低温区域供冷技术在中关村商务中心区的应用

近年来随着经济建设的发展，产生了大量的区域性建筑群。北京中关村商务中心区（也称中关村广场）占地51.44公顷，将以土地一级开发形式建设成为中关村地区高科技产业管理、信息、研发中心。该区域被分成25个地块，根据规划各地块上将建起的地上建筑总面积约100万平方米，地下建筑总面积约50万平方米。建造区域供冷冷源向一部分地块进行集中供冷成为一种很自然的选择。目前在地下建造的1#冷站拟向0.5公里半径内的4栋建筑供冷，供冷面积32万平方米。将来如有更多的用户加入该系统，再根据需要增建1～2个冷站。

北京地区采取单一的按电力峰、谷段分时电耗计费。商业用电峰谷电价比为3.45：1，峰段用电时间为每天8小时，1-10KV高压用电峰、谷价差的绝对值为0.71元/千瓦时。中关村商务中心区拟采用集中供冷的建筑为办公、金融和商场等商业性建筑，白天空调负荷绝对值很大，夜间空调负荷很小，负荷变化规律性比较强，采用空调蓄冷系统作为商务中心区区域供冷的冷源，具备较好的先决条件。

蓄冰形式

相比水蓄冷和共晶盐蓄冷方式，冰蓄冷系统在单位蓄槽体积内具备更大的蓄冷能力，适于作为区域供冷的冷源。对于冷媒输送距离较远，用户冷负荷较大，冷冻水供水流量很大的区域冰蓄冷冷站来说，尽可能降低用户供水水温即减少系统总流量，能够节约冷媒输送电耗，减小冷媒输送管径，降低冷水输送管道投资。

动态蓄冰方式因其造价高昂，运行控制要求高，国内用于大型蓄冷系统较少。静态蓄冰形式国内应用较多的是冰球蓄冷系统（封装冰蓄冷系统的代表）和内融冰系统。冰球系统用于大型蓄冷的主要问题在于冰球融冰换热时，冰球内的冰、水、空气（球体内留有一定结冰膨胀空间）的混合物，在融冰过程随着球体内冰体的融化其传热状况变化很大，特点是开始融冰时释冷速率较大，但在整个融冰过程中释冷速率的变化很大；仅凭蓄冰装置无法保证系统供水温度的恒定，可采取在蓄冰装置下游设置制冷机组或使制冷机组与蓄冰装置并联等手段来弥补这一不足。为此，一方面需增加更精密的流量控制和冷机的负荷调节装置，增加了自控系统的造价；另一方面，上述冷机位置的设置导致制冷机的出水温度下降，降低了制冷机的效率。由于制冷机蒸发器出水（液）温度每降低1℃，电耗增加2%-3%，显然，对于大型系统是很不理想的；此外，冰球系统和内融冰系统一样，属于间接冷媒系统，由于其常用的乙二醇水溶液冷媒不直接进入空调水系统，在融冰环节需通过换热器和系统回水换热融冰，与用户之间多了一级换热，难以制出较低的水温；而且乙二醇水溶液比热容较低而相对密度较高，传热性能比水差，0℃时30%体积浓度的乙二醇溶液传热系数为0.429W/（m2.℃），需较大的换热面积，这样就增加了设备投资。

在中关村冷站中我们采用了盘管外融冰系统，该方式在融冰环节中没有冰球和内融冰系统的中间换热环节，融冰时空调系统的回水直接进入蓄冰槽引起盘管外的冰层融化。外融冰模式有以下几个特点：首先是可以提供低温供水，外融冰系统所提供的冷水温度比内融冰和冰球系统低，中关村1#冷站的设计供水温度为1.1℃，回水温度12.2℃，对用户冷水供水流量仅需常规空调供水系统的一半左右，尽可能低的供水温度使输送至用户空调系统的能耗和管道投资均大为降低；其次是释冷过程温度恒定，在释冷周期中，冰槽中80%以上的冰融化以前，可以平稳地控制冰槽出水温度在1℃左右，这样对于保证大型系统用户参数的稳定很重要。

系统及运行模式

中关村冷站系统采用全量蓄存模式和分量蓄存模式相结合的运行方式。采取在电价平、谷期进行蓄冷，在电价高峰期全部冷量由蓄冷装置提供的运行模式即全量蓄存模式，运行电费最低。但它对于区域供冷来说，为满足用户在夏季的设计冷负荷，需要很大的蓄冰装置和制冷机组，初投资高，设备利用率和负荷适用性不高。在夏季中关村1#冷站采用分量蓄存模式，即在夏季日负荷高于夜间蓄冷量时，在白天由蓄冷装置和制冷机联合供冷，进入过渡季，负荷下降可采取全量蓄存模式。

常见的外融冰蓄冷系统见图1，基载制冷机组的作用是满足夜间制冰时系统内某些用户的空调负荷，白天时也参与供冷。该系统可制出低达1℃的系统出水温度，除基载制冷机组外，冷站内制冷机组的冷媒是乙二醇水溶液，虽然融冰环节系统回水直接进入冰槽化冰，无须进行换热，但是当主机在白天也参与对空调系统供冷时，外网水系统并不直接进入主机，需和主机的乙二醇冷媒进行换热，也存在着一个换热环节。

在中关村1#冷站系统中，采用美国YORK公司设计制造的一台设计制冷量2000冷吨的离心机组作为基载制冷机组，三台2000冷吨的双蒸发器螺杆机组作为蓄冷兼制冷机组。这三台螺杆机组（型号RWBⅡ-856E）与常规螺杆机组在结构上最大的不同是它们具有两个蒸发器，其中的冷媒分别是乙二醇和水。在蓄冷循环时，利用乙二醇冷媒制冰；当白天有制冷要求时，与常规外融冰系统不同，系统回水直接进入另一个蒸发器，降低温度到4.4℃左右后进入冰槽融冰。此系统见图2。该系统与一般外融冰系统的差异在于：取消了乙二醇-水换热器，这样在白天供冷过程中，进入螺杆机的冷媒温度高于常规外融冰系统。鉴于取消的换热器因系统水量非常大所以换热温差不会太小，至少应在1.5℃以上，否则因换热面积的增大，换热器的设备费用太大。因此该系统的主机较之常规外融冰系统主机白天供冷时的效率，因蒸发器入口冷媒温度的升高而提高至少在5%以上；没有了板式换热器的设置及其阻力损失；由于乙二醇和水的换热性能差异，白天制冷所用的水冷媒蒸发器的换热面积小于使用乙二醇冷媒制冷的蒸发器。当然，由于主机增加了一个蒸发器且自控要求更高，这种螺杆机的设备造价略高于单蒸发器的螺杆机组。但就整个系统而言，由于减少了换热环节，提高了系统总效率，没有工况改变时阀门的相互切换调节，系统只靠启停主机和水泵及恒温变容量运行。作为一个大的区域供冷系统，较充分地发挥了外融冰系统的优点。长期运行的经济效益将非常可观。

低温区域供冷系统的用户

作为中关村商务中心区的特色之一，各种能源管线如市政给水、燃气、电力电信、及热力管线是由外网进入一条环绕中心区长达1.5公里的综合管廊，该管廊通过二十多条支管廊将各种管线输送至区域内的各地块，区域冷站的冷水供回管路也通过综合管廊送至各用户，选择纳入区域供冷系统的地块与区域冷站供水系统的连接非常便利，供冷管路的维护和监控也十分方便。

有了上述的冷站和冷媒输送系统，中关村商务中心区内的二十多个用户都可以选择加入区域供冷网络，我们将根据用户增长的情况考虑建设2#、3#冷站。不远的将来，在建立一个合理收费标准的基础上，纳入该系统的用户可以取消制冷机房的投资，把机房的建筑空间转变为其它用途；低温供水为用户大大节约其建筑内部空调系统的造价和运行能耗，而且用户可以很自然地选择低温送风方式优化空调系统，例如商务中心区内的21#地--中关村金融中心，在利用区域冷源供冷的前提下，即选用了低温送风变风量系统；冷源的建设不再是建筑投资商的必然选项，空调系统供水成为一种可以购买到的服务，对用户而言是具有很大吸引力的。