冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

韋新東，王禹崴，張?zhí)礻?，秦?zé)钚?/p>

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

0 引言

能源穩(wěn)定供應(yīng)是經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的必要保障，煤炭的消費量約占全世界不可再生能源的70%，而90%的煤炭用于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1].經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展造成一次能源逐漸消耗，碳排放量也因此逐漸增加，而大量的二氧化碳污染物會引發(fā)溫室效應(yīng).2010年，中國能源消費和碳排放量增長約占全球總量的五分之一，使中國成為世界上能源消費和碳排放量較大的國家之一[2].2012年起，東北地區(qū)冬季供暖期PM2.5爆表，空氣污染增加[3].建筑工程用電、其他日常生活(照明、家電、生活熱水等)的建筑能源折合為總電能約為5 500 kW·h/a，約占全國社會終端電能消耗的27%，相當(dāng)于三峽年發(fā)電量的6倍[4].空調(diào)系統(tǒng)耗電量約占建筑用電總耗電量的60%，是導(dǎo)致電網(wǎng)高峰期壓力增大的主要原因，高峰供電量不足及低谷時段電力過剩的問題日漸顯著[5].

1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)概述

1.1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)簡介

蓄冰空調(diào)技術(shù)是一種相變儲能技術(shù).在夜間的用電低谷期利用蓄冷裝置將冷量儲備，在尖峰階段放出儲備的冷量滿足建筑負(fù)荷需求.降低了高峰段國家用電負(fù)擔(dān)，同時也可以減少空調(diào)系統(tǒng)中冷卻主機(jī)的總裝機(jī)容量.在節(jié)約能源和資金的前提下，能更好地滿足高峰負(fù)荷的需求.

1.2 制冰方式

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)按制冰時冰的運(yùn)動狀況(如圖1所示)分成了靜態(tài)制冰和動態(tài)制冰.靜態(tài)制冰又分成盤管外式和封裝式.而盤管外制冰又分成外融冰和內(nèi)融冰.內(nèi)融冰是將流經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)的高溫載冷劑流入盤管內(nèi)進(jìn)行熱交換，使盤管外表面的冰由內(nèi)向外融化.外融冰則是將流經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)的高溫載冷劑直接流入盤管外的儲槽內(nèi)，使盤管外表面的冰由外向內(nèi)融化[6].封裝式冰蓄冷，是指在蓄冰槽內(nèi)有許多規(guī)則布置的封閉容器，每個容器內(nèi)都是裝滿水溶液和成核物的蓄冰單元，這些容器由高密度聚乙烯材料制成[7].

動態(tài)制冰包括冰晶式和冰片滑落式.冰晶式冰蓄冷系統(tǒng)的冷卻單元設(shè)計較為獨特，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較小的載冷劑水溶液(通常為乙二醇水溶液)徑直流入冷卻器，使水溫降至凍結(jié)溫度以下形成冰晶[8].冰片滑落式是將蓄冷槽與特殊的立式板式蒸發(fā)器結(jié)合，將蓄冷槽中的水噴淋在溫度較低的蒸發(fā)器表面形成薄冰，當(dāng)冰的厚度達(dá)到6～8 mm時加熱蒸發(fā)器表面使冰脫離并儲存在蓄冷槽內(nèi)[9].

圖1 冰蓄冷制冰方式分類

1.3 制冰流程

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)冰蓄冷設(shè)備和制冷主機(jī)位置的不同，可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式.在串聯(lián)工藝配置中，根據(jù)制冷主機(jī)和蓄冰設(shè)備的順序，有上下游串聯(lián)兩種方式[10].

并聯(lián)控制系統(tǒng)(如圖2所示)可以同時兼顧制冷機(jī)組和蓄冷裝置的效率.但這種流程配置難以保持載冷劑出口溫度和出水量恒定.當(dāng)蓄冷裝置與制冷機(jī)組的出水溫度一致時，制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度降低使得運(yùn)行功率提高；當(dāng)蓄冷裝置的出水溫度低于制冷機(jī)組的出水溫度時，蓄冷槽的載冷劑溫度很低，并聯(lián)管路交叉時會使載冷劑的溫度升高，造成冷量的浪費.因此并聯(lián)的流程配置很少被采用[11].

圖2 蓄冷設(shè)備與制冷主機(jī)并聯(lián)示意圖

當(dāng)制冷機(jī)位于蓄冷設(shè)備下游時(如圖3所示)，載冷劑先經(jīng)過蓄冷設(shè)備交換熱量再流入制冷主機(jī).制冷主機(jī)在蒸汽溫度較低的環(huán)境下工作，制冷效率下降，提高系統(tǒng)運(yùn)行能耗[12].

圖3 制冷主機(jī)位于下游的串聯(lián)流程

當(dāng)制冷機(jī)位于蓄冷設(shè)備上游時(如圖4所示)，制冷劑先經(jīng)過制冷主機(jī)再流入蓄冷設(shè)備中，蓄冷裝置位于主機(jī)出口，充分利用冰的低溫特性增大冷液的溫差.蓄冷設(shè)備進(jìn)出口液體溫度較低，換熱能力差、融冰速率慢，需增加換熱設(shè)備容量和面積[13].

圖4 制冷主機(jī)位于上游的串聯(lián)流程

1.4 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

運(yùn)行控制策略指某一時刻，分配制冷機(jī)組和蓄冷設(shè)備分別承擔(dān)相應(yīng)建筑所需負(fù)荷.選出最優(yōu)的控制策略直接影響機(jī)組設(shè)備的選型、蓄冷設(shè)備容量、機(jī)組的運(yùn)行效率以及系統(tǒng)的運(yùn)行費用.結(jié)合冰蓄冷空調(diào)的特點，保持系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的同時，減少系統(tǒng)的運(yùn)行費用，縮小初投資的回收年限[14].冰蓄冷空調(diào)按蓄冷模式分為全量蓄冷和部分蓄冷.

全量蓄冷(如圖5所示)指在建筑物全部冷負(fù)荷均由蓄冷設(shè)備提供，夜間當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時，利用制冷機(jī)組盡可能儲存冷量，白天開啟釋冷模式釋放冷量.該運(yùn)行策略最大限度地提高蓄冷設(shè)備的使用，系統(tǒng)所需所有冷量均由低谷電價制取，運(yùn)行費用最低、轉(zhuǎn)移電力負(fù)荷的能力最強(qiáng)，但由于制冷主機(jī)和蓄冰裝置無法同時運(yùn)行，系統(tǒng)整體使用效率低，蓄冷設(shè)備容積較大，導(dǎo)致一次投資成本高.此種系統(tǒng)適用于負(fù)荷集中、制冷時間較短、峰谷價差大的地方.

部分蓄冷(如圖6所示)指用夜間低谷電制備的部分建筑所需冷量，并將其貯存于蓄冷裝置中.當(dāng)白天用電負(fù)荷峰值時，制冷主機(jī)與蓄冷裝置共同工作，共同承擔(dān)建筑所需冷量.相對于全量蓄冷，部分蓄冷系統(tǒng)整體效率較高，蓄冷裝置與制冷主機(jī)的總?cè)萘肯鄬p少，雖然運(yùn)行成本和電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力不如全量蓄冷，但該模式的一次投資成本低、回收期更短，應(yīng)用廣泛.在過渡季，部分蓄冷系統(tǒng)也能夠滿足建筑所需全部冷量，降低運(yùn)行費用.部分蓄冷也可分為融冰優(yōu)先、制冷機(jī)優(yōu)先和優(yōu)化控制.

圖5 全量蓄冷策略示意圖

圖6 部分蓄冷策略示意圖

1.4.1 融冰優(yōu)先

融冰優(yōu)先策略是空調(diào)系統(tǒng)通過蓄冷設(shè)備優(yōu)先考慮建筑冷負(fù)荷，當(dāng)蓄冷設(shè)備提供冷量時，制冷主機(jī)停止工作，當(dāng)蓄冷設(shè)備不能滿足建筑需求時，剩余的冷負(fù)荷由制冷主機(jī)提供.在融冰優(yōu)先的情況下，冰蓄冷系統(tǒng)在需求高峰期提供最大的冷負(fù)荷，需要根據(jù)需求優(yōu)化負(fù)荷預(yù)測.

1.4.2 制冷機(jī)優(yōu)先

制冷機(jī)優(yōu)先策略是制冷機(jī)優(yōu)先提供建筑絕大部分冷負(fù)荷，當(dāng)制冷機(jī)能夠滿足要求時，蓄冷設(shè)備暫停.當(dāng)制冷主機(jī)無法滿足需求時，由蓄冷設(shè)備釋冷補(bǔ)充剩余的冷量.蓄冷系統(tǒng)作為制冷機(jī)的補(bǔ)充，不能最大限度地利用轉(zhuǎn)移電力負(fù)荷的能力.

1.4.3 優(yōu)化控制

以預(yù)測用電高峰期各時段負(fù)荷為基礎(chǔ)，參考電價政策對蓄冷設(shè)備釋冷量進(jìn)行合理分配，充分利用蓄冷設(shè)備性能，減少制冷主機(jī)在高峰期運(yùn)行，最大可能降低系統(tǒng)運(yùn)行費用.優(yōu)化控制的基礎(chǔ)是能夠準(zhǔn)確預(yù)測次日逐時負(fù)荷，如果預(yù)測結(jié)果不合理，將降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，甚至?xí)霈F(xiàn)供冷不足的現(xiàn)象.

2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

2.1 運(yùn)行策略優(yōu)化方面

M.Navidbakhsh等[15]通過能耗、耗、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境四個方面對冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過對相變材料冰蓄冷系統(tǒng)、普通冰蓄冷系統(tǒng)和常規(guī)制冷機(jī)組系統(tǒng)的分析，相變材料冰蓄冷系統(tǒng)的功耗比普通冰蓄冷系統(tǒng)低6.7%、比常規(guī)制冷機(jī)組系統(tǒng)低17.1%.J.A.Candanedo等[16]利用Energy Plus軟件建立冰蓄冷系統(tǒng)的簡化線熱性模型，根據(jù)運(yùn)行策略優(yōu)化分配系統(tǒng)最佳冷量，根據(jù)模型分析融冰優(yōu)先和制冷機(jī)優(yōu)先的經(jīng)濟(jì)性.結(jié)果表明，融冰優(yōu)先運(yùn)行費用比制冷機(jī)優(yōu)先減少30%左右.D.H.Spethmann[17]對冰蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化，以負(fù)荷預(yù)測結(jié)果為基礎(chǔ)，按電價走勢調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行形式，得出優(yōu)化控制方式的運(yùn)行費用相比于制冷機(jī)優(yōu)先和融冰優(yōu)先節(jié)約16%～42%.王胤鈞等[18]通過建立冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行模型、分析系統(tǒng)初投資組成，建立系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)成本最低的目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法處理目標(biāo)函數(shù)，得出優(yōu)化控制下制冷機(jī)組和蓄冷設(shè)備的最小設(shè)計容量.于軍琪等[19]通過對系統(tǒng)多目標(biāo)模型的計算，從經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能角度考慮，得到最佳控制參數(shù)和蓄冷設(shè)備配備比，可使系統(tǒng)運(yùn)行成本降低10%.楊熊等[20]對傳統(tǒng)PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實行優(yōu)化，以建筑冷負(fù)荷的核心因素為輸入變量，利用灰色關(guān)聯(lián)性分析法提前處理.優(yōu)化后的PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測精度更高、收斂速度更快.

2.2 評價方法及經(jīng)濟(jì)分析方面

李玉娜等[21]歸納了冰蓄冷的經(jīng)濟(jì)評價方法主要分為靜態(tài)經(jīng)濟(jì)評價法和動態(tài)經(jīng)濟(jì)評價法.動態(tài)投資評價法是對靜態(tài)投資評價法的改進(jìn)，同時考慮了投資回收期和壽命使用周期.杜曉亮等[22]以青島某辦公樓建筑項目為例，對比分析了冰蓄冷制冷機(jī)房與常規(guī)制冷機(jī)房的經(jīng)濟(jì)性和實用性.得出冰蓄冷制冷機(jī)房的初投資較常規(guī)制冷機(jī)房提高27%，但運(yùn)行成本降低29.3%，系統(tǒng)回收年限為5.5年，經(jīng)濟(jì)效益良好.錢雨寧等[23]將冰蓄冷系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)耦合，以實際工程為例，對耦合系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行能耗和經(jīng)濟(jì)性分析.與常規(guī)系統(tǒng)比，耦合系統(tǒng)的能耗低7%、運(yùn)行費用低5%，投資回收期為4.1年.徐鵬等[24]對北京市某辦公樓冰蓄冷系統(tǒng)近5年的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)政府初投資補(bǔ)貼、峰谷電價差、峰谷電價執(zhí)行時間以及運(yùn)行人員對系統(tǒng)運(yùn)行策略的調(diào)配是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素.J Chen等[25]對冰蓄冷技術(shù)在多能源集成系統(tǒng)中做了經(jīng)濟(jì)性分析，對蓄冷及不蓄冷四種情況進(jìn)行比較.結(jié)果表明，冰蓄冷可以為整個能源系統(tǒng)提供更大的靈活性，并進(jìn)一步降低運(yùn)行成本，也可以減輕其他配置的裝機(jī)容量.S.Rahgozar等[26]對五個典型氣候區(qū)及其四種運(yùn)行策略的冰蓄冷系統(tǒng)做經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明回收期對氣候條件、儲能策略和電價高度敏感.

2.3 關(guān)于冰蓄冷系統(tǒng)用于區(qū)域供冷的研究

K.Heine等[27]對7棟建筑使用帶有冰蓄冷技術(shù)的區(qū)域供冷，在運(yùn)行費用方面相比于傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)，區(qū)域供冷每年節(jié)省14.5%，而使用單個建筑方法時節(jié)省12.1%.M.P.Kody等[28]對采用冰蓄冷系統(tǒng)的區(qū)域供冷創(chuàng)建了數(shù)學(xué)模型，并制定等比例冷機(jī)、無蓄冷時靜態(tài)優(yōu)化冷機(jī)以及三種負(fù)荷分配運(yùn)行策略.最后發(fā)現(xiàn)有蓄冷時動態(tài)冷機(jī)負(fù)荷分配方式的運(yùn)行費用最低.胡睿等[29]對區(qū)域供冷的三種運(yùn)行策略(融冰優(yōu)先、制冷機(jī)優(yōu)先和非蓄冰)模擬分析.結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和實用性，制冷機(jī)優(yōu)先和非蓄冰運(yùn)行模式相差不大，融冰優(yōu)先比非蓄冰模式運(yùn)行費用節(jié)省11.77%，單位電耗費用節(jié)省24.05%.李妤姝等[30]采用江水源熱泵耦合冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)為區(qū)域供冷，該耦合系統(tǒng)谷電利用率高達(dá)40%，峰谷用電轉(zhuǎn)移率大于50%，削峰填谷效益顯著.

2.4 關(guān)于冰蓄冷系統(tǒng)技術(shù)方面的研究

訾潔等[31]提出清水冰漿和低濃度乙二醇兩種新型流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)，相比常規(guī)冰蓄冷系統(tǒng)，新型流態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)COP更高，融冰釋冷更高效，維修更加便利.姜恒等[32]通過新開發(fā)的封裝袋式蓄冷設(shè)備與傳統(tǒng)冰球式蓄冷設(shè)備的實驗對比表明，封裝袋式蓄冷設(shè)備的性能優(yōu)于冰球式蓄冷設(shè)備.蔣玉龍等[33]將泡沫金屬材料填充到冰蓄冷板中，建立了冰蓄冷板融化過程的二維模型，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱性能高的泡沫金屬材料可以提高融化速度，而導(dǎo)熱性能低的聚氨酯泡沫材料可以有效延長冰蓄冷板的工作時間.李宏波等[34]研發(fā)制造了永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機(jī)組，相比于傳統(tǒng)雙工況機(jī)組，具有冷量大、效率高、高壓比、變壓比等特點.C.Hu等[35]將光伏驅(qū)動技術(shù)運(yùn)用到冰蓄冷系統(tǒng)中，該系統(tǒng)具有電力驅(qū)動和光伏驅(qū)動兩種模式.通過兩種模式的比較，光伏驅(qū)動也具有較強(qiáng)的蓄冷能力.

2.5 關(guān)于冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷率方面的研究

林育賢等[36]以實際工程為例，建立經(jīng)濟(jì)性數(shù)學(xué)模型，得出蓄冰率和系統(tǒng)初投資成正比.在某一拐點之前，增長速度相對平緩，當(dāng)超過某一拐點，初投資迅速增加.而運(yùn)行費用和蓄冰率成反比，蓄冰率越高運(yùn)行費用越低.王碩等[37]以深圳市某辦公樓為例，利用靜態(tài)經(jīng)濟(jì)評價法，計算得出深圳地區(qū)最佳蓄冰率為26.5%，為滿足合理回收年限的限制，蓄冷率最大不能超過35%.肖蓀等[38]提出最佳蓄冷率與峰谷電價、峰谷時長、系統(tǒng)運(yùn)行時間以及系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)等因素有關(guān)，無法統(tǒng)一界定.

3 冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)缺點

3.1 冰蓄冷系統(tǒng)應(yīng)用前景

3.3.1 削峰填谷，平衡電力負(fù)荷，提升用電效率

隨著社會的快速發(fā)展，電力供應(yīng)形式緊張，特別是用電高峰期，電力嚴(yán)重不足，甚至出現(xiàn)限電政策.由于發(fā)電廠24 h不間斷發(fā)電，在低谷期浪費了大量的電力資源.冰蓄冷系統(tǒng)利用夜間低谷時段的電能儲存冷量，在用電高峰期將儲存的冷量釋放出來，極大地提高了用電效率，轉(zhuǎn)移了用電高峰期用電負(fù)荷.

3.3.2 降低電能消耗、減少環(huán)境污染

冰蓄冷系統(tǒng)可以節(jié)約電力資源，降低夜間電能消耗，減小發(fā)電壓力，可以降低化石能源的使用起到改善環(huán)境污染的效果.

3.3.3 降低制冷設(shè)備裝機(jī)容量，降低系統(tǒng)運(yùn)行費用

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)使用夜間低谷電儲存冷量，用電高峰期蓄冷設(shè)備承擔(dān)了制冷機(jī)組所要承擔(dān)的部分建筑冷負(fù)荷，降低了制冷設(shè)備的裝機(jī)容量，在過渡季，儲存的冷量足以滿足建筑的負(fù)荷需求，此時制冷主機(jī)只負(fù)責(zé)對蓄冷設(shè)備充冷.由于使用低谷電力，峰谷價差政策的實施也降低了系統(tǒng)運(yùn)行費用.

3.3.4 冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高

冰蓄冷系統(tǒng)利用蓄冷設(shè)備儲存的冷量實現(xiàn)融冰供冷，避免用電高峰期出現(xiàn)限電、拉閘等風(fēng)險.通過運(yùn)行策略的調(diào)配，即使電網(wǎng)供電波動較大系統(tǒng)依舊能平穩(wěn)運(yùn)行.

3.3.5 高室內(nèi)空氣品質(zhì)

冰蓄冷系統(tǒng)送風(fēng)溫度低、去濕能力強(qiáng)，在輸送過程中，能夠有效的抑制了細(xì)菌、病毒的繁殖，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和熱舒適性.

3.2 冰蓄冷系統(tǒng)存在的問題

3.2.1 蓄冷設(shè)備占地面積大

冰蓄冷系統(tǒng)除了常規(guī)制冷機(jī)房的設(shè)備外，還需要體積龐大的蓄冷設(shè)備及其配套設(shè)施，需要占據(jù)大量的建筑面積.

3.2.2 系統(tǒng)調(diào)控復(fù)雜

冰蓄冷系統(tǒng)調(diào)控復(fù)雜，容易出現(xiàn)冷量剩余或冷量無法滿足建筑負(fù)荷需要的情況.在蓄冷過程中容易發(fā)生蓄冷速度越來越慢的情況，導(dǎo)致蓄冷所使用的并非低谷電力.

3.2.3 冰蓄冷系統(tǒng)初投資大

冰蓄冷系統(tǒng)除了需要購買蓄冷設(shè)備及其配套設(shè)施外，由于系統(tǒng)調(diào)控復(fù)雜、安裝技術(shù)需求大、維修費用高，需要聘請專業(yè)人員進(jìn)行安裝、調(diào)控及維護(hù)，間接增加投資成本.

4 結(jié)論

冰蓄冷技術(shù)具有平衡電力負(fù)荷、提高用電效率、降低裝機(jī)容量、降低運(yùn)行費用等優(yōu)勢，在我國建筑節(jié)能快速發(fā)展中發(fā)揮著重要作用.隨著分時電價政策的出現(xiàn)，冰蓄冷技術(shù)得到政府的大力鼓勵與支持，具有深遠(yuǎn)的發(fā)展前景.目前冰蓄冷系統(tǒng)主要應(yīng)用在商場、圖書館、辦公樓、醫(yī)院等負(fù)荷集中、蓄能時間長的大型建筑中.隨著蓄冷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，蓄冷技術(shù)也被提出應(yīng)用在小型別墅、地鐵車廂、礦井等項目.