区域供冷系统在中关村西区的实际应用
摘要：主要介绍了北京中关村以冰蓄冷为冷源区域供冷系统中一期工程制冷站的工艺设计，主要设备的选型、构造、技术特点、设计参数以及外管网设计，对制冰用乙二醇的要求和水处理方案。阐述设计者在工艺设计中的所采用的先进技术，为使系统运行费用最为节省所作的努力。关键词：冰蓄冷 外融冰 双蒸发器 双工况
1、北京中关村西区项目概况
北京中关村西区位于北京市海淀区海定镇，是中关村科技园的核心区，将建成为中关村高科技产业发展服务的以高科技为特征的商贸中心区。中关村西区建设实行土地一级开发，前期立项、规划设计、拆迁安置、与区内的全部市政设施和配套设施（七通一平）及地下空间开发，由土地一级开发主体——北京科技园建设股份有限公司完成，根据市场需求与市政府确定的产业政策，进行土地招商。
中关村西区总占地面积51.44公顷，规划地上建筑面积100万平方米，地下建筑总面积约50万平方米。西区用地主体功能以金融资讯、科技贸易、行政办公、科技会展为主，并配有商业、酒店、文化、康体、娱乐、大型公共绿地等配套公共服务功能。
由上述可知，西区建筑的使用特质为商业建筑，多年的研究分析表明，商业建筑空调系统具有如下特点：（1）空调系统主要在白天运行，夜间只有小部分系统运行，既白天使用系数高；（2）空调负荷较大，且空调逐时负荷与电力峰谷供应一致；（3）总体负荷系数低。这样的土地开发运作与建筑规模，这样的空调负荷与系统运行特点，必然促使一级开发商在区内建设冰蓄冷区域供冷系统，引进区域供冷系统运营商，共同开发建设经营以冰蓄冷为冷源的区域供冷系统，为二级开发商提供空调用冷水，二级开发商可节省自建冷站的投资，节省的冷站面积可供使用或出租，吸引二级开发商。冰蓄冷利用高峰低谷电力差价使运行费用减少，降低了最大用电容量费用；区域供冷提高了冷水供应的可靠性和有效性，有利于环境保护；同时规模效应和低温空调冷冻水的稳定供应保证了与二级开发商自建冷站的竞争力。
中关村西区建设中采用了外融冰式蓄冷的区域供冷技术，为区内地下空间和地上建筑提供空调冷冻水。制冷站建设采用模块方式，可按不同开发阶段和冷水需求情况进行建造，利于资金安排，也能准确地把制冷站设置在最大负荷的建筑物附近，西区计划建两个外融冰式蓄冷制冷站。两根DN500主供回水管附设在易于维护和管理的地下综合管廊内，主供回水管为环状管网，两个制冷站均与环状管网相接，每个制冷机房通过环状管网相互联结，这样的系统则能达到最大的有效性和360天24小时不间断提供1.1℃空调冷冻水的可靠性。地下空间的商用区与地上各建筑物的换热站与环状管网相接，13.3℃的空调回水（二次水）经板式换热器与一次水1.1℃/12.2℃进行热交换，二次水的供水温度为2.2℃，稳定可靠的区域低温供冷技术，具有保护区内环境、节约能源、节约初期投资、降低运转成本、平衡电网负荷等独特的优点。
2、一期工程制冷站的主要设备与工艺设计
2.1 根据西区的项目进展情况，先进行一期工程制冷站建设。冷站设计与建造由北京瑷玛斯区域供冷技术开发有限公司承担，设计由Tom.Brady先生主持。冷站主要设备见表1，设备性能参数与工艺设计如下：
一期制冷站主要设备 表1 序号 设备名称与型号 主要参数 数量 总功率
KW 1 水冷式离心式冷水机组（基载主机）YK-VHTDJ45DHES 制冷量2000冷吨（7034.4KW）
输入功率1289KW 1 7034.4 2 水冷式双工况螺杆式冷水机组FRICK RWB-856E 冷水工况：制冷量2130冷吨（7500KW） 输入功率1420KW 2950RPM
冷冰工况：制冷量1634冷吨（5753KW） 输入功率1379KW 2950RPM 3 4260 3 钢筋砼蓄冰池 42（L）x13.4（B）x4.5（H）m 1 4 TSC-306S/918S
TSC-340S蓄冰盘管 1.076MWH
1.195MWH 60
30 5 主冷冻水主循环泵
ITT Goulds
3410L 10x12-12 流量 829立方米/小时
扬程 18.3米水柱
输入功率 56KW
转速 1450转/分 4 224 6 冷却水循环泵
ITT Goulds
3410L 12x14-12 流量 1410立方米/小时
扬程 33.5米水柱
输入功率 150KW
转速 1450转/分 4 600 7 冷冻水输送泵
ITT Goulds
3410L 10x12-12 流量 654立方米/小时
扬程 50.3米水柱
输入功率 112KW
转速 1450转/分 5 560 8 乙二醇输送泵
ITT Goulds
3410L 10x12-12 流量 1327立方米/小时
扬程 38.1米水柱
输入功率 186KW
转速 1450转/分 3 558 9 冷却塔BAC 331132AKV 流量 716立方米/小时
输入功率 56KW 8 448
2.2 西区内有昼夜24小时的供冷需求，一期夜间谷值负荷2600KW，预计夜间总负荷不会小于7034KW，所以设置基载机组24小时连续供冷，承担夜间这部分负荷，由于基载机组的COP值较高，所以这样做既节省初投资又可降低运行费用。基载主机制冷量2000冷吨，低谷电价时运行，同时也承担峰值负荷，运行参数如下：蒸发温度3.6℃，冷冻水进出口温度12.2/4.4℃，流量779立方米/小时；冷凝温度35.8℃，冷却水进出口温度30/35.3℃，流量1363立方米/小时立方米/小时。
2.3 螺杆式压缩机在低温工况下运行稳定，制冰时COP值较其它型机组高，故在蓄冰系统中较多采用螺杆机。选用的RWBⅡ双工况双蒸发器螺杆式压缩机是采用最新科技专利技术-采用的可变内容比技术，使机组内部压缩比随时与系统压速比相匹配，避免过压缩或欠压缩造成的能量损失，是最可靠最节能的机组，其设计寿命在设计工况下超过100000小时。由压缩机、冷凝器、蒸发器三部分构成，连接管件厂家附带，现场组装。该机组体积庞大，压缩机运输重量为25328公斤，蒸发器53110公斤，冷凝器23772公斤，机组总的运输重量为102.2吨，厂内整体组装运输困难。机组承担白天制冷和夜间制冰，运行参数如下：压缩机制冷时制冷量2130冷吨，吸气温度与压力为4.4℃和552Kpa（绝对压力），排气温度与压力为61.8℃和1427Kpa（绝对压力），蒸发温度3.6℃，冷冻水进出口温度12.2/4.4℃，流量829立方米/小时； 冷凝温度35.8℃，冷凝热量8887.6KW，冷却水进出口温度30/35.3℃，流量1451立方米/小时。制冰时制冷量1634冷吨，吸气温度与压力为-4.9℃和411Kpa（绝对压力），排气温度与压力为65.6℃和1382Kpa（绝对压力），蒸发温度-5.7℃，25%乙二醇进出口温度0/-4℃，流量1131立方米/小时； 冷凝器参数与制冷时一致。
2.4 钢筋混凝土蓄冰槽占地面积582平方米，容积2619立方米，进口三元乙丙防水材料内防水，橡塑保温材料外保温，蓄冰槽上部设行人马道，供维护与检查。
2.5 冷却塔与冰盘管由美国BAC公司提供，冷却塔主体结构为镀锌钢板，防护板壁与进风百叶由抗腐蚀防紫外线的强化玻璃钢材料制成。动力风机转动系统采用特殊的抗腐蚀材料结构和先进的工艺制成，确保长期的无故障使用寿命。热交换层由聚氯乙烯（PVC）制成，利用BAC专利的技术制成的带整体挡水板的高效换热层能保证水与空气最大的接触时间和最小的空气压降，而且能在较小的风机电耗下确保高效传热，其热力特性均由美国冷却塔学会（CTI）按照协会标准进行认证。BAC的蓄冰盘管由钢带连续卷制成管直缝焊接制造，外经为26.67毫米，盘管组装在钢架上，整体装配完成后，浸没在试压水槽内，管内注入2.415MPa的压缩空气（盘管的额定工作压力1.05Mpa），进行气压试验，至少15分钟，水槽内无气泡为合格，然后盘管机组整体外表面热浸镀锌。盘管机组共计15组，每组由6个模块构成，共90个盘管模块，设计充冷时间10小时，总的蓄冷量为28560冷吨时。蓄冰槽底部每组盘管的下面都配有DN40PVC多孔搅动空气分配管，设计2台空压机，每台流量360立方米/小时，全压为62000Pa，释冷时压缩空气搅拌系统开启，这样融冰均匀，换热效率高，在全部的释冷周期内，释冷温度能平稳保持1.1℃。每组盘管都配有电子冰层厚度感应器，出厂时感应器已经校准好了，在每一个制冰循环中，一旦冰层厚度达到设计值时，感应器发出信号，供液阀关闭，停止制冰。要求盘管水平安装在冰槽的地面上，在盘管支撑型钢与防水层之间放置20毫米厚由橡胶和软木合成的垫块或在防水层上做10公分厚的豆石混凝土。水泵全部来自美国ITT.
2.6 制冰时采用抑制性乙二醇为载冷介质，抑制性乙二醇具有良好的传热性与低温性及抗腐蚀性，从陶式化学（中国）投资有限公司购买，普通乙二醇比水的腐蚀性大得多，因此保持抑制性乙二醇的化学稳定性十分重要，必须定期（半年或是在季节性启动和停机时）取样检查乙二醇水溶液的抑制性浓度，如有必要应予以调整，恢复原有的抗腐性能。乙二醇水溶液的另一特点是膨胀远比水大得多，这两点在设计与使用中要给于关注。
2.7 在冰蓄冷系统中，水处理十分重要，水质的好坏既关系到设备的使用寿命的延长，又是系统的高效节能主要因素。保持冰蓄冷系统长期稳定的经济运行，除设备的高效运转外，所有换热设备必须保证高的换热效率。因此对水处理要十分重视，首先应进行管道与设备的加药清洗，去掉杂质和防锈油，同时又可以纯化管路内表面提高抗腐蚀能力。
2.7.1 冷却水除及时补水与定时泄水排污外，还须在水中加入抑制剂（全有机缓蚀阻垢剂 inhibitor），并保持药量在80ppm，它可以在管道与设备内表面形成特殊的有机膜提供抗腐蚀保护，通过有机磷和聚合物的阻垢与分散作用降低垢的形成。加入氧化性杀菌剂（oxidizing biocide），可杀死各种细菌和藻类，保持冷却塔换热层和冷凝器换热效率。广谱非氧化性杀生剂（non-oxidizing biocide）可控制微生物的繁殖与增长。任何时候过滤器都是不可少的。
2.7.2 在二次水（客户空调水）回水管路中设置空气分离器、过滤器，采用在线加药的处理方案。
2.7.3 系统运行时主冷冻水（一次水）稳定的保持在温度较低的状态中，尤其是蓄冰槽中的水温度接近或低于冰点，这可延滞水垢的形成和微生物的滋生，水处理相对较容易。但在长期停机的情况下或加入冰槽中水具有腐蚀和氧化性，则需加入钼酸盐、硼酸盐抑制剂和非氧化性杀菌剂。系统中装有旁通过滤器，流量为总量的15%.
2.7.4 所选择的水处理程序应保证处理后水质满足下述要求：
PH…………………………6.5-9.0
氯化物……………………≤ 100PPM
硫酸盐……………………≤ 250PPM
总的含碱量………………≤ 500PPM
溶解的固体总量…………≤ 1000PPM
3、小结
随着我国电价政策的调整，冰蓄冷与电直接驱动制冷、直燃机吸收式制冷相比其总体效益优势越来越大。而外融冰的冰蓄冷由于能够向空调系统提供可靠稳定1.1℃冷水，使空调系统设计可实现大温差低温送风系统，这种组合整体造价（初投资）与常规空调系统持平，即空调机组、循环水泵、水管风道及各种阀门管件成本的降低，弥补蓄冰冷站费用的增加。但运行费的节省确实相当可观的，根据现有资料统计和个案计算比较，在有分时电价的城市，可节省运行费用25-50%，具体节省依规模和峰谷电价差而不同。以外融冰蓄冷为冷源配合超低温大温差的空调系统应该是当今空调发展的方向。单体建筑或规模小些的可选用双工况单蒸发器的冷水机组作为外融冰蓄冷的主机，以减少初投资规模。对中关村这样规模的建筑群，采用本文所述方案无疑是正确的。
参考文献
（1） 严德隆 张维君主编 空调蓄冷应用技术 北京 中国建筑工业出版社 1997
（2） HC Yu Description of the SurperCool Airside Technology Innovation Hong Kong 26 August 2002
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