冰蓄冷

冰蓄冷就是將水製成凍的方式，利用凍的相變潛熱進行冷量的儲存。與水蓄冷相比，儲存同樣多的冷量，冰蓄冷所需的體積將比水蓄冷所需的體積小得多。

基本介紹

• 中文名：冰蓄冷
• 外文名：ice storage
• 特點：削峰填谷、平衡電力負荷
• 優勢：節省電費
• 缺點：冰蓄冷系統，其運行效率將降低
• 原理：夜間低谷負荷電力製冰儲存

基本介紹

由於工業發展和人民物質文化生活水平的提高，空調的普及率逐年增長，電力消耗增長迅速，高峰電力緊張，離峰電力又得不到充分套用。因此，如何轉移高峰電力需求，“移峰填谷”，平衡電力供應，提高電能的有效利用，就成為當前許多國家重視解決的問題。採用“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得到重視和發展。冰蓄冷空調是利用夜間低谷負荷電力製冰儲存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲存冷量釋放出來，以減少電網尖峰時段空調用電負荷及空調系統裝機容量。

蓄冷空調特點

（1）轉移制冷機組用電時間，起到轉移電力高峰期用電負荷的作用。

（2）蓄冷空調系統的製冷設備容量和裝設功率小於常規空調系統，一般可減少30%~50%。

（3）蓄冷空調系統的一次投資比常規空調系統要高。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）蓄冷空調系統的運行費用由於電力部門實行峰谷電價政策，比常規空調系統要低，分時電價差值愈大，得益愈多。

（5）蓄冷空調系統製冷設備滿負荷運行比例增大，狀態穩定，提高設備利用率。

（6）蓄冷空調不一定節電，而是合理使用峰谷段的電能。

蓄冰空調設備

冰盤管式系統

冰盤管式系統又稱冷媒盤管式和外融冰。該系統也稱直接蒸髮式蓄冷系統，其製冷系統的蒸發器直接放入蓄冷槽內，冰凍結在蒸發器盤管上。融冰過程中，冰由外向內融化，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。這種系統特別適合於短時間內要求冷量大、溫度低的場所，如一些工業加工過程及低溫送風空調系統。

內融冰式冰蓄冷

該系統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）中的塑膠管或金屬管內，使管外的水結成冰。蓄冰槽可以將90%以上的水凍結成冰。融冰時從空調負荷端流回的溫度較高的乙二醇水溶液進入蓄冰槽，流過塑膠或金屬盤管內，將管外的冰融化，乙二醇水溶液的溫度下降，再被抽回到空調負荷端使用。

動態製冰

該系統的基本組成是以製冰機作為製冷設備，以保溫的槽體作為蓄冷設備，制冷機安裝在蓄冰槽上方，在若干塊平行板內通入製冷劑作為蒸發器。循環水泵不斷將蓄冰槽中的水抽出送到蒸發器的上方噴灑而下，在平板狀蒸發器表面結成一層薄冰，待冰層達到一定厚度（一般在3~6.5mm之間）時，製冰設備中的四通換向閥切換，使壓縮機的排氣直接進入蒸發器而加熱板面，使冰脫落。也就是凍的所謂“收穫”過程。通過反覆的製冰和收冰，蓄冷槽的蓄冰率可以達到40%~50%。由於板式蒸發器需要一定的安裝空間，因此動態製冰不大適合大、中型系統。

選型

除了空調供冷外，全天的其餘時間全部用於蓄冷，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節，在方案設計中一般先初步選擇較典型的幾個值（如30%等），經設備初選型，根據當地有關的電力政策並計算初投資、運行費、並考慮其它因素最後選定較佳的比例值。

流程選擇

蓄冰空調系統的制冷機組與蓄冰裝置可以有多種組成。基本上可以分為串聯繫統和並聯繫統兩種。

串聯流程

串聯繫統有機組位於蓄冰裝置的上游和機組位於蓄冰裝置的下游兩種形式。串聯繫統的制冷機與蓄冰罐在流程中處於串聯位置，以一套循環泵維持系統內的流量與壓力，供應空調所需的基本負荷。串聯流程配置適當自控，也可實現各種工況的切換。串聯流程系統較簡單，放冷恆定，適合於較小的工程和大溫差供冷系統。

並聯流程

並聯繫統有單（板式）換熱器系統和雙（板式）換熱器系統。並聯繫統的制冷機與蓄冰罐在系統中處於並聯位置，當最大負荷時，可以聯合供冷。同時該流程可以蓄冷、蓄冷並供冷、單溶冰供冷、冷機直接供冷等。並聯流程在發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，蓄冷時更節能，運行靈活。

運行策略

所謂運行策略是指蓄冷系統以設計循環周期（如設計日或周等）的負荷及其特點為基礎，按電費結構等條件對系統以蓄冷容量、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

蓄冷系統工作模式是指系統在充冷還是供冷，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。蓄冷系統需在規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）機組製冰模式

（2）製冰同時供冷模式

（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

系統指標

蒸發溫度

蓄冷空調系統特別是冰蓄冷式空調系統在蓄冷過程中，一般會造成制冷機組的蒸發溫度的降低。理論上說蒸發溫度每降低 l℃，制冷機組的平均耗電率增加 3%。因此在配置系統，選擇蓄冷設備時應儘可能地提高制冷機組的蒸發溫度。對於冰蓄冷系統，影響制冷機組的蒸發溫度的主要因素是結冰厚度，製冰厚度越薄，蓄冷時所需制冷機組的蒸發溫度較高，耗電量較少；但是製冰厚度太薄，則蓄冰設備盤管換熱面積增加，槽體體積加大，因此一般應考慮經濟厚度來控制製冷系統的蒸發溫度。

蓄冷量

名義蓄冷量

名義蓄冷量是指由蓄冷設備生產廠商所定義的蓄冷設備的理論蓄冷量（一般比淨可用蓄冷量大）。 淨可利用蓄冷量是指在一給定的蓄冷和釋冷循環過程中，蓄冷設備在等於或小於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

淨可利用蓄冷量占名義蓄冷量的百分比例值是衡量蓄冷設備的一個重要指標，此比例值越大，則蓄冷設備的使用率越高，當然此數值受蓄冷系統很多因素的影響，如蓄冷系統的配置，設備的進出口溫度等。對於冰蓄冷系統此數值可近似為融冰率．

制/融冰率

製冰率（IPF）有兩種定義，一是指對於冰蓄冷式系統中，當完成一個蓄冷循環時，蓄冰容器內水量中冰所占的比例。另一個是指蓄冰槽內製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後，蓄冰容器內融化的冰占總結冰量的百分比。製冰率與融冰率這兩個概念是冰蓄冷式系統中評價蓄冰設備的兩個非常重要數值 融冰率與系統的配置有關，對於串聯式制冷機組下游的系統，蓄冷設備的融冰率較高；反之，則較低。而並聯繫統的融冰率界於兩者之間。

蓄冷溫度與速率

通常蓄冷系統的蓄冷溫度取決於蓄冷速率和這一時間蓄冷槽體的狀態特性，對於外融冰式系統是指內管壁的結冰量。對於蓄冷時間短的蓄冰系統，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。一般情況下蓄冷設備生產廠商都可以提供各種蓄冷速率下最低蓄冷溫度值。 對於蓄冷設備如容器式、優態鹽式，在蓄冷過程的初期會產生過冷現象，過冷現象僅發生在蓄冷設備已完成釋冷，內無一點余冰時，其結果是降低了蓄冷開始階段的換熱速率。過冷現象可以通過添加起成核作用的試劑來削減其過冷度值。據國外資料介紹，某種專利成核劑可限制過冷度在-3℃～-2℃之間。

對於蓄冰式系統，在釋冷循環過程中，若釋冷溫度保持不變，則釋冷量會逐漸減少；或當釋冷速率保持恆定時，釋冷溫度會逐漸上升。這對於完全凍結式，容器式蓄冷設備表現特別明顯，這是由於盤管外和冰球內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變化；而對於製冰滑落式，冷媒盤管式蓄冷設備，溫水與冰直接接觸融冰，釋冷溫度相對保持穩定。

實際上，蓄冷設備很少保持釋冷速率恆定不變，實際釋冷速率取決於空調負荷曲線圖，特別是最後幾個小時的空調負荷值最為重要，這決定了釋冷循最高釋冷溫度值。 因此，對於同種類型的蓄冷設備，哪一種在實際釋冷速率條件下，保持恆定釋冷溫度的時間越長，哪一種設備的性能越好。

占用空間

蓄冷設備的占用空間是業主與設計者應重點考慮的項目，特別是高樓林立的都市地區，寸士即寸金，有時為增加停車位，而放棄採用蓄冷空調系統，因此蓄冷設備的單位可利用蓄冷量所占用體積或面積是衡量蓄冷設備的一項重要指標，應優先考慮占用空間少，布置位置靈活的蓄冷設備。

熱損失

在設計蓄冷槽體時應注意：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，槽體應作防腐防水處理，同時應防止水的蒸發。對於埋地式蓄冷槽，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—5%的能量損失，其數值大小取決於槽體的面積、傳熱係數和槽體內外溫差。對於埋地式蓄冷槽設計時必須考慮其冷損失，通常換熱係數取0．58～1．9W/ M2．K。槽體材料可選用鋼結構、混凝土、玻璃鋼或塑膠。

安全性

蓄冷空調系統，主要套用於商用大樓，特別是都市人口稠密的地區，其系統首先應考慮安全性。 通常蓄冷設備的維修量很小，如內融冰式、容器式、優態鹽式等．但對於冷媒盤管式系統，由於製冷劑在蓄冷設備內直接蒸發，蒸發麵積很大，製冷劑需求量也很多，蓄冷設備的安全性與可靠性是十分重要的。而對於製冰滑落式，冰晶式蓄冷設備的機構維修問題應予以重視。

使用壽命

通常常規空調系統的使用壽命 15—25年，同樣對於蓄冷設備的使用壽命也應加以限制，一般最少應有15年以上的使用壽命，以保證設備的可靠性。 例如，對於優態鹽式系統，其使用壽命周期應在相變次數3000次以上仍保持系統原有的名義蓄冷量和淨可利用蓄冷量。

經濟性

蓄冷空調系統無論是採用部分蓄冷還是全部蓄冷，其初期投資通常均比常規空調系統高，這就要求設計者應正確掌握建築物空調負荷的時間變化特性，確定合理的蓄冷設備及其系統配置，制定系統的運轉策略，準確地作出經濟分析，以便投資者可以在短時間裡以節省電費的形式收回多出的投資．一般情況下，在一個已設計好的蓄冷系統中可以以單位可利用蓄冷量所需的費用來衡量蓄冷設備。另外，蓄冷系統的配置也影響蓄冷設備的大小。

中載冷劑選擇

1）要求載冷劑在工作溫度下處於液體狀態，不發生相變。

2）要求載冷劑的凝固溫度至少比製冷劑的蒸發溫度低4～8℃，標準蒸發溫度比製冷系統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，從而提高循環的經濟性。另外當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）熱導率要大，可增加傳熱效果，減少換熱設備的傳熱面積。

4）粘度要小，以減少流動阻力和輸送泵功率。

5）化學性能要求穩定。載冷劑在工作溫度內不分解；不與空氣中的氧化合，要求不腐蝕設備和管道。

發展狀況

在已開發國家，60%以上的建築物都已使用冰蓄冷技術。美國芝加哥一個城市區域供冷系統，600多萬平方米的建築共有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，每日製冰4700噸。從美、日、韓等國家套用的情況看，冰蓄冷技術在空調負荷集中、峰谷差大、建築物相對聚集的地區或區域都可推廣使用。目前我國每年新建建築面積約20億平方米，其中，城市新增住宅建築和公共建築約8億～9億平方米，為冰蓄冷技術的推廣套用提供了巨大市場。我國每年公共建築新增面積約3億平方米，如30%的新建公共建築採用冰蓄冷空調系統，全國每年可節約15億千瓦時所對應的電價差值，所節約金額高達約10億元。