邯郸文化艺术中心项目水蓄冷空调系统方案探讨

项目概况

邯郸文化艺术中心位于邯郸市中轴线人民路与滏东交叉口东北角，东西长约590米，南北长约280米，中心建筑总面积119371平方米，占地250亩。其中，大剧院42647平方米，观众席位三层1567座，能够接待国内外高水平演出团体，同时可以满足“两会”等大型会议的需求。博物馆30679平方米，图书馆30643平方米，城市规划展馆10141平方米，经营用房5261平方米。项目概算投资近12亿元，是河北省三年大变样百项基础设施建设项目之一，是体现邯郸历史文化和现代城市文明的地标性建筑。项目建成后，对于提升城市品位和建设四省交界区域经济中心城市有着重要意义。

本工程按舒适性空调设计，空调系统采用水系统，考虑夏季降温、冬季采暖。美的中央空调为邯郸文化艺术中心提供的方案，综合了邯郸文化艺术中心的各区域的实际运营情况，选用3台大温差型离心式冷水机组(其中1台为变频离心机)+2台R134a环保冷媒干式螺杆机组的方案，包括3台500RT大温差型离心式冷水机组(13.5℃进水，5.5℃出水)，2台350RT的大温差干式螺杆机组(13.5℃进水，5.5℃出水)。

本项目中央空调系统方案设计介绍

A.空调供冷水系统

1.本项目为博物馆区域和大剧院等区域(含大剧院、规划展览馆、图书馆及预留经营用房)分别设置制冷机房，冷源均采用水冷式电驱动冷水机组。

2.博物馆区域的制冷系统设2台制冷量为350RT的 螺杆式冷水机组，冷冻水供回水设计温度为5.5/13.5℃，冷却水进出水设计温度为32/37℃。为每台制冷机一对一配备冷冻水定流量循环泵和冷却水定流量循环泵，可通过阀门转换互为备用。

3.大剧院等区域的制冷系统服务对象含大剧院、规划展览馆、图书馆及预留经营用房，设3台制冷量为1755kW(约500RT) 的离心式冷水机组，供冷时蒸发器进出口设计温度为13.5/5.5℃，蓄冷时蒸发器进出口设计温度为12/4℃，冷凝器进出水设计温度32/37℃。设3台一次冷冻水定流量循环泵，与制冷机对应开启，并联运行，互为备用。采用部分负荷水蓄冷系统，利用水容积约1060m3的消防水池兼做蓄冷水池，采用垂直温度分层方式。按蓄冷温度为4℃，放冷时回水温度12℃设计，水池理论蓄冷量约为2800RTH，实际有效放冷量约2300RTH。

4.供给末端的冷冻水供回水设计温度为5.5/13.5℃，采用二级泵系统。主要包括制冷主机、蓄水池、板式换热器、水池侧蓄冷放冷泵、板换二次侧的放冷泵、与制冷主机对应的冷冻泵和冷却泵、二次泵组等设备。同时供冷时制冷主机和蓄冷装置为并联，按水池供冷优先的方式运行。

5.设3台冷却水定流量循环泵，与制冷机对应开启，并联运行，互为备用。在蓄水池侧设置2台变流量蓄冷放冷循环泵，互为备用。蓄冷时定流量运行，放冷时根据板换二次侧的出水温度变流量运行。

6.设1台放冷用板式换热器，设计换热量为1406kW(约400冷吨)。在板式换热器二次侧设2台并联的定流量冷冻水循环泵，作为满足末端系统的基础负荷可连续运行，并可通过台数控制调节放冷量。

B.空调采暖水系统

1.采暖采用市政热源，水温95/70℃。市政热媒管道承压1.2MPa。

2.在博物馆大剧院等区域(含大剧院、规划展览馆、图书馆及预留经营用房)分别设换热站。二次水温60/50℃，空调冷热水采用二管制，并为冬季采暖(散热器和辐射地板)系统设独立的供回水管道，所有管路为异程式，竖向不分区。

3.博物馆区域和大剧院等区域冬季空调采暖采用热水循环泵变流量运行,末端装置(如空调机组、风机盘管、散热器)设自控阀(调节型或通断型)根据负荷调节流量。采暖热水分区供给大剧院、规划展览馆、图书馆及预留经营用房，每区域均设置热计量表，可实现分区域计费。总热负荷8153kW。

C.暖通空调动力系统自动监控

1.自动监控原则。

2.风机盘管采用风机就地手动控制、盘管水路二通阀就地自动控制，部分风机盘管分组群控。

3.冷水机组等机电一体化设备由机组所带自控设备控制，集中监控系统进行设备群控和主要运行状态的监测。

4.制冷机房、空调泵房、室外冷却塔机房等处的设备在机房控制室集中监控，但主要设备的监测纳入楼宇自动化管理系统总控制中心。

5.其余暖通空调动力系统采用集中自动监控，纳入楼宇自动化管理系统。

6.采用集中控制的设备和自控阀均要求就地手动和控制室自动控制，控制室能够监测手动/自动控制状态。

7.空调冷水和冷却水自控项目。

8.冷水机组与相关的电动水阀、冷却水泵、空调一次冷水泵、冷却塔风机等的电气联锁控制。

9.根据系统需冷量的变化，控制冷水机组及对应的空调水泵的运行台数。

10.大剧院区域的空调冷水二次泵：根据系统压差控制其转速，根据系统流量控制运行台数。

11.由冷却水温控制冷却塔风机启停。

12.空调热水自控项目。

13.根据系统需热量的变化，控制换热机组的运行台数。

14.根据换热器二次侧供水温度调节一次侧水路电动阀的开度，根据供回水压差控制循环泵变频。根据流量控制循环水泵运行台数。

水蓄冷与冰蓄冷空调系统方案比较

本项目蓄冷方式可选水蓄冷与冰蓄冷，下面是两种系统方案的对比：

⑴.新建项目的投资比较

水蓄冷空调系统：水蓄冷系统增加了水蓄冷槽、蓄冷放冷泵，但减小了主机系统的配置容量，因此其初投资与常规空调系统基本相当，甚至低于常规空调系统。

冰蓄冷空调系统：冰蓄冷空调由于需要增加双工况主机、冰蓄冷设备、乙二醇溶液、乙二醇泵、低温板式换热器等设备，因此其初投资明显高出常规空调系统。

⑵.系统效率比较

水蓄冷空调系统：水蓄冷系统在蓄冷时比常规系统出水温度仅低1.5℃，主机的COP值降低有限，考虑到整个系统的节能性(如蓄冷时夜间气温比较低，冷却效率高)水蓄冷系统基本不增加耗电量，多数系统甚至可以节省电量，真正做到省钱又节能。

冰蓄冷空调系统：冰蓄冷空调系统在制冰时，其乙二醇溶液温度需降至-6℃左右，比常规空调系统出水温度降低了13℃左右，因此冰蓄冷空调比常规空调的COP值下降了30%～35%。另外，乙二醇溶液的换热性能比水要差。

⑶.实用性比较

水蓄冷空调系统：水蓄冷空调系统采用常规的制冷机组即可，因此水蓄冷空调既适合新建项目，又适合改造项目。

冰蓄冷空调系统：需要采用双工况主机、冰蓄冷设备、乙二醇溶液、乙二醇泵、低温板式换热器等设备，因此冰蓄冷难以适用于改造项目，只能用于新建项目

⑷.蓄能槽共用性

水蓄冷空调系统：水蓄冷和水蓄热可以共用一个槽。

冰蓄冷空调系统：冰蓄冷槽只能蓄冷，不能蓄热，不能同槽。

⑸.运行及维护费

水蓄冷空调系统：用水蓄冷不存在相变，操作简单，易于维护，其运行成本和维护成本低。

冰蓄冷空调系统：冰蓄冷系统的蓄冷及放冷过程中都有相变过程，操作复杂，运行费用高，维护繁琐。一般来讲，同等蓄冷量的冰蓄冷系统的维护费用是水蓄冷系统的2～3倍。

⑹.可靠性和使用寿命

水蓄冷空调系统：由于水蓄冷系统简单，无相变过程，且动力设备少，其可靠性更高，寿命更长。

冰蓄冷空调系统：冰蓄冷系统设备繁多，控制复杂，还存在相变过程，因此可靠性和寿命均不如水蓄冷空调系统。

⑺.体积及位置

水蓄冷空调系统：水蓄冷槽是满溢式，其有效体积可以得到充分利用。在部分蓄冷设计的情况下，由于可以减少制冷机的配置容量，机房的面积要小于常规空调。水蓄冷槽可灵活地置于绿化带下、停车场下或其它闲置的空地上，也可以利用消防水池等，不占用有效面积。

冰蓄冷空调系统：冰蓄冷设备一般要安装在机房内，占用正常的机房面积。由于蓄冷槽是55%～80%左右的蓄冰率，再加上“千年冰”和相变换热问题，实际过程中同样蓄冷量下冰蓄冷设备仅比水蓄冷略小一些。

经过两种方案的优劣性的对比，在考虑邯郸文化中心项目本身自有条件的实际情况下，选择水蓄冷空调系统的方案。

本项目水蓄冷空调系统方案分析

A.本项目空调水系统方案简介

本项目在应用大温差小流量技术方案的基础上采用了水蓄冷的技术方案，大大提升了整个系统的节能能力。由于建筑物一天内实际空调负荷变化很大，有的是连续空调，有的是间歇空调。对于无蓄冷的空调系统，空调冷、热源设备是按设计日峰值负荷选定的。

这些设备具有在极短的峰值负荷时，能充分发挥其效益，而在大部分情况,均在部分负荷下运行。其次，由于空调的集中使用，尤其是炎热的夏季，空调负荷极不平衡，用电峰谷现象加剧, 这一方面造成高峰时电力紧张，电力设备超载运行，而另一方面低谷时电力过剩，又造成很大的浪费，整个电网效率低。在此项目中采用水蓄冷技术，从而确定合理的设备配置，不仅能节省初投资，同时能减少运行费用，缓解高峰时用电紧张，是行之有效的优质的空调系统方案。

B.水蓄冷方案选择分析

根据邯郸市实施的峰谷电价政策，谷段仅是峰段电价的三分之一，为充分利用峰谷电价政策，节约电费成本，综合考虑工程投资成本，本项目采用水蓄冷集中空调系统供冷空调方式。水蓄冷方案优势在于:

1.根据文化中心的空调运行特点，即只需白天进行空调供冷，因而可以在夜间用电低谷期进行蓄冷，白天用电高峰期时进行放冷，即将白天的电力负荷转移到夜晚，实现电力负荷的削峰填谷，有着较高的社会效益。

2.充分利用峰谷电价差，在夜间低谷期开机储蓄冷量替换白天用电高峰期间空调冷量，从而大大节省运行电费，有着较高的经济效益。

3.采用水蓄冷系统时，制冷主机的选型可以根据没有采用水蓄冷系统方案时设计日峰值负荷的制冷量减去水蓄冷在设计日峰值补充的制冷量进行选择，可以选择制冷能力较小的主机，减小设备的初投资。

4.水蓄冷时，制冷主机的蒸发温度与常规制冷运行模式相比基本没有降低，即保持较高的运行效率，大约为80%(冰蓄冷制冷主机的运行效率为70%以下)。

5.蓄冷槽可以利用本工程主体原有的530m×2消防水池(其容量完全可以满足蓄冷的需要)，省去了蓄冷槽的占地空间和初投资(而冰蓄冷方案需配备乙二醇冰球蓄冰罐，相比冰蓄冷减少设备投资约120万元)。

6.控制灵活，可以实现多种模式运行。系统可实现冷机蓄冷、冷机单独供冷、水池单独供冷、冷机水池联合供冷等四种工况。

本项目运行费用分析

根据逐时负荷计算结果，设计日总负荷为21132RTH 。

相对于常规空调系统的运行费用作以下述计算比较：邯郸市峰谷用电价格峰段：0.957元/千瓦时，用电价格平段：0.645元/千瓦时，用电价格谷段：0.334元/千瓦时。

A.计算原则

1.方案的蓄冷量约占设计日白天总负荷的11%。

2.依据中央空调系统的运行管理经验数据，1RT冷量综合耗电量(主机、泵、冷却塔)在0.9～1.1 kWh/RT范围内，计算时取1.0 kWh/RT。

3.夜间机组蓄冷的综合效率约为常规空调系统的80%，换言之，蓄冷相对常规空调系统多耗电20%。

4.每年空调制冷运行日按200d计算。

B.水蓄冷空调系统方案相对常规空调系统方案每年节省运行费用为

日蓄冷冷量: 2800RT

日蓄冷转移峰段冷量: 1500RT

日蓄冷转移平段冷量: 800RT

年蓄冷冷量:200×2800=560000RT

年蓄冷转移峰段冷量:200×1500=300000RT

年蓄冷转移平段冷量:200×800=160000RT

年蓄冷电量:560000RT×1.0kWh/RT=560000kWh

年蓄冷转移峰段电量:300000RT×1.0kWh/RT=300000kWh

年蓄冷转移平段电量:160000RT×1.0kWh/RT=160000kWh

年节省运行费用=年蓄冷转移峰段电费+年蓄冷转移平段电费-年蓄冷电费

=300000×0.957+160000×0.645-560000× 0.334=20.326万元

结语

从邯郸文化中心的空调运行特点为出发点，水蓄冷中央空调方案采用低谷电价时段蓄冷，高平谷电价时段释放已储备的蓄冷量，有效地获取了分时电价差效益，有较好的社会经济效益；与冰蓄冷中央空调比较，水蓄冷中央空调系统运行效率更高，且设备初投资更低，而且水蓄冷中央空调方案还充分利用了已有的建筑设施，在本项目中更具有可行性，这也是本方案的特色之处；实际运行测试结果表明，系统达到了预期设计效果，这说明本方案设计是成功的。