8℃相變蓄冷技術(shù)

廖小亮 曾智勇 董華佳

摘要：指出了自“十二五”規(guī)劃以來，可持續(xù)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型成為我國政府工作的重中之重，合理利用能源為人類社會創(chuàng)造更加美好的現(xiàn)代生活已經(jīng)成為社會的共識。蓄冷技術(shù)能夠按需實(shí)現(xiàn)能量的存儲和釋放，從宏觀上起到“移峰填谷”平衡電網(wǎng)的作用;我國電力系統(tǒng)實(shí)行分時計(jì)價(jià)政策，從微觀上可以利用峰谷電價(jià)差為用戶節(jié)省制冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。8℃相變蓄冷技術(shù)兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)水蓄冷和冰蓄冷的優(yōu)點(diǎn)，具有蓄冷密度大、系統(tǒng)簡單的突出優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前蓄冷技術(shù)研究和應(yīng)用的前沿方向，市場前景十分廣闊。

關(guān)鍵詞：能源;蓄冷;移峰填谷;8℃相變

中圖分類號：TP392 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0125-04

1 引言

自20世紀(jì)80年代以來，我國民眾的生活質(zhì)量水平逐步提高。尤其進(jìn)入21世紀(jì)，人們對居住、辦公環(huán)境不再局限于單一的功能性要求，舒適性制冷已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈娃k公的剛需。隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，大中型建筑采用中央空調(diào)集中供冷越來越普遍。中央空調(diào)集中供冷主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)（恒溫恒濕潔凈室、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)中心、藥物生產(chǎn)車間等），商業(yè)場所（高端酒店、城市綜合體、辦公樓、購物中心和商場等）以及市政建筑（機(jī)場、學(xué)校、博物館、軌道交通車站等）。根據(jù)應(yīng)用場景和工藝需求的差異，中央空調(diào)產(chǎn)品主要劃分3大類：多聯(lián)機(jī)（VRV）、單元機(jī)以及冷水機(jī)組。暖通行業(yè)前瞻研究數(shù)據(jù)表明，2018年我國中央空調(diào)供冷行業(yè)市場規(guī)模首次突破千億元，未來幾年可能仍將保持10%左右的增速（圖1）。

中央空調(diào)集中供冷為人們提供了舒適的環(huán)境的同時，也加劇了我國電網(wǎng)峰谷負(fù)荷不平衡的矛盾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市高峰時用電負(fù)荷20%-40%是工商業(yè)建筑空調(diào)制冷消耗的，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷率低，系統(tǒng)峰谷差加大，高峰時段電力不足，低谷時段電力得不到有效利用[1]。蓄冷技術(shù)作為平衡電網(wǎng)負(fù)荷、移峰填谷的一種重要手段，受到了人們的日益重視，在我國正得到推廣使用。2017年，國家能源局發(fā)布1701號文件《關(guān)于促進(jìn)我國儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確提到支持和鼓勵中央空調(diào)蓄冷技術(shù)的發(fā)展。

2 蓄冷技術(shù)概述

蓄冷是通過制冷設(shè)備在夜間電網(wǎng)低谷時段將冷量儲存到蓄冷介質(zhì)中，在電力負(fù)荷較高的白天也就是用電高峰期，再把儲存的冷量釋放出來，以滿足用戶側(cè)冷負(fù)荷的需求。蓄冷技術(shù)日益受到政府和工程技術(shù)界的重視，不僅因?yàn)樗軌蚓徑怆娋W(wǎng)峰谷負(fù)荷不平衡的矛盾，而且可以通過蓄冷提高中央空調(diào)集中供冷系統(tǒng)的可靠性，同時降低中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。蓄冷技術(shù)具有特點(diǎn)如下。

（1）削峰填谷，減少能源浪費(fèi)，提高電網(wǎng)能源效率。

（2）分布式蓄能，減少蓄能電站建設(shè)數(shù)量和投資。

（3）降低制冷系統(tǒng)電功率配置，減少輸配電基礎(chǔ)設(shè)施投資。

（4）利用峰谷電價(jià)差，節(jié)省中央空調(diào)用制冷系統(tǒng)的運(yùn)行電費(fèi)。

目前，比較成熟的蓄冷技術(shù)主要有2種：水蓄冷和冰蓄冷。其中，水蓄冷屬于顯熱蓄冷;冰蓄冷在蓄冷過程中，蓄冷介質(zhì)發(fā)生了液一固相變，被歸納為相變潛熱蓄冷。2種蓄冷技術(shù)在工商業(yè)領(lǐng)域都有了工程應(yīng)用，但是都有各自的局限性。

水蓄冷系統(tǒng)利用常規(guī)冷水機(jī)組作為蓄冷的冷源，水管路與常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)具有良好的兼容性，是最簡單的蓄冷技術(shù)，具有初投資小，技術(shù)成熟，系統(tǒng)簡單的優(yōu)勢。但是，由于水蓄冷是顯熱蓄冷，蓄冷溫差只有5-7℃，蓄冷密度小，約為25MJ/m³，因而水蓄冷系統(tǒng)的占地面積往往很大?；谏鲜黾夹g(shù)特點(diǎn)，水蓄冷技術(shù)一般在用地相對寬裕的工業(yè)園區(qū)應(yīng)用較多。

冰蓄冷技術(shù)具有蓄冷密度大，占地面積小的突出優(yōu)勢，目前其研究和應(yīng)用占據(jù)了市場的主導(dǎo)地位。結(jié)合國外的經(jīng)驗(yàn)，冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展歷程已經(jīng)有了50多年的歷史，出現(xiàn)了冰球蓄冷、盤管蓄冷、動態(tài)冰漿蓄冷等多種形式。根據(jù)制冰工藝的區(qū)別，冰蓄冷技術(shù)又可以分為靜態(tài)制冰和動態(tài)制冰兩種。

（1）靜態(tài)制冰：即冰在冷卻管外或封閉容器內(nèi)凝結(jié)，冰本身處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。在靜態(tài)制冰過程中，隨著制冰量的增加，水與冷源之間的熱阻逐漸增大，能量損失增加[2]。盡管靜態(tài)制冰系統(tǒng)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)，目前已成為冰蓄冷系統(tǒng)應(yīng)用中的主流，但是冰的靜態(tài)形成過程換熱效率低，融冰過程負(fù)荷跟隨性差，而且換熱管道布置復(fù)雜，不便于檢修。

（2）動態(tài)制冰：制冰過程中有冰晶、冰漿生成，且冰晶、冰漿處于運(yùn)動狀態(tài)[3]。動態(tài)制冰換熱表面不會形成冰層，水與冷源之間熱阻在制冰過程基本保持不變，因而能夠一直保持較高的熱交換效率;由于冰晶、冰漿換熱面積大，容易快速消融，動態(tài)制冰技術(shù)在放冷過程中的負(fù)荷跟隨性比較好。然而，動態(tài)制冰裝置系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行不夠穩(wěn)定，容易出現(xiàn)冰堵狀況，需要進(jìn)一步完善。

此外，由于冰的凝固點(diǎn)溫度是0℃，冰蓄冷技術(shù)需要利用雙工況制冰機(jī)組作為蓄冷的冷源，以乙二醇作為中間換熱介質(zhì)，蓄冷效率相對于水蓄冷降低30%一40%（圖2）。

3 8℃相變蓄冷材料

冷水機(jī)組中央空調(diào)系統(tǒng)的供回水溫度一般設(shè)計(jì)為7～12℃，在一些大溫差系統(tǒng)中可以設(shè)計(jì)為5～13℃。對于中央空調(diào)蓄冷系統(tǒng)，7～8℃的相變蓄冷材料是最為適宜的。

本文中涉及的8℃相變蓄冷材料的凝固點(diǎn)溫度為8℃，相變焓為143kJ/kg（223 MJ/m³），導(dǎo)熱系數(shù)為0.5W/（m·K），無污染，不腐蝕，具有優(yōu)異的環(huán)境友好性（圖3）。

8℃相變材料的潛熱雖然不及冰，但遠(yuǎn)比水的顯熱蓄冷大。此外，8℃相變蓄冷系統(tǒng)可以利用常規(guī)冷水機(jī)組作為蓄冷的冷源，蓄冷材料模塊化封裝，同時具備了水蓄冷和冰蓄冷2種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，解決了冰蓄冷技術(shù)在蓄冷工況制冷機(jī)組能效比（COP）低，水蓄冷技術(shù)設(shè)備占地面積大的瓶頸問題（圖4）。

與冰蓄冷技術(shù)相比，8℃相變蓄冷系統(tǒng)制冷冷水機(jī)組在蓄冷工況冷媒蒸發(fā)溫度提高了9～11℃。研究表明，制冷冷水機(jī)組冷媒的蒸發(fā)溫度每提高1℃，其COP值提高3%～4%[8]。此外，8℃蓄冷系統(tǒng)沒有類似乙二醇的中間換熱過程，中央空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水和蓄冷材料直接換熱，換熱損失減少。綜上，8℃相變蓄冷系統(tǒng)的蓄冷效率提高了30%～40%。

與水蓄冷技術(shù)相比，在設(shè)備和系統(tǒng)形式一樣的基礎(chǔ)上，8℃相變材料的蓄冷密度是水蓄冷的8～9倍，極大地降低了蓄冷系統(tǒng)的占地面積。

目前主流蓄冷方案分為全蓄冷與部分蓄冷，全蓄冷方案運(yùn)行成本最低，但投資最高，部分蓄冷方案能夠兼顧投資與運(yùn)營成本的平衡點(diǎn)。與水蓄冷和冰蓄冷一樣，8℃相變蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行模式包括蓄冷模式、冷水機(jī)組單供冷模式、蓄冷放冷單供模式、冷水機(jī)組直供+蓄冷槽放冷聯(lián)合供冷4種模式，冷量吸收一儲存一釋放通過閥門啟閉進(jìn)行工況切換（圖5）。

4 應(yīng)用前景

改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和居民收入不斷增長，城鎮(zhèn)化率逐年提高（圖6），采用集中供冷的建筑面積實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定增長。目前在全國400億m²既有建筑中，可用到集中供冷的工業(yè)和公共大型建筑總量達(dá)到80億m²以上，而且每年增量約4億m²。根據(jù)全面建設(shè)小康社會的目標(biāo)，2020年我國城市化率達(dá)到50%以上，人均GDP超過3000美元[4]。人們生活水平提高，國家城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，這些都為中央空調(diào)集中供冷的發(fā)展提供了廣闊的空間。

下面以一個4.8萬m²供冷面積的大型綜合辦公寫字樓為例，進(jìn)一步闡述8℃相變蓄冷技術(shù)在中央空調(diào)集中供冷領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。假定大型綜合辦公寫字樓單位面積冷負(fù)荷185W/m²，年供冷時長為4～11月，月供冷共計(jì)26d，日供冷時長為08：00～22：00。為了直觀比較常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)和8℃相變蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)劣，本文主要通過制冷系統(tǒng)主要設(shè)備以及制冷系統(tǒng)的運(yùn)行能耗和運(yùn)行電費(fèi)進(jìn)行詳細(xì)分析。

根據(jù)冷負(fù)荷逐時系數(shù)模擬計(jì)算，該大型綜合辦公寫字樓最不利工況日總冷負(fù)荷為78370.5kW·h/d，為了充分“移峰填谷”，最大化利用峰谷電價(jià)差，8℃相變蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)蓄冷量為26648.0kW·h/d，占最不利工況日總冷負(fù)荷34%。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，增加8℃蓄冷模塊之后，雖然存在換熱損失，但是由于夜晚環(huán)境溫度比白天低，蓄冷工況冷水機(jī)組的能效比提高，制冷系統(tǒng)運(yùn)行總能耗基本保持不變;蓄冷模塊通過在谷電時段蓄冷，峰電時段放冷，通過移峰填谷節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)，年運(yùn)行電費(fèi)節(jié)省132.25萬元，降低39.43%。

在保證實(shí)現(xiàn)功能需求的前提下，8℃相變蓄冷技術(shù)不僅能夠通過蓄冷實(shí)現(xiàn)“移峰填谷”，有利于調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)仉娏?yīng)負(fù)荷平衡、提高能源利用效率，具有很好的節(jié)能減排作用，符合國家“十三五”建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的規(guī)劃，而且能夠?yàn)橛脩艄?jié)省制冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

8℃相變蓄冷技術(shù)原理論證可行，具有蓄冷密度.大，系統(tǒng)簡單的突出優(yōu)點(diǎn)，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)展前景廣闊。目前，8℃相變蓄冷實(shí)驗(yàn)性示范項(xiàng)目運(yùn)行可靠，大規(guī)模工程應(yīng)用需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。任何創(chuàng)新技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化和商業(yè)推廣離不開國家政策及有關(guān)職能部門的支持、鼓勵，我國政府部門應(yīng)該抓住契機(jī)，加快推進(jìn)8℃相變蓄冷技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用以及市場推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]晏旺，唐中華.靳俊杰.冰蓄冷技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展方向[J].建筑行業(yè)節(jié)能，2013（5）.

[2]曲凱陽，江憶.過冷水動態(tài)制冰的研究[J].暖通空調(diào)，2001（2）.

[3]曹勤.動態(tài)冰蓄冷蓄冰裝置綜合性能分析[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2013（4）.

[4]國家發(fā)展和改革委員會發(fā)展規(guī)劃司.進(jìn)程（2016-2020）十三五年度報(bào)告[R].北京：國家發(fā)展和改革委員會發(fā)展規(guī)劃司，2019.

收稿日期：2020-02-10

作者簡介：廖小亮（1981-），男，助理工程師，主要從事新型儲能材料的制備與應(yīng)用，儲熱技術(shù)在可再生能源利用、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的應(yīng)用工作。