冰蓄冷系统施工技术分析与研究

冰蓄冷系统施工技术分析与研究

张景生

同方股份有限公司 100089

摘要：

冰蓄冷系统施工技术起步较晚，在安装过程中仍然存在较多问题。本文结合北京某项目冰蓄冷系统的实施，分析总结了冰蓄冷系统在施工、设备选型以及系统调试方面的经验和不足，并提出了相应建议方案，供同类工程参考借鉴。

关键词：冰蓄冷冰槽钢盘管塑料盘管蓄冰融冰乙二醇

当前能源危机已是全球越来越尖锐的问题，节能已是我国政府倡导的基本国策。冰蓄冷作为近年来我国节能技术主推项目，已在很多建筑工程当中取得显著效果。据统计，城市空调用电负荷已占到城市高峰电力负荷的40%以上，空调负荷特性与电力负荷特性基本相同，即在用电高峰期空调负荷最大，这是造成电网峰谷负荷差逐步增大的主要原因。利用冰蓄冷技术，在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用制冷机制冷，将冷量以冰的形式贮存起来。在电力负荷较高的白天，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷的要求，如此可转移50%的高峰电力需求。这对缓解高峰电力压力，提高能源使用效率和保护环境具有重大意义。自1998年以来，我国政府鼓励空调采用冰蓄冷系统，冰蓄冷技术开始被广泛应用。但在国内，冰蓄冷系统施工经验较少，在施工技术方面、设备选型以及系统调试方面均存在许多问题和不足，文中结合某项目的实施，针对以上三方面进行经验总结。

1. 工程实例概况

某宜家项目冰蓄冷系统采用内融冰模式，双工况（制冷-制冰）主机位于蓄冰设备的上游。同时设置一台基载主机在夜间低负荷使用及作为系统备用和补充，基载主机并联运行。夜间电价低谷时制冰系统蓄冰，白天电价高峰时融冰供冷，融冰量通过改变进入冰盘管水量控制，各工况转换通过电动阀门开关切换。设置一台制冷量为450RT基载主机直接提供6℃/12℃的冷冻水。设置三台双工况冷水机组，每台主机空调工况下制冷量约为1866RT，冷冻液温5℃/10℃；每台主机蓄冰工况下的制冷量约为1197RT，冷冻液温-5.6℃/-2.38℃。冷冻液为25%乙二醇溶液。

2. 施工技术要点及注意事项

2.1管道预膜处理

冰蓄冷系统一般为闭式循环系统，由于施工技术和施工环境等原因，设备及管道内表面存在铁锈、油污、杂物和粘泥等，因此必须进行预膜处理，管道预膜技术要点有以下三个方面。

（1）管道冲洗：向系统补入清水，待系统循环水正常运行，利用水的冲力带走系统中部分杂质和泥沙。当整个水循环系统清洁后，注入低泡，中性的清洁剂和清水循环最少10h。注意在投加清洗剂时，需监测系统pH值，将系统循环水的pH值保持在4.5～5.5之间。

（2）预膜处理：第一步完成后向系统换水，待系统运行正常后，调节pH值，加入预膜剂，并实时监测系统pH值，保持pH值在5.5～7之间，常温状态下，该步骤系统需连续稳定运行48h。

（3）阻垢缓蚀剂投加：预膜结束后，加大补排水量，置换系统中的预膜液。当水中总磷小于2mg/L时，换水结束，进行阻垢缓蚀剂的投加。需要注意的是，预膜后的水溶液，严禁直接排放，需有专业厂家回收处理后排放。

2.2冰蓄冷系统施工注意事项

冰蓄冷系统在施工安装时需在管道连接方式、管道防腐处理以及冰槽内水质处理三方面重点关注。

（1）乙二醇溶液对焊渣及镀锌类管材管件有较强的腐蚀能力。对于系统主干管道，连接方式应采用氩弧焊连接，减少管道内壁焊渣。对于系统支管管道，应采用丝扣连接或法兰连接，管道材质严禁采用镀锌管道及镀锌连接件。

（2）系统在蓄冰过程中，保温层内壁、法兰盘、螺栓孔空隙处的少量空气会产生少量凝结水，继而结冰，会破坏刷在管道外的普通防锈油漆和面漆，导致管道尤其是法兰位置在运行一段时间后，管道、法兰、螺栓表面腐蚀严重，给使用和维护带来困难，建议对所有冰蓄冷系统管道喷涂环氧树脂进行处理。

（3）蓄冰槽内水质处理：除了对冷却液、冷冻液需要进行水处理外，冰槽内的冰水也需要进行化学水处理，以防止滋生细菌和藻类。建议采用定期测量、手动加药的方式进行处理。定期检测水质时，冰槽内的水质应达到表1要求。

表1水质达标要求表

同时，蓄冰槽拼装完成后，对焊缝位置进行酸洗，是保证槽内水质的和冰槽使用寿命的重要条件。图1为工程实例中冰槽水质污染后对盘管的腐蚀。

图1冰槽内蓄冰盘管腐蚀图

3. 系统设备选型重点及注意事项

冰蓄冷系统主要设备为双工况制冷机组、闭式冷却塔、水泵、冰盘管以及主要的调节阀门，设备参数的选型需结合设计情况综合考虑，并在采购前仔细复核，设备选型时注意以下几点。

（1）合理的冷机参数选型，避免蓄冰后期冷机喘振：双工况冷机选型时需结合冷机的制造标准和当地蓄冰时段综合考虑，以美国和国内的蓄冰情况为例。美国的夜间低谷时间段为10个小时，盘管容量与主机蓄冰工况制冷量之比是1:10，盘管换热面积大，单位面积结冰速度慢，不需要主机出口温度很低，一般主机蓄冰结束的温度为-5.56℃/-1.46℃。而国内的夜间低谷时间段为8个小时，盘管容量与主机蓄冰工况制冷量之比是1:8，盘管换热面积小，单位面积结冰速度快，因此需要主机出口温度较低。根据实际调试数据，如果在我国按1:8匹配盘管容量，盘管蓄冰达到100%需要的主机出入口温度为-6.5℃/-2.64℃，如冷机的极限蓄冰温度高于-6.5℃，将在蓄冰后期，冷机出现喘振现象，而一旦出现喘振，很难调整解决。

为防止双工况冷机蓄冰后期出现喘振现象，建议在设备选型阶段要求主机厂家除提供蓄冰时出口温度-5.56℃/-1.46℃选机报告外，还需提供极限蓄冰工况（出口温度-6.5℃/2.64℃）的选机报告，所选冷机蓄冰特性曲线必须满足出口温度-6.5℃/2.64℃的要求。同时蓄冰工况下，冷机入口冷却水温度应设置在31.0℃以上（如设置为31.3℃/34.3℃）。

（2）乙二醇品质的对比选择：

冰蓄冷系统的冷媒一般采用乙二醇，但市场上乙二醇种类、品质不一，优质的乙二醇溶液对系统的运行至关重要。表2为实验室中普通涤纶级乙二醇和经过抑制性的乙二醇溶液对铜、焊料、黄铜、碳钢、铸铁、铝等材料的腐蚀能力统计。

表2乙二醇溶液对其他材料的腐蚀能力统计表

试验结果证实，抑制性乙二醇对冰蓄冷系统管道的腐蚀小得多。所以，建议采用腐蚀抑制性乙二醇溶液，如选用美国陶氏化工（DOW’s）DOWTHERMSR-1®或美国霍顿公司（HOUGHTON’s）的WINTREX®，并且需要注意，抑制性乙二醇溶液必须采用去离子水兑制，不能直接采用自来水或软化勾兑。

（3）调节阀门合理选型，提高自控系统的灵敏性：由于本工程系统采用单泵系统，存在双工况冷机夜间制冰、双工况冷机单独供冷、双工况冷机+冰槽联合供冷及冰槽单独供冷四大工况。各工况间转换与温度的调节通过电动调节阀调节流量来实现，而市场上一般的电动调节阀门，口径在DN200以上时，阀体只有蝶阀，没有座阀。采用电动蝶阀，由于其KV值是非线性的，所以只能通过频繁开启来实现流量调节，进而调节温度，市面上标准配置的电动阀执行器马力偏小，调节时间较长，执行器容易过热损坏，为满足使用功能，一般需要特殊定制的执行器，但是价格非常昂贵。建议当乙二醇管道直径超过DN200时，考虑采用气动阀进行调节，气动阀的优点是：速度快，执行机构力气大，通常0.5～2秒就可以完成全角度调节；其机械结构简单，故障率低。图2为电动蝶阀；图3为座阀阀体曲线图。

（4）钢盘管与塑料盘管的优劣对比：目前市场上蓄冰盘管材质以镀锌钢盘管和塑料盘管为主，两种材质的盘管各有利弊，现将两种盘管的特点分析如下。

1）塑料盘管和钢盘管耐腐蚀性能不同；一般塑料盘管添加剂射出成型，1.22～9m/根（不同型号），管外径6.35mm，管壁0.63mm，抗高温100℃，低温-30℃，抗老化，抗腐蚀性强。一般钢盘管采用镀锌钢管制作，重量大，管道压降大。管外径26.67mm，管壁1.5mm。整体热浸镀锌，对水质要求较高，长期侵泡水中，被锈蚀的隐患较大。

2）塑料盘管和钢盘管的换热效率、换热面积不同，如图4所示左边钢盘管和右边塑料盘管的换热面积差别，图中可见右边换热面积是左边的3.5倍，管壁厚度是左边的一半：塑料盘管换热面积：1.58m²/RTH，蛇形盘管换热面积：0.4m²/RTH。换热效率塑料盘管较高。

图2蝶阀KV曲线图

图3座阀KV曲线图

图4两种材质盘管换热面积示意图

3）塑料盘管和钢盘管的结冰厚度不同：如图5所示，左边钢盘管和右边塑料盘管的结冰厚度差别，由于塑料盘管比钢盘管的导热系数低，但由于冰的导热系数更小，实验显示，结冰过程中塑料盘管的传热量与铜管基本相同（图6、图7）。因此结冰过程中管材材质对其影响不大。

图5两种材质盘管结冰厚度示意图

图6冰层厚度与材质关系曲线

图7冰层厚度、结冰率与时间曲线

综上述，塑料盘管在施工和使用，换热效率等方面均有优势，在材质选取方面，建议采用塑料盘管为优。

4. 系统调试要点及注意事项

冰蓄冷系统中“浮冰”问题的解决方案：冰蓄冷系统调试较为复杂，尤其是机房控制集成，由多个调节阀门与设备联动控制实现蓄冰—融冰功能，但是由于物理现象，冰蓄冷系统在运行当中的“浮冰”问题是非常常见的缺陷问题，同时也是影响冰蓄冷

系统正常运行的一个关键问题，图8为“浮冰”产生的主要过程示意图。

融冰过程进行到“过程4”时，由于冰的密度较水小，“月牙状”冰凌上浮，冰槽表面是“冰水混合物”，表面温度介于0℃左右。而此时冰槽中下部水温经过换热温度处于3～4℃，冰槽制冷效果已不能满足系统设定条件，系统将自动切换双工况冷机制冷，冰槽表面“浮冰”将不能全部融化，经过3～4d蓄冰-融冰过程后，会导致冰槽内多层蓄冰，影响系统正常运行。建议系统增加“除冰装置”，如增加“罗茨风机”装置解决该项问题。

图8“浮冰”产生的主要过程示意图

结语

冰蓄冷技术现已广泛应用于空调制冷工程当中，大部分施工单位均处于摸索前行阶段。本文所述的内容是北京某宜家项目冰蓄冷系统在设计、施工及调试过程中所遇到各类问题，经过参建人员的共同努力，得到了较为妥善的解决，并形成了总结，其中部分建议已被设计认可采纳。实践证明，本文所述总结是值得参考借鉴的。

参考文献：

[1] 张晓勇，章小葵，等.盘管式冰蓄冷系统施工技术.建筑施工, 2010, 32(6):565-569.

[2] 巩学梅，等.冰蓄冷技术的发展状况及工程应用.浙江工商职业技术学院学报，2014，3（2）:67-70.