第３４卷第５期 煤气与热力 ＧＡＳ＆ＨＥＡＴ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．５ Ｍａｖ ２０１４ ２０１４年５月 ・冷热电联供・分布式能源・可再生能源・ 冰蓄冷空调系统在楼 宇型分布式能源站的应用 秦 渊， 陈 昕， 王华超 （中南电力设计院， 湖北武汉４３００７１） 摘 要： 介绍分布式能源系统及楼宇型分布式能源站，探讨冰蓄冷空调系统的工作原理及工 作流程，以及冰蓄冷空调系统在楼宇型分布式能源站中的应用。结合工程实例，对比分析了采用冰 蓄冷空调系统和常规空调系统两种方案的配置及经济性。 关键词： 冰蓄冷；楼宇型分布式能源站； 燃气内燃机； 溴化锂机组 中图分类号：ＴＵ９９５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００—４４１６（２０１４）０５—０Ａ２１—０４ 一体的能源供应系统¨Ｊ。 分布式能源系统按供能的范围可分为区域型和 楼宇型，区域型分布式能源站主要满足特定区域内 的工商业负荷，其负荷较稳定；楼宇型分布式能源站 布置在一个建筑小区，如办公楼宇、宾馆、医院、机场 等，向此建筑小区提供冷、热、电负荷。楼宇型分布 式能源站主机的配置为燃气内燃机、溴化锂机组、余 热锅炉、压缩式制冷机组等。 楼宇型分布式能源站的负荷取决于工程所在地 区的气候条件和产业构成情况，任何一个楼宇型分 布式能源站，不同季节或不同时间段，其冷、热、电负 作者简介：秦渊（１９８３一 ），男，湖北孝感人，工程师， 硕士，主要从事分布式能源设计工作。 荷的生产和需求完全匹配是不可能的。这就需要构 建一个柔性的、对负荷变化适应性很强的能源系统， １ 分布式能源系统及楼宇型分布式能源站 以天然气为燃料的分布式能源站是我国能源发 展的方向之一，国家发改委能源［２０１１］２１９６号文件 《关于发展天然气分布式能源的指导意见》明确提 出：“十二五”期间建设１ ０００个左右天然气分布式 能源项目，到２０２０年，在全国范围内推广使用分布 式能源系统，装机规模达到５ ０００×１０ ｋＷ。 分布式能源系统是指以小规模、小容量、模块化 能够在各种负荷条件下尽可能保持高效，同时还需 要兼顾能源站的调峰职能 。 为保证能源站对负荷的适应性，其冷、热负荷均 应由基本负荷和尖峰负荷组成。基本负荷由燃气内 燃机的余热利用设备供给，通常为溴化锂机组或余 热锅炉；尖峰负荷由补充冷、热设备供给，通常为离 心式制冷机组、燃气锅炉或蓄冷、蓄热装置。 ２冰蓄冷空调系统的工作原理及工作流程 冰蓄冷空调系统 采用压缩式制冷机组，制 冷机组由压缩机、冷凝器、节流装置、壳管式蒸发器 构成。制冷剂在蒸发器的壳侧蒸发吸热，同时载冷 的方式布置在用户附近，将燃料同时转换成电能、热 水、蒸汽和冷水等产品，是一种建立在能源梯级利用 基础上，集制冷、供热（蒸汽和热水）及发电过程为 收稿日期：２０１３—０８—２０；修回日期：２０１３—１０—０２ ・Ａ ２１・ 第３４卷第５期 煤气与热力 剂（乙二醇溶液）在管内被冷却，当温度降至其凝固 点以下时，溶液中产生微小的冰晶（直径约１００ 冷剂泵、三通调节阀２，回到制冷机组；另一部分依 次流经三通调节阀１、载冷剂泵、三通调节阀２、换热 器，回到制冷机组。 ｍ），将冰晶与乙二醇溶液的混合溶液称为冰浆。 冰晶的浓度可以根据其运行条件进行调节。因为冰 ３在楼宇型分布式能源站中的应用 楼宇型分布式能源站最大的特点是冷负荷波动 大，以ＣＢＤ（中央商务区）为例，９：００冷负荷开始逐 渐增大，中午达到最大，而夜间降至最小。能源站的 晶的融化潜热大，使得冰浆具有较高的蓄冷密度；同 时由于冰晶具有较大的传热面积，使其具有较快的 供冷速率和较好的温度调节特性 Ｊ。 冰蓄冷空调系统可实现夜间电负荷低谷时蓄 主机容量的选择依据“以冷、热定电”原则，按冷、热 负荷选择内燃机与溴化锂机组的容量会造成装机规 模大，能源站中最昂贵的设备是内燃机（约３ ０００～ ３ ５００元／ｋｗ），负荷波动大使内燃机的运行时间 少，能源站经济效益差。 冷，白天电负荷高峰时供冷。冰蓄冷空调系统制冷 能力一般只有高峰冷负荷的２０％～５０％，整个系统 小巧、紧凑。在常规的空调系统中，由于水的显热较 小，６、１２℃的供、回水所产生的冷量约为２５ ｋＪ／ｋｇ， 而采用冰浆作载冷剂可以减小所需要的循环量。冰 浆的供冷量是随着冰晶的浓度而变化的，冰晶浓度 越高，供冷量越大，当冰晶的质量分数为２０％，冰浆 将冰蓄冷空调系统应用在楼宇型分布式能源站 中，有以下优点： ①冰蓄冷空调系统可以提高能源站对冷负荷 变化的适应能力。能源站的内燃机容量按基本负荷 供、回水温度为０、１３ ｑＣ时，提供的冷量为１２０ ｋＪ／ ｋｇ ，极大地提高了供冷能力。冰蓄冷空调系统的 工作流程见图１。 选择，使内燃机容量处于欠匹配的状态，增加内燃机 的运行时间。能源站的冷负荷由冰蓄冷空调系统来 调节，冷负荷低谷时冰蓄冷空调系统处于蓄冷模式； 冷负荷高峰时由蓄冷空调系统供冷与蓄冰装置释冷 共同承担。 ② 冰蓄冷空调系统可以起到削峰填谷的作 用，有效减少内燃机和溴化锂机组的容量，减小了能 源站造价。 ③④收期。 在冬季供暖期时，蓄冰装置可用于高温水 冷负荷低谷时进行冰蓄冷，有效增加了冰 蓄热，可进一步节省能源站的造价。 蓄冷空调系统的年运行时间，缩短了能源站投资回 载冷剂泵 ⑤图１ 冰蓄冷空调系统的工作流程 冰蓄冷空调系统可以实现大温差供冷，降 分布式能源站向冰蓄冷空调系统提供较低 低了管道造价和载冷剂的输送能耗。 冰蓄冷空调系统可实现蓄冰、供冷、融冰释冷、 供冷同时蓄冰等多个流程。蓄冰的工作流程为：载 冷剂从制冷机组流出后，依次流经蓄冰装置、三通调 节阀１、载冷剂泵、三通调节阀２，回到制冷机组；供 ⑥价格的直供电，不需要交纳电网的过网费用。根据 我国的《电力法》，除电力部门外，任何单位和个人 都不得售电，但冰蓄冷空调系统为能源站主要调峰 设备，其耗电可视为能源站的厂用电，最终实现将电 能转化为冷能对外出售。 冷的工作流程为：载冷剂从制冷机组流出后，依次流 经三通调节阀１、载冷剂泵、三通调节阀２、换热器， 回到制冷机组；融冰释冷的工作流程为：载冷剂从蓄 冰装置流出后，依次流经三通调节阀１、载冷剂泵、 三通调节阀２、换热器，回到蓄冰装置；供冷同时蓄 ４工程实例 以华中地区某楼宇型分布式能源站为例，该能 源站承担ＣＢＤ园区的冷、热负荷，该园区建筑面积 冰的工作流程为：载冷剂从制冷机组流出后，分成２ 部分，一部分依次流经蓄冰装置、三通调节阀１、载 为３１×１０ ｍ ，其冷负荷见表１，夏季典型设计１３逐 时冷负荷见图２。 ・Ａ ２２・ 秦渊，等：冰蓄冷空调系统在楼宇型分布式能源站的应用 第３４卷 第５期 表１ 某楼字型分布式能源站的冷负荷 冷机组的设计冷负荷为８ ０７２ ｋＷ，查询厂家样本， 选择４台制冷机组，单台制冷机组蓄冰能力为 最大 同时 设计 平均 基本 最小 单位面积 负荷 使用 负荷 负荷 负荷 负荷 设计负荷／ ／ＭＷ 系数 ／ＭＷ ／ＭＷ ／ＭＷ ／ＭＷ （Ｗ・ｍ ） ４２．１ ０．７ ２９．４ ２１．Ｏ７ １３．３Ｏ ５．１８ ９３．９ １ ５４６ ｋＷ，单台机组制冷能力为２ ０２３ ｋＷ。冷水供 水温度为２～３ ｏＣ，回水温度为１２～１３℃。 ②采用常规空调系统 常规空调系统的制冷机组采用离心式制冷机 组，其设计冷负荷为１７．２ ＭＷ，选择４台，则单台机 组制冷能力为４ ３００ ｋＷ。冷水供回水温度分别为 ７、１３℃。 ③方案比较 采用冰蓄冷空调系统和常规空调系统这两种方 案的经济性比较见表２。 表２采用冰蓄冷空调系统和常规空调系统 方案的经济性比较 时刻 年峰时耗 年谷时耗 方案 设备 价格／元 电量／ 电量／ （ＭＷ・ｈ） （ＭＷ・ｈ） 制冷机组 ４００ Ｘ１０ 图２夏季典型设计日逐时冷负荷 该能源站设计冷负荷由烟气热水型溴化锂机组 和冰蓄冷空调系统或常规空调系统共同承担。能源 站的基本冷负荷由溴化锂机组提供，冷负荷不能满 足要求时，可以开启冰蓄冷空调系统或常规空调系 统。选择４台烟气热水型溴化锂机组，单台机组制 冷能力为３ ０４０ ｋＷ，共约１２．２ ＭＷ，基本能够满足 能源站基本冷负荷，这部分负荷是相对较稳定的。 对采用冰蓄冷空调系统和常规空调系统两种方案， 进行配置和经济性比较。 冰蓄 冷空调 系统 载冷剂泵 冷水泵 ２２×１０ １３×１０ 冷却水泵 冷却塔 蓄冰装置 换热器 管网系统 １３×１０ １５０×１０ ３９０×１０ １４０×１０ ７６０×１０ １ ０２３ １ ３６９ ①式为： 采用冰蓄冷空调系统 合计 １ ８８８×１０ 冰蓄冷空调系统制冷机组的设计冷负荷计算公 ２４ 离心式制冷机组 ５４０×１０ 常规 冷水泵 冷却水泵 冷却塔 管网系统 ２２×１０ １８×１０ ∑ （１） 空调 系统 ２０５×１０ １ １３０ Ｘ １０ ２ １９０ 式中 ——冰蓄冷空调系统制冷机组的设计冷负 荷，ｋＷ ——合计 １ ９１５ Ｘ １０ 时间变量 —由表２可知，采用冰蓄冷空调系统虽然增加了 —冰蓄冷空调系统承担的逐时冷负荷， ｋＷ 蓄冰装置、换热器等设备，但设备容量较小，可实现 大温差供冷，降低了水泵、管网系统的造价，以本工 程的供冷规模为例，两种方案的造价基本持平。楼 宇型分布式能源站的基本负荷由溴化锂机组提供， 因此，若采用常规空调系统，则全部为峰时耗电。而 采用冰蓄冷空调系统，在夜间负荷低时，冰蓄冷空调 系统处于蓄冰模式，既增加了机组的年运行时间，又 ｃ——冰蓄冷空调系统蓄冰时制冷能力的变 化率 ｔ．——冰蓄冷空调系统在蓄冰模式下的运行 时间，ｈ ｔ２——冰蓄冷空调系统在供冷模式下的运行 时间，ｈ 减少了峰时耗电。特别是能源站所在地区有峰谷电 价差时，采用冰蓄冷空调系统具有更好的经济效益。 根据图２及式（１）计算得到冰蓄冷空调系统制 ・Ａ ２３・