區(qū)域供冷系統(tǒng)在中關(guān)村西區(qū)的實際應用

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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，主要設(shè)備的選型、構(gòu)造、技術(shù)特點、設(shè)計參數(shù)以及外管網(wǎng)設(shè)計，對制冰用乙二醇的要求和水處理方案。闡述設(shè)計者在工藝設(shè)計中的所采用的先進技術(shù)，為使系統(tǒng)運行費用最為節(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)實行土地一級開發(fā)，前期立項、規(guī)劃設(shè)計、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：（1）空調(diào)系統(tǒng)主要在白天運行，夜間只有小部分系統(tǒng)運行，既白天使用系數(shù)高；（2）空調(diào)負荷較大，且空調(diào)逐時負荷與電力峰谷供應一致；（3）總體負荷系數(shù)低。這樣的土地開發(fā)運作與建筑規(guī)模，這樣的空調(diào)負荷與系統(tǒng)運行特點，必然促使一級開發(fā)商在區(qū)內(nèi)建設(shè)冰蓄冷區(qū)域供冷系統(tǒng)，引進區(qū)域供冷系統(tǒng)運營商，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)，為二級開發(fā)商提供空調(diào)用冷水，二級開發(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，吸引二級開發(fā)商。冰蓄冷利用高峰低谷電力差價使運行費用減少，降低了最大用電容量費用；區(qū)域供冷提高了冷水供應的可靠性和有效性，有利于環(huán)境保護；同時規(guī)模效應和低溫空調(diào)冷凍水的穩(wěn)定供應保證了與二級開發(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行建造，利于資金安排，也能準確地把制冷站設(shè)置在最大負荷的建筑物附近，西區(qū)計劃建兩個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)，兩個制冷站均與環(huán)狀管網(wǎng)相接，每個制冷機房通過環(huán)狀管網(wǎng)相互聯(lián)結(jié)，這樣的系統(tǒng)則能達到最大的有效性和360天24小時不間斷提供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)，具有保護區(qū)內(nèi)環(huán)境、節(jié)約能源、節(jié)約初期投資、降低運轉(zhuǎn)成本、平衡電網(wǎng)負荷等獨特的優(yōu)點。

　　2、一期工程制冷站的主要設(shè)備與工藝設(shè)計

　　2.1 根據(jù)西區(qū)的項目進展情況，先進行一期工程制冷站建設(shè)。冷站設(shè)計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，設(shè)計由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)計如下：

　　一期制冷站主要設(shè)備 表1 　

序號　 設(shè)備名稱與型號　 主要參數(shù)　 數(shù)量　 總功率
KW　 1　 水冷式離心式冷水機組（基載主機）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
揚程 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
揚程 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
揚程 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
揚程 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
輸入功率 56KW　 8　 448　

　　2.2 西區(qū)內(nèi)有晝夜24小時的供冷需求，一期夜間谷值負荷2600KW，預計夜間總負荷不會小于7034KW，所以設(shè)置基載機組24小時連續(xù)供冷，承擔夜間這部分負荷，由于基載機組的COP值較高，所以這樣做既節(jié)省初投資又可降低運行費用?；d主機制冷量2000冷噸，低谷電價時運行，同時也承擔峰值負荷，運行參數(shù)如下：蒸發(fā)溫度3.6℃，冷凍水進出口溫度12.2/4.4℃，流量779立方米/小時；冷凝溫度35.8℃，冷卻水進出口溫度30/35.3℃，流量1363立方米/小時立方米/小時。

　　2.3 螺桿式壓縮機在低溫工況下運行穩(wěn)定，制冰時COP值較其它型機組高，故在蓄冰系統(tǒng)中較多采用螺桿機。選用的RWBⅡ雙工況雙蒸發(fā)器螺桿式壓縮機是采用最新科技專利技術(shù)-采用的可變內(nèi)容比技術(shù)，使機組內(nèi)部壓縮比隨時與系統(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)能的機組，其設(shè)計壽命在設(shè)計工況下超過100000小時。由壓縮機、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。該機組體積龐大，壓縮機運輸重量為25328公斤，蒸發(fā)器53110公斤，冷凝器23772公斤，機組總的運輸重量為102.2噸，廠內(nèi)整體組裝運輸困難。機組承擔白天制冷和夜間制冰，運行參數(shù)如下：壓縮機制冷時制冷量2130冷噸，吸氣溫度與壓力為4.4℃和552Kpa（絕對壓力），排氣溫度與壓力為61.8℃和1427Kpa（絕對壓力），蒸發(fā)溫度3.6℃，冷凍水進出口溫度12.2/4.4℃，流量829立方米/小時； 冷凝溫度35.8℃，冷凝熱量8887.6KW，冷卻水進出口溫度30/35.3℃，流量1451立方米/小時。制冰時制冷量1634冷噸，吸氣溫度與壓力為-4.9℃和411Kpa（絕對壓力），排氣溫度與壓力為65.6℃和1382Kpa（絕對壓力），蒸發(fā)溫度-5.7℃，25%乙二醇進出口溫度0/-4℃，流量1131立方米/小時； 冷凝器參數(shù)與制冷時一致。

　　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，防護板壁與進風百葉由抗腐蝕防紫外線的強化玻璃鋼材料制成。動力風機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)采用特殊的抗腐蝕材料結(jié)構(gòu)和先進的工藝制成，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間和最小的空氣壓降，而且能在較小的風機電耗下確保高效傳熱，其熱力特性均由美國冷卻塔學會（CTI）按照協(xié)會標準進行認證。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），進行氣壓試驗，至少15分鐘，水槽內(nèi)無氣泡為合格，然后盤管機組整體外表面熱浸鍍鋅。盤管機組共計15組，每組由6個模塊構(gòu)成，共90個盤管模塊，設(shè)計充冷時間10小時，總的蓄冷量為28560冷噸時。蓄冰槽底部每組盤管的下面都配有DN40PVC多孔攪動空氣分配管，設(shè)計2臺空壓機，每臺流量360立方米/小時，全壓為62000Pa，釋冷時壓縮空氣攪拌系統(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器，出廠時感應器已經(jīng)校準好了，在每一個制冰循環(huán)中，一旦冰層厚度達到設(shè)計值時，感應器發(fā)出信號，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（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穩(wěn)定性十分重要，必須定期（半年或是在季節(jié)性啟動和停機時）取樣檢查乙二醇水溶液的抑制性濃度，如有必要應予以調(diào)整，恢復原有的抗腐性能。乙二醇水溶液的另一特點是膨脹遠比水大得多，這兩點在設(shè)計與使用中要給于關(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)濟運行，除設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)外，所有換熱設(shè)備必須保證高的換熱效率。因此對水處理要十分重視，首先應進行管道與設(shè)備的加藥清洗，去掉雜質(zhì)和防銹油，同時又可以純化管路內(nèi)表面提高抗腐蝕能力。

　　2.7.1 冷卻水除及時補水與定時泄水排污外，還須在水中加入抑制劑（全有機緩蝕阻垢劑 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膜提供抗腐蝕保護，通過有機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)運行時主冷凍水（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，這可延滯水垢的形成和微生物的滋生，水處理相對較容易。但在長期停機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)

　　隨著我國電價政策的調(diào)整，冰蓄冷與電直接驅(qū)動制冷、直燃機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)計可實現(xiàn)大溫差低溫送風系統(tǒng)，這種組合整體造價（初投資）與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)持平，即空調(diào)機組、循環(huán)水泵、水管風道及各種閥門管件成本的降低，彌補蓄冰冷站費用的增加。但運行費的節(jié)省確實相當可觀的，根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計和個案計算比較，在有分時電價的城市，可節(jié)省運行費用25-50%，具體節(jié)省依規(guī)模和峰谷電價差而不同。以外融冰蓄冷為冷源配合超低溫大溫差的空調(diào)系統(tǒng)應該是當今空調(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)器的冷水機組作為外融冰蓄冷的主機，以減少初投資規(guī)模。對中關(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。