水蓄冷系统在大型综合体项目中的应用策略

引言

随着城市化进程不断加速，大型商业办公综合体已然成为城市建筑的关键形态，此类建筑大多时候将商业、办公、酒店等多种功能融合在一起，空调系统能耗所占比例一般达到 40% 以上，冷源系统的能效水平对建筑整体节能成效有着直接的影响，传统冷源系统在低负荷运行的时候容易出现冷机效率降低、能耗急剧增加等状况，而水蓄冷技术借助蓄冷罐的缓冲调节作用，可达成冷机与用户侧的解耦控制，有效提高系统运行效率。

珠海某大型综合体项目总建筑面积大约是 19.8Fm² ，包含商业、办公等多种业态，其冷源系统面临着负荷波动大、能效要求高的难题，本文依据该项目的实践情况，从技术原理、策略设计、效益评估，系统地阐述水蓄冷技术在大型综合体中的应用模式，为同类项目提供借鉴。

一、水蓄冷系统的技术原理与特点

（一）系统组成与工作原理

水蓄冷系统核心在于通过蓄冷罐（贮能器）平衡冷机侧与用户侧的供需差异。在本项目中，该系统基于二级泵变流量架构，将常规一级泵侧与二级泵侧的平衡管优化为160m³的水蓄冷罐（直径 3.5m ），形成 “冷机 - 蓄冷罐 - 用户” 的三级供冷链路（如图1 所示）。

具体工作机制为：

冷机侧：4 台 1600RT 高压定频离心机向蓄冷罐供冷，维持罐内水温在 10-16℃区间。

用户侧：二级泵组从蓄冷罐取冷，按商业、办公等区域分设变流量泵组，匹配末端水阻力差异（ 3-7mH₂O ）。

解耦控制：冷机与用户侧通过蓄冷罐水温独立控制 —— 当用户侧负荷增加时，蓄冷罐释冷，冷机根据罐内水温自动启停，实现 “产冷” 与 “输冷” 的动态平衡。

（二）技术优势与节能机制

高效区间运行保障：蓄冷罐可使冷机负载率稳定在 70%-90% 的高效区间，较常规二级泵系统节能率超 20% 。当负荷率低于 70% 时，系统自动切换至 “蓄冷罐单独供冷” 模式，避免冷机在低效率区间运行。

能耗协同降低：冷机运行时间减少直接带动其他相关设备能耗下降。项目数据显示，冷却部分（冷却水泵、冷却塔）能耗可降低 40% 以上，同时冷量输配环节通过二级泵变流量控制，节能率达 30% 。

控制逻辑简化：区别于传统系统复杂的负荷匹配算法，水蓄冷系统通过 “水温 - 负荷”反馈控制实现两侧解耦，调试难度降低，运维技术要求更易满足。

（三）国内外应用现状

该技术在德国商业办公项目中应用普遍，典型案例如斯图加特大学办公楼、VolksbankBoeblingen 银行等，其冷冻水系统均采用 5000L 蓄冷罐，实现冷机高效运行。国内近年在珠海中安广场（商业、办公、公寓综合体，16 万㎡）、珠海妇儿医院（3 万㎡医院）等项目中推广应用，其中中安广场设 2 台 1100RT +2 台 900RT 定频离心机，搭配水蓄冷系统后，冷站年耗电量较同规模项目降低 7% ，EER 达 5.0 以上。

二、大型综合体项目中水蓄冷系统的应用策略

（一）基于负荷特性的系统方案设计

1.负荷分析与系统匹配

本项目通过详细测算各业态负荷特性，为系统设计提供数据支撑：

办公区域：9#、10a#、 10b# 地块办公面积合计 12.19 万㎡，得房率 0.75，空调负荷指标 130W/m² ，峰值冷负荷 4620kW（1313RT），运行时间为工作日 8:00-18:00，加班时段至22:00

商业区域：商业面积 7.62 万㎡，公共区负荷指标 130-170W/㎡，餐饮商铺 240-260W/㎡，峰值冷负荷 6357kW（1810RT），运行时间为 10:00-22:00，节假日延长至 23:00

全年负荷特性：8760 小时连续供冷，其中 12-3 月低负荷（ 10%-50% ）运行时间占比约35% ，4-11 月以 50%-80% 负荷为主，最大同时负荷系数 0.92，商业与办公负荷错峰明显。针对 “峰谷差大、错峰显著” 的负荷特性，最终采用 “水蓄冷 +. 二级泵变流量”系统：

一级泵定流量运行（5 台 810CMH 双吸泵），保障冷机侧稳定供冷。

二级泵按区域分设 13 台变流量泵组（商业用 610CMH 泵、办公用 220-305CMH 泵），匹配末端阻力差异，降低输配能耗。

2.方案比选与决策依据

对比传统一级泵变流量系统（方案一）与水蓄冷方案（方案二）的技术经济指标：

决策关键点包括：

能效优先：方案二 EER 提升 5% ，年节省电量约 46 万 kwh ，对应电费 35 万元（电价 0.75 元 /kWh）。

负荷适应性：方案二在低负荷时可启用蓄冷罐单独供冷，冷机启停次数减少 30% ，设备寿命延长。

管理适配性：方案二控制逻辑简单，无需复杂的变频冷机调试，更易实现项目 “高效机房” 目标。

（二）关键设备选型策略

1.制冷机组选型

机型选择：采用 4 台 1600RT 高压定频离心机（美的品牌，一级能效），其全工况 COP曲线显示：冷却水温 28℃时， 70%-90% 负载率下 COP 达 5.0-5.5，匹配项目 60% 运行时间冷却水温 ⩽28⩽C 的工况。

能效优化：定频机较变频机初投资降低 20% ，且在项目主流负荷区间（ 50%-80% ）效率优势明显，避免变频机在高负荷时的能耗损失。

项目总体效果图

2. 蓄冷罐与辅助设备

蓄冷罐设计： 160m³ 容量按最大小时冷负荷的 15% 配置，直径 3.5m ，高度 12m ，采用立式结构减少机房占地面积，罐内设置导流装置防止冷热水混合。

水泵选型：冷冻水泵效率 gtrsim80% ，商业区域二级泵扬程 26mH₂O ，办公区域 22-29mH₂O ，均采用变频控制；冷却水泵 5 台 1200CMH，扬程 27.5mH₂O ，匹配冷却塔进 / 出水温 36°C /31℃工况。

冷却塔配置：8 台 710CMH 超低噪音横流塔，逼近度 3‰ ，CTI 认证，湿球温度 28% 时冷却效率提升 12% 。

（三）智能控制与运行策略

1.群控系统架构

采用 “三级联动” 控制逻辑：

一级控制：蓄冷罐水温 10℃时启动冷机，16℃时停机，维持罐内蓄冷量。

二级控制：用户侧回水温度超 16℃时，二级泵变频提速，增加取冷量。

三级控制：冷机负载率超 90% 时，联动启动备用冷机，确保供冷稳定性。

2.负荷预测与优化调度

基于历史数据建立负荷预测模型：

分时蓄冷策略：办公低谷时段（18:00-22:00）蓄冷罐蓄冷量提升至 80% ，为商业晚间高峰（20:00-22:00）储备冷量。

季节转换控制：春秋季（负荷率 ⩽50% ）优先启用蓄冷罐供冷，冷机每日运行时间控制在 10 小时内，较夏季减少 40% 运行时长。

故障容错机制：单台冷机故障时，蓄冷罐可维持全负荷供冷 2 小时，为设备检修提供缓冲时间。

三、珠海某大型综合体项目应用案例分析

（一）项目概况与系统配置

项目位于广东省珠海市，属于夏热冬暖地区，全年均有冷负荷需求，且持续高峰负荷出现的时间较长。从图 2 总体效果图可以看出，本项目由于商业占比高，横向跨度大，这些特征为本项目采用水蓄冷技术创造了有利的条件。

本项目包含 9#、10a#、10b# 三个地块，总建筑面积 19.8 万㎡，其中商业 7.62 万㎡、办公 12.19 万㎡。从 HAP 全年能耗模拟软件及月典型日空调负荷特性（如图3 所示）可以得出，三个地块冷站总制冷量约6480RT，供冷月份为 1\~12 月，其中 12、1、2、3 月份，冷负荷在 10%～50% 负荷区间，运行小时数较多，在 4\~11 月份冷负荷在 50%～80% 负荷区间，运行小时数较多。

冷源系统具体配置如下：

冷机：4 台 1600RT 高压定频离心机，一级能效，COP 较节能标准提高 6% （设计工况），该机组全工况负荷曲线如图4 所示。

蓄冷罐： 160m³ ，立式，碳钢防腐材质。

水泵：一级泵 5 台 ⟨810CMH/13mH₂O ），二级泵 13 台 :220-610CMH/22-29mH₂O) 冷却塔：8 台 710CMH，变频风机，湿球温度 28℃时冷却能力达 95‰

根据以上主机配置及负荷模拟，本项目采用水蓄冷+二级泵变流量系统全年EER 可做到5.21（如图 5 能耗模拟图所示）。

（二）实施效果与数据验证

1.能效指标分析

根据项目运行数据，方案二冷站年综合性能如下：

全年供冷量：48,369,512kWh。

总耗电量：9,290,113kWh，其中冷机 7,273,406kWh、水泵 253,969+455,977kWh 、冷却塔 331,928kWh。

年 EER：5.21，较方案一（4.96）提升 5% ，单位建筑面积年耗电量 47kWh/m² ，优于国内同类项目（81kWh/㎡）。

2.负荷调节能力

夏季高峰（7 月）：冷负荷 6,329,888kWh，冷机负载率 85% ，蓄冷罐释冷量占比 20% ，供冷温度稳定在 12C±0.5C 。

春秋季（4 月）：冷负荷 4,914,636kWh，蓄冷罐供冷时间占比 65% ，冷机每日运行 12 小时，较夏季减少 30% 能耗。

冬季（1 月）：冷负荷 123,762kWh，全由蓄冷罐供冷，冷机停机，实现 “零能耗” 供冷。

3.经济性评估

初投资构成：设备及安装 2320 万元（含 120 万元蓄冷罐），机房土建 360 万元，合计2680 万元，较方案一增加 210 万元。

运行费用：年电费 697 万元（电价 0.75 元 /kWh ），维护费 40 万元，合计 737 万元，较方案一每年节省 40 万元。

回收期计算：210 万元 ÷40 万元 / 年 =5.25 年，符合项目投资回报要求。

（三）关键成功因素

负荷精准计算：通过逐时负荷分析，确定最大同时负荷系数 0.92，避免冷机容量冗余，较常规设计减少 10% 设备投资。

设备协同优化：定频冷机与蓄冷罐匹配设计，在 70%-90% 负载率区间实现 COP 最大化，同时二级泵根据末端阻力差异（ 3-7mH₂O ）分设，输配能耗降低 25% 。

全过程能效管控：从方案设计（负荷计算）、设备采购（一级能效）、施工调试（群控参数优化）到运行维护（定期能效诊断），形成闭环管理，确保 EER 达标。

四、效益分析与应用展望

（一）综合效益评估

经济效益：按 20 年使用周期计算，方案二较方案一可节省运行费用 800 万元，扣除初投资增量 210 万元，净收益 590 万元；若考虑电价上涨因素（年均涨幅 3% ），实际回收期可缩短至 4.8 年。

环境效益：年减少碳排放约 2,000 吨（按 0.42kgCO₂/kWh 计算），相当于种植 11 万棵树，助力建筑实现“碳减排”愿景。

社会效益：系统供冷稳定性提升，用户侧投诉率较传统系统降低 60% ，同时为项目申报绿色建筑三星认证提供核心技术支撑。

（二）推广应用建议

适用场景筛选：

推荐应用于建筑面积 ⩾10 万㎡、业态 ⩾3 种的综合体项目，尤其适合商业与办公负荷错峰明显的场景。

优先选择年供冷时间 ⩾4,000 小时、电价峰谷差 ⩾0.5 元 /kWh 的地区，以放大蓄冷节能效益。

本项目后续进一步的节能减排技术优化方向：

多能互补：结合光伏系统，利用日间低谷电蓄冷，实现 “自发自用 + 蓄冷调峰” 的综合能源管理。

数字化升级：引入 AI 算法优化群控策略，基于天气预报提前 72 小时调整蓄冷量，提升预测准确率至 90% 以上。

蓄冷罐创新：采用分层蓄冷技术，提升蓄冷效率 15% ，同时减小罐体体积 20% ，适应紧凑机房需求。

标准化建设：

建立《大型综合体水蓄冷系统设计规范》，明确蓄冷罐容量计算公式（ V=Q×t×k ，其中Q 为设计冷负荷，t 为蓄冷时间，k 为安全系数）。

制定《水蓄冷系统调试导则》，规范水温控制阈值（建议充冷温度 10^∘C ，释冷温度 16% ）、冷机启停逻辑等关键参数。

结论：

水蓄冷系统借助“蓄冷罐解耦控制”这一技术创新举措，切实解决了大型综合体冷源系统中负荷波动与能效之间存在的矛盾问题，珠海某大型综合体项目的实践情况说明，科学合理的应用策略，像是包含负荷适配的系统方案、高效设备选型以及群智能控制策略等，可让冷站的能效得到较大提升，提升幅度超过 40% ，并且静态回收期可控制在大约5 年的时间，达成“节能 - 经济 - 舒适”这几个多目标之间的平衡。项目实际测量得到的数据显示，水蓄冷系统在低负荷时段，也就是 10%-50% 这个区间内，节能率可以达到 30% ，冷机在高效区间运行的时间占比超过 85% ，为同类型的项目提供了有可量化特点的技术参考，在未来，随着“双碳”目标的不断推进以及建筑能效标准的逐步提升，水蓄冷技术在大型综合体里的应用将会变得更加广泛。建议去探索“水蓄冷 + 热泵 + 储能”这种综合能源系统，基于全生命周期能效管理方式，以此推动建筑冷源系统朝着低碳化、智能化的方向不断发展。

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