[科普中國]-冰蓄冷

簡介

由于工業(yè)發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的提高，空調(diào)的普及率逐年增長，電力消耗增長迅速，高峰電力緊張，離峰電力又得不到充分應(yīng)用。因此，如何轉(zhuǎn)移高峰電力需求，“移峰填谷”，平衡電力供應(yīng)，提高電能的有效利用，就成為當(dāng)前許多國家重視解決的問題。采用“分時電價”政策以及某些鼓勵性政策進一步推動了使用離峰電力的積極性。這就使離峰蓄冷技術(shù)得到重視和發(fā)展。1冰蓄冷空調(diào)是利用夜間低谷負荷電力制冰儲存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲存冷量釋放出來，以減少電網(wǎng)高峰時段空調(diào)用電負荷及空調(diào)系統(tǒng)裝機容量。

蓄冷空調(diào)的特點（1）轉(zhuǎn)移制冷機組用電時間，起到轉(zhuǎn)移電力高峰期用電負荷的作用。

（2）蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷設(shè)備容量和裝設(shè)功率小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，一般可減少30%~50%。

（3）蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的一次投資比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)要高。如果計入供電增容費及用電集資費等，有可能投資相對或增加不多。

（4）蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運行費用由于電力部門實行峰谷電價政策，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)要低，分時電價差值愈大，得益愈多。

（5）蓄冷空調(diào)系統(tǒng)制冷設(shè)備滿負荷運行比例增大，狀態(tài)穩(wěn)定，提高設(shè)備利用率。

（6）蓄冷空調(diào)不一定節(jié)電，而是合理使用峰谷段的電能。1

蓄冰空調(diào)設(shè)備冰盤管式系統(tǒng)冰盤管式系統(tǒng)又稱冷媒盤管式和外融冰。該系統(tǒng)也稱直接蒸發(fā)式蓄冷系統(tǒng)，其制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器直接放入蓄冷槽內(nèi)，冰凍結(jié)在蒸發(fā)器盤管上。融冰過程中，冰由外向內(nèi)融化，溫度較高的冷凍水回水與冰直接接觸，可以在較短的時間內(nèi)制出大量的低溫冷凍水，出水溫度與要求的融冰時間長短有關(guān)。這種系統(tǒng)特別適合于短時間內(nèi)要求冷量大、溫度低的場所，如一些工業(yè)加工過程及低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。2

內(nèi)融冰式冰蓄冷該系統(tǒng)是將冷水機組制出的低溫乙二醇水溶液（二次冷媒）送入蓄冰槽（桶）中的塑料管或金屬管內(nèi)，使管外的水結(jié)成冰。蓄冰槽可以將90%以上的水凍結(jié)成冰。融冰時從空調(diào)負荷端流回的溫度較高的乙二醇水溶液進入蓄冰槽，流過塑料或金屬盤管內(nèi)，將管外的冰融化，乙二醇水溶液的溫度下降，再被抽回到空調(diào)負荷端使用。2

動態(tài)制冰該系統(tǒng)的基本組成是以制冰機作為制冷設(shè)備，以保溫的槽體作為蓄冷設(shè)備，制冷機安裝在蓄冰槽上方，在若干塊平行板內(nèi)通入制冷劑作為蒸發(fā)器。循環(huán)水泵不斷將蓄冰槽中的水抽出送到蒸發(fā)器的上方噴灑而下，在平板狀蒸發(fā)器表面結(jié)成一層薄冰，待冰層達到一定厚度（一般在3~6.5mm之間）時，制冰設(shè)備中的四通換向閥切換，使壓縮機的排氣直接進入蒸發(fā)器而加熱板面，使冰脫落。也就是冰的所謂“收獲”過程。通過反復(fù)的制冰和收冰，蓄冷槽的蓄冰率可以達到40%~50%。由于板式蒸發(fā)器需要一定的安裝空間，因此動態(tài)制冰不大適合大、中型系統(tǒng)。2

選型除了空調(diào)供冷外，全天的其余時間全部用于蓄冷，這樣可使主機的容量減少至最小值。

蓄冷比例的確定是非常重要的一個環(huán)節(jié)，在方案設(shè)計中一般先初步選擇較典型的幾個值（如30%等），經(jīng)設(shè)備初選型，根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)的電力政策并計算初投資、運行費、并考慮其它因素最后選定較佳的比例值。

流程選擇蓄冰空調(diào)系統(tǒng)的制冷機組與蓄冰裝置可以有多種組成?；旧峡梢苑譃榇?lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)兩種。2

串聯(lián)流程串聯(lián)系統(tǒng)有機組位于蓄冰裝置的上游和機組位于蓄冰裝置的下游兩種形式。2串聯(lián)系統(tǒng)的制冷機與蓄冰罐在流程中處于串聯(lián)位置，以一套循環(huán)泵維持系統(tǒng)內(nèi)的流量與壓力，供應(yīng)空調(diào)所需的基本負荷。串聯(lián)流程配置適當(dāng)自控，也可實現(xiàn)各種工況的切換。串聯(lián)流程系統(tǒng)較簡單，放冷恒定，適合于較小的工程和大溫差供冷系統(tǒng)。

并聯(lián)流程并聯(lián)系統(tǒng)有單（板式）換熱器系統(tǒng)和雙（板式）換熱器系統(tǒng)。2并聯(lián)系統(tǒng)的制冷機與蓄冰罐在系統(tǒng)中處于并聯(lián)位置，當(dāng)最大負荷時，可以聯(lián)合供冷。同時該流程可以蓄冷、蓄冷并供冷、單溶冰供冷、冷機直接供冷等。并聯(lián)流程在發(fā)揮制冷機與蓄冰罐的放冷能力方面均衡性較好，夜間蓄冷時只需開啟功率較小的初級泵運行，蓄冷時更節(jié)能，運行靈活。

運行策略所謂運行策略是指蓄冷系統(tǒng)以設(shè)計循環(huán)周期（如設(shè)計日或周等）的負荷及其特點為基礎(chǔ)，按電費結(jié)構(gòu)等條件對系統(tǒng)以蓄冷容量、釋冷供冷或以釋冷連同制冷機組共同供冷作出最優(yōu)的運行安排考慮。一般可歸納為全部蓄冷策略和部分蓄冷策略。

工作模式蓄冷系統(tǒng)工作模式是指系統(tǒng)在充冷還是供冷，供冷時蓄冷裝置及制冷機組是各自單獨工作還是共同工作。蓄冷系統(tǒng)需在規(guī)定的幾種方式下運行，以滿足供冷負荷的要求常用的工作模式有如下幾種：

（1）機組制冰模式

（2）制冰同時供冷模式

（3）單制冷機供冷模式

（4）單融冰供冷模式

（5）制冷機與融冰同時供冷

系統(tǒng)指標(biāo)蒸發(fā)溫度蓄冷空調(diào)系統(tǒng)特別是冰蓄冷式空調(diào)系統(tǒng)在蓄冷過程中，一般會造成制冷機組的蒸發(fā)溫度的降低。理論上說蒸發(fā)溫度每降低 l℃，制冷機組的平均耗電率增加 3%。因此在配置系統(tǒng)，選擇蓄冷設(shè)備時應(yīng)盡可能地提高制冷機組的蒸發(fā)溫度。對于冰蓄冷系統(tǒng)，影響制冷機組的蒸發(fā)溫度的主要因素是結(jié)冰厚度，制冰厚度越薄，蓄冷時所需制冷機組的蒸發(fā)溫度較高，耗電量較少；但是制冰厚度太薄，則蓄冰設(shè)備盤管換熱面積增加，槽體體積加大，因此一般應(yīng)考慮經(jīng)濟厚度來控制制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度。

蓄冷量名義蓄冷量

名義蓄冷量是指由蓄冷設(shè)備生產(chǎn)廠商所定義的蓄冷設(shè)備的理論蓄冷量（一般比凈可用蓄冷量大）。 凈可利用蓄冷量是指在一給定的蓄冷和釋冷循環(huán)過程中，蓄冷設(shè)備在等于或小于可用供冷溫度時所能提供的最大實際蓄冷量。

可利用蓄冷量

凈可利用蓄冷量占名義蓄冷量的百分比例值是衡量蓄冷設(shè)備的一個重要指標(biāo)，此比例值越大，則蓄冷設(shè)備的使用率越高，當(dāng)然此數(shù)值受蓄冷系統(tǒng)很多因素的影響，如蓄冷系統(tǒng)的配置，設(shè)備的進出口溫度等。對于冰蓄冷系統(tǒng)此數(shù)值可近似為融冰率．

制/融冰率制冰率（IPF）有兩種定義，一是指對于冰蓄冷式系統(tǒng)中，當(dāng)完成一個蓄冷循環(huán)時，蓄冰容器內(nèi)水量中冰所占的比例。另一個是指蓄冰槽內(nèi)制冰容積與蓄冰槽容積之比。而融冰率是指在完成一個融冰釋冷循環(huán)后，蓄冰容器內(nèi)融化的冰占總結(jié)冰量的百分比。制冰率與融冰率這兩個概念是冰蓄冷式系統(tǒng)中評價蓄冰設(shè)備的兩個非常重要數(shù)值 融冰率與系統(tǒng)的配置有關(guān)，對于串聯(lián)式制冷機組下游的系統(tǒng)，蓄冷設(shè)備的融冰率較高；反之，則較低。而并聯(lián)系統(tǒng)的融冰率界于兩者之間。

蓄冷溫度與速率通常蓄冷系統(tǒng)的蓄冷溫度取決于蓄冷速率和這一時間蓄冷槽體的狀態(tài)特性，對于外融冰式系統(tǒng)是指內(nèi)管壁的結(jié)冰量。對于蓄冷時間短的蓄冰系統(tǒng)，一般需要較高的蓄冷速率，即指較低的（平均）蓄冷溫度蓄冷；反之，蓄冷速率慢，蓄冷溫度較高。一般情況下蓄冷設(shè)備生產(chǎn)廠商都可以提供各種蓄冷速率下最低蓄冷溫度值。 對于蓄冷設(shè)備如容器式、優(yōu)態(tài)鹽式，在蓄冷過程的初期會產(chǎn)生過冷現(xiàn)象，過冷現(xiàn)象僅發(fā)生在蓄冷設(shè)備已完成釋冷，內(nèi)無一點余冰時，其結(jié)果是降低了蓄冷開始階段的換熱速率。過冷現(xiàn)象可以通過添加起成核作用的試劑來削減其過冷度值。據(jù)國外資料介紹，某種專利成核劑可限制過冷度在-3℃～-2℃之間。

對于蓄冰式系統(tǒng)，在釋冷循環(huán)過程中，若釋冷溫度保持不變，則釋冷量會逐漸減少；或當(dāng)釋冷速率保持恒定時，釋冷溫度會逐漸上升。這對于完全凍結(jié)式，容器式蓄冷設(shè)備表現(xiàn)特別明顯，這是由于盤管外和冰球內(nèi)的冰在大部分是隔著一層水進行熱交換融冰，同時換熱面積是在動態(tài)變化；而對于制冰滑落式，冷媒盤管式蓄冷設(shè)備，溫水與冰直接接觸融冰，釋冷溫度相對保持穩(wěn)定。

實際上，蓄冷設(shè)備很少保持釋冷速率恒定不變，實際釋冷速率取決于空調(diào)負荷曲線圖，特別是最后幾個小時的空調(diào)負荷值最為重要，這決定了釋冷循最高釋冷溫度值。 因此，對于同種類型的蓄冷設(shè)備，哪一種在實際釋冷速率條件下，保持恒定釋冷溫度的時間越長，哪一種設(shè)備的性能越好。

占用空間蓄冷設(shè)備的占用空間是業(yè)主與設(shè)計者應(yīng)重點考慮的項目，特別是高樓林立的都市地區(qū)，寸士即寸金，有時為增加停車位，而放棄采用蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，因此蓄冷設(shè)備的單位可利用蓄冷量所占用體積或面積是衡量蓄冷設(shè)備的一項重要指標(biāo)，應(yīng)優(yōu)先考慮占用空間少，布置位置靈活的蓄冷設(shè)備。

熱損失在設(shè)計蓄冷槽體時應(yīng)注意：槽體必須有足夠的強度克服水，冰水混合物或其它冷媒體的靜壓，槽體應(yīng)作防腐防水處理，同時應(yīng)防止水的蒸發(fā)。對于埋地式蓄冷槽，槽體還須承受泥土和地表水對槽體四周的壓力。 蓄冷槽體一般每天有l(wèi)—5%的能量損失，其數(shù)值大小取決于槽體的面積、傳熱系數(shù)和槽體內(nèi)外溫差。對于埋地式蓄冷槽設(shè)計時必須考慮其冷損失，通常換熱系數(shù)取0．58～1．9W/ M2．K。槽體材料可選用鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、玻璃鋼或塑料。

安全性蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于商用大樓，特別是都市人口稠密的地區(qū)，其系統(tǒng)首先應(yīng)考慮安全性。 通常蓄冷設(shè)備的維修量很小，如內(nèi)融冰式、容器式、優(yōu)態(tài)鹽式等．但對于冷媒盤管式系統(tǒng)，由于制冷劑在蓄冷設(shè)備內(nèi)直接蒸發(fā)，蒸發(fā)面積很大，制冷劑需求量也很多，蓄冷設(shè)備的安全性與可靠性是十分重要的。而對于制冰滑落式，冰晶式蓄冷設(shè)備的機構(gòu)維修問題應(yīng)予以重視。

使用壽命通常常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的使用壽命 15—25年，同樣對于蓄冷設(shè)備的使用壽命也應(yīng)加以限制，一般最少應(yīng)有15年以上的使用壽命，以保證設(shè)備的可靠性。 例如，對于優(yōu)態(tài)鹽式系統(tǒng)，其使用壽命周期應(yīng)在相變次數(shù)3000次以上仍保持系統(tǒng)原有的名義蓄冷量和凈可利用蓄冷量。

經(jīng)濟性蓄冷空調(diào)系統(tǒng)無論是采用部分蓄冷還是全部蓄冷，其初期投資通常均比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高，這就要求設(shè)計者應(yīng)正確掌握建筑物空調(diào)負荷的時間變化特性，確定合理的蓄冷設(shè)備及其系統(tǒng)配置，制定系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)策略，準確地作出經(jīng)濟分析，以便投資者可以在短時間里以節(jié)省電費的形式收回多出的投資．一般情況下，在一個已設(shè)計好的蓄冷系統(tǒng)中可以以單位可利用蓄冷量所需的費用來衡量蓄冷設(shè)備。另外，蓄冷系統(tǒng)的配置也影響蓄冷設(shè)備的大小。

冰蓄冷中載冷劑的選擇1）要求載冷劑在工作溫度下處于液體狀態(tài)，不發(fā)生相變。

2）要求載冷劑的凝固溫度至少比制冷劑的蒸發(fā)溫度低4～8℃，標(biāo)準蒸發(fā)溫度比制冷系統(tǒng)所能達到的最高溫度高。比熱要大，在傳遞一定熱量時，可使載冷劑的循環(huán)量小，使輸送載冷劑的泵耗功減少，管道的耗材量減少，從而提高循環(huán)的經(jīng)濟性。另外當(dāng)一定量的流體運載一定量的熱量時，比熱大能使傳熱溫差減小。

3）熱導(dǎo)率要大，可增加傳熱效果，減少換熱設(shè)備的傳熱面積。

4）粘度要小，以減少流動阻力和輸送泵功率。

5）化學(xué)性能要求穩(wěn)定。載冷劑在工作溫度內(nèi)不分解；不與空氣中的氧化合，要求不腐蝕設(shè)備和管道。

發(fā)展?fàn)顩r在發(fā)達國家，60%以上的建筑物都已使用冰蓄冷技術(shù)。美國芝加哥一個城市區(qū)域供冷系統(tǒng)，600多萬平方米的建筑共有4個冷站，城市集中供冷。其中芝加哥城市供冷三號冷站蓄冰量是12.5萬冷噸時，電力負荷438兆瓦，每日制冰4700噸。從美、日、韓等國家應(yīng)用的情況看，冰蓄冷技術(shù)在空調(diào)負荷集中、峰谷差大、建筑物相對聚集的地區(qū)或區(qū)域都可推廣使用。目前我國每年新建建筑面積約20億平方米，其中，城市新增住宅建筑和公共建筑約8億～9億平方米，為冰蓄冷技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了巨大市場。我國每年公共建筑新增面積約3億平方米，如30%的新建公共建筑采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，全國每年可節(jié)約15億千瓦時所對應(yīng)的電價差值，所節(jié)約金額高達約10億元。