新型流態(tài)冰蓄冷與常規(guī)冰蓄冷系統(tǒng)對(duì)比研究

訾 潔，楊紹陽(yáng)，田 野

（1.山東同圓建設(shè)工程施工圖審查有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

1 冰蓄冷簡(jiǎn)介

一幢建筑物中，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗的50%～60%，而制冷機(jī)房?jī)?nèi)的制冷設(shè)備能耗又占了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)總能耗的50%～60%左右（相當(dāng)于建筑總能耗的25%～35%），故采用合理、高效的冷源形式，對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)行節(jié)能及經(jīng)濟(jì)收益都具有十分重要的意義。與常規(guī)空調(diào)相比，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)只比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)增加了一個(gè)蓄冰裝置，蓄冰裝置的形式多種多樣，一般有蓄冰盤管、蓄冰球、蓄冰桶等。冰蓄冷系統(tǒng)在夜間用電低谷時(shí)間段滿負(fù)荷開啟雙工況制冷機(jī)組制冰，將制得的冷量?jī)?chǔ)存在蓄冰池內(nèi)，白天用電高峰時(shí)間段雙工況制冷機(jī)組按空調(diào)工況開啟或不開啟，配合融冰系統(tǒng)，滿足末端部分或全部的用冷需求。

蓄冰系統(tǒng)具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益：對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)，可以轉(zhuǎn)移電力高峰用電量，平衡電網(wǎng)的峰谷差，提高發(fā)電機(jī)組效率，優(yōu)化電力資源的配置，減少新建電廠和輸變電設(shè)施的投資；對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，利用夜間谷值低電價(jià)制冷，可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，減少制冷機(jī)組及附屬設(shè)備的裝機(jī)容量，減少相關(guān)設(shè)備一次電力的投資，提高運(yùn)行過(guò)程中制冷機(jī)組的利用率。目前各地方均出臺(tái)相關(guān)政策法規(guī)，對(duì)電力用戶實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)、季節(jié)性電價(jià)以及可中斷負(fù)荷電價(jià)制度，鼓勵(lì)電力用戶合理調(diào)整用電負(fù)荷，針對(duì)蓄冷有更優(yōu)惠的電價(jià)政策，為冰蓄冷的推廣使用提供了更好的保障。

2 兩種新型流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)的介紹

（1）清水冰漿蓄冷系統(tǒng)。清水冰漿蓄冷系統(tǒng)采用過(guò)冷水式冰漿蓄冷技術(shù)，以普通清水為蓄冷介質(zhì)，采用板式換熱器換熱制取過(guò)冷水，再通過(guò)超聲波輻射轉(zhuǎn)化為冰漿，換熱效率高、能耗低，蓄冷介質(zhì)安全、衛(wèi)生、廉價(jià)。動(dòng)態(tài)制冰的基本技術(shù)過(guò)程為制冷主機(jī)提供-3℃的冷卻介質(zhì)（一般為20%乙二醇溶液），使0℃以上的水通過(guò)板式換熱器降溫至-2℃的過(guò)冷水，本環(huán)節(jié)只換熱不結(jié)冰，然后通過(guò)動(dòng)態(tài)制冰機(jī)組，采用超聲波誘導(dǎo)結(jié)冰，產(chǎn)生0℃以下的冰漿，本環(huán)節(jié)只結(jié)冰不換熱，通過(guò)冰晶過(guò)濾器和動(dòng)態(tài)制冰機(jī)的冷卻水防凍旁流，可以徹底避免冰層對(duì)換熱效率的不利影響。動(dòng)態(tài)冰漿系統(tǒng)可集成不同型號(hào)的模塊化機(jī)組，只需根據(jù)蓄冷能力要求選型匹配即可，如同制冷主機(jī)、水泵等設(shè)備的選型設(shè)計(jì)一樣簡(jiǎn)單方便。設(shè)備核心以換熱部件為主，無(wú)運(yùn)動(dòng)磨損部件，可靠性高，在正常保養(yǎng)條件下使用壽命不短于制冷主機(jī)。（2）低濃度乙二醇溶液蓄冷系統(tǒng)。低濃度乙二醇溶液蓄冷系統(tǒng)中流態(tài)冰是一種溶液中含有無(wú)數(shù)個(gè)微小冰晶的相變載冷劑，冰晶在一定溫度下的溶液（主要是低濃度乙二醇）中形成。制冰主機(jī)和冰晶生成器為一體機(jī)組，相對(duì)于常規(guī)蓄冷系統(tǒng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，省去了蓄冰盤管，乙二醇充注量小，從雙工況制冰機(jī)組出水為-1～-3℃的3.5%乙二醇流態(tài)冰漿，采用乙二醇泵輸送至蓄冰槽，蓄冰槽內(nèi)為3.5%乙二醇冰水混合物。低濃度乙二醇溶液蓄冷系統(tǒng)圖流程如圖1所示。

圖1 低濃度乙二醇溶液蓄冷系統(tǒng)圖

以上兩種流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)均利用了過(guò)冷水技術(shù)，冷量損失小，機(jī)房布置也簡(jiǎn)單。清水冰漿采用常規(guī)雙工況機(jī)組和動(dòng)態(tài)制冰機(jī)的形式，方便配合多數(shù)制冷機(jī)組廠家配合。低濃度乙二醇冰漿采用一體機(jī)，系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，集成度更高。

3 新型流態(tài)冰蓄冷與常規(guī)冰蓄冷系統(tǒng)的對(duì)比分析

（1）制冰過(guò)程。①靜態(tài)冰蓄冷（冰盤管）。冰盤管蓄冷系統(tǒng)中冷媒在-5～-7℃蒸發(fā)，制冷機(jī)組首先需要將高濃度乙二醇溶液（20%左右）冷卻至-6℃，然后通過(guò)乙二醇泵把高度濃度乙二醇溶液輸送至蓄冰槽內(nèi)的鋼制盤管，最后通過(guò)換熱將蓄冰槽內(nèi)的清水凝結(jié)成冰。冰盤管蓄冷系統(tǒng)制冰過(guò)程存在兩個(gè)缺陷：一是制冰系統(tǒng)蒸發(fā)溫度偏低，蒸發(fā)溫度每降低1℃，制冷效率降低3%，導(dǎo)致制冰能耗高（COP約為3.5～3.8）；二是制冰過(guò)程中后期，鋼制盤管管壁外的冰成為乙二醇與水之間的熱阻，制冰效率會(huì)越來(lái)越低。②流態(tài)冰蓄冷。流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)中冷媒的蒸發(fā)溫度可提高至-3℃左右，制冰過(guò)程可直接將清水制成流態(tài)冰（絮狀流態(tài)冰）。

流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)有兩大優(yōu)點(diǎn)：制冰過(guò)程中冷媒采用直接蒸發(fā)換熱，蒸發(fā)溫度得以提高，制冰過(guò)程系統(tǒng)能效提高（COP約為4.0～4.5）；制冰過(guò)程不存在結(jié)冰的熱阻，系統(tǒng)始終維持在高效段。

（2）融冰過(guò)程。①靜態(tài)冰蓄冷（冰盤管）。冰盤管蓄冷系統(tǒng)釋冷時(shí)，空調(diào)冷凍水通過(guò)板式換熱器與鋼制盤管內(nèi)的乙二醇溶液進(jìn)行換熱，換熱后的“高溫乙二醇”再通過(guò)鋼盤管與蓄冰池內(nèi)的冰進(jìn)行換熱。此系統(tǒng)融冰過(guò)程存在以下問(wèn)題：在末端用冷高峰時(shí)期以及換熱中后期，蓄冰槽內(nèi)的水會(huì)成為冰與鋼盤管內(nèi)的乙二醇之間的熱阻，換熱效率會(huì)逐步降低，導(dǎo)致高峰期或換熱中后期融冰放冷能力不足，需要重新開啟制冷主機(jī)；尤其是到融冰末期，冰塊漂浮于水面，無(wú)法與盤管內(nèi)的乙二醇進(jìn)行直接換熱，冷凍水供水溫度升高，供冷效果降低，同時(shí)由于蓄冰槽內(nèi)浮冰無(wú)法有效利用，浪費(fèi)了部分蓄冰冷量，導(dǎo)致系統(tǒng)釋冷率偏低，一般為85%～90%。②流態(tài)冰蓄冷。流態(tài)冰系統(tǒng)的蓄冰槽內(nèi)為冰水混合物，絮狀冰漂浮在水的上方，蓄冰率高達(dá)60%（即冰與水的比例為6∶4）。融冰時(shí)，蓄冰池下方的冰水混合物經(jīng)循環(huán)水泵抽出，與板式換熱器換熱后的“高溫乙二醇溶液”快速進(jìn)入絮狀冰進(jìn)行換熱。冰槽內(nèi)放冷回水與冰漿之間不存在換熱熱阻，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，8h蓄冷量可在2h內(nèi)放冷完畢，融冰放冷能力可達(dá)蓄冷主機(jī)能力的4倍以上，且在整個(gè)換熱過(guò)程中，冰水換熱面積保持不變，故流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)出水溫度恒定，理論釋冷率可達(dá)100%。

（3）系統(tǒng)輸送能耗。靜態(tài)冰蓄冷與流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)主要輸送能耗（一次側(cè)）對(duì)比如表1所示。在不同工況下，系統(tǒng)主要能耗對(duì)比如表2所示。在同樣制冰情況下，流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)的輸送能耗僅為靜態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)的60%左右。

表1 靜態(tài)冰蓄冷與流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)主要輸送能耗（一次側(cè)）表 單位：m水柱

表2 靜態(tài)冰蓄冷與流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)各工況輸送能耗（一次側(cè)）表 單位：m水柱

（4）系統(tǒng)安裝。①靜態(tài)冰蓄冷（冰盤管）。冰盤管蓄冷系統(tǒng)中主要設(shè)備為雙工況制冷機(jī)組及蓄冰盤管。蓄冰盤管由鋼板卷焊而成，數(shù)量多，重量大，吊裝、安裝、現(xiàn)場(chǎng)二次搬運(yùn)困難，在整個(gè)制冷機(jī)房的安裝過(guò)程中，單蓄冰盤管的安裝費(fèi)用大約可占比50%。②流態(tài)冰蓄冷。流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)中主要設(shè)備為動(dòng)態(tài)制冰機(jī)組或雙工況制冷機(jī)組，流態(tài)冰溶液可采用常規(guī)水泵直接輸送至蓄冰池，在蓄冰池內(nèi)，由于冰的密度比水低，因此冰會(huì)漂浮于水的表面。流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)省去了鋼盤管，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用低。

（5）機(jī)房面積。①靜態(tài)冰蓄冷（冰盤管）。為提高安裝效率在冰盤管蓄冷系統(tǒng)中，蓄冰槽一般為模塊產(chǎn)品，尺寸不可隨意改動(dòng)。另外，由于蓄冰槽內(nèi)鋼制盤管的特殊構(gòu)造要求，異形空間無(wú)法利用。此外冰盤管蓄冷系統(tǒng)的蓄冰率偏低，一般為50%。由于以上原因，冰盤管蓄冷系統(tǒng)的占地面積較大，對(duì)空間的利用率僅為60%左右。②流態(tài)冰蓄冷。流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)，蓄冰池內(nèi)為冰水混合物，無(wú)鋼制盤管，所以蓄冰池可根據(jù)場(chǎng)地情況任意布置，既可以做土建混凝土蓄冰槽，又可以做不銹鋼蓄冰槽，甚至也可以做異形蓄冰槽。流態(tài)冰對(duì)空間的利用率可達(dá)到90%以上。綜合以上兩點(diǎn)，流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)較靜態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)，機(jī)房占地面積可節(jié)約10%以上。

（6）系統(tǒng)維保及可靠性。①靜態(tài)冰蓄冷（冰盤管）。冰盤管蓄冷系統(tǒng)載冷劑采用高濃度乙二醇溶液（20%左右），載冷劑腐蝕性較大，需增加乙二醇穩(wěn)壓補(bǔ)液系統(tǒng)；此外，鋼盤管總長(zhǎng)度超過(guò)1km，施工過(guò)程中焊點(diǎn)較多，如發(fā)生漏液情況，檢修、排查難度大，系統(tǒng)可靠性差。②流態(tài)冰蓄冷。新型流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)安裝空間適應(yīng)性強(qiáng)，蓄冰槽內(nèi)無(wú)制冰設(shè)備，任意形狀任意尺寸均可，可因地制宜，充分利用現(xiàn)場(chǎng)既有空間。蓄冷介質(zhì)為普通自來(lái)水，安全環(huán)保，且乙二醇不凍液用量極少。制冰設(shè)備置于槽外，維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單方便。蓄冰槽內(nèi)無(wú)換熱設(shè)備，冬季可作為蓄熱水槽。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用新型流態(tài)冰蓄冷技術(shù)，制冷主機(jī)出水溫度相比傳統(tǒng)靜態(tài)冰蓄冷可提高3～4℃，能效比（COP）可提高15%左右，制冷機(jī)制冰工況系數(shù)，即制冰工況與空調(diào)工況制冷能力的比值也得以提高，且蓄冰過(guò)程換熱和結(jié)冰過(guò)程分離，避免冰層熱阻，系統(tǒng)熱交換效率提高。（2）新型流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)，放冷回水與冰漿直接滲透接觸，融冰放冷能力可達(dá)蓄冷主機(jī)能力的4倍以上，具備在電價(jià)高峰時(shí)段全停主機(jī)的全移峰能力，實(shí)現(xiàn)用戶經(jīng)濟(jì)效益最大化。（3）在新型流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)釋冷過(guò)程中，冰水換熱面積保持不變，故放冷時(shí)大部分時(shí)間冰槽取水溫度接近1℃，具備滿足某些特殊工藝用冷的條件。（4）新型流態(tài)冰蓄冷安裝空間適應(yīng)性強(qiáng)，乙二醇充注量少，安全環(huán)保，維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單方便，冰槽可兼容冬季蓄熱使用。