使用冰蓄冷中央空調需要注意的問題與優化方向

郭江文

摘 要：隨著人們對生活質量重視程度和消費水平的提高，工作和生活環境中的使用空調的情況越來越多，在改善生活環境的同時也給電力供應和環境資源帶來較大壓力。冰蓄冷空調作為一種新興的蓄熱空調技術應用形式，在我國擁有較為廣闊的發展空間。冰蓄冷空調具有有效提高能源利用效率，減小制冷設備體積和裝設功率，從而大幅降低空調系統的運行費用和維修費用的優點。文章介紹了冰蓄冷技術的原理和優勢，并對其優化改進提出相關建議。

關鍵詞：冰蓄冷；動態冰蓄冷技術；中央空調

冰蓄冷中央空調使用獨特的節能環保技術。它以冰作為冷源，在結構上比常規中央空調多出一個蓄冰裝置。冰蓄冷中央空調在人類能源開發與利用領域實現了新突破，它能夠降低用電高峰壓力，節約投資和運行成本，冰蓄冷技術通過調整不同用電時段的電力負荷，在保障白天空調制冷需求的基礎上，降低用戶用電成本。相較于一般的常規空調，每年可以節省10%～30%的運行費用。

在國內，人們關于冰蓄冷技術的節能作用的討論長期存在。有相當一部分人認為，冰蓄冷技術在晚上主要是在夜間消耗電能，雖然緩解用電壓力，但消耗的電量是不變的，只是單純因為夜間電價便宜而節約了用電成本，并沒有節能。基于這一論點，有人進行了相關測算。以我國每年新增的約3億平米的商務建筑物為例，如果全面使用商用建筑蓄冰空調系統，每年可為國家節省用電資金38.4億元，節煤319萬噸，減少二氧化碳排放867萬噸，減少二氧化硫排放11.2萬噸。換句話說，上述減排結果大致等效于為大氣減少217萬輛汽車尾氣的排放量，種樹474萬畝。從上述數據，可以看到冰蓄冷技術的節能潛力是何等巨大。

1 冰蓄中央冷空調工作原理

冰蓄冷空調以水或有機鹽溶液作為蓄冷介質，在夜間運行制冷，將蓄冷介質轉換成固態，在白天通過融化吸收熱量，達到降溫效果。由于夜間為供電低谷時段電價較低，而白天處于用電高峰電價較高，冰蓄冷空調通過自身制冷蓄冷時段分別處于用電高峰和低谷時段的特點，既緩解了高峰時期的用電壓力，提高用電低谷時段用電效率，同時也利用不同時段的電價差來節約用電費用，達到合理利用電力資源和減小國家電力工業建設投資的目的。

2 冰蓄中央冷空調的優點

2.1 降低電力需求

冰蓄冷技術使用冰為冷源，風量相對減少，從而使得低溫送風系統的風機能耗降低30%至40%。同時，因為供回水溫差很大，冷水側水泵能耗也有所降低，大體可節約電費約20%左右。

2.2 降低了初投資和運行費用

由于冰蓄冷系統冷量品位很高，使得能源利用效率大幅提升，而且送風溫度較低，降低了送風量的要求，從而實現了設備和管路的小型化，減小了占有空間，降低了設備造價，從一定程度上彌補了制冰蓄冰增加的費用額度。

2.3 用較低的房間相對濕度提高了熱舒適

由于以冰作為冷源，空氣濕度相對較低，空氣更加清新，體感舒適度有所上升。

2.4 用電“移峰填谷”效果明顯

特別是在春、秋兩季，主機只需在用電低谷時段啟動蓄冰，其他時段無需啟動，從而實現了高峰、平價時段間的用電轉移。

3 冰蓄中央冷空調存在問題及優化

冰蓄冷系統可以實現電網的“移峰填谷”的效果，這可從價格差中帶來經濟效益。但是冰蓄冷系統的初投資費用比常規空調高很多，成為限制其發展的一個重要因素。如何最大限度地發揮其節能的優點，可快速恢復最初的投資，是冰蓄冷空調技術和設計的關鍵。冰蓄冷低溫送風空調系統具有具有常規空調系統無法比擬的優點，同時也存在著一些不足。通過對冰蓄冷低溫送風空調系統和常規空調系統的對比分析，就其關鍵部分的改進優化提出相關建議。主要有以下幾個方面。

3.1 加強對送風溫度和蓄冷率的系統設計優化

送風溫度和蓄冷率是冰蓄冷低溫送風空調系統的關鍵參數，直接影響著空調系統的能源利用效率和經濟效益。從系統設計角度對送風溫度和蓄冷率進行優化，是提高冰蓄冷送風空調系統技術水平和經濟效益的根本途徑。

3.2 冰蓄冷低溫送風空調技術的核心價值在于可以實現較高水平的經濟效益

要保障系統的經濟效益，實現系統優化需要從設計、控制和管理幾個方面著手。其中設計是根源和基礎。冰蓄冷低溫送風空調系統的優化設計要在滿足設計指標和安全運行的基礎上，降低初投資成本，平衡不同用電時段的電力負荷，從而實現降低電力資源消耗和節約經濟成本的最優化。

3.3 考慮電價以及用電限制的影響

當地的電價政策是決定冰蓄冷空調系統適用性的關鍵指標。峰谷電價差越大，冰蓄冷空調的經濟效益越好。國外相關數據顯示，峰谷電價比達到2：1是采用蓄冷系統的門檻指標；峰谷電價比為2.5：1時，采用蓄冷系統可以創造較好的經濟效益；峰谷電價比為3：1時，采用蓄冷系統創造的經濟效益非常顯著。

由于國內電價政策與國外不同，是否使用冰蓄冷空調還要考慮當地具體情況。另外，當地對高峰時期的用電限制相關規定對設備容量具有重要影響，必須予以考慮。

3.4 考慮建筑物類型的影響

建筑物類型、功能不同，其用電負荷分布也不一樣。如果建筑物用電負荷比較集中，且負荷多發生在用電高峰時期，那么采用蓄冷系統平衡用電費用，就可以實現較好的經濟效益。如果建筑物白天晚上用電負荷相差不大，或者當地用電高峰和低谷電價差額不大，那么冰蓄冷空調系統的經濟效益就不明顯，甚至不適合使用。

3.5 考慮當地典型年的氣象資料的影響

當地整個供冷季節的逐時冷負荷分布是選擇冰蓄冷低溫送風空調系統與否的重要參考，而逐時負荷是依據典型年的氣象資料算出的。全新風循環作為省能器供冷的地區，采用低溫送風空調系統就不合適了。

3.6 改進制冷設備

通過對設備的質量管控與改進，實現整體系統技術水平的提高。積極吸收外國先進技術經驗，去除冰蓄冷中央空調系統中的板式換熱器，可以提高系統可靠性。而通過采用變風量空調器、聯結蝶閥和全部法蘭、對管道內壁進行防腐處理、增加乙二醇溶液回收裝置，防止溶液損失等相關技術措施，可以解決沒有換熱器的問題，從而實現節省初投資和運行費用的目的。endprint

3.7 降低送風系統的溫度

空調系統的送風溫度從常規的12℃降到4～12℃，同一條件下冷卻空調負荷量減少，從而減少功率消耗的風機正常運行所消耗的功率，使系統節約能源和降低運營成本。根據流體力學的風機功率公式可以得出，送風量減少會使風機所耗功率會三次方下降。此外，送風量減少伴隨著風管尺寸的減小，從而使系統減少了初投資。因此，降低空氣溫度可以使冰蓄冷空調系統在實施“移峰填谷”的同時，并能降低系統的運行費用和初投資，取得了可觀的經濟效益。

3.8 增加熱回收裝置

空調系統排風中的余熱直接排放到大氣中，既造成城市的熱污染，又浪費了熱能。如果將排風中的余熱（余冷）加以回收再利用，如加熱生活熱水、處理新風等，則可提高系統的整體能源利用率，達到節能的目的，同時又可降低機組負荷，節省初期投資。熱回收裝置可分為兩大類：全熱回收裝置和顯熱回收裝置。全熱回收裝置用具有吸濕作用的材料制作，既能傳熱又能傳濕，可同時回收顯熱和潛熱；顯熱回收裝置則用不含吸濕作用的材料制作，只能傳熱，不能傳濕，只能回收顯熱。在設計中，對全熱回收裝置和顯熱回收裝置的選擇應因地而宜。

3.9 使用熱管技術

熱管作為傳熱元件，由于其良好的傳熱性能，正越來越多地應用到各種工程項目中。該熱管應用在冰蓄冷系統，可以提高冰蓄冷空調的傳熱性能，提高能源利用效率。

3.9.1 直接式熱管冰蓄冷

采用熱管冷凝段置于制冷系統的蒸發器中，熱管的蒸發段置于蓄冰池中直接蓄冰，稱為直接式熱管冰蓄冷系統。該系統由于熱管熱變換，從而克服制冷劑壓降和回油困難，由于管道腐蝕和制冷劑泄漏現象，融冰過程由外向內融化，溫度較高的冷凍水回水與冰直接接觸，可以在較短的時間內制出大量的低溫冷凍水，提高了能源的利用效率，因此特別適用于短時間內要求冷量大、溫度低的場合。系統的問題是，如果存儲冰沒有完全融化的冰塊，將增加電力消耗及系統設計和安裝難度。

3.9.2 間接式熱管冰蓄冷

采用二次冷媒將制冷系統與蓄冷系統進行連接，熱管蒸發段置于蓄冷池中，冷凝段置于蓄冷池之上。二次冷媒經制冷機組蒸發器降溫后流經熱管冷凝段進行換熱，利用熱管高效的傳熱特性對蓄冷池直接蓄冷，這種系統目前尚處于研究中。該裝置的最大優點在于無需對傳統的制冷機組進行結構改裝即可直接應用于工程中，且少量的熱管破裂及泄漏均不影響系統的正常運行。熱管技術在設計中應注意，在熱管冰蓄冷過程中，冰直接凝固在熱管上，隨著冰層厚度增加，傳熱熱阻加大，將導致結冰速度緩慢，降低能源的使用效率。若能使熱管在結冰達到一定厚度后冰層自動從熱管蒸發段脫落，使熱管總是維持在一個傳熱熱阻較小、換熱性能較高的水平，這樣將會顯著提高整個蓄冷系統的效率，減少設備投資容量，也更為節能。

4 控制模式

與常規空調系統不同，蓄冷系統可以通過制冷機組或蓄冷設備單獨為建筑物供冷，也可以兩者同時供冷。在夜間，控制系統通過預測次日負荷的需求，決定當晚的蓄冰量，以免過量蓄冰，造成不必要的浪費；日間，則通過預測當日逐時負荷需求，測定冰槽剩余冰量，計算出包括制冷機組在內的整個系統在未來的供冷能力，并據此確定在某一給定時刻，多少負荷是由制冷機組提供，多少負荷是由蓄冷設備供給的，最終達到日間用完所有的蓄冰量，但又不至于過早用完，以充分發揮蓄冰系統的節能優勢。

4.1 雙工況主機制冰模式

在夜間利用優惠的低谷價和低峰負荷，雙工況主機全力制冰，將制得的冷量儲存在蓄冰裝置中。

打開雙工況制冷機組蒸發器、冷凝器出口閥門，將制冷主機出來的低溫乙二醇溶液（-6℃）泵入蓄冰槽中與水發生熱交換，水放出潛熱后在乙二醇管壁外結冰，乙二醇溶液吸收水的潛熱后溫度升高至-3.6℃。隨著制冷機不斷的制取低溫溶液，直到蓄冰結束，待白天高峰負荷時使用。制冰結束結素有如下三個判斷依據，其中一個條件滿足時，系統即判斷制冰結束，停止制冰工況。

（1）冰槽液位傳感器指示已儲存額定冰量。（2）控制系統的時間程序指示為非蓄冰時間。（3）當雙工況主機出口溫度低于-6℃（可調）時或蓄冰裝置的出水溫度降到-4℃（可調）。

4.2 基載主機直供運行方式

當蓄冰槽釋冷結束時或供冷負荷進行必需的臨時調度時，僅基載制冷機組直接供冷，而蓄冰槽不工作。通過控制器關閉雙工況主機及相關附件，基載機組承擔空調負荷。此時，基載主機制取6℃的空調冷凍水經二次泵送到末端供冷，12℃的空調回水匯聚于集水器中經一次冷凍泵送入主機蒸發器再次制冷。

4.3 融冰單獨供冷模式

乙二醇系統中，把電動閥門調整到相應的開關狀態，乙二醇溶液在主機（此時主機不供冷）、蓄冰裝置、板換和乙二醇泵之間形成循環。乙二醇溶液進入蓄冰裝置，和冰槽內的冰進行熱交換，冰吸收潛熱發生相變，乙二醇溶液放出熱量后溫度降至4℃，進入板換和冷凍水進行熱交換，產生6℃的冷凍水，滿足空調的要求。換熱后的乙二醇溶液溫度升高到10℃，再回到蓄冰裝置降溫。此時，所有主機都不運行，僅有幾臺水泵和乙二醇泵再循環，所以運行費用很低。

4.4 基載主機和融冰聯供運行方式

當用戶冷負荷大于冰槽融冰所產生的冷量需要蓄冰槽和基載機組同時運行供冷模式。本系統按分量蓄冷運行策略設計，在較熱季節大都需要采用此運行模式。此工況下基載制冷機組、基載一次泵、乙二醇泵、蓄冷槽、板式換熱器均投入運行，微機控制系統根據動態負荷預測的數據，控制蓄冷罐釋冷量的大小，使蓄冷罐的蓄冷量當天基本用盡，又不能出現最后幾小時蓄冷系統供不應求，使冰蓄冷系統運行達到最經濟的效果。

5 我國中央空調動態冰蓄冷技術的應用情況

我國大部分地區處于暖溫帶和亞熱帶。夏季時間較長，在南方某些地區甚至可達8個月。進入夏季后空調使用需求急劇上升，不僅用電量巨大而且使用時間集中，對電力供應造成巨大壓力，成為導致城市電力負荷峰谷的主要原因。冰蓄冷空調通過對用戶用電方式的調整，在一定程度上緩解了高峰期的用電壓力。我國當前的蓄冰空調工程設備主要來自國外，其中絕大部分為靜態蓄冰技術，體積巨大，運行成本高，制冰效率低。與之對應的動態冰蓄冷技術采用制冷劑直接與水進行熱交換技術，極大提高了空調效能，是新建系統以及既有系統的節能改造的主要趨勢。

6 結束語

冰蓄冷中央空調具有節能環保、經濟效益水平高的特出特點，在國內市場具有廣闊的發展空間。文章對冰蓄冷空調改進優化方向和注意因素進行了歸納闡述，希望廣大同行能夠從中受到啟發，從而推動我國冰蓄冷空調技術的不斷前進。

參考文獻

[1]葉英蘭，袁國安，段志成.冰蓄冷空調系統技術經濟性分析[J].節能，2011（Z2）.

[2]王建民.冰蓄冷空調技術探討與應用[J].現代商貿工業，2012（6）.

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

[4]余延順，李迪，李先庭，等.季節性冰雪蓄冷技術的研究現狀與技術展望[J].暖通空調，2005（3）.endprint