1 办公类建筑适合采用蓄能冷热源
办公楼和其它的建筑物一样可以根据具体的情况采用各种各样的冷热源，但是在一定的条件下，利用办公楼的使用特点采用蓄能冷热源，更能发挥其效率高、运行费用低、可靠性高的优势。众所周知，随着科学技术的发展，现代的办公类建筑也发生了很大的变化办公楼不在是简单的走廊式布局，而是结构复杂，体积庞大的建筑，拥有中庭、回廊、采光井、室内或室外花园等建筑形式，大量采用新型的建筑材料，如玻璃幕墙、轻质墙体等；大面积全天侯的照明方式，使灯具的发热量成倍增加；大量的电脑和办公设备成为必不可少的用品，这使设备的发热量激增；办公楼的使用功能日趋多样化，增加了会议的使用面积，高管办公室拥有套间、增设了营业厅、接待室、洽谈室、休息室等等，另外还配套有饭厅、厨房和其它的附属用房。这些都使办公楼的夏季空调冷负荷增加很多，而冬季所需的热负荷相应减少，这类建筑物不采用中央空调几乎达不到室内空调的舒适性标准。同时我们也发现办公楼建筑物的基本用途没变，有着固定的工作时间，空调负荷周期变化，又相对稳定，特别是昼夜交替的运行规律和国家现行的鼓励使用夜间低谷电力相吻合，给采用蓄能冷热源提供了条件。下面就介绍办公楼采用蓄能冷热源的一个实例-武汉供电局办公楼暨客户服务中心。
2 工程概况：
武汉供电局办公楼暨客户服务中心位于汉口解放大道球场街，拥有四栋建筑，呈院落布局形式。1号楼功能为“报装”营业厅及供电局有关部门办公室，共四层。2号楼、3号楼功能为供电局属各子公司办公室，部分为外地电力设备厂商的办公室，共三层。4号楼一层为办公室，二层用于餐厅和供电设备展示厅，建筑群总建筑面积为8000㎡，是典型的办公兼服务用途建筑。白天使用集中，负荷大，同时使用率高，晚上非营业时间，大部分停止使用，只考虑极小负荷（业主提议夜间不考虑使用，但在设计中考虑了蓄能的机动问题）。
本工程地处市中心，环保要求高，不具备使用其它能源的条件，经过技术经济比较后，空调冷热源采用以电力为能源的蓄能方式，即夏季为冰蓄冷，冬季为电锅炉水蓄热，图1为该工程蓄能冷热源系统原理图。
3 蓄冰系统设计
根据设计计算，武汉供电局办公楼暨客户服务中心的日冷负荷变化见图1。设计日峰值冷负荷为1200Kw，冷负荷指标为150W/㎡，夏季设计日冷负荷总量为9708Kwh, 最大冷负荷出现在下午3时许。
3.1 蓄冰系统的形式
在设计蓄能冷热源时既要考虑最大限度地利用电价政策，尽量减少运行费用，又要考虑造价因素，减低一次性投资，使投资回收期短。如果是全量蓄冷，利用低谷电最充分，但是设备装机容量最大，投资大，因此一般情况下采用部分蓄冰方式，即日负荷总量一部分由蓄冰来满足，剩余部分由主机制冷满足。在蓄冷设计中，应把握这一原则，使蓄冷量完全能满足高峰电价时段空调的使用，同时还能满足非高峰电价期间的冷负荷补充，即主机运行完全避峰。本工程的蓄冰系统为并联系统，设计在高峰电价时段为融冰供冷，非高峰电价时段联合供冷时为主机优先供冷，部分负荷时，可按融冰优先直至全融冰供冷模式运行。
3.2 制冷主机选择计算
夏季设计日冷负荷总量为9708Kwh, 由设计的最佳运行模式（图2）可以知道冷机白天的工作时间，h1=6小时，能够在夜间进行制冰低谷电时段就是蓄冰所用的时间h2=7小时，冷机容量可按下式计算：
q0=Q0/(h1+ Cf·h2)=9708/(6+0.7·7)=891 kw
式中： q0—制冷机按空调工况下的制冷量（Kw ）
Q0 —设计计算全日冷负荷（Kw.h）
Cf —蓄热率
h1 —制冷机在白天按空调工况运行的小时数；
h2 —制冷机在夜间按制冰工况运行的小时数。
实际工程中，考虑管道和其它的损失，冷机的容量应为980kw；本工程采用两台CIAT-LW1800双工况螺杆式冷水机组，制冷工质为R22，每台机组标准工况制冷量为543Kw，蒸发器进出口温度7℃/12℃，蓄冷空调工况制冷量为510Kw，蒸发器进出口温度5℃/10℃，制冰工况制冷量342Kw，蒸发器进出口温度-2.6℃/-6.0℃，标准工况下电功率为123Kw，装机容量较常规降低18％。蓄冰系统的载冷剂为乙二醇溶液，重量浓度百分比29％。设置板式热交换器将乙二醇冰水系统与空调水系统分隔开。
3.3 蓄冰设备
蓄冰设备采用封装式蓄冷，就是将特制的冰球（CIAT冰球）用一个钢制承压罐装载，这种球内充注添加剂并预留9%的胀缩空间，每1m3冰球的蓄冷量约为57kw.h，其中潜热蓄冷量约48.5kw.h。
设计蓄冷量为：
Ql=Cf·h2·Q0=0.7·7·891=4366kw.h
蓄冷槽必要的容积为：V=4366/57=77m3
根据现场的情况，采用卧式蓄冷槽，直径取3000mm，则其长度为
L=77/(3/2)2·3.14=10.9m
最后选用冰球量为80m3，蓄冷能力为4552Kw.h，为设计日负荷总量的45％。蓄冰罐的设计中充分考虑载冷剂均流，罐内设计分流器，使载冷剂均匀流过所有冰球，不留死角，并使各部位的流速基本一致。
3.4 制冰供冷的运行模式和控制
系统设计了五种运行模式:（1）蓄冰模式；（2）融冰供冷模式；（3）冷机直接供冷模式；（4）融冰和冷机联合供冷模式；（5）冷机蓄冰且少量供冷模式。乙二醇初级泵为定流量控制，以使制冷机组内的载冷剂流量不变，次级泵为定流量变温度控制，由空调水侧的温度控制三通阀，使供给板式热交换器的乙二醇温度变化，以满足变化的负荷。蓄冷系统不同工作模式时设备和阀门的状态情况见表1。
4 蓄热系统
本工程设计日峰值热负荷为700Kw，日负荷总量为3914 Kw.h，热负荷指标为87W/㎡，最大热负荷出现在早上8时许。
4.1 蓄热系统形式
与冰蓄冷同原则，设计考虑蓄热量也是按电锅炉全“避峰”运行，采用部分蓄热方式，即设计日在电价高峰期的热负荷全由蓄热来满足，而其它时段，由蓄热槽与电锅炉联合供热满足，在日热负荷总量等于设计日热负荷时，可实现全量蓄热供热。
在逐时热负荷计算中，本工程的峰值热负荷出现在早上，而下午的热负荷较小。蓄热系统采用串连方式，电锅炉置于水系统的下游，这同样可以使一次水的温度保持不变。
4.2 电锅炉的选择计算
峰值热负荷700kw,日耗热量平均值Qav=3914Kw.h设计上取蓄热率Ns =60%,当地低谷电时段h1=7小时，采取蓄热措施后，白天平价电时段锅炉工作h2=3.2小时，电锅炉容量计算如下：
Qg1=Qav·(1-Ns) ．1.1/h2=3914．(1-0.6)．1.1/3.2=538 kw
Qg2=Qav·Ns ．1.1 /h1=3914．0.6．1.1/7=369 kw
式中： Qg1—蓄热后补充加热需要的锅炉容量（Kw ）
Qg2 —蓄热需要的锅炉容量（Kw）
Ns —蓄热率
h1 —蓄热时间（低谷电时段，小时）
h2 —蓄热后锅炉工作时间（平价电时段或部分平价电时段，小时）。
电锅炉的容量取上述计算结果的大值538kw,可以满足蓄热和白天补充供热的需要，这样比按峰值设计减少装机容量162kw,减少约23%。
4.3 蓄热水槽设计
本工程为部分蓄热，其一次投资适中，设备利用率高，热损失少于全量蓄热方式，可以合理使用平价电力。设计蓄热终温为90℃，放热温度为55℃，蓄热量为2116Kwh，占日负荷总量的54％。系统在设计日，夜间蓄热，白天关闭电锅炉，全力放热供热，放热完毕后，再启动锅炉供热，在负荷小于设计日时，系统变成全量蓄热供热。蓄热水槽的计算按下式计算：
V=Qav·Ns·K/Δt·η·1.163=3914·0.5·1.1/35·0.9·1.163=59m3
式中: Qav —日总热负荷的平均值（Kw．h ）；
Ns —蓄热率，蓄热量占日耗热量的百分比；
K —热损失附加率（ 1.05~1.1 ）；
η—蓄热效率（与水槽结构有关），本工程中取0.9；
Δt—一次热水侧设计温差，℃
这里采用的蓄热水槽为钢板焊制，槽高度为1.8m，内设加“＃”字形加强筋，并斜拉杆，顶部开设溢流口和通气口，人孔用盖密封。蓄热水槽为开式系统，置于地下。由于安放在地下的原因，水槽为两个。热水一次泵在布置时，将其安装在与蓄热水箱同一标高的位置，使水泵的吸入口在水箱液面下面。布水器是三根钢管均匀钻孔，使水箱内水的流动在供热时为上出下进，蓄热时为上进下出。蓄热水槽内部防腐采用三布四胶玻璃钢，外保温为100mm聚氨酯现场一次性发泡，底部设100mm绝热软木，确保水蒸汽不进入地下夹层。图3是蓄热水箱的制作图。本工程蓄热水箱安放在半地下室，节省了占地面积，更具有实用价值。
4.4 供热系统
为保护电锅炉，延长锅炉使用寿命，供热分一、二次水系统。设计了软水处理装置，热水一次水用软化水。将空调供回水与锅炉循环水用板式热交换器隔开，锅炉实现开式系统，保证运行安全。
空调供热水泵，因热负荷决定其流量接近夏季流量的50％，正好利用一台夏季空调循环水泵，这样就减少了机房占地面积，同时经济性也较好。
蓄热系统不同工作模式时设备和阀们的状态情况见表1。
5 实际运行情况
本工程于2002年11月20日正式运行至今，系统工作正常，达到设计要求，得到业主好评。在电力移峰填谷方面，基本实现了“避峰”运行。
5.1 冬季运行情况
经过一整个冬季运行考核，供热满足各区域的供热温度，通过查阅自控系统的历史记录得知绝大部分工作日，蓄热系统实现全量蓄热供热，即夜间蓄热量满足全日热负荷，只有数日，电锅炉于下午3时开始运行，供热水温基本在50℃以上。
| 表2 2003年1月20日蓄热运行参数记录 表3 2003年7月26日蓄冰运行参数记录 | ||||||||||
| 时间 | 电锅炉出水温度℃ | 蓄热温度℃ | 空调供水温度℃ | 空调回水温度℃ | 时间 | 乙二醇供液温度℃ | 乙二醇回液温度℃ | 空调供水温度℃ | 空调回水温度℃ | |
| 0:00 | 69.6 | 53.1 | 停泵 | 停泵 | 0:00 | -6.1 | -2.3 | 停泵 | 停泵 | |
| 1:00 | 78 | 58 | 停泵 | 停泵 | 1:00 | -6.3 | -3.3 | 停泵 | 停泵 | |
| 2:00 | 79.9 | 60 | 停泵 | 停泵 | 2:00 | -6.3 | -3.2 | 停泵 | 停泵 | |
| 3:00 | 80 | 64 | 停泵 | 停泵 | 3:00 | -6.4 | -3.4 | 停泵 | 停泵 | |
| 4:00 | 82 | 71 | 停泵 | 停泵 | 4:00 | -6.3 | -3.6 | 停泵 | 停机 | |
| 5:00 | 85 | 77 | 停泵 | 停泵 | 5:00 | -6.6 | -3.9 | 停泵 | 停泵 | |
| 6:00 | 88 | 83 | 停泵 | 停泵 | 6:00 | -3.6 | -4.1 | 停泵 | 停泵 | |
| 7:00 | 90 | 89.1 | 停泵 | 停泵 | 7:00 | -3.1 | -5.9 | 7 | 8.5 | |
| 8:00 | 停炉 | 89 | 64 | 57 | 8:00 | -2.5 | -3.9 | 7.1 | 8.6 | |
| 9:00 | 停炉 | 82 | 60 | 56 | 9:00 | -1.1 | -3.2 | 7.9 | 8.8 | |
| 10:00 | 停炉 | 71 | 54 | 49 | 10:00 | 0.3 | 6.1 | 7.8 | 11 | |
| 11:00 | 停炉 | 69 | 51 | 47.5 | 11:00 | 1.2 | 6.1 | 7.9 | 12 | |
| 12:00 | 停炉 | 66 | 50 | 45 | 12:00 | 1.8 | 6 | 8.2 | 13 | |
| 13:00 | 停炉 | 59 | 49 | 41 | 13:00 | 2.1 | 6 | 8.2 | 13 | |
| 14:00 | 停炉 | 53 | 50.3 | 42 | 14:00 | 2.3 | 7 | 7.9 | 11 | |
| 15:00 | 运行 | 51 | 50.2 | 41.7 | 15:00 | 4.7 | 8.4 | 8 | 13.4 | |
| 16:00 | 运行 | 50 | 50 | 41 | 16:00 | 4.9 | 9.7 | 7.9 | 13 | |
| 17:00 | 运行 | 52 | 50.6 | 42 | 17:00 | 5.1 | 10.2 | 7.7 | 13 | |
| 18:00 | 停炉 | 55 | 停泵 | 停泵 | 18:00 | 停机 | 停机 | 停泵 | 停泵 | |
| 19:00 | 停炉 | 55 | 停泵 | 停泵 | 19:00 | 停机 | 停机 | 停泵 | 停泵 | |
| 20:00 | 停炉 | 54.7 | 停泵 | 停泵 | 20:00 | 停机 | 停机 | 停泵 | 停泵 | |
| 21:00 | 停炉 | 54.1 | 停泵 | 停泵 | 21:00 | 停机 | 停机 | 停泵 | 停泵 | |
| 22:00 | 停炉 | 53.9 | 停泵 | 停泵 | 22:00 | 停机 | 停机 | 停泵 | 停泵 | |
| 23:00 | 停炉 | 53.1 | 停泵 | 停泵 | 23:00 | 停机 | 停机 | 停泵 | 停泵 | |
5.2 夏季运行情况
今年夏季武汉市持续高温，本工程的冰蓄冷系统经受了极恶劣气候的考验，只有数日（气温达40℃以上）在用电高峰时采用联合供冷模式，且只有2小时，其它工作日为全避峰或全融冰运行，达到了较好的“移峰填谷”作用，运行费用显著降低，经济效益甚好。
6 小结
从两年的运行情况来看，本工程采用蓄能空调冷热源是合理的，同时说明办公类建筑采取蓄能技术具有显著的优势和良好的经济性，蓄能冷热源不但减少了设备的装机容量，而且大大降低了运行成本；从更广泛的意义上讲，起到了移峰填谷，平衡电网的作用，对国家从整体上降低能耗，保护环境具有一定的作用，值得在工程实际中应用。
参考文献
1 陆耀庆. 实用供热空调设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1993
2 尉迟斌. 实用制冷与空调工程手册.北京: 机械工业出版社, 2002
3 王其庆. 河南省人大服务楼住宅冰蓄冷、电蓄热机房的设计和蓄热运行.全国暖通空调制冷2002年年会论文集
作者简介：
王凡，男，1960年出生，高级工程师。武汉江岸区四唯路8号武汉市建筑设计院，430014。
Tel: 027-82739125 Email: wfyy650@public.wh.hb.cn
