新型流態冰蓄冷與常規冰蓄冷系統對比研究

訾 潔，楊紹陽，田 野

（1.山東同圓建設工程施工圖審查有限公司，山東 濟南 250101；2.同圓設計集團有限公司，山東 濟南 250101）

1 冰蓄冷簡介

一幢建筑物中，空調通風系統的能耗占建筑總能耗的50%～60%，而制冷機房內的制冷設備能耗又占了空調通風系統總能耗的50%～60%左右（相當于建筑總能耗的25%～35%），故采用合理、高效的冷源形式，對于整個項目的運行節能及經濟收益都具有十分重要的意義。與常規空調相比，冰蓄冷空調系統只比常規空調系統增加了一個蓄冰裝置，蓄冰裝置的形式多種多樣，一般有蓄冰盤管、蓄冰球、蓄冰桶等。冰蓄冷系統在夜間用電低谷時間段滿負荷開啟雙工況制冷機組制冰，將制得的冷量儲存在蓄冰池內，白天用電高峰時間段雙工況制冷機組按空調工況開啟或不開啟，配合融冰系統，滿足末端部分或全部的用冷需求。

蓄冰系統具有良好的社會效益和經濟效益：對于國民經濟來說，可以轉移電力高峰用電量，平衡電網的峰谷差，提高發電機組效率，優化電力資源的配置，減少新建電廠和輸變電設施的投資；對于用戶來說，利用夜間谷值低電價制冷，可以節省運行費用，減少制冷機組及附屬設備的裝機容量，減少相關設備一次電力的投資，提高運行過程中制冷機組的利用率。目前各地方均出臺相關政策法規，對電力用戶實行峰谷分時電價、季節性電價以及可中斷負荷電價制度，鼓勵電力用戶合理調整用電負荷，針對蓄冷有更優惠的電價政策，為冰蓄冷的推廣使用提供了更好的保障。

2 兩種新型流態冰蓄冷系統的介紹

（1）清水冰漿蓄冷系統。清水冰漿蓄冷系統采用過冷水式冰漿蓄冷技術，以普通清水為蓄冷介質，采用板式換熱器換熱制取過冷水，再通過超聲波輻射轉化為冰漿，換熱效率高、能耗低，蓄冷介質安全、衛生、廉價。動態制冰的基本技術過程為制冷主機提供-3℃的冷卻介質（一般為20%乙二醇溶液），使0℃以上的水通過板式換熱器降溫至-2℃的過冷水，本環節只換熱不結冰，然后通過動態制冰機組，采用超聲波誘導結冰，產生0℃以下的冰漿，本環節只結冰不換熱，通過冰晶過濾器和動態制冰機的冷卻水防凍旁流，可以徹底避免冰層對換熱效率的不利影響。動態冰漿系統可集成不同型號的模塊化機組，只需根據蓄冷能力要求選型匹配即可，如同制冷主機、水泵等設備的選型設計一樣簡單方便。設備核心以換熱部件為主，無運動磨損部件，可靠性高，在正常保養條件下使用壽命不短于制冷主機。（2）低濃度乙二醇溶液蓄冷系統。低濃度乙二醇溶液蓄冷系統中流態冰是一種溶液中含有無數個微小冰晶的相變載冷劑，冰晶在一定溫度下的溶液（主要是低濃度乙二醇）中形成。制冰主機和冰晶生成器為一體機組，相對于常規蓄冷系統，系統簡單，省去了蓄冰盤管，乙二醇充注量小，從雙工況制冰機組出水為-1～-3℃的3.5%乙二醇流態冰漿，采用乙二醇泵輸送至蓄冰槽，蓄冰槽內為3.5%乙二醇冰水混合物。低濃度乙二醇溶液蓄冷系統圖流程如圖1所示。

圖1 低濃度乙二醇溶液蓄冷系統圖

以上兩種流態冰蓄冷系統均利用了過冷水技術，冷量損失小，機房布置也簡單。清水冰漿采用常規雙工況機組和動態制冰機的形式，方便配合多數制冷機組廠家配合。低濃度乙二醇冰漿采用一體機，系統更簡單，集成度更高。

3 新型流態冰蓄冷與常規冰蓄冷系統的對比分析

（1）制冰過程。①靜態冰蓄冷（冰盤管）。冰盤管蓄冷系統中冷媒在-5～-7℃蒸發，制冷機組首先需要將高濃度乙二醇溶液（20%左右）冷卻至-6℃，然后通過乙二醇泵把高度濃度乙二醇溶液輸送至蓄冰槽內的鋼制盤管，最后通過換熱將蓄冰槽內的清水凝結成冰。冰盤管蓄冷系統制冰過程存在兩個缺陷：一是制冰系統蒸發溫度偏低，蒸發溫度每降低1℃，制冷效率降低3%，導致制冰能耗高（COP約為3.5～3.8）；二是制冰過程中后期，鋼制盤管管壁外的冰成為乙二醇與水之間的熱阻，制冰效率會越來越低。②流態冰蓄冷。流態冰蓄冷系統中冷媒的蒸發溫度可提高至-3℃左右，制冰過程可直接將清水制成流態冰（絮狀流態冰）。

流態冰蓄冷系統有兩大優點：制冰過程中冷媒采用直接蒸發換熱，蒸發溫度得以提高，制冰過程系統能效提高（COP約為4.0～4.5）；制冰過程不存在結冰的熱阻，系統始終維持在高效段。

（2）融冰過程。①靜態冰蓄冷（冰盤管）。冰盤管蓄冷系統釋冷時，空調冷凍水通過板式換熱器與鋼制盤管內的乙二醇溶液進行換熱，換熱后的“高溫乙二醇”再通過鋼盤管與蓄冰池內的冰進行換熱。此系統融冰過程存在以下問題：在末端用冷高峰時期以及換熱中后期，蓄冰槽內的水會成為冰與鋼盤管內的乙二醇之間的熱阻，換熱效率會逐步降低，導致高峰期或換熱中后期融冰放冷能力不足，需要重新開啟制冷主機；尤其是到融冰末期，冰塊漂浮于水面，無法與盤管內的乙二醇進行直接換熱，冷凍水供水溫度升高，供冷效果降低，同時由于蓄冰槽內浮冰無法有效利用，浪費了部分蓄冰冷量，導致系統釋冷率偏低，一般為85%～90%。②流態冰蓄冷。流態冰系統的蓄冰槽內為冰水混合物，絮狀冰漂浮在水的上方，蓄冰率高達60%（即冰與水的比例為6∶4）。融冰時，蓄冰池下方的冰水混合物經循環水泵抽出，與板式換熱器換熱后的“高溫乙二醇溶液”快速進入絮狀冰進行換熱。冰槽內放冷回水與冰漿之間不存在換熱熱阻，經過實測，8h蓄冷量可在2h內放冷完畢，融冰放冷能力可達蓄冷主機能力的4倍以上，且在整個換熱過程中，冰水換熱面積保持不變，故流態冰蓄冷系統出水溫度恒定，理論釋冷率可達100%。

（3）系統輸送能耗。靜態冰蓄冷與流態冰蓄冷系統主要輸送能耗（一次側）對比如表1所示。在不同工況下，系統主要能耗對比如表2所示。在同樣制冰情況下，流態冰蓄冷系統的輸送能耗僅為靜態冰蓄冷系統的60%左右。

表1 靜態冰蓄冷與流態冰蓄冷系統主要輸送能耗（一次側）表 單位：m水柱

表2 靜態冰蓄冷與流態冰蓄冷系統各工況輸送能耗（一次側）表 單位：m水柱

（4）系統安裝。①靜態冰蓄冷（冰盤管）。冰盤管蓄冷系統中主要設備為雙工況制冷機組及蓄冰盤管。蓄冰盤管由鋼板卷焊而成，數量多，重量大，吊裝、安裝、現場二次搬運困難，在整個制冷機房的安裝過程中，單蓄冰盤管的安裝費用大約可占比50%。②流態冰蓄冷。流態冰蓄冷系統中主要設備為動態制冰機組或雙工況制冷機組，流態冰溶液可采用常規水泵直接輸送至蓄冰池，在蓄冰池內，由于冰的密度比水低，因此冰會漂浮于水的表面。流態冰蓄冷系統省去了鋼盤管，現場安裝簡單，安裝費用低。

（5）機房面積。①靜態冰蓄冷（冰盤管）。為提高安裝效率在冰盤管蓄冷系統中，蓄冰槽一般為模塊產品，尺寸不可隨意改動。另外，由于蓄冰槽內鋼制盤管的特殊構造要求，異形空間無法利用。此外冰盤管蓄冷系統的蓄冰率偏低，一般為50%。由于以上原因，冰盤管蓄冷系統的占地面積較大，對空間的利用率僅為60%左右。②流態冰蓄冷。流態冰蓄冷系統，蓄冰池內為冰水混合物，無鋼制盤管，所以蓄冰池可根據場地情況任意布置，既可以做土建混凝土蓄冰槽，又可以做不銹鋼蓄冰槽，甚至也可以做異形蓄冰槽。流態冰對空間的利用率可達到90%以上。綜合以上兩點，流態冰蓄冷系統較靜態冰蓄冷系統，機房占地面積可節約10%以上。

（6）系統維保及可靠性。①靜態冰蓄冷（冰盤管）。冰盤管蓄冷系統載冷劑采用高濃度乙二醇溶液（20%左右），載冷劑腐蝕性較大，需增加乙二醇穩壓補液系統；此外，鋼盤管總長度超過1km，施工過程中焊點較多，如發生漏液情況，檢修、排查難度大，系統可靠性差。②流態冰蓄冷。新型流態冰蓄冷系統安裝空間適應性強，蓄冰槽內無制冰設備，任意形狀任意尺寸均可，可因地制宜，充分利用現場既有空間。蓄冷介質為普通自來水，安全環保，且乙二醇不凍液用量極少。制冰設備置于槽外，維修保養簡單方便。蓄冰槽內無換熱設備，冬季可作為蓄熱水槽。

4 結論

（1）應用新型流態冰蓄冷技術，制冷主機出水溫度相比傳統靜態冰蓄冷可提高3～4℃，能效比（COP）可提高15%左右，制冷機制冰工況系數，即制冰工況與空調工況制冷能力的比值也得以提高，且蓄冰過程換熱和結冰過程分離，避免冰層熱阻，系統熱交換效率提高。（2）新型流態冰蓄冷系統，放冷回水與冰漿直接滲透接觸，融冰放冷能力可達蓄冷主機能力的4倍以上，具備在電價高峰時段全停主機的全移峰能力，實現用戶經濟效益最大化。（3）在新型流態冰蓄冷系統釋冷過程中，冰水換熱面積保持不變，故放冷時大部分時間冰槽取水溫度接近1℃，具備滿足某些特殊工藝用冷的條件。（4）新型流態冰蓄冷安裝空間適應性強，乙二醇充注量少，安全環保，維修保養簡單方便，冰槽可兼容冬季蓄熱使用。