空调系统中冰蓄冷技术的应用

空调系统中冰蓄冷技术的应用

刘文军

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摘要：随着现代化程度和人民生活水平的不断提高，空调用户不断地增加，由于夏季空调用电带来的用电负荷峰谷不平衡性的问题越来越严重。蓄冷空调由于其改善峰谷的作用越来越受到国内外的关注，本文介绍了冰蓄冷技术的运行特点及应用。

关键词：冰蓄冷技术；空调系统；应用

引言

冰蓄冷技术是基于“冷热能跨时空利用”的理念，即在冬季自然条件下形成的冰或在低温环境下形成的冰，在夏季作为空调系统的冷源储存起来。它是一种充分发挥自然资源作用的技术，具有气候时域特征。因此在空调系统中，冰蓄冷技术的有效集成对节约能耗具有重要意义。

1 冰蓄冷技术的核心

冰蓄冷技术的核心包括冰蓄冷空调技术和冰蓄冷装置技术，冰蓄冷空调是指在电网夜间低峰时段通过制冷主机实现-5℃的制冷量，冷却能力通过低冰点液体（如乙二醇）传输至冰蓄冷装置。冰存储装置中的水被冻结，冷却能力被存储。当电网白天处于高峰或空调制冷量不足时，冰蓄冷装置中的制冷量被释放，用于满足空调高峰负荷和生产过程制冷的需求。这样一来，制冰系统的大部分用电发生在夜间用电的低高峰时段，而在白天用电的高峰时段，只需辅助设备运行即可实现电力负荷的“移峰填谷”。冰蓄冷空调用于参与电力调峰和电网平衡，充分利用谷期电能，并将部分峰期电能转移到谷期，以缓解国家电网的高峰负荷，提高能效，保护环境。在中国，关于这项技术有很多争议。根据冰蓄冷空调的工作原理，许多人认为冰蓄冷技术并不节能。虽然冰箱在夜间耗电，但单位制冷量所用电量是确定的；此外，人们认为使用低电量和享受低电价只会节约用电成本。在这份声明中，专业人士估计，如果商业建筑的冰蓄冷空调系统全面开放和使用，将为国家节省约38.4亿元电力、319万吨煤炭、867万吨二氧化碳和11.2万吨二氧化硫。同时，冰蓄冷技术的实施也可以看作是减少了217万辆汽车的尾气排放，相当于种植了474万亩树木。面对这些数据，我们不得不承认冰蓄冷技术具有巨大的节能潜力。事实上，从冰蓄冷机组的能效也可以看出，冰蓄冷技术具有巨大的节能潜力。首先，制冰过程中，冰蓄冷以恒频满负荷运行，主机效率控制在70%-90%之间，而普通冷水机组白天以变频运行（白天负荷不固定），因此主机效率难以控制在70%-90%。当变频运行时，在一定负载下可以有更高的效率。虽然变频主机的高效范围比较广（变频主机的能效为45%-90%，cop=6，定频主机的能效为55%-95%，cop=6），但制冰时的出水温度为-5-7度，而普通冰箱的出水温度为-5-7度，温度为5-9度，因此冷却能力可想而知。

2 冰蓄冷技术在空调系统中的应用

随着我国经济的持续快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对生活环境尤其是室内空气质量提出了更高的要求。目前，办公楼、酒店的集中空调和住宅楼的家用空调已经相当普遍，这使得空调用电负荷占全市用电负荷的比例迅速上升。供电峰谷不足的矛盾十分突出。电网负荷率下降，出现“急用电、余电”状态，即高峰时段电力供应紧张，其他时段电力供应相对充裕。如果丰富的电力不能得到有效利用，实际上会造成能源浪费，最终导致经济损失。为此，中国有关部门对供电峰谷实行不同的电价政策，以控制高峰用电，鼓励其他时段用电，以低谷用电填补高峰用电缺口，从而达到“移峰填谷”的目的。在这一政策下，冰蓄冷空调技术应运而生。利用冰蓄冷技术削峰填谷是缓解电力建设、解决新增用电矛盾的有效途径之一。

2.1 冰蓄冷低温送风系统

低温送风空调和冰蓄冷技术的深度融合，能够节省整个空调系统的成本投入，还可降低室内的相对湿度，改变室内的空气质量，以提升人体舒适感。我国当前采用的冰蓄冷低温送风空调，主要有3种类型：一次冷源加上低温送风散流器，一次冷源、二次冷源加上诱导式风机盘管，一次冷源、二次冷源加上串联式混合箱。例如在某会议室中应用冰蓄冷低温送风系统，依据设计规范与工艺要求，室内空气的相对温度为50%，由于低温送风空调系统冷水温度在2~4℃内，只能选用低温送风大温差空调机组，通过压出式布设，风机出口与表冷器之间的间距为500mm，在距离送风机出口100mm的位置安装穿孔率大于80%的孔板，然后将表冷器排数设置成8~10排，将表冷器迎风面风速控制在1.5~2.3m/s内，通过逆向流动的方式来控制表冷器的载冷剂，表冷器水初温控制在2~5℃内，出风温度和水的进口温度之间的温度差应大于3℃；对于机组供冷时的额定工况中进口空气状态，当低温送风空调系统处在部分符合工况时，可借助调节风量的方式来控制室温，但是送风口必须设置为变风量诱导风口，或者是通过控制空调机组的水初温与水流量，以调节送风温度。此外，还需控制表冷器管内流速，保证流速大于1.2m/s，避免在超负荷下，因水流量下降，发生流速过低和空调机组供冷量，难以满足用户的需要。

2.2 区域性蓄冷空调供冷站

区域性供冷或供热系统对节能较为有利，可以节约大量初期投资和运行费用，进而减少了电力消耗及坏境污染。这种供冷站可根据区域空调负荷的大小分类自动控制系统，用户取用低温冷水进行空气调节就像取用自来水、煤气一样方便。区域供冷能充分利用各种建筑物峰值负荷不同步的特征，减少设备容量。大温差运行是该技术的主要保障因素，当把冰蓄冷、区域供冷、超低温送风空调系统结合起来时，是性价比较好的供冷形式。当地电力供应机构应通过调整电价为负荷管理侧提供高峰和低谷分时计价的价格激励机制，才能缓解季节性电力供应短缺的矛盾，同时达到少建电厂保护环境的目的。

2.3 热泵和冰蓄冷联合系统

目前，使用空气源热泵户型中央空调存在着一些亟待解决的问题。以空气为热源的热泵机组，受室外空气的影响很大，而地源热泵以土壤为热源，由于全年土壤温度波动小，随着土壤深度的增加，土壤温度变化相对稳定。冬季土壤温度比空气温度高，夏季又比空气温度低，所以地源热泵的供热供冷的COP值均高。与空气源热泵相比，地源热泵COP值平均提高30%左右，因而可以大大减少中央空调的耗电量，也为用户节省了运行费用。而冰蓄冷系统具有削峰填谷的功能，因此，为了克服冰蓄冷技术和水源热泵技术单独应用时的局限性，真正使二者有机结合起来达到削峰填谷的功效，研究开发地源热泵户型蓄冰中央空调，对节能、降低用户运行费用和电网调峰有着十分重要的意义和发展前景。

3 案例介绍

本案例位于上海市的某项工程项目，总建筑面积是43314m2，其中东区地上面积是14430m2，西区建筑面积是8794m2，主要包括1幢15层的综合办公楼（A栋）、1幢6层综合办公楼（B栋）和2层地下车库。A栋夏季设计日空调峰值负荷是1820kW，日空调总用电量是16253kWh，主要是通过蓄冰空调系统来提供冷源，考虑到蓄冰率，采用并联的方式来设计电源系统，蓄冷时间设定为22:00~6:00，总共8小时。在实际设计的过程中，采用2台相同型号的螺杆式双工况制冷机来运行，制冷工况为5.5~10.5℃，每一台制冷520RT。蓄冰使用非完全冻结式钢盘管连接，将钢盘管放在混凝土槽中，使用乙二醇溶液冰蓄系统作为空调冷源的一次侧载冷剂，借助2台版式换热器在夜间电力低谷时间段为空调冷冻水制冷提供蓄冰，蓄冰温度控制在-6~-2.6℃，采用电动调节阀来调节，然后依据分负荷方式安装冰蓄冷系统，通过串联的方式连接蓄冰主机，而工况运行策略通过融冰优先的模式提供冷冻。而B栋设计日峰值负荷是235RT，排除基载部分后，日供冷负荷是26250RTH，白天将蓄冰量6840RTH用于供冷，系统的低温冷媒是体积浓度为27%的乙二醇，并辅以乙二醇初级泵与次级泵运转，供冷的冷媒温度在3.5~8.5℃内，通过1台板式换热器换热后，提供空调冷冻水的温度为4.5℃，使用后回水温度达14.5℃。冷水机组、水泵、蓄冰装置与板式热换器安装在地下制冷机房内，每1台冷水机机组配置1台冷却塔，安装在4楼裙房屋面上，型号为CTA-375UFW与CTA-405UFW，单台循环水量达375m/h，仅供空调制冷系统冷却使用，目的是低谷电开启全部的主机制冷，高峰电时，尽可能不开启双工况制冷主机，以减少主机的启停数量，保证前一天的蓄冰量能够在次日白天的供冷中全部融完。

4 冰蓄冷空调技术发展的方向

中国有13亿人口，是世界上最大的空调需求国。因此，如何开发空调系统是重要的科学研究课题之一。（1）开发新型蓄冷介质。比如常温下不易流动、挥发的胶状材料，或者一些相变温度适宜、相变潜热较大、经久耐用的高效蓄冷材料等等。这对于蓄冷材料来说，都具有十分重要的现实意义和应用价值。（2）发展和完善蓄冷技术理论与工程设计方法。蓄冷技术的进一步发展，要求加强对现有蓄冷设备性能的试验研究，建立数值分析模型，预测蓄冷设备的性能，从而对蓄冷空调系统进行优化设计。蓄冷空调系统的设计方法与常规空调系统不同，冷负荷计算、机组确定、设备选择、系统控制皆有别于常规空调系统，今后还将通过对已有蓄冷空调系统测试和运行总结，丰富蓄冷空调设计方法。（3）开发新型蓄冷技术和建立客观经济评价体系。比如开发直接接触式冰蓄冷，气体水合物蓄冷，过冷水蓄冷技术等。再者，须建立客观公正的蓄冷空调系统经济分析和评估方法，以规范市场，促进其发展。

结束语

综上所述，在空调系统中应用冰蓄冷技术时，必须结合空调系统的实际情况，在冰蓄冷低温送风系统、区域蓄冷空调冷却站、热泵和冰蓄冷组合系统中灵活使用，从而充分发挥蓄冷技术的有效性，节约电能损耗。

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