8℃相變蓄冷技術

廖小亮 曾智勇 董華佳

摘要：指出了自“十二五”規劃以來，可持續發展和能源結構轉型成為我國政府工作的重中之重，合理利用能源為人類社會創造更加美好的現代生活已經成為社會的共識。蓄冷技術能夠按需實現能量的存儲和釋放，從宏觀上起到“移峰填谷”平衡電網的作用;我國電力系統實行分時計價政策，從微觀上可以利用峰谷電價差為用戶節省制冷系統的運行費用。8℃相變蓄冷技術兼備了傳統水蓄冷和冰蓄冷的優點，具有蓄冷密度大、系統簡單的突出優點，是當前蓄冷技術研究和應用的前沿方向，市場前景十分廣闊。

關鍵詞：能源;蓄冷;移峰填谷;8℃相變

中圖分類號：TP392 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0125-04

1 引言

自20世紀80年代以來，我國民眾的生活質量水平逐步提高。尤其進入21世紀，人們對居住、辦公環境不再局限于單一的功能性要求，舒適性制冷已經成為人們日常生活和辦公的剛需。隨著我國城市化進程不斷推進，大中型建筑采用中央空調集中供冷越來越普遍。中央空調集中供冷主要應用于工業生產（恒溫恒濕潔凈室、互聯網大數據中心、藥物生產車間等），商業場所（高端酒店、城市綜合體、辦公樓、購物中心和商場等）以及市政建筑（機場、學校、博物館、軌道交通車站等）。根據應用場景和工藝需求的差異，中央空調產品主要劃分3大類：多聯機（VRV）、單元機以及冷水機組。暖通行業前瞻研究數據表明，2018年我國中央空調供冷行業市場規模首次突破千億元，未來幾年可能仍將保持10%左右的增速（圖1）。

中央空調集中供冷為人們提供了舒適的環境的同時，也加劇了我國電網峰谷負荷不平衡的矛盾。據統計，城市高峰時用電負荷20%-40%是工商業建筑空調制冷消耗的，導致電網負荷率低，系統峰谷差加大，高峰時段電力不足，低谷時段電力得不到有效利用[1]。蓄冷技術作為平衡電網負荷、移峰填谷的一種重要手段，受到了人們的日益重視，在我國正得到推廣使用。2017年，國家能源局發布1701號文件《關于促進我國儲能技術和產業發展的指導意見》，明確提到支持和鼓勵中央空調蓄冷技術的發展。

2 蓄冷技術概述

蓄冷是通過制冷設備在夜間電網低谷時段將冷量儲存到蓄冷介質中，在電力負荷較高的白天也就是用電高峰期，再把儲存的冷量釋放出來，以滿足用戶側冷負荷的需求。蓄冷技術日益受到政府和工程技術界的重視，不僅因為它能夠緩解電網峰谷負荷不平衡的矛盾，而且可以通過蓄冷提高中央空調集中供冷系統的可靠性，同時降低中央空調系統的運行費用。蓄冷技術具有特點如下。

（1）削峰填谷，減少能源浪費，提高電網能源效率。

（2）分布式蓄能，減少蓄能電站建設數量和投資。

（3）降低制冷系統電功率配置，減少輸配電基礎設施投資。

（4）利用峰谷電價差，節省中央空調用制冷系統的運行電費。

目前，比較成熟的蓄冷技術主要有2種：水蓄冷和冰蓄冷。其中，水蓄冷屬于顯熱蓄冷;冰蓄冷在蓄冷過程中，蓄冷介質發生了液一固相變，被歸納為相變潛熱蓄冷。2種蓄冷技術在工商業領域都有了工程應用，但是都有各自的局限性。

水蓄冷系統利用常規冷水機組作為蓄冷的冷源，水管路與常規中央空調系統具有良好的兼容性，是最簡單的蓄冷技術，具有初投資小，技術成熟，系統簡單的優勢。但是，由于水蓄冷是顯熱蓄冷，蓄冷溫差只有5-7℃，蓄冷密度小，約為25MJ/m³，因而水蓄冷系統的占地面積往往很大。基于上述技術特點，水蓄冷技術一般在用地相對寬裕的工業園區應用較多。

冰蓄冷技術具有蓄冷密度大，占地面積小的突出優勢，目前其研究和應用占據了市場的主導地位。結合國外的經驗，冰蓄冷技術的發展歷程已經有了50多年的歷史，出現了冰球蓄冷、盤管蓄冷、動態冰漿蓄冷等多種形式。根據制冰工藝的區別，冰蓄冷技術又可以分為靜態制冰和動態制冰兩種。

（1）靜態制冰：即冰在冷卻管外或封閉容器內凝結，冰本身處于相對靜止狀態。在靜態制冰過程中，隨著制冰量的增加，水與冷源之間的熱阻逐漸增大，能量損失增加[2]。盡管靜態制冰系統簡單，運行穩定，易于實現，目前已成為冰蓄冷系統應用中的主流，但是冰的靜態形成過程換熱效率低，融冰過程負荷跟隨性差，而且換熱管道布置復雜，不便于檢修。

（2）動態制冰：制冰過程中有冰晶、冰漿生成，且冰晶、冰漿處于運動狀態[3]。動態制冰換熱表面不會形成冰層，水與冷源之間熱阻在制冰過程基本保持不變，因而能夠一直保持較高的熱交換效率;由于冰晶、冰漿換熱面積大，容易快速消融，動態制冰技術在放冷過程中的負荷跟隨性比較好。然而，動態制冰裝置系統復雜，運行不夠穩定，容易出現冰堵狀況，需要進一步完善。

此外，由于冰的凝固點溫度是0℃，冰蓄冷技術需要利用雙工況制冰機組作為蓄冷的冷源，以乙二醇作為中間換熱介質，蓄冷效率相對于水蓄冷降低30%一40%（圖2）。

3 8℃相變蓄冷材料

冷水機組中央空調系統的供回水溫度一般設計為7～12℃，在一些大溫差系統中可以設計為5～13℃。對于中央空調蓄冷系統，7～8℃的相變蓄冷材料是最為適宜的。

本文中涉及的8℃相變蓄冷材料的凝固點溫度為8℃，相變焓為143kJ/kg（223 MJ/m³），導熱系數為0.5W/（m·K），無污染，不腐蝕，具有優異的環境友好性（圖3）。

8℃相變材料的潛熱雖然不及冰，但遠比水的顯熱蓄冷大。此外，8℃相變蓄冷系統可以利用常規冷水機組作為蓄冷的冷源，蓄冷材料模塊化封裝，同時具備了水蓄冷和冰蓄冷2種技術的優點，解決了冰蓄冷技術在蓄冷工況制冷機組能效比（COP）低，水蓄冷技術設備占地面積大的瓶頸問題（圖4）。

與冰蓄冷技術相比，8℃相變蓄冷系統制冷冷水機組在蓄冷工況冷媒蒸發溫度提高了9～11℃。研究表明，制冷冷水機組冷媒的蒸發溫度每提高1℃，其COP值提高3%～4%[8]。此外，8℃蓄冷系統沒有類似乙二醇的中間換熱過程，中央空調系統的冷凍水和蓄冷材料直接換熱，換熱損失減少。綜上，8℃相變蓄冷系統的蓄冷效率提高了30%～40%。

與水蓄冷技術相比，在設備和系統形式一樣的基礎上，8℃相變材料的蓄冷密度是水蓄冷的8～9倍，極大地降低了蓄冷系統的占地面積。

目前主流蓄冷方案分為全蓄冷與部分蓄冷，全蓄冷方案運行成本最低，但投資最高，部分蓄冷方案能夠兼顧投資與運營成本的平衡點。與水蓄冷和冰蓄冷一樣，8℃相變蓄冷系統運行模式包括蓄冷模式、冷水機組單供冷模式、蓄冷放冷單供模式、冷水機組直供+蓄冷槽放冷聯合供冷4種模式，冷量吸收一儲存一釋放通過閥門啟閉進行工況切換（圖5）。

4 應用前景

改革開放以來，隨著國民經濟不斷發展和居民收入不斷增長，城鎮化率逐年提高（圖6），采用集中供冷的建筑面積實現了連續穩定增長。目前在全國400億m²既有建筑中，可用到集中供冷的工業和公共大型建筑總量達到80億m²以上，而且每年增量約4億m²。根據全面建設小康社會的目標，2020年我國城市化率達到50%以上，人均GDP超過3000美元[4]。人們生活水平提高，國家城鎮化進程加速，這些都為中央空調集中供冷的發展提供了廣闊的空間。

下面以一個4.8萬m²供冷面積的大型綜合辦公寫字樓為例，進一步闡述8℃相變蓄冷技術在中央空調集中供冷領域的應用優勢。假定大型綜合辦公寫字樓單位面積冷負荷185W/m²，年供冷時長為4～11月，月供冷共計26d，日供冷時長為08：00～22：00。為了直觀比較常規中央空調系統和8℃相變蓄冷系統的優劣，本文主要通過制冷系統主要設備以及制冷系統的運行能耗和運行電費進行詳細分析。

根據冷負荷逐時系數模擬計算，該大型綜合辦公寫字樓最不利工況日總冷負荷為78370.5kW·h/d，為了充分“移峰填谷”，最大化利用峰谷電價差，8℃相變蓄冷系統的設計蓄冷量為26648.0kW·h/d，占最不利工況日總冷負荷34%。

從表2中數據可以看出，增加8℃蓄冷模塊之后，雖然存在換熱損失，但是由于夜晚環境溫度比白天低，蓄冷工況冷水機組的能效比提高，制冷系統運行總能耗基本保持不變;蓄冷模塊通過在谷電時段蓄冷，峰電時段放冷，通過移峰填谷節省系統運行電費，年運行電費節省132.25萬元，降低39.43%。

在保證實現功能需求的前提下，8℃相變蓄冷技術不僅能夠通過蓄冷實現“移峰填谷”，有利于調節當地電力供應負荷平衡、提高能源利用效率，具有很好的節能減排作用，符合國家“十三五”建設資源節約型和環境友好型社會的規劃，而且能夠為用戶節省制冷系統運行費用，具有較好的經濟效益。

5 結語

8℃相變蓄冷技術原理論證可行，具有蓄冷密度.大，系統簡單的突出優點，具有良好的社會效益和經濟效益，發展前景廣闊。目前，8℃相變蓄冷實驗性示范項目運行可靠，大規模工程應用需要進一步完善和改進。任何創新技術的成果轉化和商業推廣離不開國家政策及有關職能部門的支持、鼓勵，我國政府部門應該抓住契機，加快推進8℃相變蓄冷技術的商業應用以及市場推廣。

參考文獻：

[1]晏旺，唐中華.靳俊杰.冰蓄冷技術在空調系統中的應用及發展方向[J].建筑行業節能，2013（5）.

[2]曲凱陽，江憶.過冷水動態制冰的研究[J].暖通空調，2001（2）.

[3]曹勤.動態冰蓄冷蓄冰裝置綜合性能分析[J].潔凈與空調技術，2013（4）.

[4]國家發展和改革委員會發展規劃司.進程（2016-2020）十三五年度報告[R].北京：國家發展和改革委員會發展規劃司，2019.

收稿日期：2020-02-10

作者簡介：廖小亮（1981-），男，助理工程師，主要從事新型儲能材料的制備與應用，儲熱技術在可再生能源利用、建筑節能等領域的應用工作。