內融冰與外融冰結合的盤管式冰蓄冷系統設計

摘" 要：基于運行可控且系統可以模塊化建設，盤管式冰蓄冷技術在電網調峰和改善用能經濟性方面已獲得規模化應用。該文首先對現有內融冰系統和外融冰系統的融冰過程特點展開分析對比，指出各自在取冷速率和蓄冷密度方面存在的不足；隨后提出一種較為詳細的內外融冰結合的盤管式冰蓄冷系統設計，并對該系統的4種典型運行模式進行詳細介紹。該系統可以克服內融冰系統和外融冰系統的技術瓶頸，同時獲得蓄冷密度和取冷速率的提升，具有顯著發展優勢。

關鍵詞：蓄冷空調；冰蓄冷；運行策略；內融冰；外融冰

中圖分類號：TB657" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0150-04

Abstract： Based on the controllable operation and the modular construction of the system， ice-on-coil cold storage technology has been widely used in power grid peak regulation and improving the economy of cooling. Firstly， the characteristics of the melting process of the internal melt ice-on-coil and external melt ice-on-coil systems are analyzed and compared. Then， a more detailed design of coil ice storage system with internal and external melting is proposed， and four typical operation modes of the system are introduced in detail. The system can overcome the technical bottleneck of the internal and external melt ice-on-coil systems， and improve the cold storage density and cooling rate at same time， which has significant development advantages.

Keywords： cold storage air conditioning; ice storage; operation strategy; internal melt ice-on-coil; external melt ice-on-coil

近年來，隨著社會經濟持續發展和人民生活水平的提高，社會電力消費量逐年上漲，城市建筑能耗逐漸成為用電大戶，部分大中城市的供熱供冷用電量已超過其高峰用電量的40%以上。對于辦公、商場等建筑，空調運行時間主要集中在9：00—20：00，而對于居民用戶，用戶較多，負荷相對較大，空調運行時間主要集中在14：00—21：00。集中用熱用冷負荷成為電網產能面臨的重要問題，加劇了電網的峰谷荷差。傳統空調系統的經濟性受限于運行時段的電價政策。蓄冷空調技術可以在夜間谷電時段，通過制冰蓄冰儲存冷量；在日間尖峰電價時段將儲存的冰融化，為空調系統供冷，擺脫電價限制，獲得更好的經濟性，同時可以有效轉移夏季空調負荷，抑制其在高峰負荷上的疊加，有效緩解電網高峰期供應緊缺的矛盾。冰蓄冷就是將水制成冰， 利用冰的相變潛熱進行冷量的儲存。相比于水蓄冷、共晶鹽蓄冷和氣體水合物蓄冷技術，冰蓄冷系統由于具有蓄冷密度高、技術成熟度好和可以模塊化組裝的優點，受到廣泛的研究關注和推廣應用。

1" 內融冰與外融冰技術

典型的盤管式冰蓄冷系統由制冷主機、制冷劑循環泵、蓄冰槽、換熱器、冷水循環泵及相應的閥門組成，冰盤管浸沒于蓄冰槽中，蓄冰和融冰過程均在蓄冰槽內完成。對于內融冰系統和外融冰系統，蓄冰過程是一致的。夜間的谷電時段，制冷主機以制冰模式運行。溫度約為-6 ℃的制冷劑在制冷劑循環泵的驅動下，流入蓄冰槽內的冰盤管，將冰盤管外部、蓄冰槽內部溫度約10 ℃左右的冷水逐步冷卻，冰盤管外側的水逐漸形成冰層，冰層逐漸增厚，直至將蓄冰槽內的水完全凍結或不完全凍結。

內融冰與外融冰的融冰供冷運行原理不同。內融冰系統日間融冰供冷時，制冷主機停止運行，制冷劑循環泵驅動約10 ℃的高溫制冷劑流入蓄冰槽內的冰盤管，將盤管外側的冰層，由近及遠逐步融化，制冷劑被冷卻為約2 ℃。來自用戶側約10 ℃的回流冷水由冷水循環泵驅動，經換熱器與2 ℃的低溫制冷劑間接換熱，冷卻后溫度約5 ℃的冷水為用戶提供冷量，內融冰過程原理如圖1所示。

外融冰系統日間融冰供冷時，制冷主機和制冷劑循環泵均停止運行。冷水循環泵啟動，來自用戶側約10 ℃的回流冷水由冷水循環泵驅動，直接流入蓄冰槽，與蓄冰槽中冰盤管外側0 ℃的冰層直接接觸換熱。由于冷水在蓄冰槽內需要流動，因此冰盤管外側的冰層之間需要留有間隙，不可連成冰橋。冷卻后溫度約1 ℃的冷水為用戶提供冷量，外融冰過程原理如圖2所示。 對比圖1和圖2可知，內融冰的制冷劑與冰盤管外側的冰換熱時，盤管外側熱阻很大，原因在于盤管外側低溫冷水的導熱系數極低且自然對流微弱，取冷速率很低且不可控。外融冰雖然融冰最快且速率可控，但由于冷水流動需要，必須在冰盤管外側的冰層之間留出足夠間隙，因此只能不完全凍結，蓄冷密度較低。

2" 內外融冰結合系統

2.1" 系統組成

鑒于上述內融冰取冷速率低且不可控、外融冰蓄冷密度低的現狀，本文提出一種內外融冰結合的系統設計，該系統原理圖如圖3所示。

系統由基載主機、基載主機冷卻水泵、雙工況主機、雙工況主機冷卻水泵、板式換熱器、蓄冰槽、冷卻塔、乙二醇泵、冷水循環泵及相關的閥門組成。依據用冷負荷變化，本系統可實現基載主機單獨供冷、蓄冰槽單獨供冷、基載主機與蓄冰槽聯合供冷以及基載主機聯合雙工況主機加蓄冰槽3級供冷等幾種典型供冷模式。夜間谷電時段執行蓄冷運行時，雙工況主機以制冰模式運行。閥門E1、E2、E4和E5開啟，閥門E3、E6、E7和E8關閉。乙二醇水溶液經雙工況主機冷卻后，流經冰盤管，供回溫度分別為-6 ℃和-2 ℃，與蓄冰槽內溫度為10 ℃的冷水間接換熱，可將蓄冰槽中的水完全凍結。該系統融冰模式結合供冷運行模式在下文詳細介紹。

2.2" 運行模式

2.2.1" 基載主機單獨供冷

當夜間谷電時段仍有用冷需求，且用冷需求小于基載主機負荷，可選擇啟動基載主機單獨供冷模式。與基載主機回路相關的閥門W1、W3開啟，W2、W4、W5、W6、W7、W8、W9和W10關閉。用戶回水直接經過基載主機降溫，輸送至集中用戶。該模式的優點是可以讓基載主機在低谷電價時段以較高的制冷效率運行，獲得最佳經濟性。

2.2.2" 蓄冰槽單獨供冷模式

當夜間仍有用冷需求，但尚未處于低谷電力時段，或日間尖峰電價時段用冷需求較小，可選擇啟動蓄冰槽單獨供冷模式。供冷側冷水回路的閥門W2、W7、W8、W9和W10開啟，W1、W3、W4、W5、W6和W7關閉。乙二醇回路的閥門E3、E4、E6和E8開啟，E1、E2和E7關閉。乙二醇水溶液被乙二醇泵驅動，經閥門E3進入蓄冰槽內的冰盤管，以內融冰的方式與冰盤管外側的冰層換熱，被冷卻后的低溫乙二醇水溶液經閥門E6進入板式換熱器，與來自用戶回水的冷水發生熱量交換，將冷水進一步冷卻至5 ℃以下，返回用戶。與此同時，另一路用戶回水經閥門W9進入蓄冰槽，以外融冰的方式，與冰盤管外側的冰進行熱量交換，然后經閥門W10回到用戶。該模式運行時，可以根據用冷負荷大小，以及蓄冰槽內冰層凍結情況，采取內融冰優先、外融冰優先或內外融冰結合的模式。

2.2.3" 基載主機與蓄冰槽聯合供冷模式

當夜間或日間用冷需求較大，單獨依靠基載主機或蓄冰槽無法滿足的情況下，可以選擇基載主機與蓄冰槽聯合供冷模式。該模式下，供冷側冷水回路的閥門W1、W2、W3、W7、W8、W9和W10開啟， W4、W5和W6關閉。乙二醇回路的閥門E3、E4、E6和E8開啟，E1、E2和E7關閉。一部分用戶回水直接經過基載主機降溫，輸送至集中用戶。另一部分用戶回水參與蓄冰槽融冰，其運行操作流程同蓄冰槽單獨供冷的融冰過程。

2.2.4" 基載主機聯合雙工況主機加蓄冰槽3級供冷模式

當用戶冷負荷增加劇增，日間用冷需求極大，單獨依靠基載主機或蓄冰槽，以及二者聯合供冷均無法滿足用冷的情況下，可以選擇基載主機聯合雙工況主機加蓄冰槽3級供冷模式。該模式下，供冷側冷水回路的閥門W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8、W9和W10開啟，W3關閉。乙二醇回路的閥門E1、E2、E7和E8開啟，E3、E4、E5和E6關閉。雙工況主機以制冷模式運行，約10 ℃的用戶回水經基載主機冷卻至6 ℃，再經閥門W4、W5、W8進入板式換熱器，與來自雙工況主機的3 ℃低溫乙二醇換熱，冷水被冷卻至4 ℃，經閥門W6、W9進入蓄冰槽，以外融冰的方式與冰盤管外側的冰層換熱，降溫至2 ℃以下，返回用戶。該模式可以提供最大冷量和最低供冷溫度，但是運行能耗較高。

3" "結束語

1）內外融冰結合的盤管式冰蓄冷系統可以有效克服傳統內融冰系統的取冷速率低下和外融冰系統蓄冷密度低的不足，將蓄冰系統的蓄冷密度和供冷能力方面達到最大，一定程度上可以緩解由于用戶冷量需求激增導致的設備擴容壓力，節約設備投資。

2）內外融冰結合的冰蓄冷空調系統運行策略需要綜合用冷負荷大小，以及峰谷電價等因素做出優化，合理選擇供冷模式，確保經濟性最佳。

3）取冷速率和投資成本是制約冰蓄冷空調發展的主導因素。通過內外融冰結合的方式可以極大地解決取冷速率提升的“瓶頸”。后續可以進一步通過研發新型高分子盤管材料降低成本，解決腐蝕性問題，進一步優化蓄冰槽結構和傳輸管路減小系統能耗，提高系統運行效率。

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