冰蓄冷空調技術在電網調峰中的應用

摘" 要：蓄冷空調系統利用蓄冷系統儲存冷量，在用電和用冷高峰期供冷，可以服務于電網調峰，也具有在峰谷電價政策下降低用能成本的潛力。該文首先介紹現有的蓄冷空調系統的技術原理與技術特點；隨后針對冰蓄冷空調系統的典型技術類型的運行原理和優缺點展開深入分析。最后，從系統運行策略層面對比全量蓄冷模式和分量蓄冷模式的適用性和制定策略的綜合考慮因素，通過與常規空調系統的運行策略進行對比，突顯冰蓄冷空調技術的發展優勢。

關鍵詞：蓄冷；空調；電網調峰；運行策略；融冰

中圖分類號：TK02" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0166-04

Abstract： The cold storage air conditioning system uses the cold storage system to store cold capacity and supply cold during the peak periods of power consumption and cooling， which can not only serve the power grid peak regulation， but also has the potential to reduce the energy cost in the peak-valley electricity price policy. This paper first introduces the technical principle and technical characteristics of the existing cold storage air conditioning system， and then makes an in-depth analysis of the operation principle， advantages and disadvantages of the typical technical types of ice storage air conditioning system. Finally， from the level of system operation strategy， the applicability and comprehensive considerations of full cold storage mode and component cold storage mode are compared， and the development advantages of ice storage air conditioning technology are highlighted by comparing with the operation strategy of conventional air conditioning system.

Keywords： cold storage; air conditioning; power grid peak regulation; operation strategy; ice melting

隨著國內外經濟建設持續快速發展， 能源消耗及污染物排放總量逐年上升，節能減排的壓力日益增加。我國建筑能耗占總能耗的20%以上，夏季空調負荷約占建筑能耗的60%[1]。因此使用蓄冷空調技術，在夜間利用電網低谷電力蓄冰，在日間用電高峰時段將冰融化為空調系統供冷，可以實現“移峰填谷”的效果，達到電網調峰目的。當前我國多個地區正在實施峰谷電價政策，甚至局部地區出臺了對蓄冷空調系統免征電力增容費的政策，都有力地提高了蓄冷空調技術的經濟性[2]。因此當前發展蓄冷空調技術具有積極的社會意義和經濟效益。蓄冷空調技術依據工作介質，可以分為水蓄冷、冰蓄冷、共晶鹽蓄冷和氣體水合物蓄冷4種形式[3]。水蓄冷是利用儲罐內冷水的顯熱進行蓄冷的，其在夜間用電制出約7 ℃的水，供給白天時的空調工作。其優點是無須專門設備，可直接與常規空調系統匹配，方便常規空調系統的改造，生產技術簡單，投資小。缺點是蓄冷密度低，需要較大的儲罐容積；冰蓄冷是利用冰的相變潛熱來儲存冷量，其制冷溫度為-4～7 ℃。其特點為蓄冷密度大，且供冷溫度穩定，占用空間相對較小， 易做成標準化設備。但其制冷溫度相對較低，使制冷機的效率相比水蓄冷有所降低；共晶鹽蓄冷利用水合鹽的相變潛熱蓄冷[4]，制冷溫度為4～10 ℃，主要優點是無須增設制冷系統。缺點是對蓄冷的共晶鹽介質有一定的要求，常見的共晶鹽材料蓄冷密度較低，不到冰蓄冷的一半，換熱性能差，價格高昂；氣體水合物蓄冷技術[5]是利用氣體水合物可以在水的冰點以上結晶固化的特點形成的特殊蓄冷技術，具有比冰更高的相變溫度和更寬的相變溫度范圍，但是該類技術當前成熟度較低。冰蓄冷技術的技術成熟和綜合性能相對較好。根據制冰、融冰過程不同，冰蓄冷技術可分為靜態制冰和動態制冰2類[6]。其中靜態制冰包含盤管式和封裝式；動態制冰包含冰片滑落式和冰漿式[7]。本文對冰蓄冷技術特點與發展趨勢進行了詳細介紹。

1" 盤管式冰蓄冷技術

1.1" 內融冰

典型的內融冰系統原理圖如圖1所示。系統由雙工況主機、乙二醇循環泵、蓄冰槽、板式換熱器、冷水循環泵及相應的閥門組成。夜間谷電時段蓄冰，乙二醇回路的閥門E1、E3、E4開啟，E2、E5、E6關閉。雙工況主機以制冰模式運行。乙二醇水溶液在乙二醇循環泵的驅動下，經雙工況主機冷卻，流入蓄冰槽內的冰盤管，供回溫度為-5 ℃和-2 ℃，與蓄冰槽內溫度為10 ℃左右的冷水進行間接換熱，將蓄冰槽內的水完全凍結或不完全凍結。日間融冰供冷時，乙二醇回路的閥門E1、E3、E4、E5、E6開啟，E2關閉。雙工況主機停止運行，乙二醇循環泵驅動乙二醇水溶液流入蓄冰槽內的冰盤管，供回溫度為10 ℃和5 ℃，與蓄冰槽內溫度為0 ℃以下的冰進行間接換熱，將冰逐漸融化。集中用戶側的冷水由冷水循環泵驅動，經板式換熱器與低溫乙二醇溶液間接換熱，冷卻后的冷水為集中用戶提供冷量。內融冰系統在蓄冰和融冰時，都需要通過冰盤管內的乙二醇水溶液受迫流動進行間接換熱。特別是融冰供冷時，乙二醇水溶液與冰盤管外側的冰之間的熱阻很大，其瓶頸在于盤管外側低溫冷水的導熱系數極低且自然對流微弱，難以有效提升換熱能力，極大地制約了系統取冷速率。

1.2" 外融冰

典型的外融冰系統原理圖如圖2所示。系統設備組成與內融冰系統相似，但管路結構和融冰過程的運行方式有差異。夜間谷電時段蓄冰，乙二醇回路的閥門E1、E3、E4開啟，E2、E5關閉。雙工況主機以制冰模式運行。乙二醇水溶液在乙二醇循環泵的驅動下，經雙工況主機冷卻，流入蓄冰槽內的冰盤管，供回溫度為-5 ℃和-2 ℃，與蓄冰槽內溫度為10 ℃左右的冷水進行間接換熱，使蓄冰槽內的水逐漸不完全凍結，在冰盤管外側形成約25 mm厚的冰層。日間融冰供冷時，乙二醇回路停止循環，雙工況主機停止運行。集中用戶側的冷水回路中，閥門W1關閉，W2開啟。系統冷水循環泵驅動蓄冰槽中未結冰的冷水，以直接換熱的方式，將冰盤管外側凍結的冰逐漸融化，低溫冷水直接送至集中用戶供冷，供回水溫度分別為2 ℃和10 ℃。內、外融冰系統的蓄冰過程是一致的。2種系統的不同之處在于，外融冰系統在融冰供冷時，蓄冰槽內的冷水與冰盤管外側的冰可以直接接觸，且冷水由冷水循環泵驅動可以強迫對流換熱，換熱能力顯著增強，且可控制調節。取冷速率顯著優于內融冰系統。但是由于外融冰系統在融冰時需要依靠蓄冰槽內未凍結的冷水循環流動進行換熱，因此，冰盤管外側的結冰厚度需要控制適當，避免在冰盤管之間形成冰橋，影響融冰過程。因此外融冰系統在蓄冰時，只能是不完全凍結，導致蓄冷密度低于內融冰系統。

2" 封裝式蓄冷技術

封裝式冰蓄冷是將封閉在一定形狀殼體容器內的水制成冰的過程。按容器形狀可分為球形、板形和表面有多處凹窩的橢球形。封裝式冰球蓄冷系統如圖3所示。夜間谷電時段蓄冰，乙二醇回路的閥門E1、E3、E4開啟，E2、E5、E6關閉。雙工況主機以制冰模式運行。乙二醇水溶液在乙二醇循環泵的驅動下，經雙工況主機冷卻，流入蓄冰槽，供回溫度為-6 ℃和-2 ℃，與蓄冰槽內堆積的封裝球進行換熱，使封裝球內溫度為10 ℃左右的冷水逐漸完全凍結。日間融冰供冷時，乙二醇回路的閥門E1、E3、E4、E5、E6開啟，E2關閉。雙工況主機停止運行，乙二醇循環泵驅動乙二醇水溶液流入蓄冰槽，供回溫度為12 ℃和5 ℃，與蓄冰槽內溫度為0 ℃以下的蓄冰球進行間接換熱，使封裝球內的冰逐漸融化。集中用戶側的冷水由冷水循環泵驅動，經板式換熱器與低溫乙二醇溶液間接換熱，冷卻后的冷水為集中用戶提供冷量。冰球蓄冷系統在蓄冰和融冰時，都需要通過乙二醇水溶液在蓄冰槽內流動起來與固定堆積的蓄冰球進行換熱。蓄冰球在蓄冰槽內的堆積排布方式需要兼顧乙二醇水溶液流動需要。蓄冰球內部的熱阻很大，殼體內側低溫冷水的導熱系數極低且自然對流微弱，難以有效提升換熱能力，極大地制約了系統取冷速率。另外由于水在液相到固相轉變過程中，體積增大，為防止殼體漲裂，殼體內部容積只能至多封裝70%左右的液體。因此封裝式蓄冷系統的蓄冷密度低于完全凍結的內融冰系統。

3" 冰片滑落式蓄冷技術

冰片滑落式動態蓄冷系統由壓縮機、冷凝器、蒸發板、循環泵及相關閥門組成，如圖4所示。制冰時，閥門V2、閥門V4關閉，閥門V1、閥門V3開啟。低溫制冷劑流入蒸發板。冷水循環泵將水輸送到蒸發板上方噴灑，然后在蒸發板的表面結冰。當冰達到一定厚度時，閥門V1關閉，閥門V2開啟，通過壓縮機的高溫制冷劑進入蒸發板，使冰片脫落滑入蓄冰槽內。該系統充冷溫度約為-5 ℃， 釋冷溫度為1～3 ℃，該蓄冷方式融冰速率快，換熱性能好。但其蓄冷密度低于完全凍結的內融冰系統，且設備初投資較高。

4" 冰漿式蓄冷技術

動態冰漿蓄冷系統如圖5所示。系統由壓縮機、冷凝器、蒸發器、蓄冰槽、冰水循環泵及閥門等設備組成。冷水循環泵從蓄冰槽中將冷水輸送至蒸發器，與制冷劑換熱，溫度降到0 ℃以下，但此時并未結冰，而是呈過冷水狀態，經過冷解除之后，過冷狀態被破壞，成為冰漿與水的混合物進入蓄冰槽，冰漿與水分離，懸浮于蓄冰槽的上部，而下部的水繼續循環制冰。由于冰漿在生長過程中難以控制，很容易變大成冰塊，系統的運行及冰漿的運輸很不穩定，這些因素限制了過冷水動態制冰系統在實際工程中的推廣應用。

5" 冰蓄冷空調系統運行策略

由于冰蓄冷空調系統利用峰谷電價運行，蓄冰率與次日的用冷量相關，只有合理的控制蓄冰量，才能具備更好的經濟性。冰蓄冷空調系統的蓄冷模式有全量蓄冷和分量蓄冷2種模式。全量蓄冷模式下，用戶日間所需冷量全部由蓄冰槽供冷，如圖6所示。夜間蓄冰量大，可以最大程度實現對電網“削峰填谷”的作用。但是所需的蓄冰槽容量大，占地多，初投資大。

分量蓄冷是用戶日間所需冷量由機組和蓄冰槽聯合提供。分量蓄冷模式依據基礎冷負荷來源，又可分為融冰優先模式和機組優先模式。融冰優先模式如圖7所示，日間所需冷負荷以蓄冰槽提供為主，波動部分由機組臨時調度提供。所需蓄冰槽容量相比全量蓄冷小，但是高于機組優先模式，因此運行費用低于機組優先模式。機組優先模式如圖8所示，日間所需冷負荷以機組提供為主，波動部分由蓄冰槽臨時調度提供。所需蓄冰槽容量最小，但是日間尖峰電價時段用電量最大，因此運行費用高于全量蓄冷模式和融冰優先模式。與常規空調系統項目，冰蓄冷空調系統可以利用到夜間低谷電價，因此具有更好的經濟性。但是冰蓄冷空調系統實際運行中，其經濟性受運行能耗、冷量損耗、氣象參數、負荷變動及峰谷電價政策等諸多因素影響，運行策略需要綜合分析及時做出調整，才能確保獲得最佳的經濟性。

6" 結束語

1）相比水蓄冷空調技術，冰蓄冷空調技術具有更高的蓄冷密度和更低、更穩定的供冷溫度。

2）內融冰系統可以完全凍結，蓄冷密度最高，但是取冷速率低，進一步提高時存在瓶頸；外融冰系統取冷速度高且可控，但是只能不完全凍結，且需要避免在冰盤管外側形成冰橋，蓄冷密度稍低。封裝式蓄冷系統也存在蓄冰和融冰速率提升和控制的瓶頸；冰片滑落式蓄冷系統蓄冰和融冰速率極高，但是蓄冷密度較低，初投資較大；冰漿式蓄冷系統蓄冷密度僅次于內融冰系統，取冷速率高，但是控制難度大。

3）冰蓄冷空調系統運行策略需要綜合考慮運行能耗、冷量損耗、氣象參數、負荷變動及峰谷電價等因素做出優化，合理分配峰時、谷時、平時制冷機組直接供冷和蓄冰槽融冰供冷的比例，確保經濟性最佳。

4）目前，制約冰蓄冷空調發展的因素主要為取冷速率和投資成本。冰蓄冷作為未來重點發展的儲冷技術之一，通過研發新型盤管材料和傳熱結構降低成本和熱阻[8]，優化蓄冰槽結構和傳輸管路減小系統能耗、提高運行效率，是今后發展的重點方向。此外，各地需要因地制宜地擴大峰谷電價差值，綜合評估和鼓勵冰蓄冷空調系統對電網調峰的貢獻和效益。

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