冰蓄冷空調(diào)技術(shù)探討

陳 武武漢商學(xué)院，湖北武漢 430056

冰蓄冷空調(diào)技術(shù)探討

陳 武
武漢商學(xué)院，湖北武漢 430056

本文主要介紹了冰蓄冷空調(diào)的工作原理、工作形式及與常規(guī)空調(diào)相比的優(yōu)缺點。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制方式比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)控制方式要復(fù)雜，可以提供多種蓄冰方式實現(xiàn)最大的經(jīng)濟和社會效益。選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞娇梢詽M足用戶不同的供冷需要。

冰蓄冷空調(diào)；潛熱蓄冷；顯熱蓄冷

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的不斷提高，電力的需求愈來愈大。夏季白天電力負(fù)荷較高，此時建筑物的空調(diào)系統(tǒng)也全面使用，促使電力負(fù)荷達(dá)到高峰。為了滿足這種電力需求高峰，發(fā)電站必需增加發(fā)電容量。然而夜間負(fù)荷卻急劇下降，形成電力負(fù)荷波谷，有電送不出，造成發(fā)電設(shè)備和電力的雙重浪費。尤其過了夏季，建筑物的空調(diào)系統(tǒng)多數(shù)停止使用，浪費現(xiàn)象更為嚴(yán)重。蓄冷技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)電力的移峰鎮(zhèn)谷，即制冷機在夜間電力低谷時段運行，降低蓄冷劑溫度（甚至凍結(jié)），儲存的冷量來供應(yīng)全部或部分空調(diào)負(fù)荷，以減少或不開制冷機。這樣既能保證制冷效果，又可降低電站的裝機容量。另外，用冷場合與產(chǎn)冷場合的時間、空間發(fā)生矛盾時，也可使用蓄冷劑。如對于中、短途冷藏運輸，隨車又沒有制冷設(shè)備，就可以采用在停車時蓄冷，開車時供冷的方法。

因此蓄冷空調(diào)技術(shù)不僅可以很好地轉(zhuǎn)移尖峰用電至低谷用電的時間段，也能在一定程度上改善城市峰谷供電平衡減少電站新建數(shù)量和輸配電的損失量，同時，采用蓄冷空調(diào)技術(shù)也可以起到削峰的作用，防止用電負(fù)荷高時供電壓力大。

1 冰蓄冷空調(diào)工作的原理

空調(diào)蓄冷的原理就在于其是將電網(wǎng)低谷時間段“便宜能源”儲存起來，當(dāng)處于需要用大量能量的峰值時段時，將事先儲存的冷能釋放出來，滿足峰值時期負(fù)荷的要求。目前，由于各國都在大力研究空調(diào)工程的蓄冷，蓄冷形式種類比較多。如果按貯存冷能的形式來劃分的話，則可以分為顯熱蓄冷和潛熱蓄冷。

2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點

1）合理使用能量，平衡城市的用電負(fù)荷，不浪費對發(fā)電廠的擴容投資?？照{(diào)蓄冷系統(tǒng)的運行費用由于電力部門實施峰、谷分時電價政策，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)要低，分時電價差值越大，得益越大。轉(zhuǎn)移制冷機組用電時間，起到轉(zhuǎn)移電力高峰期用電負(fù)荷的作用。有利于提高發(fā)電效率、有效利用能源排放等。從全局而言，具有重大的社會和經(jīng)濟效益。

2）與常規(guī)空調(diào)相比，空調(diào)蓄冷系統(tǒng)的制冷設(shè)備容量小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，一般可減少30%～50%，系統(tǒng)中制冷設(shè)備運行的比例增大狀態(tài)穩(wěn)定，提高了設(shè)備利用率，也降低了制冷劑的消耗量和泄漏量，對于使用氟利昂制冷劑的機組會減輕對大氣臭氧層的破壞。同時，主機的容量減少也降低了噪音，改善了工作環(huán)境等。

3）由于制冷系統(tǒng)在夜間工作，冷卻水溫度較低，因此冷凝溫度低，使制冷系統(tǒng)的效率提高。同時制冷系統(tǒng)在滿負(fù)荷條件下的運行比例增大。

4）解決了中短途冷運途中用冷場合與產(chǎn)冷場合的時間或空間矛盾。

要注意的是蓄冷系統(tǒng)并不一定節(jié)電，而是合理地使用峰、谷段的電能。

3 蓄冷常用的形式

1）冷藏用冷板：在四周封閉的夾層板中充入鹽水或醇類、烯醇類溶液作為冷凍液，并在其中添加一定量的緩蝕劑。板內(nèi)設(shè)有充冷的盤管、氟利昂、氨等制冷劑工質(zhì)可在盤管中循環(huán)。這樣就制成了所謂的“冷板”（又稱共晶冰板）。充冷時，制冷劑工作，冷板相當(dāng)于制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，冷凍液盤管中的制冷劑吸收熱量在相當(dāng)?shù)膬鼋Y(jié)點凍結(jié)成共晶冰。如此，大量冷量被以共晶冰的形式存儲起來。在制冷機停止工作時，共晶冰吸收融化，為被冷卻對象提供冷量。將裝有冷凍液的冷板安裝的隔熱的冷運工具里，就可以在運輸途中釋放很大的蓄冷量。

冷板用冷凍液通常分為高溫和低溫兩大類。高溫冷凍液（如硝酸鉀）凍結(jié)，用來運輸蔬菜水果等易腐爛貨物；而低溫冷凍液（如氯化鈉）可用來運輸肉類、冰激凌等貨物。

2）水蓄冷：從1960年代開始，發(fā)展了利用夜間廉價電力的水蓄冷及時。它是利用顯熱蓄冷的一種方式。蓄冷劑水（即冷凍水一般存儲的溫度為4℃～7℃，供水、回水溫度差為5℃～11℃，使用常規(guī)空調(diào)冷水機組制取7℃左右冷凍水就可實現(xiàn)。也有些地方可利用消防水池做蓄冷池。

3）冰蓄冷：冰蓄冷是潛熱蓄冷的一種方式，冰蓄冷每公斤蓄冷量比水蓄冷每公斤蓄冷量高16倍。在提供同樣容量冷量的條件下，蓄冰槽的容積是徐水草的1/3。法國的西亞特是最早將蓄冰球商業(yè)化的公司。它的蓄冷裝置是一個小的獨立冰球，將冰球放在充滿乙二醇溶液的蓄冰槽內(nèi)，通過乙二醇溶液的流動來進(jìn)行冰球的換熱，充冷時，夜間電力驅(qū)動制冷機組運轉(zhuǎn)，載冷劑乙二醇溶液流經(jīng)制冷機組中的蒸發(fā)器，獲得冷量后留至蓄冷裝置，使蓄冷裝置內(nèi)的冰球結(jié)成冰晶，將冷量儲存起來，冰球的結(jié)構(gòu)如圖1所示。釋放冷量時，通常制冷機組不運行，載冷劑乙二醇水溶液流經(jīng)蓄冷裝置，冰球內(nèi)的冰晶融化，將儲存的冷量帶出，送往空調(diào)用戶。蓄冰球的特點是一般使用PE材料為外殼，耐腐蝕，使用壽命可以達(dá)到20年以上；球內(nèi)使用了專業(yè)配方的添加劑，可以使冰球內(nèi)的水結(jié)冰適度快，快速形成晶核，過冷溫度低，提高了蓄冰時的效率；在使用中如果發(fā)生個別冰球破損不會影響系統(tǒng)運行；由于乙二醇溶液在冰球外循環(huán)，與傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)類似，蓄冰容量主要看蓄冰槽的大小，系統(tǒng)改造方便；在結(jié)冰和融冰的過程中，蓄冰球一直處在懸浮狀態(tài)，適用于整地面、地上、開式、閉式、鋼制、混泥土制的蓄冰槽中維護(hù)方便。

另外，使蓄冷槽中的水結(jié)成冰制冷機組必須提供-3℃～-5℃的低溫，這比常規(guī)空調(diào)用冷凍水的溫度要低10℃左右。因此。不能使用常規(guī)的空調(diào)用冷水機組制冰，需用能夠制冰的制冷機組。與利用顯熱的水蓄冷相比，雖需要提供-3℃～-5℃的低溫（蒸發(fā)溫度），但由于釋放冷時能夠獲得低溫載冷劑供空氣處理系統(tǒng)使用，空調(diào)用戶就可以采用低溫送風(fēng)。這樣不僅可以減少送風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的尺寸，而且能降低輸送的耗電減少管道尺寸和水泵電量消耗，從而節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的投資和運行費用。

4 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制方式比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)控制方式要復(fù)雜，可以提供多種蓄冰方式提供最大的經(jīng)濟和社會效益。選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞娇梢詽M足用戶不同的供冷需要。某辦公樓采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)使用面積5 600m2，夏季最大冷負(fù)荷900kW，夏季全日冷負(fù)荷6 870kW、采用水冷雙螺桿雙工況冷水機組和一套冰球蓄冰裝置：槽蓄冰量3 600kW/h，體積80m3，冰球70m3。載冷劑為乙二醇溶液。系統(tǒng)控制流程如圖2。

通過上圖可心看出，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)和乙二醇系統(tǒng)3部分組成。而一般常規(guī)調(diào)系統(tǒng)只有冷凍水和冷卻水系統(tǒng)。因此，冰蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的控制要復(fù)雜。下面簡便介紹冰蓄冷空調(diào)的幾種控制方式的系統(tǒng)流程：

1）機組制冰模式：主要在夜間電費低時運行方式。乙二醇初級泵運行，經(jīng)過機組降溫，將蓄冰槽內(nèi)的冰球降溫至球內(nèi)的水結(jié)成冰，將冷量存儲起來。

2）融冰供冷模式：夜間蓄冷完畢后白天利用蓄冰槽內(nèi)冰球的冷量給末端設(shè)備供冷。此模式下次級泵開啟，經(jīng)過板式換熱器，兩通閥、蓄冰槽、三通閥等設(shè)備完成循環(huán)過程，三通閥的3支路主要是起到調(diào)節(jié)流量而調(diào)節(jié)板換的溫度的作用，當(dāng)板換出口溫度達(dá)到設(shè)定值時，三通閥2支路開啟度增大，乙二醇循環(huán)水不經(jīng)過蓄冰槽降溫直接回到次級泵，在融冰模式下主機不用開啟只需給次級泵供電。

3）聯(lián)合供冷模式：此種模式蓄冰槽內(nèi)必須預(yù)先蓄冰。主機、蓄冰槽、初級泵、次級泵都開啟，一起給板式換熱器供冷，來降低冷凍水的溫度。

4）機組供冷模式：機組供冷模式時主機、次級泵、三通閥開啟、蓄冰槽關(guān)閉。主機直接通過板式換熱器給冷凍水側(cè)的末端設(shè)備降溫。

5 結(jié)論

任何事物都有兩面性，冰蓄冷空調(diào)同樣也有其缺點，首先是其初投資比常規(guī)空洞系統(tǒng)大，一般要大1/3以上，其次機房占地而積比常規(guī)空調(diào)大，蓄冰槽需要大量位置安置；再次，增加了設(shè)計、施上及調(diào)試難度。運行管理比較復(fù)雜，由于設(shè)備比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜，增加了后期管理維護(hù)難度，維護(hù)費用較高。

通過以上分析，盡管采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加了初投資，但是大大減少了運營期運行費用，且增加的投資額可以在一定年限內(nèi)通過運行費用的節(jié)省收回。

［1］嚴(yán)德隆，張維君.空調(diào)蓄冷應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997（5）.

［2］莊友明.冰蓄冷空調(diào)的運行模式及制冷主機容量確定［J］.流體機械，2003（2）：56-59.

［3］李先庭，張雁.冰蓄冷串聯(lián)系統(tǒng)節(jié)能力法研究［J］.制冷技術(shù)，2001（1）：26-28.

TB6

A

1674-6708（2016）168-0177-02

陳武，實驗師，武漢商學(xué)院機電工程系，研究方向為制冷與空調(diào)。