冰蓄冷空調淺析

◎ 益美高（上海）制冷設備有限公司 徐 飛

一、冰蓄冷空調的歷史與發展

能源是人類賴以生存的要素之一，是國民經濟和社會發展的重要戰略物資。經濟、能源與環境的協調發展，是實現社會發展的重要前提。在公元一千年以前，我國勞動人民已采用天然冰進行食品冷藏和防暑降溫。早在《詩經，幽風》中就曾記載“二日鑿冰沖沖，三日納于凌陰”的詩句；《左傳》等書中也談及冰房窖冰，總管藏冰，出冰的“凌人”，并有“鑒如缶，大口以盛冰，置食物于中，以御溫氣”的記載；《大暑賦》曾記載“積素冰于幽館，氣飛結而為霜”。它說明我國利用天然冰來制冷有著悠久的歷史，一直延用至今。

自改革開放以來，我國的綜合國力和人民生活水平都有較大程度的提高。能源工業作為國民經濟的基礎產業之一，已取得長足發展。但是，能源工業的發展仍然滿足不了國民經濟的快速發展和人民生活用能急劇增長的需要，全國能源緊缺局面仍然存在。目前，由于能源的供給與需求在數量上和時間上不能很好地匹配和協調，造成大量能源浪費。如電力系統峰谷差加大，高峰電力嚴重不足，致使電網經常拉閘限電，峰谷差占高峰負荷的比例已高達30%以上。在夏季，許多城市都出現配電設備超載運行情況，2002年夏季，全國各電網空調制冷負荷共達4500萬KW；2003年夏季，多數電網負荷又連創歷時新高，全國電網差不多全面告急，至少有10個省市不得不拉閘限電，各電網高峰負荷中約有1/3都屬于空調制冷負荷；2005年，全國雖然新增投產發電機組達到6500萬KW，總裝機容量將超過5億KW，但在當年夏季用電高峰期間，全國電力供需形勢依然緊張，國家電網公司預計最大缺口在2500萬KW。我國政府部門實行了電力供應峰谷不同電價政策，采用需求側管理（DSM）的蓄冷技術來達到削峰填谷，是緩解電力建設和新增用電矛盾的有效解決途徑之一。

二、制定運行策略時應該考慮的因素

與常規空調系統中的制冷主機加載或卸載來滿足空調末端冷負荷要求不同的是，冰蓄冷空調對系統中所有耗電設備進行管理，當我們以設計日冷負荷為基礎，制定運行策略時，應當考慮以下因素：

1.分時電價

在此，提出一個觀點，1KW≠1KW，雖然能量單位相同，但使用時間改變了能源的價值。大部分電力公司制定了基于季節和每天用電時間的不同而不同的費率表。用電成本會隨著這些變化而大幅波動。最低價格通常出現在夜間，這段時間電力需求量少，稱為電價低谷時段。最高價格出現在白天工作時間，這時電力需求量大，發電量和能量分配受限，因此稱為電價高峰時段。此外，一些電力公司還制定了平段中間費率，將高峰時段和低谷時段分開。因此，在不同的電價時段制定不同的冰蓄冷空調系統的運行策略是相當重要的。在滿足空調末端負荷需求的前提下，在夜間電價低谷時段，冰蓄冷空調系統使用雙工況制冷主機制冰，將冷量以冰的形式貯存起來。而在白天電價高峰時段，冰蓄冷空調系統采用盡量少開甚至關閉雙工況制冷主機，而盡量多地將冰融化釋放冷量的運行策略。在電價平段時，則雙工況制冷主機和蓄冰設備同時運行，共同承擔空調負荷。

2.融冰方式

不同的融冰方式有其不同的特點，所以在制定冰蓄冷空調系統的運行策略時，應該將所采用的融冰方式作為考慮的因素。對于外融冰，雙工況主機的蒸發器提供低溫的乙二醇溶液進入蓄冰盤管用于制冰，當盤管外的冰層達到設計厚度時，制冰結束。在額定蓄冰量時，蓄冰槽內存在一定比例的冰和水，每臺蓄冰盤管中的相鄰兩根回路之間仍留有空隙，蓄冰槽內的冰水沿著蓄冰盤管長度方向流動，冰水與每一列冰層都可以直接接觸，充分換熱，冰層由外向內逐步融化，所以該融冰方式定義為外融冰。由于外融冰可以在很短的時間內融冰釋冷，同時可以保持穩定的出水溫度，在制定系統的運行策略時，應該將外融冰能夠滿足較大瞬時負荷，即冰可在較短時間內融完這一特點充分考慮，制定出更加合理、經濟的運行策略。對于內融冰，制冰過程與外融冰是一致的，在融冰期間，溫度較高的乙二醇溶液依然流入蓄冰盤管，將盤管外的冰層由內往外逐步融化，同時，乙二醇溶液自身被冷卻到設計溫度。由于乙二醇溶液與冰層是間接接觸，在保持一定的蓄冰盤管出口溫度的前提下，內融冰的融冰速率有一定限制，在制定系統運行策略時，應該將此考慮在內，以保證整個冰蓄冷空調系統的穩定運行。

3.全蓄冰或部分蓄冰

全蓄冰是指空調負荷全部由蓄冰設備承擔，而制冷主機、冷卻塔、冷卻水泵等設備在白天均不運行，因此能夠最大程度地節省運行成本。然而，由于要有足夠多的冰來滿足空調負荷，制冷主機以及其它設備的容量可能會大于常規空調系統，這就會增加冰蓄冷空調系統的初投資，但是，在世界上的很多地區，電價高峰時段的電力非常有限并且十分昂貴，這樣的地區還是適合采用全蓄冰。部分蓄冰降低了系統的初投資，通常情況下，部分蓄冰所需的雙工況制冷主機容量大約是常規系統所需的60%～70%，較小的制冷主機在白天運行并與蓄冰設備一起承擔空調冷負荷。由于過渡季節冷負荷逐漸減少，制冷主機運行的百分比也隨之降低，部分蓄冰在冷負荷較低的過渡季節經常轉化為全蓄冰運行。

三、蓄冰槽的注意事項

1.設計要點

蓄冰槽可由任何材料建造，原則是能夠承受蓄冰盤管、載冷劑以及水的重量，并且絕不能發生泄漏，常見的結構材料為鋼筋混凝土和鋼板。蓄冰槽可以布置在地下、部分地下或地上。在設計蓄冰槽基礎時，其應該足以承載蓄冰槽的自身重量，蓄冰盤管的凈重，蓄冰盤管中乙二醇溶液的重量以及蓄冰槽中水的重量之和，所以，土建結構工程師應該參與全部蓄冰槽的設計。

2.防水

蓄冰槽作為容器，防水很重要。結構連接處和穿管處必須密封，并能夠承受相應的水壓。鋼制蓄冰槽自身是防水的，而混凝土表面具有滲透性，對混凝土表面的防水處理有幾種處理方式：第一，攪拌混凝土時可以添加防水的化學添加劑；第二，可在蓄冰槽的底板和內壁做三元乙丙橡膠防水材料（EPDM）襯里；第三，在蓄冰槽內表面或外表面噴涂水泥基防水化合物；第四，噴涂含瀝青的內襯。

3.保溫

蓄冰槽內冰水溫度最低可至0℃，蓄冰槽內的空氣溫度低，并趨于飽和，因此，安裝在蓄冰槽內管道上任何暴露的纖維狀保溫材料均不會持久，因此，如果在蓄冰槽內進行保溫，應該使用閉孔發泡型保溫材料，也可以在防水襯里與蓄冰槽壁之間保溫，亦或在蓄冰槽外壁進行保溫。

四、冰蓄冷空調系統的應用

談到冰蓄冷空調，我們自然會想到益美高公司（Evapco Inc.），其成立于1976年，總部設在美國馬里蘭州，產品包括蓄冰盤管、蒸發式冷凝器、閉式冷卻塔、開式冷卻塔等用于商業空調、工業冷凍市場的產品。益美高公司是世界上最著名的從事熱交換產品的制造商，作為一家跨國公司，益美高公司在7個國家建立了16家工廠，在42個國家擁有170多個銷售機構。近年來，隨著我國冰蓄冷空調事業的蓬勃發展，益美高公司以其世界先進的冰蓄冷設備和專業的技術團隊做出了卓越貢獻，全程參與了許多區域供冷項目和大型冰蓄冷空調工程。其中包括作為國家級節能示范項目的三亞市亞龍灣區域供冷項目，選用了益美高外融冰盤管，總蓄冰量達到了25536冷噸時；作為廣州亞運會重點項目，珠江新城核心區域集中供冷站選用了益美高外融冰盤管，一期工程總蓄冰量達到了28728冷噸時；作為國家級可再生能源建筑示范項目的重慶市江北嘴中央商務區項目，選用了益美高外融冰盤管，總蓄冰量達到了77490冷噸時；剛剛建成并已經投入使用的天津市文化中心項目，其三個區域供冷站都選用了益美高外融冰盤管，總蓄冰量達到了66444冷噸時。此外，我國許多城市的地標建筑也選用了益美高的冰蓄冷設備，包括天津津塔、深圳京基金融中心、武漢琴臺藝術中心、福州大劇院、江蘇廣播電視中心等等。

隨著峰谷電價政策的出臺及不斷完善，將為促進我國蓄冷空調的發展和應用創造良好的外部經濟環境，蓄冷技術在我國的應用將形成不斷發展的趨勢。一方面，隨著峰谷電價比的加大，用戶采用電力蓄能技術將大大減少其空調運行費用，降低用電成本，提高企業效率；另一方面，采用蓄能空調技術移峰填谷，有利于提高電網負荷率，亦有利于電網的安全運行。電力蓄能技術不僅僅是應對當前電力供應緊張形勢的有效手段，而且即便在今后電力供求平衡時期，電力蓄能技術仍然是需求側管理（DSM）重要的移峰填谷技術措施。