冰蓄冷研究的现状与展望

冰蓄冷研究的现状与展望

清华大学张寅平* 中国科学技术大学邱国佺**

Present state and perspectives of ice cool storage research

By Zhang Yinping and Qiu Guoquan

提要对冰蓄冷技术的研究和开发现状作了综述，讨论了其中尚未解决的一些问题及技术难点，展望了近期冰蓄冷研究和开发的走向。

关键词冰蓄冷空调换热

Abstract Reviews the current status of research and development of ice cool storage technology. Describes and discusses some technical problems and new key technologies, presents possible development of ice cool storage in the near future.

Keywords ice cool storage，air-conditioning，heat exchange

1 引言

世界上很多国家都在想方设法降低电网负荷的峰谷差，而空调电耗对电网负荷有很大的影响，因此，低能耗、可用电网低谷电的空调设备及相应的蓄冷技术和系统的研究开发就成了近年来空调、储能领域的国际性热门课题，其中，尤以冰蓄冷空调的研究和应用受到研究者重视。这方面，美国、日本等发达国家的研究和应用水平较高。本文基于对日本在该领域研究状况的分析，对冰蓄冷研究的现状和今后的研究方向作一简单的介绍，希望对我国正在崛起的蓄冷空调的研究和开发有所帮助。

2 蓄冷空调的研究和开发现状

2．1 制冰方法的分类和评述

与水蓄冷相比，冰蓄冷系统的优点是：蓄冷密度高，使蓄冷槽体积较小；温度稳定，便于控制；热设计的灵活性强。

冰蓄冷中的制冰方式主要有两种：①静态制冰方式，即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态；②动态制冰方式，该方式中有冰晶、冰浆（ice slurry）生成，且冰晶、冰浆处于运动状态。

静态制冰由于系统简单，现已成为应用中冰蓄冷系统的主流。然而，静态制冰法也有自身的缺点：冰层的增厚使热阻增大，导致冷冻机的性能系数（COP）降低；一些静态系统中冰块的相互粘连导致水路堵塞。

目前，冰蓄冷研究的主要目标为动态制冰技术。动态制冰方式约有40多种，其中冰水混合浆（即含有很多悬浮冰晶的不，英文名为ice slurry）技术最受研究者关注。冰水混合浆可采用管道输运，其换热需采用换热器。虽然这种动态制冰方式很有前途，但迄今尚未商业化。该系统的性能测试和优化、管理技术和经济性还需进一步完善。

2．2 制冰技术

2．2．1 制冰技术的现状

冰蓄冷技术中制冰是关键，各类制冰法如表1所示。图1～4为几种制冰方法的示意图。

图1 流动过冷却水制冰法

图2 冷媒（戊烷）蒸发制冰法

图3 低沸点冷媒蒸发制冰法

图4 低温液态冷媒显热换热制冰法2．2 制冰技术课题

关于制冰法中的技术问题，下面列举的研究开发课题是很有意义的：

（1）客观地评价各种制冰法，统一制冰效率的含义；

（2）确立各种制冰法充填率（IPF，即ice packing factor）的合适算法；

（3）研究静态制冷法高IPF情况下避免冰层相互粘连的办法；

（4）研究管内制冰法高IPF情况下防止冰堵塞的方法；

（5）图5所示的制冰方式中，如何使水滴下时形成厚度均匀的冰层；

（6）对密闭容器内的制冰方式，增加密闭容器材料的导热性能、防止相变材料的过冷和分层、防止冰生长时容器内空气压力增大导致容器破裂；

（7）对收获（harvest）型制冰，寻找新型冰层剥离法和减少剥离能耗以及延长机械冰剥离器寿命和降低剥离噪声；

（8）对图6所示的冰水悬浮液制冰法，如何有效增加IPF和防止管内壁冰层附着造成流道冰堵塞；

图5 下降液膜制冰法

图6 管内水溶液下降膜制冰法

（9）对图1所示的过冷水制冰系统，如何避免过冷水在换热器壁上冻结形成的阻塞；

（10）对片状冰晶制冰法，如何提高其IPF及如何提高低温冷媒和水的换热效率；

（11）高分子化合物（作为储冷相变材料）--水的流动性能及其改善的研究，它们的稳定性及其改善的研究；

（12）对采用笼形化合物（Clathrate）--水的储冷系统，研配不污染环境的笼形化合物；

（13）对喷射水雾型冰晶产生系统，如何防止冰片间的粘合及如何提高冷媒蒸气和水雾的高效接触和换热。

2．3 蓄冰和取冰技术

2．3．1 蓄冰槽

①蓄冰槽的容量

若蓄冰槽兼作冬天的热水蓄热槽，则蓄冰槽的体积需比仅考虑夏天蓄冷用的要大。一般，蓄冰槽体积按蓄冷量能满足冷气设备负荷的50%设计，这样，它在冬天作为热水蓄热槽的功能也可得以发挥。

②蓄冰槽的形状

蓄冰槽一般是立方体形或圆筒形。长宽比关系到充、释冷速率和蓄冰效率。要优化蓄冰槽内的换热，必须考虑蓄冰槽（或盛装相变材料的容器）的形状；蓄冰槽的设置位置和所用的冷媒决定了应采用开放型还是密闭型蓄冰槽。

③蓄冰槽的隔热

蓄冰槽隔热材料需作防水处理，特别是纤维系列的隔热材料，吸水后冻结，隔热性能大为下降。

2．3．2 蓄冰槽放冷技术

①动态制冰法中冰的分散和输送

动态制冰法中冰块在水溶液中处于分散状态，因此需在蓄冰槽内设置泵，强制冰--水循环形成。在蓄冰槽的冰水混合浆取出口，安有喷嘴。此外，为防止冰块进入输送管，在输送管口，需安置金属网。

②冰浆取出机

旋转翼型：旋转翼把蓄冰槽内的冰水混合浆送进输送管。

螺杆（screw）型：如图7所示，凭借蓄冰槽内的喷射泵喷射水的力量，使冰水混合将流入配管。

图7 螺杆（screw）型冰浆输送法