區(qū)域供冷系統(tǒng)在中關(guān)村西區(qū)的實(shí)際應(yīng)用

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　摘要：主要介紹了北京中關(guān)村以冰蓄冷為冷源區(qū)域供冷系統(tǒng)中一期工程制冷站的工藝設(shè)計(jì)，主要設(shè)備的選型、構(gòu)造、技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)參數(shù)以及外管網(wǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)制冰用乙二醇的要求和水處理方案。闡述設(shè)計(jì)者在工藝設(shè)計(jì)中的所采用的先進(jìn)技術(shù)，為使系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最為節(jié)省所作的努力。

　　關(guān)鍵詞：冰蓄冷 外融冰 雙蒸發(fā)器 雙工況

　　1、北京中關(guān)村西區(qū)項(xiàng)目概況

　　北京中關(guān)村西區(qū)位于北京市海淀區(qū)海定鎮(zhèn)，是中關(guān)村科技園的核心區(qū)，將建成為中關(guān)村高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)的以高科技為特征的商貿(mào)中心區(qū)。中關(guān)村西區(qū)建設(shè)實(shí)行土地一級(jí)開發(fā)，前期立項(xiàng)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、拆遷安置、與區(qū)內(nèi)的全部市政設(shè)施和配套設(shè)施（七通一平）及地下空間開發(fā)，由土地一級(jí)開發(fā)主體——北京科技園建設(shè)股份有限公司完成，根據(jù)市場需求與市政府確定的產(chǎn)業(yè)政策，進(jìn)行土地招商。

　　中關(guān)村西區(qū)總占地面積51.44公頃，規(guī)劃地上建筑面積100萬平方米，地下建筑總面積約50萬平方米。西區(qū)用地主體功能以金融資訊、科技貿(mào)易、行政辦公、科技會(huì)展為主，并配有商業(yè)、酒店、文化、康體、娛樂、大型公共綠地等配套公共服務(wù)功能。

　　由上述可知，西區(qū)建筑的使用特質(zhì)為商業(yè)建筑，多年的研究分析表明，商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）空調(diào)系統(tǒng)主要在白天運(yùn)行，夜間只有小部分系統(tǒng)運(yùn)行，既白天使用系數(shù)高；（2）空調(diào)負(fù)荷較大，且空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷與電力峰谷供應(yīng)一致；（3）總體負(fù)荷系數(shù)低。這樣的土地開發(fā)運(yùn)作與建筑規(guī)模，這樣的空調(diào)負(fù)荷與系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，必然促使一級(jí)開發(fā)商在區(qū)內(nèi)建設(shè)冰蓄冷區(qū)域供冷系統(tǒng)，引進(jìn)區(qū)域供冷系統(tǒng)運(yùn)營商，共同開發(fā)建設(shè)經(jīng)營以冰蓄冷為冷源的區(qū)域供冷系統(tǒng)，為二級(jí)開發(fā)商提供空調(diào)用冷水，二級(jí)開發(fā)商可節(jié)省自建冷站的投資，節(jié)省的冷站面積可供使用或出租，吸引二級(jí)開發(fā)商。冰蓄冷利用高峰低谷電力差價(jià)使運(yùn)行費(fèi)用減少，降低了最大用電容量費(fèi)用；區(qū)域供冷提高了冷水供應(yīng)的可靠性和有效性，有利于環(huán)境保護(hù)；同時(shí)規(guī)模效應(yīng)和低溫空調(diào)冷凍水的穩(wěn)定供應(yīng)保證了與二級(jí)開發(fā)商自建冷站的競爭力。

　　中關(guān)村西區(qū)建設(shè)中采用了外融冰式蓄冷的區(qū)域供冷技術(shù)，為區(qū)內(nèi)地下空間和地上建筑提供空調(diào)冷凍水。制冷站建設(shè)采用模塊方式，可按不同開發(fā)階段和冷水需求情況進(jìn)行建造，利于資金安排，也能準(zhǔn)確地把制冷站設(shè)置在最大負(fù)荷的建筑物附近，西區(qū)計(jì)劃建兩個(gè)外融冰式蓄冷制冷站。兩根DN500主供回水管附設(shè)在易于維護(hù)和管理的地下綜合管廊內(nèi)，主供回水管為環(huán)狀管網(wǎng)，兩個(gè)制冷站均與環(huán)狀管網(wǎng)相接，每個(gè)制冷機(jī)房通過環(huán)狀管網(wǎng)相互聯(lián)結(jié)，這樣的系統(tǒng)則能達(dá)到最大的有效性和360天24小時(shí)不間斷提供1.1℃空調(diào)冷凍水的可靠性。地下空間的商用區(qū)與地上各建筑物的換熱站與環(huán)狀管網(wǎng)相接，13.3℃的空調(diào)回水（二次水）經(jīng)板式換熱器與一次水1.1℃/12.2℃進(jìn)行熱交換，二次水的供水溫度為2.2℃，穩(wěn)定可靠的區(qū)域低溫供冷技術(shù)，具有保護(hù)區(qū)內(nèi)環(huán)境、節(jié)約能源、節(jié)約初期投資、降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本、平衡電網(wǎng)負(fù)荷等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

　　2、一期工程制冷站的主要設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)

　　2.1 根據(jù)西區(qū)的項(xiàng)目進(jìn)展情況，先進(jìn)行一期工程制冷站建設(shè)。冷站設(shè)計(jì)與建造由北京璦瑪斯區(qū)域供冷技術(shù)開發(fā)有限公司承擔(dān)，設(shè)計(jì)由Tom.Brady先生主持。冷站主要設(shè)備見表1，設(shè)備性能參數(shù)與工藝設(shè)計(jì)如下：

　　一期制冷站主要設(shè)備 表1 　

序號(hào)　 設(shè)備名稱與型號(hào)　 主要參數(shù)　 數(shù)量　 總功率
KW　 1　 水冷式離心式冷水機(jī)組（基載主機(jī)）YK-VHTDJ45DHES　 制冷量2000冷噸（7034.4KW）
輸入功率1289KW　 1　 7034.4　 2　 水冷式雙工況螺桿式冷水機(jī)組FRICK RWB-856E　 冷水工況：制冷量2130冷噸（7500KW） 輸入功率1420KW 2950RPM
冷冰工況：制冷量1634冷噸（5753KW） 輸入功率1379KW 2950RPM　 3　 4260　 3　 鋼筋砼蓄冰池　 42（L）x13.4（B）x4.5（H）m　 1　 　　 4　 TSC-306S/918S
TSC-340S蓄冰盤管　 1.076MWH
1.195MWH　 60
30　 　　 5　 主冷凍水主循環(huán)泵
ITT Goulds
3410L 10x12-12　 流量 829立方米/小時(shí)
揚(yáng)程 18.3米水柱
輸入功率 56KW
轉(zhuǎn)速 1450轉(zhuǎn)/分　 4　 224　 6　 冷卻水循環(huán)泵
ITT Goulds
3410L 12x14-12　 流量 1410立方米/小時(shí)
揚(yáng)程 33.5米水柱
輸入功率 150KW
轉(zhuǎn)速 1450轉(zhuǎn)/分　 4　 600　 7　 冷凍水輸送泵
ITT Goulds
3410L 10x12-12　 流量 654立方米/小時(shí)
揚(yáng)程 50.3米水柱
輸入功率 112KW
轉(zhuǎn)速 1450轉(zhuǎn)/分　 5　 560　 8　 乙二醇輸送泵
ITT Goulds
3410L 10x12-12　 流量 1327立方米/小時(shí)
揚(yáng)程 38.1米水柱
輸入功率 186KW
轉(zhuǎn)速 1450轉(zhuǎn)/分　 3　 558　 9　 冷卻塔BAC 331132AKV　 流量 716立方米/小時(shí)
輸入功率 56KW　 8　 448　

　　2.2 西區(qū)內(nèi)有晝夜24小時(shí)的供冷需求，一期夜間谷值負(fù)荷2600KW，預(yù)計(jì)夜間總負(fù)荷不會(huì)小于7034KW，所以設(shè)置基載機(jī)組24小時(shí)連續(xù)供冷，承擔(dān)夜間這部分負(fù)荷，由于基載機(jī)組的COP值較高，所以這樣做既節(jié)省初投資又可降低運(yùn)行費(fèi)用?；d主機(jī)制冷量2000冷噸，低谷電價(jià)時(shí)運(yùn)行，同時(shí)也承擔(dān)峰值負(fù)荷，運(yùn)行參數(shù)如下：蒸發(fā)溫度3.6℃，冷凍水進(jìn)出口溫度12.2/4.4℃，流量779立方米/小時(shí)；冷凝溫度35.8℃，冷卻水進(jìn)出口溫度30/35.3℃，流量1363立方米/小時(shí)立方米/小時(shí)。

　　2.3 螺桿式壓縮機(jī)在低溫工況下運(yùn)行穩(wěn)定，制冰時(shí)COP值較其它型機(jī)組高，故在蓄冰系統(tǒng)中較多采用螺桿機(jī)。選用的RWBⅡ雙工況雙蒸發(fā)器螺桿式壓縮機(jī)是采用最新科技專利技術(shù)-采用的可變內(nèi)容比技術(shù)，使機(jī)組內(nèi)部壓縮比隨時(shí)與系統(tǒng)壓速比相匹配，避免過壓縮或欠壓縮造成的能量損失，是最可靠最節(jié)能的機(jī)組，其設(shè)計(jì)壽命在設(shè)計(jì)工況下超過100000小時(shí)。由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器三部分構(gòu)成，連接管件廠家附帶，現(xiàn)場組裝。該機(jī)組體積龐大，壓縮機(jī)運(yùn)輸重量為25328公斤，蒸發(fā)器53110公斤，冷凝器23772公斤，機(jī)組總的運(yùn)輸重量為102.2噸，廠內(nèi)整體組裝運(yùn)輸困難。機(jī)組承擔(dān)白天制冷和夜間制冰，運(yùn)行參數(shù)如下：壓縮機(jī)制冷時(shí)制冷量2130冷噸，吸氣溫度與壓力為4.4℃和552Kpa（絕對(duì)壓力），排氣溫度與壓力為61.8℃和1427Kpa（絕對(duì)壓力），蒸發(fā)溫度3.6℃，冷凍水進(jìn)出口溫度12.2/4.4℃，流量829立方米/小時(shí)； 冷凝溫度35.8℃，冷凝熱量8887.6KW，冷卻水進(jìn)出口溫度30/35.3℃，流量1451立方米/小時(shí)。制冰時(shí)制冷量1634冷噸，吸氣溫度與壓力為-4.9℃和411Kpa（絕對(duì)壓力），排氣溫度與壓力為65.6℃和1382Kpa（絕對(duì)壓力），蒸發(fā)溫度-5.7℃，25%乙二醇進(jìn)出口溫度0/-4℃，流量1131立方米/小時(shí)； 冷凝器參數(shù)與制冷時(shí)一致。

　　2.4 鋼筋混凝土蓄冰槽占地面積582平方米，容積2619立方米，進(jìn)口三元乙丙防水材料內(nèi)防水，橡塑保溫材料外保溫，蓄冰槽上部設(shè)行人馬道，供維護(hù)與檢查。

　　2.5 冷卻塔與冰盤管由美國BAC公司提供，冷卻塔主體結(jié)構(gòu)為鍍鋅鋼板，防護(hù)板壁與進(jìn)風(fēng)百葉由抗腐蝕防紫外線的強(qiáng)化玻璃鋼材料制成。動(dòng)力風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)采用特殊的抗腐蝕材料結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的工藝制成，確保長期的無故障使用壽命。熱交換層由聚氯乙烯（PVC）制成，利用BAC專利的技術(shù)制成的帶整體擋水板的高效換熱層能保證水與空氣最大的接觸時(shí)間和最小的空氣壓降，而且能在較小的風(fēng)機(jī)電耗下確保高效傳熱，其熱力特性均由美國冷卻塔學(xué)會(huì)（CTI）按照協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證。BAC的蓄冰盤管由鋼帶連續(xù)卷制成管直縫焊接制造，外經(jīng)為26.67毫米，盤管組裝在鋼架上，整體裝配完成后，浸沒在試壓水槽內(nèi)，管內(nèi)注入2.415MPa的壓縮空氣（盤管的額定工作壓力1.05Mpa），進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，至少15分鐘，水槽內(nèi)無氣泡為合格，然后盤管機(jī)組整體外表面熱浸鍍鋅。盤管機(jī)組共計(jì)15組，每組由6個(gè)模塊構(gòu)成，共90個(gè)盤管模塊，設(shè)計(jì)充冷時(shí)間10小時(shí)，總的蓄冷量為28560冷噸時(shí)。蓄冰槽底部每組盤管的下面都配有DN40PVC多孔攪動(dòng)空氣分配管，設(shè)計(jì)2臺(tái)空壓機(jī)，每臺(tái)流量360立方米/小時(shí)，全壓為62000Pa，釋冷時(shí)壓縮空氣攪拌系統(tǒng)開啟，這樣融冰均勻，換熱效率高，在全部的釋冷周期內(nèi)，釋冷溫度能平穩(wěn)保持1.1℃。每組盤管都配有電子冰層厚度感應(yīng)器，出廠時(shí)感應(yīng)器已經(jīng)校準(zhǔn)好了，在每一個(gè)制冰循環(huán)中，一旦冰層厚度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，感應(yīng)器發(fā)出信號(hào)，供液閥關(guān)閉，停止制冰。要求盤管水平安裝在冰槽的地面上，在盤管支撐型鋼與防水層之間放置20毫米厚由橡膠和軟木合成的墊塊或在防水層上做10公分厚的豆石混凝土。水泵全部來自美國ITT.

　　2.6 制冰時(shí)采用抑制性乙二醇為載冷介質(zhì)，抑制性乙二醇具有良好的傳熱性與低溫性及抗腐蝕性，從陶式化學(xué)（中國）投資有限公司購買，普通乙二醇比水的腐蝕性大得多，因此保持抑制性乙二醇的化學(xué)穩(wěn)定性十分重要，必須定期（半年或是在季節(jié)性啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)）取樣檢查乙二醇水溶液的抑制性濃度，如有必要應(yīng)予以調(diào)整，恢復(fù)原有的抗腐性能。乙二醇水溶液的另一特點(diǎn)是膨脹遠(yuǎn)比水大得多，這兩點(diǎn)在設(shè)計(jì)與使用中要給于關(guān)注。

　　2.7 在冰蓄冷系統(tǒng)中，水處理十分重要，水質(zhì)的好壞既關(guān)系到設(shè)備的使用壽命的延長，又是系統(tǒng)的高效節(jié)能主要因素。保持冰蓄冷系統(tǒng)長期穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，除設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)外，所有換熱設(shè)備必須保證高的換熱效率。因此對(duì)水處理要十分重視，首先應(yīng)進(jìn)行管道與設(shè)備的加藥清洗，去掉雜質(zhì)和防銹油，同時(shí)又可以純化管路內(nèi)表面提高抗腐蝕能力。

　　2.7.1 冷卻水除及時(shí)補(bǔ)水與定時(shí)泄水排污外，還須在水中加入抑制劑（全有機(jī)緩蝕阻垢劑 inhibitor），并保持藥量在80ppm，它可以在管道與設(shè)備內(nèi)表面形成特殊的有機(jī)膜提供抗腐蝕保護(hù)，通過有機(jī)磷和聚合物的阻垢與分散作用降低垢的形成。加入氧化性殺菌劑（oxidizing biocide），可殺死各種細(xì)菌和藻類，保持冷卻塔換熱層和冷凝器換熱效率。廣譜非氧化性殺生劑（non-oxidizing biocide）可控制微生物的繁殖與增長。任何時(shí)候過濾器都是不可少的。

　　2.7.2 在二次水（客戶空調(diào)水）回水管路中設(shè)置空氣分離器、過濾器，采用在線加藥的處理方案。

　　2.7.3 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主冷凍水（一次水）穩(wěn)定的保持在溫度較低的狀態(tài)中，尤其是蓄冰槽中的水溫度接近或低于冰點(diǎn)，這可延滯水垢的形成和微生物的滋生，水處理相對(duì)較容易。但在長期停機(jī)的情況下或加入冰槽中水具有腐蝕和氧化性，則需加入鉬酸鹽、硼酸鹽抑制劑和非氧化性殺菌劑。系統(tǒng)中裝有旁通過濾器，流量為總量的15%.

　　2.7.4 所選擇的水處理程序應(yīng)保證處理后水質(zhì)滿足下述要求：

　　PH…………………………6.5-9.0

　　氯化物……………………≤ 100PPM

　　硫酸鹽……………………≤ 250PPM

　　總的含堿量………………≤ 500PPM

　　溶解的固體總量…………≤ 1000PPM

　　3、小結(jié)

　　隨著我國電價(jià)政策的調(diào)整，冰蓄冷與電直接驅(qū)動(dòng)制冷、直燃機(jī)吸收式制冷相比其總體效益優(yōu)勢越來越大。而外融冰的冰蓄冷由于能夠向空調(diào)系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定1.1℃冷水，使空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)大溫差低溫送風(fēng)系統(tǒng)，這種組合整體造價(jià)（初投資）與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)持平，即空調(diào)機(jī)組、循環(huán)水泵、水管風(fēng)道及各種閥門管件成本的降低，彌補(bǔ)蓄冰冷站費(fèi)用的增加。但運(yùn)行費(fèi)的節(jié)省確實(shí)相當(dāng)可觀的，根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)和個(gè)案計(jì)算比較，在有分時(shí)電價(jià)的城市，可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用25-50%，具體節(jié)省依規(guī)模和峰谷電價(jià)差而不同。以外融冰蓄冷為冷源配合超低溫大溫差的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該是當(dāng)今空調(diào)發(fā)展的方向。單體建筑或規(guī)模小些的可選用雙工況單蒸發(fā)器的冷水機(jī)組作為外融冰蓄冷的主機(jī)，以減少初投資規(guī)模。對(duì)中關(guān)村這樣規(guī)模的建筑群，采用本文所述方案無疑是正確的。