冰蓄冷空调系统技术研究

　　电能难于储存，单靠供电机构本身的设备难以达到“削峰填谷”的目标，无法尽量在电力低谷期间使用电力；当然，有些电力公司由于电网调峰能力不足，建设抽水蓄能电站进行调峰，但其系统庞大，初投资和运行费用较高，难以推广。与此相比，冰蓄冷技术系统简单，运行费用低，因此得到较为广泛的应用。
　　空调系统是现代公用建筑与商业用房不可缺少的设施，其耗电量很大，而且基本处于电负荷峰值期。例如，饭店和办公楼每平米建筑面积的空调峰值耗电量约40～60瓦；以北京为例，目前，公用与商用建筑的空调用电负荷约为60万千瓦，约为高峰电负荷的16%，因此，空调负荷具有很大的削峰填谷潜力。据初步测算，如果全国推行冰蓄冷技术，到2011年可望将450万千瓦的空调高峰用电量转移至低谷使用，国家将冰蓄冷空调技术作为重点节能技术措施之一在全国推广。
　　一、蓄冷系统的设备和装置
　　1、蓄冷设备
　　美国制冷工业协会（ARI）1994年出版的《蓄冷设备热性能指南》一书，将蓄冷设备广义地分为显热式蓄冷设备和潜热式蓄冷设备
　　2、蓄冷介质
　　最常用的蓄冷介质是水、冰和其他相变材料，不同蓄冷介质具有不同的单位体积、蓄冷能力和不同的蓄冷温度。
　　由于冰作为蓄冷介质的诸多优点：蓄存的冷量大，蓄冷设备的容积小，蓄存冷水的温度低等，空调工程中的蓄冷介质较多地选用冰。本文介绍的蓄冷空调系统选用冰作为蓄冷介质。
　　3、蓄冷装置
　　包括：水蓄冷装置、冰蓄冷装置、蛇形蓄冰盘管、圆形蓄冰盘管、U形蓄冰盘管、冰球封装式蓄冰设备、冰板封装式蓄冰设备。
　　二、冰蓄冷系统的原理
　　除某些工业空调系统以外，商用建筑空调和一般工业建筑用空调均为非全日空调，空调系统通常每天只需运行10～14小时，而且几乎均在非满负荷下工作。如果空调系统不采用蓄冷技术，机组的制冷量应满足瞬时最大冷负荷的需要，此时，机组的容量比采用蓄冷时的机组容量要大很多，相应地初投资也要高。由此，常规空调联合冰蓄冷技术的复合式系统的应用变得越来越广泛。
　　1、冰蓄冷空调系统的蓄冷方式
　　蓄冰空调按照负荷分配不同分为两种形式：全负荷蓄冰和部分负荷蓄冰。
　　全负荷蓄冰也称负荷转移，其策略是将电力高峰期的冷负荷全部转移到电力低谷期。用电高峰时段制冷机不运行，供冷量全部由电力低谷和平峰时段蓄冰设备蓄存的冷量来承担。运行费用显著降低，但需配置较大的制冷机和蓄冰装置，设备投资较高，且蓄冰装置占地面积大。应用于峰值需冷量大且用冷时间短的建筑，如影剧院、大型会议室等特定场合。
　　全负荷蓄冰负荷分配如下图所示，全天所需冷量B全部由低谷和平峰时段所蓄存的冷量A+C供给。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图全负荷蓄冰负荷分配图
　　部分负荷蓄冰是将电力高峰时段的冷负荷部分转移到低谷和平峰时段，电力高峰时段所需的冷量一部分由蓄冰设备供给，余下部分由制冷机供给。夜间用电低谷时段，制冷机蓄存一定的冷量，日间用电高峰时段，蓄冷设备释冷供应所需的部分冷量，用户初投资和运行费用均较低，广泛运用于宾馆、公寓、酒楼、办公大楼、购物商场、厂房以及医院等各类工业、民用建筑。部分负荷蓄冷系统可以按典型设计日制冷机基本为24小时工作设计，这样，制冷机容量较小，蓄冷系统比较经济合理，称之为负荷均衡蓄冷，是目前常采用的蓄冷方法。
　　部分负荷蓄冰的负荷分配如下图所示，高峰时段所需部分冷量B2由制冷机直接提供，部分冷量B1由低谷和平峰时段蓄冰设备所蓄存的冷量A+C供给。
　
　　
　　　
　　
　　图部分负荷蓄冰负荷分配图
　　2、冰蓄冷空调系统的取冷方式
　　融冰取冷过程按照冰层融化的方向不同分为两种方式：内融冰方式和外融冰方式。
　　外融冰方式：温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化，故称为外融冰方式。由于空调回水与冰直接接触，换热效果好，取冷快，来自蓄冰槽的供水温度可低达1℃左右。此外，空调用冷水直接来自蓄冰槽，故可不需要二次换热装置。但是，为了使外融冰系统能够达到快速融冰放冷，蓄冰槽内水的空间应占一半，也就是说蓄冰槽的蓄冰率不大于50%，故蓄冰槽容积较大。同时，由于盘管外表面冻结的冰层不均匀，易形成水流死角，而使冰槽局部形成永不融化的冰层，故需采取搅拌措施，以促进冰的均匀融化。如在蓄冰槽内设置水流扰动装置，用压缩空气鼓泡，加强水流扰动，使换热均匀。外融冰方式应尽可能每天都把管外所结的冰融化完，以免残冰在再次充冷时堵塞外融冰时的水流通道，这就要求系统应该根据预测的负荷值来蓄冰，以免产生蓄存的冷量不够用或多余的情况。
　　内融冰方式：来自用户或二次换热装置的温度较高的载冷剂（或制冷剂）仍在盘管内循环，通过盘管表面将热量传递给冰层，使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化，故称为内融冰方式。冰层自内向外融化时，由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层，其导热系统仅为冰的25%左右，故融冰换热热阻较大，影响取冷速率。为了解决此问题，目前多采用细管、薄冰层蓄冰。此方式特点是管外可完全结冰，蓄冰槽制冰率高。
　　3、冰蓄冷空调系统的流程图
　　冰蓄冷系统采用温差可以较大的主机上游的串联系统，热泵机组与蓄冰设备联合供冷时，乙二醇溶液首先经过热泵机组在空调工况下降温以保持较高效的工作，再经冰槽的冷却使乙二醇溶液的温度进一步降低，这样板式换热器的进出口处乙二醇溶液可以达到较大的温差，从而使在相同的负荷条件下，串联系统乙二醇溶液的流量较小，因此在相同的条件时串联系统的乙二醇循环泵小于并联系统，其设备投资和运行费用都优于并联系统。而且串联方式管路简单、运行可靠。系统流程如下图所示：
　　
　　
　
　　图冰蓄冷空调系统流程图
　　图中的符号说明：V1、V2、V4、V6均为电动二通双位阀，调节乙二醇流动方向；V3、V5为电动二通调节阀，为该系统的核心部件，可以精确控制进入板式换热器的乙二醇温度。蓄冰空调系统在融冰供冷工况下，从蓄冷装置流出的冷水温度在冰点附近甚至低于冰点，因此若不采取措施，就会在造成能量浪费的同时，还会危及到换热器或末端设备。自控系统通过对冷媒水混水比例调节阀的阀门开度的调节，实现对冷水和回水的比例调节，从而将板式换热器冷媒水侧的进水温度控制在设定值上，将蓄冷量的释放限制在需要范围内，既延长放冷时间，又确保下游设备的安全。
　　三、小结
　　本文介绍了蓄冷空调系统的设备分类，各种蓄冷介质的特点，水或冰蓄冷装置的结构、外形和特点，详细介绍了冰蓄冷空调系统的全负荷和部分负荷蓄冷方式、外融冰和内融冰释冷方式的原理以及整个系统的流程图，为冰蓄冷空调系统的研究应用提供参考。