关于蓄冷空调工程设计思路的探讨

1 引言

　　在我国空调制冷界与电力部门，对蓄冷空调已进行了两年多的科普宣传，虽然是雷声大，雨点小，但目前已有若干试点项目进入了招标、投标、初步方案的设计阶段，这是一个可喜的进展。本人通过所参与的蓄冷空调方案讨论、招标标书的制订及评标工作，感到我们一些设计单位与设计者虽已意识到蓄冷空调系统与常规空调系统不一样，有它好些特殊性，但在蓄冷空调方面的设计思路还是较为模糊。
　　在设计观念上，仍未摆脱常规空调设计观念的束缚；在设计方法上尚不能迅速更新，而导致往往不依赖于国外蓄冷设备代理商做方案、代计算；在设计手段上缺乏专用计算程序（软件）与符合国情的基础数据。这种状况目前已影响到拟建中的几项蓄冷空调工程的进度与质量，削弱了与外商谈判的力量，更无法对这几项工程建成后的经济性与可靠性进行科学的评价。为此，本文就蓄冷空调工程的设计思路作了初步探讨，供正在从事有关蓄冷空调工程工作的同行参考。 

2 对经济性应有一票否决权

　　蓄冷空调工程的首要问题是经济性。 在常规空调设计中，根据工程的使用功能要求与建筑特性，按照经济、合理、可靠的原则，通过简单的计算分析，就可较容易地确定空调方式与系统方案，其过程较为单一，有经验的设计者可较快地有把握地作出正确判断。 
　　对于采用蓄冷空调的工程就不是这样简单了。
　　蓄冷空调系统虽具有移峰填谷，均衡用电负荷，提高电力建设投资效益等优点，但这种宏观经济效益是就国家的全局利益而言的，若要建蓄冷空调工程，还必须让建筑业主得到好处，设计者要站在业主的立场，帮助业主仔细算一算，在经济上是否合算？是否有利可图？ 
　　然而，蓄冷空调工程的经济比较分析要比常规空调工程复杂得多，计算工作量往往要呈几倍地增加，其原因有4个： 
　　①各地区电网的缺电状况、夏季峰谷负荷差不尽相同。因而各地供电部门所采取的经济手段－时间电价结构与增容建设费的收费标准也各不相同。 
　　②蓄冷空调的运行电耗与建筑物的冷负荷特性、蓄冷方式、运行策略、控制模式有着密切关系。 
　　③蓄冷装置的种类很多，其蓄冷与放冷特性曲线差异也较大，而且所要求配套的制冷机也各不相同。因而初投资的差异也会有较大差别。
　　④在计算初投资费用中，要把蓄冷装置增占建筑面积的不利因素和可以降低建筑层高的有利因素都考虑进去。
　　因此，如果一项工程想要采用蓄冷空调系统，设计者必须根据建筑物的使用功能要求，建筑物的冷负荷特性，当地的时间电价政策，对蓄冷装置与主机的选配，控制策略与控制模式的组合，进行多种方案的经济比较与优化分析，得出科学的、实事求是的结论。 
　　如果，由于当地的峰谷时间电价差仍未拉大，或者其它优惠政策的力度不够，或者由于进口蓄冷设备与主机的价格太高，使蓄冷空调工程的造价居高不下，靠时间电价差来补偿所增加的初投资，无法在5年内回收，那么就应建议业主，尽早尽快否定与放弃蓄冷空调方案。 
　　关于某项具体工程是否可采用蓄冷空调方案，对其经济性应有一票否决权，这是一个设计者对工程负责、对业主负责的应有态度。 
　　必须指出，在某项具体工程上否定蓄冷空调方案，并不等于是否定在我国普及空调的同时应大力推广蓄冷空调系统的立场与方针。在宣传与推广蓄冷空调系统过程中，强调在经济性上的一票否决权的目的，是确保工程投入经营后的经济效益，维护业主利益，是一种因地制宜、实事求是的态度，更有利于蓄冷空调技术在我国土地上生根、发芽、开花、结果。 

3 设计阶段的划分

　　关于建筑工程设计阶段的划分，国家已有明文规定〔1〕：“项目决策以后，建筑工程设计一般分为初步设计和施工图设计两个阶段。大型和重要的民用建筑工程，在初步设计前，应进行设计方案优选。小型和技术要求简单的建筑工程，可以方案设计代替初步设计。” 
　　正如上节所述，建设蓄冷空调工程首先碰到的问题是要研究对业主合算不合算。
　　因为国外与国内的一些工程实践已经证明，单纯的冰蓄冷加常规空调系统，只能转移尖峰时段的制冷用电负荷，不但初投资增加量大，而且更费电，靠时间电价差来补偿所增加的初投资，其偿还年限一般需7~12年。
　　因此，本人主张在蓄冷空调初步设计之前，应首先进行设计方案的优选，即增加一个设计方案的经济比较阶段。对某一特定工程，通过经济分析，若确定采用蓄冷空调系统所增加投资偿还期超过了5年，就应明确建议业主放弃采用蓄冷空调方案，并上报给当地供电部门，实事求是地告诉他们，按照当地现行时间电价与优惠政策，从维护建筑业主利益出发，还不能按蓄冷空调方案来建设。如果当地电力供应部门，从反馈的众多信息中，发现多数是这样的意见，就应及时反思自己所制订的时间电价与优惠政策，是否兼顾到供电与用电的双方利益，其结果只有两个：
　　①重新调整时间电价与相应的优惠政策，利用经济杠杆推动蓄冷空调的发展；
　　②认为在时间电价与优惠政策方面，已让步到极限，那说明在该地区目前并不需要去推广蓄冷空调工程，这时供电部门就应明确告诉当地的建筑业主与设计单位，不要再花时间去考虑蓄冷空调方案了。 
　　增加方案经济比较设计阶段的好处是，可避免在初步设计阶段一开始就盲目认定要搞蓄冷空调方案，步步深入，直到完成施工图设计，经工程概预算后，或有的到运行一个夏季后才发现经济上不合算，甚至有的工程蓄冷运行电费比常规制冷运行电费更高，更谈不上偿还蓄冷空调所增加的初投资，造成骑虎难下的被动局面。因此，有的只好把蓄冷装置搁置起来，成为失败的展品。

4 关于设计观念的转变

　　鉴于蓄冷空调工程不但要满足建筑业主在使用功能方面所提出的要求，而且还要实现当地电力部门对转移尖峰用电负荷与节电的要求，协调与平衡好用电与供电的双方利益。因此，在一些设计观念问题上，设计者首先要进行自觉的转变。

4.1 设计目标 对于常规空调系统,设计目标一般是在达到规定的空调设计参数与保证运行可靠的前提下,让建筑业主花较少的投资费。 对于蓄冷空系统，设计目标应该是在达到规定的空调设计参数与保证运行可靠的前提下，实现初投资、转移尖峰用电负荷、节电与节省运行费用的最优化。 

4.2 评价标准 对于常规空调系统，如果达不到预定的空调设计参数，则被认为是失败的。 对于蓄冷空调系统，如果有以下4种情况之一者，即 
　　①达不到预定的空调设计参数与运行不可靠、不安全的工程； 
　　②达不到预定的转移尖峰用电负荷的工程； 
　　③全年运行费用超过常规空调系统的工程； 
　　④全年运行电能超过常规空调系统的工程； 则应被认为是失败的。 
　　由此可见，对于从事蓄冷空调的设计者来说，不但要在经济分析比较上要比设计常规空调工程做更深入细致的多种方案的比较、优化工作，而且还要在系统的安全、可靠运行上承担更大的风险责任。

4.3 设备选择 对于常规空调系统,一般只需按建筑物设计日的最大小时冷负荷来确定制冷设备 的装机容量并选用设备。 

4.4 控制模式 对于常规空调系统，在民用空调建筑中，一般只分供冷与供热两种工况，而每种工况只需采用一种控制模式就可以了。 对于蓄冷空调系统，为了充分发挥蓄冷装置在整个供冷季节转移尖峰时段空调用电负荷的功能和提高整个空调制冷系统的全天运行效率，实现在整个供冷季节运行电耗，运行电费最省的优化目标，必须针对建筑物的小时动态冷负荷，对各天的24h冷负荷分布图进行科学分类，通过优化分析，确定经济运行的多种控制模式，以便在整个供冷季运行中，根据对下一天空调冷负荷图的预测，调整每天控制模式。 

4.5 设计深度与设计者的责任 在常规空调工程施工图设计中，一般不涉及系统的运行管理，或者至多对系统建成后的运行管理提出若干应注意的事项同就可以了，已尽到了设计者的责任。
　　但是，在蓄冷空调系统中，如果仍是只做到像常规空调系统那样的设计深度就远远不够了。因为，要实现全年的经济运行与安全运行，除了精确计算与精心设计外，设计者不但要为今后的运行管理考虑完善的控制系统和提供详细的设计说明，而且还有责任向业主提供以下技术文件：
　　①试运行、测试调整、竣工验收的建议书；
　　②各种供冷控制模式切换条件及运行时间表的建议书；
　　③实现全年能量管理与设备保养的建议书；
　　④关于运行管理人员素质要求与培养计划的建议书。
　　因此，对于建设蓄冷空调工程的业主来说，必须提高工程设计费，对所增加的设计工作量给予合理报酬，以调动设计人员的积极性，保持他们的责任感。 

5 关于设计方法的更新

　　鉴于蓄冷空调工程要实现多种经济效益与社会效益，需协调与平衡用电与供电的双方利益，对工程设计工作提出了比常规空调系统更严格的要求，设计计算工作量也是成倍地提高了，设计者在设计方法上必须尽快更新。

5.1 负荷计算方法 
　　众所周知，建筑物的负荷计算是一切空调工程设计的基本依据。 在常规空调系统中，采用2.5%不保证率的空调室外计算参数,计算空调设计日的24h负荷分布图已是足够的了〔2〕。
　　然而，对于蓄冷空调系统，我们应将方案比较阶段与初步设计阶段、施工图设计阶段的负荷计算目的、要求、方法区分开来。 在方案比较阶段，需要空调设计者回答以下几个问题：
　　①在转移尖峰用电时段空调用电负荷30%~60%条件下，可选用的几种蓄冷方案中，制冷机组与蓄冷装置的搭配比例将是臬的关系？ 
　　②几种可选用蓄冷空调方案的初投资将增加多少？在最热天将能转移多少尖峰用电时段的空调制冷用电负荷？在6~9月每月将节省多少运行电费与多少kwh电？ 
　　③根据当地供电部门的电价政策，采用蓄冷空调系统后，建筑业主在经济上能得到多少好处？
　　这三个问题的核心是要回答根据当地电价对所设计的工程采用蓄冷空调系统是否合算。由于在方案比较阶段，允许进行论证比较的时间比较短而紧，对于新建项目，其建筑结构方案又往往没有最后定案，故上述问题的回答只需是粗线条的。因此，此阶段一般只计算建筑物空调设计日24h负荷分布图就可以了。 
　　一旦在方案比较阶段肯定了采用蓄冷空调系统，并确定某种蓄冷空调方案之后，在进入初步设计与施工图设计阶段时，就需准确选定制冷机的运行参数、容量、台数，蓄冷装置的类型、型号、容量、个数及其系统方案。而系统方案、运行策略与控制模式，必须在对建筑物整个供冷季每天24h冷负荷分布图的形状、数值进行科学分类后，按照转移尖峰用电时段空调用电负荷最多、节省运行电费与电能最多的优化原则，加以确定。
　　因此，在初步设计阶段与施工图设计阶段，决不能再依靠在方案设计阶段所做的设计日24h冷负荷分布图来完成上述设计工作，必须采用空调动态负荷计算方法，按照当地逐时气象参数与建筑围护结构参数，建筑物内居住、照明与内部产热设备的工作时间表，计算出在整个供冷季节的逐时空调冷负荷。 

5.2 供冷水系统设计 对于常规空调系统，机房内只有一种冷源，供冷参数一般均为7℃／12℃，供冷水系统设计相对较为简单，一般只需根据建筑结构特点、各空调房间的使用规与空调负荷特点来合理划分系统与环路即可以了。 
　　对于蓄冷空调系统，机房内有两种冷源：蓄冷装置与制冷机，这两种冷源的供冷参数又往往不同，携带冷量的工质也随蓄冷方式不同而不同，除水之外，还有乙二醇溶液，甚至是水与冰晶混合的两相介质。其供冷温差已不是传统的5℃温差，而是8~12℃的大温差。鉴于上述这些原因，在供冷水系统设计时，设计者必须考虑以下问题：
　　①两种冷源的相互匹配、连接与运行策略； 
　　②制冷机组运行参数的可调性、调节范围与调节方法； 
　　③开式系统与闭式系统的耦合； 
　　④不同携冷工质系统分级、分区与供冷范围，及其可维护性与运行安全性； 
　　⑤空调设备、末端设备吸冷的温升特性及其与系统供冷温差的可匹配性； 
　　⑥采用大温差小流量后，系统的水力平衡与调节水量时的稳定性。
　　因此，在供冷水系统设计时再只考虑单个设备的静态特性显然是不够了。设计者必须以系统的、动态的观点来进行设计。故系统设计时应该考虑的问题要更深、更广，其计算方法也必然跟着需要彻底更新。设计者必须意识到这些问题是客观存在的，不能回避的。正确的态度只能是自觉、努力更新常规空调设计方法。

5.3 设备选择计算 
　　对于常规空调系统，无论是制冷机，还是水泵、风机、空调机，一般均是在其工作特性曲线上确定一个工作点来选取设备就可以了，相对较为简单。 对于蓄冷空调系统，就不是这样简单了。设计者必须考虑以下问题： 
　　①所选用蓄冷设备的蓄冷特性曲线与放冷特性曲线； 
　　②制冷机组的能效特性曲线； 
　　③表冷器与风机盘管的温升一流量特性曲线； 
　　④采用非水介质作携带冷量的工质时，水泵的特性曲线；
　　⑤乙二醇溶液在管路中和在换热器中的阻力特性与传热特性。 
　　上述这些设备的性能曲线，应该由设备供应厂商提供给设计单位，让设计者选用。随着计算机的日益普及，目前国外的一些设备生产厂商，已把这类设备性能曲线与选择计算程序编制成电子样本，公开散发给设计单位与建筑业主。因为对设备生产厂家来说，只要其设备的制造技术受到专利保护，就不怕公开其性能曲线。然而，遗憾的是目前一些国外设备生产厂家在国内的代理商，不愿向用户提供性能曲线，只让用户与设计单位提出设计参数，由代理商代替设计单位选择设备，这种做法在礼节上是蔑视国内设计单位，在技术上是不让设计者对同类设备进行横向比较，在经济上无疑增加了报价中的利润幅度。对此，国内设计单位与用户应保持清醒的头脑，反对与抵制这种商业行为。

5.4 控制模式的确定 
　　对于蓄冷空调工程,为了实现整个供冷季节的经济运行,需对各天空调冷负荷分布图制订出若干控制模式及其切换条件,其目的是:
　　①可让业主花最少的钱购买蓄冷设备与制冷机组,转移较多的尖峰用电负荷；
　　②在整个供冷季节内，最大程度发挥所选蓄冷设备容量转移尖峰用电时段内空调用电负荷的作用。
　　因此，设计者在设计方法上必须解决以下问题： 
　　①如何根据每天冷负荷分布图与所选蓄冷装置的蓄冷和放冷特性曲线，确定在整个夏季转移尖峰时段空调用电负荷最多，而控制模式最少的方案？
　　②如何根据既定的控制模式和水系统方案，确定较简单、最可靠的系统控制方案？ 
　　③采用怎样的冷负荷预测手段或自控系统的自学习功能，确定下一个蓄冷放冷周期的控制模式与切换参数？
　　不难看出，如果不对各种控制模式的能耗计算提供定量的简易计算方法与判别准则，设计者就无法在较短的时间内，确定经济、合理、可靠的控制模式。

6 关于设计手段的引进与开发

　　为了经济、科学地设计蓄冷空调工程，在上节中对空调负荷计算，供冷水系统设计，设备选择计算，控制模式的确定等4个方面，列举了要在设计方法上应作彻底更新的理由与基本内容。这种设计方法的更新，如不借助目前的计算机技术，是难以实现的。 
　　这里所说的设计手段指的是专用于蓄冷空调设计的计算程序，以下简称为专用软件。这种专用软件大致可分5类：
　　①专用于蓄冷空调负荷计算的软件；
　　②特定设备的选择计算软件（含性能曲线）
　　③辅助的系统设计、分析软件；
　　④蓄冷空调系统能耗与经济分析软件；
　　⑤综合前面4种功能的集成化软件。 
　　美国的一些蓄冷设备制造公司、大学、研究单位已开发了多种专用软件，蓄冷设备公司所开发的软件，一般侧重于蓄冷设备的选择计算，选购其产品时可免费提供；大学、研究单位所开发的软件，一般侧重于蓄冷空调系统的设计与分析，有的已实现了商品化。
　　鉴于我国的蓄冷空调工程建设刚处于起步阶段，在这类计算程序上目前还处于空白状态，我们在建设蓄冷空调示范示点工程同时，还应充分重视这类软件的引进与开发建议国家与有力量的企业组织国内研究力量，增加奖金投入，在消化国外软件同时，开发自己的软件。

7 结语

　　综上所述，为了建设好我国的蓄冷空调工程，使我国的蓄冷空调事业能少走弯路，健康地发展，在指导思想上应大力提倡因地制宜、实事求是的科学态度，切忌主观、片面、盲目、一哄而起。体现在设计思路上应承认对蓄冷空调工作经济性的一票否决权。与此同时，我们的工程设计者还应自觉转变设计观念，更新设计方法，引进与开发新的设计手段。