冰蓄冷空調(diào)技術(shù)探討

陳 武武漢商學(xué)院，湖北武漢 430056

冰蓄冷空調(diào)技術(shù)探討

陳 武
武漢商學(xué)院，湖北武漢 430056

本文主要介紹了冰蓄冷空調(diào)的工作原理、工作形式及與常規(guī)空調(diào)相比的優(yōu)缺點(diǎn)。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制方式比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)控制方式要復(fù)雜，可以提供多種蓄冰方式實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞娇梢詽M(mǎn)足用戶(hù)不同的供冷需要。

冰蓄冷空調(diào)；潛熱蓄冷；顯熱蓄冷

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的不斷提高，電力的需求愈來(lái)愈大。夏季白天電力負(fù)荷較高，此時(shí)建筑物的空調(diào)系統(tǒng)也全面使用，促使電力負(fù)荷達(dá)到高峰。為了滿(mǎn)足這種電力需求高峰，發(fā)電站必需增加發(fā)電容量。然而夜間負(fù)荷卻急劇下降，形成電力負(fù)荷波谷，有電送不出，造成發(fā)電設(shè)備和電力的雙重浪費(fèi)。尤其過(guò)了夏季，建筑物的空調(diào)系統(tǒng)多數(shù)停止使用，浪費(fèi)現(xiàn)象更為嚴(yán)重。蓄冷技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)電力的移峰鎮(zhèn)谷，即制冷機(jī)在夜間電力低谷時(shí)段運(yùn)行，降低蓄冷劑溫度（甚至凍結(jié)），儲(chǔ)存的冷量來(lái)供應(yīng)全部或部分空調(diào)負(fù)荷，以減少或不開(kāi)制冷機(jī)。這樣既能保證制冷效果，又可降低電站的裝機(jī)容量。另外，用冷場(chǎng)合與產(chǎn)冷場(chǎng)合的時(shí)間、空間發(fā)生矛盾時(shí)，也可使用蓄冷劑。如對(duì)于中、短途冷藏運(yùn)輸，隨車(chē)又沒(méi)有制冷設(shè)備，就可以采用在停車(chē)時(shí)蓄冷，開(kāi)車(chē)時(shí)供冷的方法。

因此蓄冷空調(diào)技術(shù)不僅可以很好地轉(zhuǎn)移尖峰用電至低谷用電的時(shí)間段，也能在一定程度上改善城市峰谷供電平衡減少電站新建數(shù)量和輸配電的損失量，同時(shí)，采用蓄冷空調(diào)技術(shù)也可以起到削峰的作用，防止用電負(fù)荷高時(shí)供電壓力大。

1 冰蓄冷空調(diào)工作的原理

空調(diào)蓄冷的原理就在于其是將電網(wǎng)低谷時(shí)間段“便宜能源”儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)處于需要用大量能量的峰值時(shí)段時(shí)，將事先儲(chǔ)存的冷能釋放出來(lái)，滿(mǎn)足峰值時(shí)期負(fù)荷的要求。目前，由于各國(guó)都在大力研究空調(diào)工程的蓄冷，蓄冷形式種類(lèi)比較多。如果按貯存冷能的形式來(lái)劃分的話(huà)，則可以分為顯熱蓄冷和潛熱蓄冷。

2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1）合理使用能量，平衡城市的用電負(fù)荷，不浪費(fèi)對(duì)發(fā)電廠的擴(kuò)容投資。空調(diào)蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用由于電力部門(mén)實(shí)施峰、谷分時(shí)電價(jià)政策，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)要低，分時(shí)電價(jià)差值越大，得益越大。轉(zhuǎn)移制冷機(jī)組用電時(shí)間，起到轉(zhuǎn)移電力高峰期用電負(fù)荷的作用。有利于提高發(fā)電效率、有效利用能源排放等。從全局而言，具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2）與常規(guī)空調(diào)相比，空調(diào)蓄冷系統(tǒng)的制冷設(shè)備容量小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，一般可減少30%～50%，系統(tǒng)中制冷設(shè)備運(yùn)行的比例增大狀態(tài)穩(wěn)定，提高了設(shè)備利用率，也降低了制冷劑的消耗量和泄漏量，對(duì)于使用氟利昂制冷劑的機(jī)組會(huì)減輕對(duì)大氣臭氧層的破壞。同時(shí)，主機(jī)的容量減少也降低了噪音，改善了工作環(huán)境等。

3）由于制冷系統(tǒng)在夜間工作，冷卻水溫度較低，因此冷凝溫度低，使制冷系統(tǒng)的效率提高。同時(shí)制冷系統(tǒng)在滿(mǎn)負(fù)荷條件下的運(yùn)行比例增大。

4）解決了中短途冷運(yùn)途中用冷場(chǎng)合與產(chǎn)冷場(chǎng)合的時(shí)間或空間矛盾。

要注意的是蓄冷系統(tǒng)并不一定節(jié)電，而是合理地使用峰、谷段的電能。

3 蓄冷常用的形式

1）冷藏用冷板：在四周封閉的夾層板中充入鹽水或醇類(lèi)、烯醇類(lèi)溶液作為冷凍液，并在其中添加一定量的緩蝕劑。板內(nèi)設(shè)有充冷的盤(pán)管、氟利昂、氨等制冷劑工質(zhì)可在盤(pán)管中循環(huán)。這樣就制成了所謂的“冷板”（又稱(chēng)共晶冰板）。充冷時(shí)，制冷劑工作，冷板相當(dāng)于制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，冷凍液盤(pán)管中的制冷劑吸收熱量在相當(dāng)?shù)膬鼋Y(jié)點(diǎn)凍結(jié)成共晶冰。如此，大量冷量被以共晶冰的形式存儲(chǔ)起來(lái)。在制冷機(jī)停止工作時(shí)，共晶冰吸收融化，為被冷卻對(duì)象提供冷量。將裝有冷凍液的冷板安裝的隔熱的冷運(yùn)工具里，就可以在運(yùn)輸途中釋放很大的蓄冷量。

冷板用冷凍液通常分為高溫和低溫兩大類(lèi)。高溫冷凍液（如硝酸鉀）凍結(jié)，用來(lái)運(yùn)輸蔬菜水果等易腐爛貨物；而低溫冷凍液（如氯化鈉）可用來(lái)運(yùn)輸肉類(lèi)、冰激凌等貨物。

2）水蓄冷：從1960年代開(kāi)始，發(fā)展了利用夜間廉價(jià)電力的水蓄冷及時(shí)。它是利用顯熱蓄冷的一種方式。蓄冷劑水（即冷凍水一般存儲(chǔ)的溫度為4℃～7℃，供水、回水溫度差為5℃～11℃，使用常規(guī)空調(diào)冷水機(jī)組制取7℃左右冷凍水就可實(shí)現(xiàn)。也有些地方可利用消防水池做蓄冷池。

3）冰蓄冷：冰蓄冷是潛熱蓄冷的一種方式，冰蓄冷每公斤蓄冷量比水蓄冷每公斤蓄冷量高16倍。在提供同樣容量冷量的條件下，蓄冰槽的容積是徐水草的1/3。法國(guó)的西亞特是最早將蓄冰球商業(yè)化的公司。它的蓄冷裝置是一個(gè)小的獨(dú)立冰球，將冰球放在充滿(mǎn)乙二醇溶液的蓄冰槽內(nèi)，通過(guò)乙二醇溶液的流動(dòng)來(lái)進(jìn)行冰球的換熱，充冷時(shí)，夜間電力驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，載冷劑乙二醇溶液流經(jīng)制冷機(jī)組中的蒸發(fā)器，獲得冷量后留至蓄冷裝置，使蓄冷裝置內(nèi)的冰球結(jié)成冰晶，將冷量?jī)?chǔ)存起來(lái)，冰球的結(jié)構(gòu)如圖1所示。釋放冷量時(shí)，通常制冷機(jī)組不運(yùn)行，載冷劑乙二醇水溶液流經(jīng)蓄冷裝置，冰球內(nèi)的冰晶融化，將儲(chǔ)存的冷量帶出，送往空調(diào)用戶(hù)。蓄冰球的特點(diǎn)是一般使用PE材料為外殼，耐腐蝕，使用壽命可以達(dá)到20年以上；球內(nèi)使用了專(zhuān)業(yè)配方的添加劑，可以使冰球內(nèi)的水結(jié)冰適度快，快速形成晶核，過(guò)冷溫度低，提高了蓄冰時(shí)的效率；在使用中如果發(fā)生個(gè)別冰球破損不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行；由于乙二醇溶液在冰球外循環(huán)，與傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)類(lèi)似，蓄冰容量主要看蓄冰槽的大小，系統(tǒng)改造方便；在結(jié)冰和融冰的過(guò)程中，蓄冰球一直處在懸浮狀態(tài)，適用于整地面、地上、開(kāi)式、閉式、鋼制、混泥土制的蓄冰槽中維護(hù)方便。

另外，使蓄冷槽中的水結(jié)成冰制冷機(jī)組必須提供-3℃～-5℃的低溫，這比常規(guī)空調(diào)用冷凍水的溫度要低10℃左右。因此。不能使用常規(guī)的空調(diào)用冷水機(jī)組制冰，需用能夠制冰的制冷機(jī)組。與利用顯熱的水蓄冷相比，雖需要提供-3℃～-5℃的低溫（蒸發(fā)溫度），但由于釋放冷時(shí)能夠獲得低溫載冷劑供空氣處理系統(tǒng)使用，空調(diào)用戶(hù)就可以采用低溫送風(fēng)。這樣不僅可以減少送風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的尺寸，而且能降低輸送的耗電減少管道尺寸和水泵電量消耗，從而節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

4 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制方式比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)控制方式要復(fù)雜，可以提供多種蓄冰方式提供最大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞娇梢詽M(mǎn)足用戶(hù)不同的供冷需要。某辦公樓采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)使用面積5 600m2，夏季最大冷負(fù)荷900kW，夏季全日冷負(fù)荷6 870kW、采用水冷雙螺桿雙工況冷水機(jī)組和一套冰球蓄冰裝置：槽蓄冰量3 600kW/h，體積80m3，冰球70m3。載冷劑為乙二醇溶液。系統(tǒng)控制流程如圖2。

通過(guò)上圖可心看出，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)和乙二醇系統(tǒng)3部分組成。而一般常規(guī)調(diào)系統(tǒng)只有冷凍水和冷卻水系統(tǒng)。因此，冰蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的控制要復(fù)雜。下面簡(jiǎn)便介紹冰蓄冷空調(diào)的幾種控制方式的系統(tǒng)流程：

1）機(jī)組制冰模式：主要在夜間電費(fèi)低時(shí)運(yùn)行方式。乙二醇初級(jí)泵運(yùn)行，經(jīng)過(guò)機(jī)組降溫，將蓄冰槽內(nèi)的冰球降溫至球內(nèi)的水結(jié)成冰，將冷量存儲(chǔ)起來(lái)。

2）融冰供冷模式：夜間蓄冷完畢后白天利用蓄冰槽內(nèi)冰球的冷量給末端設(shè)備供冷。此模式下次級(jí)泵開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)板式換熱器，兩通閥、蓄冰槽、三通閥等設(shè)備完成循環(huán)過(guò)程，三通閥的3支路主要是起到調(diào)節(jié)流量而調(diào)節(jié)板換的溫度的作用，當(dāng)板換出口溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，三通閥2支路開(kāi)啟度增大，乙二醇循環(huán)水不經(jīng)過(guò)蓄冰槽降溫直接回到次級(jí)泵，在融冰模式下主機(jī)不用開(kāi)啟只需給次級(jí)泵供電。

3）聯(lián)合供冷模式：此種模式蓄冰槽內(nèi)必須預(yù)先蓄冰。主機(jī)、蓄冰槽、初級(jí)泵、次級(jí)泵都開(kāi)啟，一起給板式換熱器供冷，來(lái)降低冷凍水的溫度。

4）機(jī)組供冷模式：機(jī)組供冷模式時(shí)主機(jī)、次級(jí)泵、三通閥開(kāi)啟、蓄冰槽關(guān)閉。主機(jī)直接通過(guò)板式換熱器給冷凍水側(cè)的末端設(shè)備降溫。

5 結(jié)論

任何事物都有兩面性，冰蓄冷空調(diào)同樣也有其缺點(diǎn)，首先是其初投資比常規(guī)空洞系統(tǒng)大，一般要大1/3以上，其次機(jī)房占地而積比常規(guī)空調(diào)大，蓄冰槽需要大量位置安置；再次，增加了設(shè)計(jì)、施上及調(diào)試難度。運(yùn)行管理比較復(fù)雜，由于設(shè)備比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜，增加了后期管理維護(hù)難度，維護(hù)費(fèi)用較高。

通過(guò)以上分析，盡管采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加了初投資，但是大大減少了運(yùn)營(yíng)期運(yùn)行費(fèi)用，且增加的投資額可以在一定年限內(nèi)通過(guò)運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省收回。

［1］嚴(yán)德隆，張維君.空調(diào)蓄冷應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997（5）.

［2］莊友明.冰蓄冷空調(diào)的運(yùn)行模式及制冷主機(jī)容量確定［J］.流體機(jī)械，2003（2）：56-59.

［3］李先庭，張雁.冰蓄冷串聯(lián)系統(tǒng)節(jié)能力法研究［J］.制冷技術(shù)，2001（1）：26-28.

TB6

A

1674-6708（2016）168-0177-02

陳武，實(shí)驗(yàn)師，武漢商學(xué)院機(jī)電工程系，研究方向?yàn)橹评渑c空調(diào)。