蓄冷技术：水蓄冷和冰蓄冷的应用

空调蓄冷技术是在夜间电力负荷低时，采用电制冷机制冷，并将冷量储存起来，在白天电力负荷较高时，即用电高峰期，把储存的冷量释放出来，满足建筑空调或生产工艺的需要。20世纪70年代，世界范围的能源危机促使空调蓄冷技术成为电力负荷调峰的重要手段，目前在许多国家和地区均得到广泛应用。我国20世纪70年代开始在体育馆建筑中采用水蓄冷空调技术。90年代在一些工程中应用冰蓄冷空调技术，目前空调蓄冷技术已分布于全国20多个省市。蓄冷技术包括水蓄冷和冰蓄冷两种。

（一）水蓄冷技术

水蓄冷系统是以水作为蓄冷介质、利用水的显热蓄存冷量的蓄冷方式。水蓄冷系统是空调蓄冷系统的重要方式。

水蓄冷空调系统如图5－18所示，充冷循环时一次水泵将水从水蓄冷槽的高温端汲取出来，经制冷机组冷却到4～6℃，送入水蓄冷槽的低温端储存起来，当槽内充满4～6℃冷水时，充冷循环结束。释冷时二次水泵（负荷泵）从水蓄冷槽的低温端取出冷水，送往空气处理设备，回水送入水蓄冷槽的高温端。除某些工业生产厂房（如纺织厂）外，释冷温度受到除湿要求的限制，其上限温度为8～9℃。蓄冷温度越低，空调回水温度越高，可利用的蓄冷温差越大，蓄冷量也越大。在开式循环的水蓄冷空调系统中，由于水蓄冷槽的存在，冷量生产和消费不需要同步，可以有时间上的差异（负荷转移），有利于制冷机和一次水泵实现避峰运行。

图5－18　水蓄冷空调系统示意图

1.水蓄冷系统的特点和分类

（1）水蓄冷系统的特点。

①与建筑物结构设计相结合，利用低矮地下空间，如双层板式抗震基础，经适当分离作为蓄水槽或者利用消防水池、建筑竖井等空间作为水蓄冷装置，达到节省初投资的目的。

②常用蓄冷温度为4～6℃，可以使用常规冷水机组（包括吸收式冷水机组）直接制取蓄冷水，制冷效率高。

③减少冷水机组容量、提高运行效率，由于水槽可以存储部分冷量，冷水机组安装容量可以减少，安装费、维护费和运行费也随之减少，另外由于冷水机组满负荷运行，提高机组运行效率。

④适用于常规空调系统的扩容和改造，不增加制冷机组而增加原有系统的供冷能力，系统原有的空调器、配置等设备仍然可以使用，因此增加费用不多。

⑤水蓄冷结构简单，一次投资低，造价低廉，还可以用来冬季蓄热，提高了水蓄冷系统的经济性。

⑥提高空调系统的安全性，作为备用冷源，当制冷机组发生故障时，储存的冷水仍可以在一定时间内提供冷量。

（2）水蓄冷系统的分类。

①按照槽内水温：根据槽内储存水的温度以及一年中的使用情况，可以分为冷水专用槽、热水专用槽、冷热水槽等。冷水专用槽指一年中只蓄冷水，热水专用槽指一年中只蓄热水，根据季节和负荷的变化交替用于蓄冷水和热水时为冷热水槽，如图5－19所示。冷水蓄水温度一般为5～15℃，热水蓄水温度一般为35～45℃。

图5－19　水蓄冷系统按照槽内水温的分类形式

②按照槽内水的混合特点：根据槽内不同温度水的混合特征分成混合型和温度分层型水蓄冷槽。

③按照槽的结构形式：根据水槽结构形式的不同，可以分为多槽混合型，温度分层型，空、实槽多槽切换型，隔膜型和平衡型等。

2.多槽混合型水蓄冷槽多槽混合型水蓄冷槽是将蓄冷水槽分隔成多个单元槽，采用堰或连通管将单元槽有序地串联起来，也可用内、外集管连接，结构如图5－20所示。一般利用建筑物的双层板式抗震基础，经适当改造而成。为了使槽的容积得到充分利用，避免产生“死水区”，该类型的水蓄冷槽应尽量使每一个单元槽内的水完全掺混，通过单元槽间的连接使得水蓄冷槽整体达到抑制混合的效果。

图5－20　多槽混合型水蓄冷槽示意图

多槽混合型水蓄冷槽又分为串联混合型水蓄冷槽和并联混合型储槽。串联混合型水蓄冷槽由若干个单元槽串联组成，每个单元槽内水充分混合，通过多个单元槽的串联实现水蓄冷槽的整体水温分布。按其单元槽连接方式分为堰式和连通管式。堰式结构即在水槽内设置潜水堰，如图5－21所示，适用于单元槽数量较多的场合。连通管式结构采用S形连通管连接各单元槽，管端设计成圆盘或条形，配有稳定水流的浮子，如图5－22所示。也有在连通管接近水面的端部设置柔性伸缩接口，当水位升降时自行变位调节，使连通管上端始终处于水面位置，保持流速稳定，如图5－23所示。

图5－21　串联混合型堰式储槽

图5－22　串联混合型连通管式储槽

图5－23　带节能柔性伸缩接口连通管式储槽

3.水蓄冷技术在纺织厂的应用纺织厂空调属工艺性空调，对温度和湿度的控制精度相对较高，所以送风温度与室内温度的差值不宜太大，温差与室温控制的精度有关，其关系见表5－6。

表5－6　室温的控制精度与送风温差的关系　单位：℃

以某纺织厂细纱车间为例，空调设计参数为t=30℃，φ=65％，送风温度ts为26.9℃，冷水温度为15.45℃，回水温度为18.83℃。而水蓄冷装置提供的冷冻水温度为1～4℃，远低于普通喷淋室所使用的冷冻水温度，要保证车间温湿度的控制精度，可以将低温冷冻水与部分回水按一定的比例混合，形成二次冷源供喷淋室使用。

混合比例可按以下公式计算。

假设喷淋水及送风参数不变，混合水温控制在15.45℃。

Q1=Q2

式中：Q1，Q2——低温冷冻水吸热量，回水放热量，kJ；

m1，m2——低温冷冻水水量，回水水量，kg；

Δt1，Δt2——低温冷冻水温升温差，回水温降温差，℃。

计算可得：　　

（二）冰蓄冷技术

冰蓄冷技术，即是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电动制冷机制冷，使蓄冷介质结成冰，利用蓄冷介质的显热及潜热特性，将冷量储存起来。在电力负荷较高的白天，也就是用电高峰期，使蓄冷介质融冰，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺的需要。

1.冰蓄冷装置的特点

（1）电力移峰填谷，均衡电力负荷。由于转移了制冷机组用电时间，起到转移电力高峰期用电负荷的作用。制冷机组在夜间电力低谷时段运行，储存冷量，白天用电高峰时段，用储存的冷量来供应全部或部分空调负荷，少开或不开制冷机。对城市电网具有明显的“移峰填谷”的作用，社会效益显著。

（2）运行费用低。由于电力部门实行峰、谷分时电价政策，所以冰蓄冷合理利用谷段低价电力，与常规中央空调系统相比，运行费用大大降低，经济效益显著。且分时电价差值越大，得益越多。

（3）降低设施投资。由于供冷温度低且供冷稳定，与低温送风系统结合，可以减少水泵、风机、冷却塔等辅助设备的容量和耗电量，减少管路尺寸，节省建筑空间，降低造价。

（4）充分使用设备。冰蓄冷空调系统制冷设备满负荷运行的比例增大，从而提高了制冷设备COP值和制冷机组的经常运行效率，制冷机组工作状态稳定，提高了设备利用率并延长机组的使用寿命。

（5）兼有水的显热和潜热，利用较小的槽容量可以获得较大的蓄冷量；且蓄冷密度大，蓄冷槽体积小，容易实现设备标准化，为冰蓄冷技术的应用提供了有利条件。(www.xing528.com)

（6）设备和管路比较复杂，自控和操作技术要求较高。

2.冰蓄冷装置的分类冰蓄冷装置有多种形式，按制冰方法分为静态制冰和动态制冰，按传热介质分为直接蒸发式和间接冷媒式制冰，按融冰方式分为外融冰式和内融冰式。静态制冰方式包括盘管蓄冰和封装冰，封装冰根据容器形状分为冰球、冰板和蕊芯冰球等。动态制冰包括冰片滑落式和冰晶式等。

（1）静态制冰和动态制冰：静态制冰是指制冰过程中所制备的冰处于不可运行的状态。盘管式蓄冰是常用的静态制冰方式，由沉浸在充满水的储槽中的金属或塑料盘管作为换热表面，制冷剂或乙二醇水溶液在盘管内循环，吸收储槽中水的热量，在盘管外形成圆筒形冰层。

封装冰是另一种静态制冰方式。将注入蓄冷介质并密封的容器密集地堆放在储槽中，蓄冷介质在容器内冻结成冰。按容器的形状分为冰球、冰板和蕊芯冰球。

将注入蓄冷介质并密封的容器密集堆放在储槽中。蓄冰时，经制冷机组冷却的载冷剂（一般为乙二醇溶液）流经容器的间隙，使容器内的蓄冷介质结成冰。融冰时，来自负荷侧的温热载冷剂液体流经储槽，将容器内的冰融化，被冷却的载冷剂液体通过换热器与用户连接或直接送往空调用户。蓄冷容器的形状有冰球、冰板和蕊芯冰球。球形封装冰蓄冰和融冰过程如图5－24所示。

图5－24　封装冰蓄冰—融冰过程示意图

动态制冰是指制冰过程中所制备的冰处于可运动的状态。用特殊设计的蒸发段来生产和剥落冰片或冰晶。制冰时，来自蓄冰槽的水被泵送到蒸发器的表面，冷却冻结成冰。也可以将载冷剂与水的混合溶液冷却，使一部分水冻结成冰晶。还可以将低温传热介质直接通入蓄冰槽，促使水冻结成冰。

冰片滑落式制冰分成制冰和收冰两个阶段，一般采用时间控制。制冰时，水流经板式蒸发器表面固化成冰，时间一般控制在10～30min，这时冰层厚度为3～6mm。收冰时，改变制冷剂循环方向，使高温制冷剂蒸汽进入原蒸发器，时间控制在20～30s。与热表面接触的冰层脱落，靠自重落入位于其下方的储槽。

冰晶式制冰系统是将低浓度载冷剂溶液经特殊设计的制冷机组冷却至冰点温度以下，使之产生细小均匀的冰晶，并形成泥浆状流体，称冰浆（即含有很多悬浮冰晶的水）。也可以将溶液送至特制的蒸发器，当溶液在管壁上产生冰晶时，用机械方法将冰晶刮下，与溶液混合成冰泥，泵送至蓄冰槽。还可以将低温载冷剂直接通入蓄冰槽与水接触（直接制冰），水冻结成冰晶浮在蓄冰槽上部。

与冰片滑落式制冰比较，冰晶式制冰的制冷机组可连续产生冰晶，不需要热气脱冰，避免冷量损失。适用于较小容量制冰机长时间连续运转，储存大量冰晶。由于生产的冰晶数量多，热交换面积大，可以获得非常高的融冰速率，供应短时间内急需的大量空调用冷，对负荷的适应性强。

（2）直接蒸发式和间接冷媒式制冰：根据传热介质的不同，又分为直接蒸发式和间接冷媒式制冰。

①直接蒸发式和间接冷媒式制冰工作原理：直接蒸发式制冰以制冷机组的蒸发器为换热表面，冰层在蒸发器表面生长或融化。采用直接蒸发式的蓄冰方式主要有盘管外融冰式、冰片滑落式和冰晶式等。这种方式由于制冷剂用量大，并且容易泄漏，多用于小型冰蓄冷空调，如户式蓄冰空调，以及牛奶场与食品加工等行业。以盘管式蓄冰为例说明直接蒸发式制冰的工作原理如图5－25所示。

图5－25　直接蒸发式制冰系统工作原理图

制冷剂经压缩、冷凝后，高温液态制冷剂经膨胀阀进入蓄冰盘管蒸发，与蓄冰槽内的水交换热量，使水降温并在盘管外表面上结冰。气态制冷剂回流到压缩机，进入下一制冷循环。通常使用氨为制冷剂，价格相对比较低廉，并且符合环保要求。但是氨制冷系统结构复杂，由于氨的可窒息性、刺激性和易爆性，安全防范要求比较严格，需由专业设计人员设计。

间接冷媒式是利用载冷剂输送冷量，一般须经过两次换热。采用间接冷媒式的冰蓄冷技术主要有盘管蓄冰和封装冰等制冰方式。在中央空调、化工厂、食品厂、纺织厂空调、冷冻仓库等行业广泛应用。间接冷媒式制冰系统工作原理如图5－26所示。

载冷剂（一般是浓度为25％的乙二醇溶液）被制冷机组冷却之后进入蓄冰槽的制冰盘管，与蓄冷槽内的水或者封装容器内的水进行热交换，使水在盘管外表面或容器内结冰。随着蓄冰过程的进行，冰层逐渐增厚，传热热阻增加，为保持一定的蓄冰速率载冷剂温度也须随之下降，待冰层达到设计厚度时蓄冰过程结束。

②直接蒸发式和间接冷媒式制冰的特点：直接蒸发式制冰系统以蒸发器作为换热设备，制冷剂与冷冻水一次换热，避免了冷热转换的中间环节，减少了能耗。相同的结冰厚度下制冷机的蒸发温度高于间接冷媒式制冰系统的蒸发温度，制冷机效率高。间接冷媒式制冰系统一般需要经过两次换热，传热热阻增加。

图5－26　间接冷媒式制冰系统工作原理图

直接蒸发式制冰系统的制冷机组、蓄冰槽等组成结构紧凑的整体式蓄冰系统，减少占用空间，是户式空调等小型系统较为理想的方式。

直接蒸发式制冰系统采用制冷剂作为循环冷媒，需要的制冷剂相对较多。另外，蒸发器盘管长期浸泡在蓄冰槽内，容易引起管路腐蚀，发生制冷剂泄漏。间接冷媒式制冰系统的制冷剂用量少，泄漏的可能性小，提高了系统运行的可靠性。间接冷媒式制冰系统是集中式空调系统中采用较多的冰蓄冷方式。各种蓄冰技术的特点见表5－7。

表5－7　各种蓄冰技术的特点

续表

（3）内融冰和外融冰：按照冰融解方向的不同分为内融冰和外融冰。融冰释冷时，冰层自内向外逐渐融化，称为内融冰方式。冰层自外向内逐渐融化，称为外融冰方式。

完全冻结式内融冰过程如图5－27所示。冰融化时在冰与盘管之间形成水环，冰与管内传热介质之间的热量传递通过水环进行。由于水的热导率低于冰的热导率［0℃时冰的热导率2.22W/（m·K），水的热导率0.551W/（m·K）］，随着水环直径的增大，传热性能下降，出口温度升高。

图5－27　完全冻结式内融冰过程示意图

外融冰取冷过程如图5－28所示。蓄冷过程完成时，水被冻结成具有一定厚度的冰层包裹在盘管外壁上，蓄冰槽内仍有液态水，融冰释冷时温度较高的空调回水直接进入蓄冰槽，冰层自外向内逐渐融化，蓄冰槽内的水直接参与空调水循环。

图5－28　外融冰方式的蓄冰/融冰过程

盘管外融冰过程如图5－29所示。制冰时盘管四周形成冰柱，融冰时随着融冰量增加，冰层和盘管之间形成水环，冰层由于受到水的浮力作用，始终与盘管保持良好接触。在冰层融化到仅剩20％～30％时，与盘管接触处的冰层破裂，冰层均匀散落在水中，形成温度均衡的0℃冰水混合物，该现象称为不完全冻结式融冰的碎冰机理。

图5－29　不完全冻结式内融冰过程示意图

外融冰和内融冰主要有以下几个方面的不同。

①外融冰方式的空调回水直接与冰接触，不需要二次换热，取冷效率高，取冷温度低，同时取冷过程平稳，能够满足大温差低温送风要求。内融冰一般采用二次换热，载冷剂通过板式换热器与空调回水进行热交换，增加了换热热阻，空调供水温度升高。

②由于外融冰蓄冰槽内需要保留足够的水，保证融冰时水能够正常流动，外融冰方式的冰充填率（蓄冰槽内最大制冰量与总水量之比）一般为50％左右。内融冰方式因不需要保留水流空间，冰充填率可达70％以上。当蓄冷量一定时，外融冰方式的蓄冷槽比内融槽方式须占用更大的空间。

③外融冰方式的储槽和冷水系统一般为开式，须考虑静压维持措施；内融冰方式为闭式流程，对系统的防腐及静压问题处理比较简单。

④为了使结冰融冰均匀，外融冰方式通常设置空气泵等搅拌装置，长期使用易使槽内的水呈弱酸性，对管道和金属槽具有腐蚀性。

水蓄冷和冰蓄冷的比较见表5－8。

表5－8　水蓄冷和冰蓄冷的比较

3.制冷量与性能系数（COP）为了使水结成冰，制冷机组必须提供温度为－9～－3℃的传热介质，蒸发温度降低导致制冷机组的制冷能力下降。研究表明，制冷机的蒸发温度每下降1℃，功率下降3％左右。

图5－30所示是某热泵机组制冷量与性能系数随冷媒蒸发温度的变化曲线。

与蒸发温度为0℃相比，蒸发温度为－10℃以下时，制冷机组制冷量减少到55％，性能系数下降到70％左右。制冷机组制冷量减少意味着必须增加制冷机组容量，即增加设备投资。因此，研发具有较高蒸发温度的冰蓄冷系统是冰蓄冷技术的重要研究课题。

图5－30　热泵制冷量与性能系数（COP）的变化