过量,后期如遇较大负荷,又显后劲不

足;蓄冷过程中,低温二次冷媒隔一层冰与水进行热交换,蓄冷效率低,制冷机工况不佳。内融冰系统(如完全冻结式)蓄冷效率高,释冷时由于高温二次冷媒隔着一层已融化的水与冰进行热交换,换热效率低,释冷量反而容易控制,不能应付瞬时高负荷,但非常适合于空调应用。制冰机(动态制冰)系统的蓄冰槽容量不受制冰机限制,仅和制冰时间有关。融冰时可以瞬间释放巨大冷量,适合于以周为循环周期的蓄冷系统以及食品加工等速冷工程。因此,选择蓄冷系统型式必须以负荷分布的形态为依据。

对于同一种蓄冷系统,当负荷分布有差异时,其系统的配置情况也是不同的。图1的三条曲线分别代表了宾馆、办公楼、商场三类建筑典型的负荷分布形态,假设其高峰负荷均为3517kW ,采用完全冻结式蓄冰系统,蓄冰槽和制冷机并联运行,蓄冰时间为每日23:00~7:00,电算结果各类建筑合理的配置应为:

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74? 暖通空调HV &AC

蓄冷空调系统的负荷计算

图1 逐时冷负荷分布图1宾馆 2办公楼 3商场

①宾馆 基载主机879kW,制冰、制冷双工况主机1583 kW,蓄冰槽FA F CO590型4个,280

型1个,名义蓄冷量7913kWh,蓄冰时制冷机平均出水温度-4.8℃。

②办公楼 双工况主机2040kW,蓄冰槽FAFCO590型7个,280型1个,140型1个,名义蓄冷量13628kWh,蓄冰时制冷机平均出水温度-4.4℃。

③商场 双工况主机2181kW,蓄冰槽FAFCO590型6个,420型1个,140型1个,名义蓄冷量12310kWh,蓄冰时制冷机平均出水温度-4.8℃。

采用常规制冷,三个系统可以完全相同,控制方式也可相同,而采用冰蓄冷系统则产生三个从配置到控制完全不同的系统,其根本原因便是逐时负荷分布的差异。

2 蓄冷系统负荷计算的方法

方案阶段可以利用典型负荷曲线中逐时负荷系数乘以按常规指标法计算的尖峰负荷得出逐时负荷分布。文献[1]中直接给出宾馆、办公楼、商场、餐厅、咖啡厅、夜总会、保龄球馆等建筑的逐时负荷系数。

直接估算设计日总冷负荷,可以采用平均负荷法,即日总冷负荷等于设计日空调运行小时数乘以日平均冷负荷,不同建筑平均冷负荷与峰值小时冷负荷之比为负荷系数,一般为0.56~0.85。对于不同情况,需要认真分析空调负荷的特点进行合理取值。平均负荷法对于会场、展厅、体育场等建筑的负荷估算较为合适。

利用上述的估算结果确定方案、配置设备是远远满足不了要求的,甚至会造成整个系统的失败,特别是平均法,这种可能性更大。根本的原因是满足总冷量的蓄冰设备不一定能满足逐时负荷的需要,详细的负荷计算在蓄冷系统中是必不可少的。

蓄冷系统逐时负荷计算的方法与常规空调系统是一致的,可以完全按照规范及一般手册提供的步骤进行,只是在计算过程中,构成蓄冷系统负荷的某些内容与常规空调应有所区别或者应特别引起注意,以下将着重对此加以讨论。

3 蓄冷系统负荷计算应注意的问题

3.1 室外参数

根据规范,夏季空调室外计算干球温度采用历年平均不保证50h的干球温度,对于制冷运行2000h的系统来说,不保证率为2.5%。部分蓄冷是制冷机和融冰释冷共同承担峰值负荷,一旦负荷超出设计值,蓄冷系统较常规制冷裕量更小。因此,ASHRAE手册提出蓄冷系统应采用1%的不保证率,某些情况甚至应采用历年最高温度的平均值作为蓄冷系统的室外设计温度。对于全蓄冷系统,日间供冷时制冷机处于休息状态,相当于一个备用冷源,负荷保证率较高,室外设计温度可以取低一些。具体应采用什么参数才能既满足蓄冷系统要求,又符合我国实际情况,还需要暖通界同行更多的努力,尽快制定相应的规范措施。

对蓄冷系统,需要分析制冷机夜间制冰时的效率,一方面,夜间制冰时蒸发温度降低,制冷机效率下降(蒸发温度每降低1℃,效率约下降3%);另一方面,夜间空气的干、湿球温度均较低,冷却塔运行效果较好,冷凝温度可以降低,这对制冷机效率是个补偿,如济南地区夜间空气的湿球温度比白天低1.7℃,在相同蒸发温度时,可以使制冷机耗功率降低19.2%,性能系数CO P提高13.6%。影响冷却塔冷却效果的空气湿球温度,可以通过室外逐时干球温度用定露点法求出。

3.2 非工作时段的影响

对于常规空调系统,计算的目的是得到最大瞬时负荷,一般从工作开始时刻计算逐时负荷完全可以满足需要,有经验的设计师仅计算预计最大负荷出现的时刻(如15:00)前后一段时间的负荷,提高了工作效率。非工作时段得热形成的次日预冷负荷,可以通过预冷或直接在开机后的一段时间内“融化”掉,而不会影响制冷机容量的大小。

如前所述,全日(周)总冷量和逐时负荷分布才是决定蓄冷系统的因素,因此,负荷计算必须包括整个蓄冷/释冷循环,即至少24h,有时是一周。对于办公类建筑,下午5:00~6:00一般都已停止工作,而此时太阳仍然照射在建筑表面,部分发热设备继续运转,这些得热都形成全日总冷负荷的一部分,需要在次日制冷机运行后“移”走,最终影响的是制冷及蓄冷设备的容量大小。对于以周为循环周期的蓄冷系统,周末、休息日的得热都应计入总负荷内,并将这部分负荷“加”到周一开始运行的几个小时内。

3.3 人员、灯光、设备得热的影响

在整个工作周期内,小的得热量对逐时负荷的影响不大,但可能会占总冷量的较大部分。因此,详

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?设计参考 1998年第28卷第3期

细的在室人员、灯光、设备的工作时间表在蓄冷系统

负荷计算中尤为重要。人员得热占商场负荷比例很大,常规系统往往按营业面积估算峰值客流量,

蓄冷空调系统的负荷计算

而实图2 商场客流量分布图

际全天客流量分布有很大变化,设计蓄冷系统必须加以考虑,而全年高峰客流量也并不出现在最热月份,图2为国内商场典型的客流量分布情况。

空调场所内所有的热源都必须计入,一般来

说,引入空调区域的电力都应在负荷计算中体现出来。对于现代化的办公建筑来说,计算机散热量很大,当每人一台终端设备时,即使开机率不足50%,净得热量也为19~27W/m 2。下班后关机或设置电力自动控制装置对于蓄冷系统来说是成功的节能运行措施。3.4 蓄冷容器得热

蓄冷系统较常规系统在设备配置上最明显的不同是增加了蓄冷设备,蓄水槽、蓄冰槽必然存在能量损失,其绝对值不大,但累计全天24h ,也是不容忽视的,这个能量损失在计算蓄冷设备容量时可以认为是蓄冷设备容量的减小。

对于一般的冰蓄冷设备,冷损失占全天总蓄冷量的1%~5%左右,蓄冷水池则高达5%~10%。如果保冷效果不好,或者环境温度过高、蓄冷设备露天放置都将使冷损失加大。精确计算可以通过蓄冷设备表面积、传热系数、蓄冷介质温度、环境温度求出。

蓄冷水池的能量损失之所以如此之高,一方面是通过池壁传导散热,单位冷量所占有的容积水蓄冷是冰蓄冷的8~9倍之多,其表面积也大大超过冰蓄冷;另一方面水池内冷温水间的混合扰动和热量传递、沿绝热较差的壁面水温发生变化从而产生自然对流都使得水蓄冷冷损失大大增加。减少冷量损失首要一条必须做好蓄冷水池的绝热。图3是文献[3]介绍的三种绝热做法

蓄冷空调系统的负荷计算

图3 地下蓄冷水池绝热和防水构造示意图

3.5 其它问题

低温送风作为冰蓄冷系统可以提供的一大优势被广为宣传,而实际上,就目前国内空调制冷现状,这种技术要达到实用阶段尚有许多难以解决的技术问题。其中负荷计算时,空气渗透引起的潜热得热已经不

容忽视,由于低温送风的送风量减少,使得房间正压下降,建筑高度的增加使得建筑立面上风压增大,渗透空气量加大。低温送风可以带走更多潜热,提供更为“干冷”的空气增加人的舒适感,渗透空气的存在却抵消了这种优势,增大了空调系统的处理负荷。

水泵温升在常规系统也存在,但对于蓄冷系统却存在于整个蓄冷/释冷循环过程,蓄冷时相当于制冷机可蓄存冷量的减少,释冷时相当于冷负荷的增加。

上述拙见,难免错误疏漏,希望各位同行不吝赐教。4 参考文献

1 彦启森.冰蓄冷系统设计.1996.42 Charles E Dorgan ,James S Elleson.Design guide for cool

thermal storage.ASHRAE ,1994.103 中原信生,著;龙惟定,等译.建筑和建筑设备的节能.北京:中国建筑工业出版社,1990.4 陆耀庆,主编.实用供热空调设计手册.北京:中国建筑工业出版社,1993.5 李永安,等.制冷机夜间运行节能效果研究.通风除尘,

1997,(1).6 蓄冰系统设计手册.美国高灵公司.

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94? 暖通空调HV &AC 设计参考