水蓄能设计要点及工程实例
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水蓄能设计要点及工程实例. 水蓄冷系统的组成及设计特点. 水蓄冷的形式及消防水池改造. 水蓄冷系统主要设备的容量计算. 水蓄冷(热)的应用. 图 1 常用的水蓄冷系统流程图. 图 1 的设计特点 —— 增加削峰量、减少用电量. 图 1 的主要特点一是提高了蓄冷温差(即提高蓄冷效率),二是减少水蓄冷的能量损失。 A. 二台冷水机组串联蓄冷,可以减少每一级冷水机组的进出口温差,二台冷水机组温差加起来响应的提高了蓄冷水池的总的温差(也就是增加了蓄冷水池单位容积的蓄冷能力)。

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水蓄能设计要点及工程实例

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水蓄能设计要点及工程实例


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水蓄冷系统的组成及设计特点

水蓄冷的形式及消防水池改造

水蓄冷系统主要设备的容量计算

水蓄冷(热)的应用


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图1 常用的水蓄冷系统流程图


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图1的设计特点——增加削峰量、减少用电量

  • 图1的主要特点一是提高了蓄冷温差(即提高蓄冷效率),二是减少水蓄冷的能量损失。

  • A.二台冷水机组串联蓄冷,可以减少每一级冷水机组的进出口温差,二台冷水机组温差加起来响应的提高了蓄冷水池的总的温差(也就是增加了蓄冷水池单位容积的蓄冷能力)。

  • B.二台冷水机组串联蓄冷,可减少蓄冷电力的消耗。因为增加了第一级冷水机组的出水温度,从而提高了第一级冷水机组的蒸发温度,根据制冷工质的热力特性,蒸发温度每提高1℃,工质F22制冷能力提高3.371%,耗电量减少0.8%左右,工质F134a制冷能力提高3.881%,耗电量减少1.0%左右。


Lnp i

水蓄冷二级串联制冷工质压焓图(lnP—I)


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图2 无板换的水蓄冷系统流程图


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图2的设计特点——取消了板式换热器

  • 图2的设计特点是水蓄冷系统中冷取消了板式换热器。板式换热器是水蓄冷用的比较多的设备。采用它不仅增加了建设费用,而且降低了蓄冷水池的蓄冷温差,减少了蓄冷水池的蓄冷量。改该特点适合使用条件如下:

  • A.蓄冷水池的液面高于空调末端的最高点(在大量的工业厂房空调用冷水与生产用冷水中使用);

  • B.在蓄冷水池水位低于冷末端设备的高度时,采用机械定压方式向空调系统供冷,但此时要注意空调冷水系统的管道处于正压状态。


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2.水蓄冷空调系统的形式及消防水池改造

  • 2.1 根据水蓄冷的蓄冷水槽结构形式分

  • A.多罐式;

  • B.迷宫式;

  • C.溢流式;

  • D.隔膜式;

  • E.自然分层式(温度分层式)

  • 我国目前采用的较多的是自然分层式。


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自然分层蓄冷水槽的设计要点

  • 自然分层蓄冷水槽的设计要点是:

  • A.蓄冷槽内斜温层H厚度要薄;

  • B.蓄冷槽内同一层温度的均匀性要好。

  • 要达到这种要求就必须使蓄冷槽内冷水的流动保持均匀性,为此要求反应流体流动摩擦力的相似准数(雷诺数Re)与反应热介质流动浮力的相似准数(普朗克准数Pr)控制在一定的范围内。


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自然分层蓄冷水槽

  • 主要技术指标

  • A.蓄冷槽内斜温层H厚度

  • B.蓄冷内同一层温度的均匀性

  • C.单位容积蓄冷量的大小

  • D.单位蓄冷量消耗的电量多少


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消防水池改造成蓄冷水槽的设计要点

  • 1、水蓄冷在新建、扩建和改造工程均可用,利用平时闲置的消防水池可以按蓄冷水池的设计要点改造成蓄冷水池。

  • 2、一个500立方米的专用消防水池改造成蓄冷水池,一天可减少700~1000kW的高峰用电。

  • 3、根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003),消防水池只能改造成蓄冷水池(不能兼用蓄热水池)。


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2.2 根据水蓄冷的蓄能方式分

  • 根据空调系统冷负荷的情况和用户所在地区的电价分时结构条件,将水蓄冷的蓄能形式分成:

  • A.完全蓄冷

  • B.完全削峰蓄冷

  • C.部分蓄冷三种


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3.水蓄冷系统主要设备的容量计算

  • 水蓄冷系统主要有下列设备需进行计算:

  • A.蓄冷水池的容积计算

  • B.冷水机组容量计算

  • C.板式换热器计算

  • D.蓄冷水泵计算

  • E.放冷水泵计算


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A.蓄冷水池的容积计算

  • 蓄冷水池的容积按下式计算

  • V=Q×Kd/η×ρ×△tz×cp×ϕ

  • 式中:V——蓄冷水池容积,m3

  • Q——蓄冷量,kcal

  • η——水池的容积效率,一般取0.96~0.99

  • ρ——蓄冷水密度,取1000kg/m3

  • △tz——蓄冷水池进出水温差,一般取7~10℃

  • Kd——冷损失附加率,一般取1.01~1.02

  • Φ——蓄冷水槽完善度,考虑放冷斜温层影响,一般取90~95%


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B(i)完全蓄冷型冷水机组容量计算

  • 制冷机总容量=日空调总冷量×K/蓄冷运行时间

  • 式中:

  • 日空调总冷量——各逐时负荷的总和

  • K——冷损失附加率。根据蓄冷水槽的大小、水槽的保温情况与冷水存放的时间决定,一般取K=1.01~1.02

  • 蓄冷运行时间——一般取8小时

  • 如完全蓄冷运行模式示意图所示,冷水机组容量为3950kW,大于最大冷负荷2680kW


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完全蓄冷型冷水机组容量计算运行示意图


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B.(ii) 完全削峰蓄冷型冷水机组容量计算

  • 冷水机组容量为除放冷时间之外,最大小时负荷即为制冷机的容量(如果用电高峰与空调负荷高峰不重叠,则全天最大负荷即为冷水机组的容量)。

  • 如完全削峰蓄冷运行模式示意图所示,冷水机组容量为5400kW,与常规制冷冷水机组容量一致。


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完全削峰蓄冷运行模式示意图


B iii

B.(iii)部分削峰蓄冷型冷水机组容量计算

  • 冷水机组总容量根据蓄冷系统的运行需要确定。即为建筑围护结构的冷负荷,减去放冷冷量之后需要最大小时冷量即为冷水机组的总容量。

  • 如部分削峰蓄冷运行模式示意图所示,冷水机组容量为12000RT,小于常规制冷冷水机组容量17680RT,约为常规制冷冷水机组容量的68%。


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部分削峰蓄冷示意图


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B.(iv)根据不同功能选用蓄冷冷水机组容量

  • 不同的水蓄冷形式,选用的冷水机组容量是不同的:完全蓄冷型冷水机组容量往往大于常规制冷冷水机组容量;完全削峰水蓄冷冷水机组容量与常规制冷冷水机组相同或相近;部分削峰水蓄冷冷水机组的容量远远小于常规制冷冷水机组容量。因此,部分削峰水蓄冷形式也是我们经常采用的一种形式。

  • 对应新建的建设项目,采用水蓄冷较常规制冷需要增加蓄、放冷等设备,但采用部分削峰水蓄冷形式可减少冷水机组的容量,故总的建设费用差不多。


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C、板式换热器计算

  • 板式换热器的换热量和换热面积等参数按下列方式确定:

  • 板式换热器的换热热量应根据逐时负荷计算中最大的放冷量确定。不同蓄冷形式确定方式如下:

  • 完全蓄冷:按全天最大时负荷确定;

  • 完全削峰蓄冷:按高峰时段的最大负荷确定;

  • 部分蓄冷:按逐时放冷负荷计算确定。板式换热器的换热量应满足计算中最大放冷量的要求。

  • 一般完全蓄冷的板式换热器的换热量大于或等于削峰蓄冷的板式换热器的换热量。


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D、蓄冷水泵计算

  • 蓄冷水泵计算主要是确定水泵的流量与扬程。

  • 流量:一般与蓄冷冷水机组配套(注意蓄冷温差)。

  • 扬程:主要是克服冷水机组、蓄冷水池和蓄冷管道的阻力。

  • 这里要说明一点的是蓄冷水池的阻力:因为自然分层的蓄冷水池,其自身要求布水时必须控制冷水在蓄冷水池中的流动满足雷诺数Re与普朗克准数Pr在一定范围,即蓄冷水池内水的流速不搞,其阻力也不大,局部阻力系数按流体进入与流出即可。


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4.水蓄冷(热)的应用

  • 1、供电系统的需求矛盾

  • 2、水蓄冷的节能含义

  • 3、国内外水蓄冷的使用情况


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4.1供电系统的需求矛盾

  • 随着我国经济的持续发展,电力行业的供电负荷在持续增长,日负荷峰谷差也在不断扩大。广东的峰谷差曾达到最大用电负荷的50%以上,其他发达地区的峰谷差也接近达到最大用电负荷的50%。

  • 解决电力峰谷矛盾的方法:一是建设削峰电站(包括建设削峰水电站与削峰火电站);二是建设蓄能站,将低谷电能储存起来,在用电高峰时释放。


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4.2空调蓄能的意义(一)

  • 空调工程采用蓄冷系统,可以移峰填谷,减少削峰电站的建设费用与减少对环境的污染,有很好的社会效益:根据负荷计算估算,900~1000万平方米商场(或约1200~1500万平方米综合公共建筑)的集中空调采用蓄冷系统,相当于建设一座30万千瓦的削峰电站。

  • 我国每年竣工的公共建筑4亿平方米以上。如果 有四分之一建设蓄冷系统,实现这些建筑的完全削峰,这相当于建设了7座30万千瓦的削峰电站。其经济与社会效益十分显著。


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4.2空调蓄能的意义(二)

  • 从水蓄能的热力学原理可以看出,水蓄冷系统在运行过程中通常并不节省用电量,只是改变了不同用电时段的用电量,实现了电网运行的移峰填谷,其节能含义主要体现在相当于削峰电站的能效比。

  • 以水蓄能电站为例,其抽水工况效率大约0.85~0.90,发电工况效率同样大约为0.90~0.93,加上水的蒸发损失,综合效率大约为0.70左右。消耗1kW的低谷电能,能获得0.70kW的高峰电而且还消耗大量的人力、物力和土地资源。中国节能协会节能产业委员会在《水蓄冷移峰填谷节电项目节能计算方法》文件中,“建议水蓄冷项目每转移1kWh电量,按节省1kWh电量”。


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4.3案例

  • 4.3.1国外水蓄冷的使用情况

  • 到2003年,仅日本已建成2596个集中水蓄冷工程。其中1966年日本东京“NHK广播中心”建设有报道记录的世界上第一个9000m3的大型蓄冷水池;2003年美国在Millenia购物中心,建有当时世界上最大的蓄冷水槽,蓄冷水槽的体积为17.6百万加仑(66616m3)

  • 4.3.2国内水蓄冷的使用情况

  • 到目前为止,仅北京佩尔优就建设不同规模的水蓄冷项目一百多个,其中蓄冷水池容积超过20000m3有4个,蓄冷水池容积超过12000m3有6个。

  • 上海浦东国际机场,二期工程已经建设48000m3蓄冷水池,如果一期工程相同规模都建设水蓄冷系统,浦东机场将是目前世界上最大的区域性水蓄冷工程。


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4.4济南银座水蓄冷(热)简介

  • 济南银座由山东省建筑设计院设计,总建筑面积约为13万m2,其中,商场空调面积10万m2,设计尖峰总冷负荷9208kW,总热荷7409kW。运行时段8:00~21:00.

  • 本项目制冷系统全年运行120天,供热120天。


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A.济南银座典型日冷负荷


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B.济南银座典型日热负荷


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B. 水蓄冷制冷站的设备配置


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C.常规制冷站的设备配置


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C.水蓄冷与常规电制冷经济比较分析


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D.水蓄冷与常规电制冷经济比较结论

  • 通过对水蓄冷供冷加电锅炉蓄热供热与常规制冷站供冷加市政热网供热的建设费用与运行费用比较,结论如下:

  • 1、与市政热网供热相比,电锅炉蓄热供热增加投资458.84万元;

  • 2、每年减少运行费用199.66万元;

  • 3、水蓄冷与蓄热比常规供冷与热网供热增加的投资约2.3年回收(不含建设期的利息等财务成本)。


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水蓄冷技术在机场项目中的应用华东建筑设计研究有限公司 魏炜


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水蓄冷技术在机场项目中的应用

  • 1、什么是水蓄冷技术?

  • 夜间谷电时段,用常规电动冷水机组制备冷水,再把冷水储存在水罐(槽)内;第二天白天用电高峰时段,用储存的冷水向用户供冷。水蓄冷技术可以削峰填谷、平衡电网负荷。

  • 2、水蓄冷技术的优势

  • 初投资相对较少、系统简单、维修方便、技术难度低

  • 可使用常规空调制冷系统,冬季可用于蓄热

  • 可利用消防水池、蓄水设施或建筑物地下室作为蓄冷容器,适用于现有常规制冷系统的扩容或改造

  • 具有较好的经济效益和社会示范用

  • 3、水蓄冷的主要技术问题

  • 水罐(槽)中热回水与冷水分离状态的控制,避免进出水直接混合

  • 自然分层方式的斜温层高度控制。斜温层越小,混合损失越少

  • 保证一定蓄冷量而导致较大的场地要求


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上海市电网夏季工商业35kV销售电价


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虹桥综合交通枢纽

  • 两个能源中心:一个服务虹桥机场12航站楼、宾馆、指廊;另一个服务于东交通广场

  • 虹桥机场能源中心设计2只直径33m,水面高度26.2m(总高31.016m),公称容积22000m3的蓄冷水罐,水罐场地面积约为3300m2


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  • 每个温度测试点的距离为300mm,运行时斜温层实际不超过1m


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水蓄冷系统方案


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浦东国际机场二期


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二期能源中心主要服务范围为62万m2:近期为航站楼东厅(T2)49万、交通中心3万m2,预留远期航站楼南厅(T3)10万m2容量

4只直径26m,水面高度22m(总高25.200m)公称容积11000m3的蓄冷水罐,水罐场地面积约为6300m2


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常规电制冷系统和水蓄冷系统年用电量及电费比较


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常规无蓄冷电制冷、冰蓄冷和水蓄冷3种供冷方案的比较

  • 三种供冷方案综合技术数据汇总

注:热水锅炉和蒸汽锅炉的电力安装容量较小,已分别计入3个方案。照明等其他辅助用电亦计入3各方案


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制冷机房的运行分析

供冷站2010年9月耗电量分析

  • 平时段的供冷主要由冷水机组和蓄冷水罐提供

  • 峰电时段的供冷主要由蓄冷水罐完成

  • 谷电时段主要用于蓄冷

  • 谷电用量占总用电量的76.23%,而峰电用量只占总用电量的3.64%

  • 仅2010年9月就节省费用约211.13万元,已经达到甚至高于原设定目标,经济效益显著


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水蓄冷系统的工作模式


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总结

  • 水蓄冷系统结合成熟的自控技术,为城市电力供应“削峰填谷”,缓解供需矛盾

  • 机场、交通枢纽类建筑物空调负荷大,负荷变化大,空调用电量大,需要减少高峰负荷用电量,机场、交通枢纽类建筑物一般有较广阔且廉价的土地,非常适合蓄冷尤其是水蓄冷技术的应用

  • 多层建筑尽可能利用蓄冷水罐直接供冷,减少换热损失,高层建筑考虑设置板式热交换器

  • 自然分层方式技术成熟可靠,但必须控制好斜温层

  • 从发展趋势看,水蓄冷——天然气冷热电三联供技术应该是机场、交通枢纽类建筑物空调冷热源的较好选择


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