冰蓄冷技术

冰蓄冷基础知识

现代城市的用电状况是，一方面电力负荷急剧增长；另一方面电量增长却相对滞后，电网负荷率不断下降。一般在白天出现用电高峰，供电能力不足，为满足高峰用电不得不新建电厂，而在夜间的用电低谷时段却又有电送不出、电厂在低负荷下低效率运转。人们采用各种办法来缓解这一矛盾，例如建抽水蓄能电站等。

由于空调系统用电负荷一般均在白天用电高峰阶段,在电力谷荷段用量甚少,因此空调系统用电量极大加剧了电网的峰谷负荷差。而在中央空调中,制冷系统的用电量通常占整个空调系统用电量的40 %～50 %[4 ] ,如果能把制冷系统的部分甚至全部用电量转移至夜间电力低谷时段,则对平衡电网负荷,提高电网负荷利用效率将产生十分积极的作用。因此,“蓄冷空调”就成为电力部门和空调制冷界共同关注的目标,双方遂携手共同推进其应用。

所谓蓄冷(Thermal Storage) ,即是在晚间电力谷荷阶段,利用电动制冷机制冷,把冷量按显热或潜热的形式蓄存在某种介质中,到白天用电高峰期,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。这样,制冷系统的大部分耗电发生在夜间用电低峰期,而在白天高峰期只有部分或辅助设备在运行,从而实现电网负荷的移峰填谷。蓄冷系统种类较多,按蓄存冷量的方式可分为显热蓄冷和潜热蓄冷;按蓄冷介质分类,可以有水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷。冰蓄冷是将水制成冰储存冷量,它是潜热蓄冷的一种方式。由于水的比热容为4118kJ /kg ,设水蓄冷的供回水平均温差为10 ℃,和水蓄冷相比,蓄冰槽的容积只有水蓄冷的2/ 3～1/ 5。因此,可大大地减少蓄冰槽的体积,也正是这种特点,极大地促进了冰蓄冷技术的推广和应用。

一、冰蓄冷系统原理和构成

冰蓄冷空调系统主要由冷水主机、蓄冰装置、板式换热器、自动控制系统以及泵阀组成。运常规空调系统相比冰蓄冷系统需要增加的特殊装置有：蓄冰设备，乙二醇管路和水泵，板式换热器(绝大多数系统选用，乙二醇和水管路分隔并换热)。系统包括制冰（融冰）循环系统和制冷主机制冷循环系统，如图所示：

主机制冰：开启阀门V1、V3，关闭V2、V4；

主机供冷：开启阀门V2，关闭V1、V3、V4；

融冰供冷：开启阀门V1、V2、V4，关闭V3，通过调节V1、V2控制融冰供冷量；主机与蓄冰系统联合供冷：开启阀门V1、V2、V3、V4，通过调节V1、V2控制融冰供冷量。

主机蓄冰供冷：

二、冰蓄冷系统分类

2.1 外融式冰蓄冷系统

外融冰：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，这种融冰过程称为外融冰。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。为了使外融冰系统能达到快速融冰放冷，蓄冰槽内水的空间应占一半，即蓄冰槽的蓄冰率（IPF）不大于50%，故蓄冰槽容积较大。

外融式冰蓄冷系统由食品冷冻行业中的乳品冷却设备改制发展而成。由于温度较高的冷冻水回水与冰直接接触,可以在较短的时间内制出大量的低温冷冻水,因此,特别适合于短时间内要求冷量大、温度低的场所,如一些工业加工过程及低温送风空调系统使用。因采用外融冰方式,若蓄存的冰没有融完而再度制冰,则只能在未融的冰层上制冰。由于冰层的热阻较大,从而增加制冷设备的耗电量。另外,采用螺旋浆搅拌器或空气泵鼓气泡搅拌,既增加耗电量,同是,向水中长时间送入空气,会加速盘管的腐蚀。因此,在常规蓄冷空调系统中,很少采用此系统。

2.2 内融式冰蓄冷系统

内融冰：在融冰供冷过程中，来自空调负荷的回水进入蓄冰盘管，由于回水温度较高，使得最接近盘管的冰层开始融化，随着融冰过程的进行，冰层由内向外逐步融化，所以这种融冰过程被称为内融冰。由于冰层的自然浮升力作用，使得冰层在整个融化过程中与盘管表面的接触面积可以保持基本不变，因而保证了在整个取冷过程中，取冷水温相当稳定。内融式冰蓄冷系统也称为完全冻结式冰蓄冷系统,是由沉浸在充满水的储槽中的盘管构成的换热设备如图8所示。

当充冷时,从冷水机组制出的低温乙二醇水溶液(或称二次冷媒) 进入盘管内循环使管外的水结成冰(蓄冰槽中的水可以完全结成冰) 。释冷时,从空调负荷端回流的温度较高的乙二醇水溶液也进入盘管内循环,将盘管外表面的冰逐渐融化;同时,乙二醇水溶液的温度下降,重新供给用户使用。与外融冰方式不同,内融冰系统在充冷、释冷过程中,温度较高的乙二醇水溶液和温度较低的乙二醇水溶液均在盘管内流动,而蓄冰槽内的水静止不动。与外融冰方式相比,内融冰方式可以避免外融冰方式由于上一周期蓄冷循环时,在盘管外表面可能产生剩余冰,引起传热效率下降,以及盘管表面结冰厚度不均匀等不利因素;另外,内融冰系统为闭式循环,对系统的防腐及静压问题的处理都较为简便、经济。所以,内融式冰蓄冷系统在空调工程（食品加厂、冷库）中应用较多，蓄冰箱多采用氨做制冷剂。

2.3 封装冰蓄冷系统

封装冰蓄冷系统是将注入蓄冷介质———水 (或有机盐溶液) 的蓄冷容器密集地放置在蓄冰槽中,由制冷机制出的二次冷媒(乙二醇水溶液) 流经蓄冷容器,使蓄冷容器内的水(或有机盐溶液)结冰来蓄存冷量。该系统的工作原理类似于完全冻结式蓄冷系统,见图

封装冰蓄冷系统按蓄冷容器的外形结构可分为三种:冰球、冰板和蕊芯冰球。这三种产品的代表性厂家为法国西亚特公司的Cristopia (冰球) 、美国REACTION和开利公司的Carrier (冰板) 和电力部杭州华源公司( 蕊芯冰球) ,

另外,北京的西冷工程有限公司也生产冰球式蓄冰设备。目前,冰球和蕊芯冰球式

蓄冰系统应用较为普遍。

2.4 制冰滑落式蓄冷系统

制冰滑落式蓄冷系统又称为动态制冰机系统 ,其基本组成是以制冰机作为

制冷设备,以保温槽作为蓄冷设备,如图

制冰机安装在蓄冰槽的上方,由若干块平行板组成制冰机的蒸发器。循环水

泵不断地将蓄冰槽中的水抽出并喷洒到蒸发器上,当水遇到冰冷的蒸发器表面之

后,便结成一层薄冰。待冰达到一定厚度(通常为3～615mm) 时,制冰设备中的换

向阀切换,压缩机的排气直接进入蒸发器而加热板面,使冰脱离蒸发器并依造自

身的重量落入蓄冰槽。如此往复,直至蓄冰结束。融冰时,从空调负荷端流回的温

度较高的冷冻水进入蓄冰槽,将槽内的冰融化成温度较低的冷冻水,供系统使用。

制冰滑落式系统需配置专用制冰机,制成的薄片冰或冰泥可在极短时间内融化,

并且从负荷端回流的冷冻水直接与冰接触,可提供较低温度的冷冻水,特别适用

于工业过程及渔业冷冻。

2.5 冰晶式蓄冷系统

冰晶式蓄冰系统是将水与乙二醇或丙二醇的混合溶液降至冻结点温度以下,