摘要：在能源紧缺的现今社会，我国提出了节能减排、平衡电网负荷的理念，对于能耗较大的制冷系统应该采用相应的节能措施，通过一工程实例说明了水蓄冷在空调设计中的应用。
关键词：水蓄冷；设计：经济性
蓄能系统对改善和缓解电力供需矛盾，平抑电网峰谷差有着积极作用，社会效益和经济效益良好。目前，工程上常用的蓄能方式有冰蓄冷和水蓄冷，冰蓄冷系统具有投资大、管理难度大等缺点，相比之下，水蓄冷具有经济、简单的特点。
一、慨况
水蓄冷技术主要应用在空调冷源中，主要是将空调主机作为制冷设备，以水池作为蓄冷设备。主机在夜间低谷电价时段运行，将产生的冷冻水储存在蓄冷水槽中；白天电价高峰时段，将水池里的冷冻水提供给空调系统使用。水蓄冷是用水的温差来进行相应的蓄冷，能够直接与普通空调进行调配，不需特殊的冷媒和双工况主机，系统简单、稳定可靠。而在一些建筑中，蓄冷水槽能够和消防水池合并使用，在这种情况下，其蓄冷系统成本更低。又因为晚上蓄冷时负荷无变化，冷却水水温比白天低，主机效率大大提高，与常规空调系统相比整体能效比基本持平。
二、水蓄能技术简介
1.技术特点。（1）水蓄能技术就是在电力负荷低的夜间，用电动制冷机制冷将冷量以冷水的形式储存起来。在电力高峰期的白天，不开或少开冷机，充分利用夜问储存的冷繁进行供冷，从而达到电力移峰填谷的目的。由于电力部门实施分时电价，蓄能空调技术的运行费用比常规空调系统运行费用低，分时电价差值越大，用户得益越多。采用蓄能宅调技术，业主并不一定节电，但能为业主节省运行费用，更重要的是有利于国家电网的安全运行。因此，国家把它作为一种节能环保的技术来大力推广。（2）水蓄能技术主要是利用了水的物理特性。对于在1个大气压的水，4℃水温时其密度最大，此时为1 000 kg／m3。随着水温的升高，其密度在不断减小，如果不受到外力扰动，一般容易形成冷水在下，热水在上的自然分层状态，但水在4℃以下时物性却出现明显非规律性变化。此时随着水温的降低，其密度却在不断减小。因而水蓄能水温可利用的下限为不小于4℃，水蓄冷时一般是4℃一14℃，水蓄热的温差较大，一般是40℃一95℃。水蓄能利用的是水的显热变化(水比热为1．0 KcaL／(kg·℃))。（3）自然分层式蓄能技术是一种结构复杂，但蓄冷效率较高，经济效益较好的蓄能方法，目前应用得较为广泛。在夏季的蓄冷循环中，冷水机组送来的冷水由蓄能槽下部的布水器进入蓄能槽，而原来槽内的热水则从蓄能槽上部的布水器流出，进入冷水机组降温。随着冷水体积的增加，槽内冷热水交界的斜温层将被向上推移，而槽中总水量保持不变；在放冷循环中，水流动方向相反，冷水由下部布水器被放冷泵抽出送至用户，经换热后的温度较高的水则从上部布水器进入蓄能槽。冬季蓄热时的原理和蓄冷是一样的，只不过介质水的工作温度范围较大。（4）蓄能槽有多种形式，有带上下布水器的开启式，还有迷宫式等等，但效率最高、性价比最好、应用最广泛的还是前一种。以水作为蓄能介质的水蓄能系统是蓄能空调系统重要方式之一，也是能源综合利用、开源节流的一种很好的形式。
2.水蓄能技术的优点。（1）经济：充分利用国家的分时电价政策，可以大大节省运行费用。削峰填谷，平衡电网压力。（2）实用：可以使用常规冷水机组，适用于常规供冷系统的扩容和改造。由于夜间已蓄冷，白天在突然停电时，只需较少的动力驱动水泵和末端空调马达，即可维持空调系统供冷。并且能够实现蓄冷和蓄热的双重用途。（3）节能：夜间气温降低，冷却效果好，系统满负荷运转时间较多，从而提高冷机的工作效率，也可节省维护保养费用。（4）合理：水蓄冷可减少制冷设备的装机容量和用电容量，从而减少了电力投资费用(包括电力补贴费和变压器、配电柜等电力设施)。另外作为备用冷源，增加了空调系统的可靠性，还可结合低温送水和低温送风，减少设备的容量，降低设备的噪声。（5）适用：蓄能槽可以利用消防池来做，或者放在地下，不占用有商业价值的地方，减少机房的占用面积，从而可减少投资。（6）环保：由于白天开的冷机较少，所以噪声很小，而且清洁无污染，操作方便。
三、案例分析
1.工程设计。工程概况例如某商场建筑面积约为25万㎡，白天工作时间冷负荷较高，夜间电价低谷时段无负荷。由于是大商业综合体，供冷时间长，通过业主的考察，决定采用水蓄冷空调系统。（1）空调系统运行天数。本项目供冷运行时间按180天/年计算。（2）空调系统冷负荷项目。设计日尖峰冷负荷约为30422KW。空调运行时间为8：00-21：00，设计日总负荷为106503RT。（3）蓄冷空调设计参数。夏季末端系统供回水温度：5/13℃蓄能系统夏季供回水温度：4/12℃；蓄冷温差：ΔT=8℃，11900立方地下蓄冷槽，夏季最大设计蓄冷量：29907RT.h （4）案例项目执行电价。
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（5）水蓄冷空调系统运行策略。水蓄冷空调系统的设备选型是以设计日的逐时负荷分布为依据的。项目的峰值冷负荷出现在设计日的18：00左右。根据设计院提供的负荷计算，负荷分布如下图所示：
2.经济分析比较。（1）初投资该项目采用水蓄冷技术后可削减2650RT装机容量，削减幅度达30.6%。相较常规空调系统减少了：制冷主机、变配电、冷却塔、冷却泵及备用电源等设备及系统的投资；相较常规空调系统增加了：蓄冷水槽土建部分，蓄冷水槽内保温、防水及布水器部分，蓄、放冷水泵及板式换热器等的投资。（2）运行费用。通过对前述运行策略的模拟运行，经计算可得出水蓄冷空调系统和常规空调系统的运行费用，如下表：
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从上表可看出，该项目水蓄冷空调系统比常规空调系统年减少运行费用约：209.1万元/年，运行费用节省比例约为25.3%，减少峰段用电2371793KWh，折合标准煤约为925吨/年。
3.蓄冷水槽的设计。（1）分层式水蓄冷原理。自然分层式蓄冷技术是一种结构复杂、蓄冷效率较高、经 济效益较好的蓄冷方法，目前应用得较为广泛。在夏季的蓄冷 循环中，冷水机组送来的冷水由蓄冷槽下部的布水器进入蓄冷 槽，而原来槽内的热水则从蓄冷槽上部的布水器流出，进入冷 水机组降温。随着冷水体积的增加，槽内冷热水交界的斜温层 将被向上推移，而槽中总水量保持不变；在放冷循环中，水流 动方向相反。（2）布水器的设计。其中布水器是由开孔圆管组成，并分为上下2层。上部的布水器离水面的距离与下部布水器离水槽底的距离相同。同时上下布水器的形状是一样的。自然分层水蓄冷系统的布水器一定可以形成一个冷热水混合程度较小的斜温层，并确保斜温层不会被以后形成的扰动破坏。在水平面的中心线上，它可以在各种情况下确保支管上2个相应点处的压力均衡，同时还具有自我平衡能力。假如孔口间的距离小于孔口高度的2倍，同时限制通过孔口的流速，就能够使水混合的程度降低到最小，大多数的孔口水流速度大致为0.3～0.6m/s。开口角度约为90°～120°，在夜间低谷电价时，开单台冷水机组将进行全力制冷，蓄水槽在单位时间内其最大蓄水量为：
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（3）蓄冷水槽的绝热以及防结露。在蓄冷水池绝热处理的过程中，需要保持其蓄冷能力。在进行绝热处理时应该确保能够从底部传入热量小于由侧壁传入的热量，不然能够形成水温分布的逆转，而诱发对流，可以破坏水的自然分层。对于消防水池而言，其保温材料能够采取聚苯乙烯泡沫，在现场时需要螺钉固定或粘接。
水蓄冷单位蓄冷能力较低，需要较大的蓄水池，但可由消防水池兼用蓄水池；自然分层水蓄冷系统的配水器必须能够形成一个冷热水混合程度最小的斜温层，还要保证斜温层不被以后发生的扰动破坏。当系统设计完善，设备配置合理时，水蓄冷空调系统经济效益显著。
参考文献：
[1]吴喜平．蓄冷技术和蓄热电锅炉在空调中的应用．同济大学出版社，2018．
[2]方贵银．探讨水蓄冷技术在商场空调冷源中的设计应用及节能分析[M]．北京：人民邮电出版社．2018．