冰蓄冷关键技术及其应用.doc

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( - 年第二学期)

课程论文题目：冰蓄冷技术及其应用
研究生：欧阳光
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制冷空调过程节能新技术
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冰蓄冷技术及其应用
摘要：本文在简介了冰蓄冷技术特点基本上，阐述了冰蓄冷技术对电力调峰、平衡电网及节能减排意义；并结合工程实际，分析了与冰蓄冷空调相结合低温送风系统经济性;并简要简介了冰蓄冷与热泵组合式空调系统优势。展望了新型冰蓄冷系统发展前景。
核心词： 冰蓄冷 削峰填谷 节能 低温送风系统

1 引言
改革开放以来，国内经济高速发展和人民物质生活水平不断提高，对电力供应不断提出新挑战。尽管全国发电装机容量不断增大，然而，电力供应仍很紧张，特别是夏季有些地方不得不采用拉闸限电办法解燃眉之急。因而，改进电力供应紧张状况和电力负荷环境已成为某些大中都市首要任务。长期以来空调系统是能耗大户，而空调系统用电负荷普通集中在电力峰段，因而对都市电网具备很大“削峰填谷”潜力。基于这种“削峰填谷”想法，空调系统中浮现了冰蓄冷机组，它运用半夜后来低谷电制冰，储存到白天用电高峰时供冷。而冰蓄冷技术和低温送风空调系统相结合则更能增强它竞争力，对于电力生产部门和顾客都会产生良好经济效益和社会效益，并可以实现整个能源系统节能和环保。因而随着国内冰蓄冷技术成熟，它在国内将有更辽阔发展前景。
2 冰蓄冷空调系统简介
冰蓄冷空调就是运用水或某些有机盐溶液作为蓄冷介质，在夜间电力供应低谷期（同步也是空调负荷很低时间）开机制冷，将它们制成冰或冰晶，到白天电力供应高峰期（同步也是空调负荷高峰时间），运用冰或冰晶融解过程潜热吸热作用，再将冷量释放出来满足高峰空调负荷需要或生产工艺用冷需求。在用电低谷时不用或少用空调如办公室,写字楼,体育馆,影剧院,商业中心,文化馆场,健身娱乐城,国防科研,教学实验楼等冷负荷规定变化大场合，特别适合于采用冰蓄冷技术。这样制冷系统大某些耗电发生在夜间用电低峰期，而在白天用电高峰期只有辅助设备在运营，从而能有效地解决大多数都市电网均面临高峰期电力不够、低谷期电力用不了尴尬局面，实现用电负荷“移峰填谷”。图1为夜间中央空调主机蓄冰示意图，图2为白天依托蓄冰装置制冷示意图。

图1 夜间中央空调主机蓄冰

图2 白天依托蓄冰装置制冷
2.1 冰蓄冷技术分类
冰蓄冷技术按与否使用载冷剂分为直接蒸发制冰和间接蒸发制冰。直接蒸发制冰又按制冰装置有无运动部件分为静态制冰和动态制冰。静态制冰是指制冰制备和融化在同一位置，蓄冰设备和制冰设备部件为一体构造，详细形式有冰盘管式（外融冰式管外蓄冰）、完全冰结式（内融冰式管外蓄冰）、密封件蓄冰。动态制冰是指冰制备和融化不在同一位置，制冰机和蓄冰槽相对独立，详细形式有制冰滑落式、冰晶式。
图3所示为直接蒸发式外融冰工作原理图，来自顾客侧温度较高载冷剂（普通为乙二醇水溶液）在盘管内循环，通过管壁将热量传给冰层，将盘管表面冰层由内向外融化，使载冷剂冷却到需要温度，以供应外界负荷所需冷量。

图3 直接蒸发式外融冰工作原理图
2.2 冰蓄冷模式
普通可把冰蓄冷空调系统划分为全量和某些蓄冰和某些蓄冰两种蓄冰模式。
（1）全量蓄冰 制冷主机只负责在夜间电网低谷期制冰蓄冷，空调所需要所有负荷所有由冰融化来提供。该方案配备由于所有冷负荷都在低谷电价时段制取，因此其运营费用最省；但由于设备使用效率低（主机高峰期不运营），所需主机和储冰器容量较大，与主机配套冷却塔和电力设备也大，一次投资费用最多。因而，全量蓄冰空调系统只合用于负荷集中，使用时间短建筑，在普通工程中较少采用。
（2）分量蓄冰 制冷机在夜间低谷段制取某些冷量，以冰形式储存。在日间电力高峰期，由储冰机和制冷机联合供冷，以满足空调负荷需要。蓄冰负荷占总负荷比例，可由技术经济分析评估成果来决定，普通为30%-50%。由于制冷机在日间和夜间都在运营，设备使用效率高，相对于全量蓄冰模式，制冷机和蓄冰器容量最多可减少至近一半。由此可以实现至少初期投资和最短投资回收期，其运营费用比全量蓄冷高。在过度季节，为减少运营电费，可把分量蓄冷转化为全量蓄冷运营模式。分量蓄冷又分为制冷机优先和融冰优先两种运营方略。
2.3冰蓄冰空调节能性分析
　2.3.1 冰蓄冰空调自身不节能
文献[1]比较了活塞式、螺杆式和二级或三级离心式冷水机组在蓄冰和空调两种工况下性能系数，成果表白，蓄冰工况性能系数不不大于空调工况性能系数,即提供同样冷量前提下,采用蓄冰技术需要多耗能，且在不同蓄冷模式状况下,存在比常规空调多蓄冷、释冷过程中高、低温热源之间损失,因而蓄冰空调从其自身并不节能。
2.3.2 冰蓄冷空调终端节能
冰蓄冷系统自身并不节能，但它移峰填谷作用将对电力供应和生产带来明显效益并节约能源,其详细体当前:移峰填谷使电网供电平衡,可减少输、配电损失5%～18%;充分运用移峰电力,可使发电热质效率提高约25%;稳定用电,使功率因数改进,可节电1%～2%;由于削峰,避免了为几种小时尖峰负载而新建电厂,据关于资料显示，要新建一种电站，每千瓦需投资3375～10000元人民币。而采用蓄冰技术每转移1千瓦高峰负荷只需增长初投资100元左右。
总之，采用蓄冷技术,一是可以起到“削峰填谷”作用;二是可以减少制冷设备容量和配电容量;三是可以减少运营费用,延长系统寿命;四是可以作为备用冷源，特别合用于应急设备所取环境，如医院、计算机房、军事设备及电话机房等。通过“削峰填谷”可以减少装机容量和调峰容量,减少机组启停次数和低负荷运营时间,使机组大某些处在高效率满负荷工况下运营,既能减少发电煤耗,又能提高能源运用率,真正做到终端节能。这对于电力生产部门和顾客都会产生良好经济效益和社会效益，从而实现整个能源系统节能，并产生较好环保作用。
3 应用
从世界范畴来看,冰蓄冷技术在空调领域应用从20世纪30～60年代以减小制冷机容量为重要目起步阶段到20世纪70～80年代以转移高峰用电时段空调用电负荷为重要目“移峰填谷”迅速发展阶段,再到20世纪90年代中期以来运用冰蓄冷“高品位冷能”与其他空调装置有机结合,以提高空调制冷系统整体能效和减少整体投资及建筑造价、改进室内空气品质和热舒服为目的技术成熟阶段,经历了漫长过程.当前国内冰蓄冷空调技术也正在逐渐接近世界先进水平,其中冰蓄冷与其她系统特别是低温送风空调系统及热泵系统结合越来越引起人们注重。
3.1 冰蓄冷技术与低温送风相结合
早在20世纪80年代国外发展冰蓄冷经验就告诉咱们，单纯冰蓄冷，运用低谷电制冰，储存到用电高峰时段供冷，的确可以转移某些高峰电力负荷。但是，这种办法不但使冷源建设投资增长到常规冷源1.6-2倍，并且空调实际用电量也比常规空调系统高出1.3倍之多。解决这个问题出路是走冰蓄冷与低温送风系统相结合道路。
3.1.1 低温送风系统特点
低温送风系统是运用冰蓄冷系统提供低温介质，通过表面冷却器解决空气，从而得到较低温度空气一种空调系统。低温送风空调方式是指从集中空气解决机组送出较低一次风,经高诱导比末端送风装置进入空调房间。它是相对于常规送风而言，常规送风系统从空气解决器出来空气温度为10～15℃,而低温送风空调方式送风温度为3～11℃。
3.1.2 冰蓄冷与低温送风空调系统相结合优势以及存在问题
低温送风系统所需冷水温度普通为2～3℃,正好可以与冰蓄冷系统联合应用,两者结合既可以有效地转移了一某些尖峰用电时段空调电负荷以相应减少了输配电设备容量,从而可减少输配电设备投资和增容费；且由于低温送风减少了送风温度,增大了送风温差，从而减少了一次风量,也就减少了一次风空气解决设备,其初投资可减少（见表1）；再者，由于送风量减少,相应空调设备和风道尺寸均减少，因而可以节约建筑物空间，减少建筑层高[5]（见表2）；同步，它能减少房相对湿度，舒服性和室内空气品质也有所提高。因而增长了冰蓄冷低温送风空调系统竞争力。
然而，采用低温送风也有某些问题：低温送风因低温而减小了送风量,会使空调区域空气流速过低及气流循环量较低,一定限度上影响到空调区域舒服性；对低温送风系统送风温度若不进行优化设计,会因其低于空调区域空气露点温度,引起气流“白雾”。在系统刚启动时,尤为明显,还会在送风口产生“结露”和滴水现象,影响室内环境。固然，从设计、安装和调试三个环节进行技术管理和质量控制就能解决以上问题。
表1 几种空调系统投资比较
空调系统
相对投资系数
非蓄冰常规送风系统
1.0
某些蓄冰与常规送风系统
1.18～1.26
某些蓄冰与低温送风系统
0.73～0.86

表2 低温送风与常规空调方式比较
项目
低温送风方式
常规空调方式
送风温差/℃
10～20
8～10
送风温度/℃
3～11
10～15
送风温度空调机组尺寸减少比例/%
20～30
0
风管尺寸减少比例/%
30
0
风管功率减少比例/%
30～50
0
3.1.3 工程实例
杨向红[8]等对北京市中华人民共和国大唐电力集团公司生产调度指挥中心空调系统进行设计。
（1）工程简介
中华人民共和国大唐电力集团公司生产调度指挥中心位于北京市西城区金融街,总建筑面积4.83万m2,地上16层,地下5层,建筑总高度70m,原则层层高3.85 m。该建筑属于电力部门办公类建筑，夏季需要24小时供冷。
该工程设计总冷负荷(涉及新风负荷)为44952Kw，设计时采用冰蓄冷、大温差供水低温变风量系统加独立新风系统。
蓄冰模式为分量蓄冰模式,设计工况供冷运营方式为主机优先模式,某些负荷时按融冰优先模式运营。蓄冰装置采用5台钢制盘管成品蓄冰槽,总蓄冰量为13378 kWh,占设计日空调负荷总量29.7%。主机采用2台双工况螺杆式冷水机组,制冷工质为R22,载冷剂采用质量分数为25%乙二醇溶液。设计日冰蓄冷系统运营模式和冷负荷平衡状况为:100%冷负荷条件下,高峰供冷时段,融冰和主机同步供冷,满足高峰供冷需要，超过75%存冰量在电力高峰和尖峰两种时段内融化提供冷量。
该工程另一特点是采用低温变风量系统，它是由变流量冷水系统(冷水泵为变频泵)和变风量空气输送系统(空气解决机组为低温变风量中央空气解决机组)低两大某些构成。与常规空调送风相比，它在提高空调室内空气品质同步，能有效节约系统初投资、减少空调机房占用面积、减少长期运营能耗和减少维护成本。
（2） 项目经济性
与非蓄冰常规送风系统相比，该工程具备明显经济性：
1)初投资减少约200万元;
2)每年运营电费节约近55万元;
3)系统电力配备容量减少350 kW,电力削峰容量近10%。
3.2 冰蓄冷与热泵组合式空调系统
冰蓄冷技术和热泵技术独立使用都具备一定局限性,但在冰蓄冷与地源热泵泵组合式空调系统中,冰蓄冷技术是一种“日储能”系统,可以转移大量日间高峰电力到夜间低谷时段使用,充分运用电网日夜电差价,解决夏季供冷问题和热泵难以蓄冷矛盾,热泵技术解决了冬季清洁供暖问题和冰蓄冷装置无法供热矛盾。
图4为冰蓄冷与地源热泵组合式空调系统原理图（在该系统中，地源热泵采用垂直埋管系统），将冰蓄冷技术与地源热泵两者结合，就能“取长补短”，对国内整个电网构造性调节起到重要作用,可取代大量燃煤锅炉,同步对国内环境治理也将起到重要作用。当前，冰蓄冷与热泵组合式空调器越来越引起国内外学者关注。王少为等[9]研制开发了蓄冷和热泵热水器复合空调器,蓄冰槽在低谷电和夜晚室外温度较低时蓄冷,然后运用蓄冷提高冷凝器出口制冷剂过冷度,不但增大空调器制冷量,并且充分运用蓄冰槽内显热量。放冷结束后,通过调节阀门,蓄冰槽可转换成水冷冷凝器,复合空调器变成热泵热水器,提供生活热水同步,可以提供一定制冷量。因而,热泵技术与蓄冰技术结合必然具备辽阔经济前景和重大社会效益。

图4 冰蓄冷与地源热泵组合空调系统示意图
4 结语
冰蓄冷空调比常规空调减少装机容量，以相对节约运营成本实现均衡电网用电负荷、移峰填谷目，社会、经济和环境效益明显。冰蓄冷低温送风系统则是一种有特色节能系统,是常规空调系统重大变革，冰蓄冷技术与低温送风空调相结合，更能增强冰蓄冷空调竞争力；冰蓄冷空调与热泵技术相结合，更能兼具两者之强。当前在国内发展蓄冷空调技术,已成为国家能源与与环境战略规定必然趋势，因而与低温送风及热泵技术相结合新型冰蓄冷系统具备很大推广应用价值和发展前景。

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