水蓄冷节能新技术

我眼中的节能新技术
——水蓄冷技术的介绍
摘要：介绍了中央空调水蓄冷的含义和节能耗能的原理。

指出了该技术存在的优缺点。

关键词：中央空调蓄冷技术；节能效果；优缺点分析。

Abstract : The meanings and principle of central air- conditioning water storage were introduced. The advantages and disadvantages of the technology were pointed out. Key words :central air-conditioning water storage technology；energy efficiency effect；analysis of advantages and disadvantages。

引言：日本是一个多地震且用地紧张的国家，许多建筑物的地下基础部分采用了双层板状结构，以此增加建筑的抗震能力，而对需空调用冷的建筑可充分利用这一地下空间，将其平面分成多个隔间作为水蓄冷装置，从而发展形成串连混合型水蓄冷空调系统。

在美国等一些国家多数采用垂直分层型水蓄冷装置，属于独立的结构设施，建于建筑物外的场所，也可根据具体条件与建筑物结构设计相结合设于其地下，或利用其管竖井，楼梯间等闲置空间。

空调水蓄冷技术的含义：
（1）空调水蓄冷技术的含义
空调水蓄冷顾名思义就是在晚上用电谷底时，中央空调主机运行，将冷冻水蓄存起来；待白天用电高
峰时，不运行空调主机，用泵将蓄存起来的冷冻水抽出，在空调系统内循环。

（2）空调水蓄冷节能降耗的实际意义
空调水蓄冷技术就是利用白天用电高峰时，往往电力供应比较紧张；而晚上用电谷底时，发电厂必须
保证部分机组正常运行，这时的电力又是富余的，且不能储存，如果这些电不用掉，只能浪费。

通过水蓄冷项目，把可能浪费的电力资源利用起来，在白天用电高峰时尽量减少用电，形成节能效应；晚上环境温度
比较低，冷却温度也相对较低，冷水机组运行效率较白天要高；同时电力部门为错开用电高峰和谷底，对
谷底用电电价给予适当优惠，从而达到降低用电费用的效果。

[5]
水蓄冷的原理：
水蓄冷是利用水的显热实现冷量的储存，通常利用3-7°C的低温水进行蓄冷。

一个设计合理的蓄冷系统应通过维持尽可能大的蓄水温差并防止冷水与热水的混合来获得最大的蓄冷效率。

水蓄冷可直接与常规系统区配，无需其它专门设备。

[1]
以水作为蓄冷介质的水蓄冷系统是蓄冷空调系统重要方式之一，也是能源利用，开源节流的又一种形式。

最近几年我国某些单位和个人，对水蓄冷空调系统作了大量探索和研究，通过一些工程，拓展载冷体工作温差达8~10℃,甚至更大,使蓄冷密度由原来的5000大卡/m3提高到10000大卡/m3或更大.由此使贮冷槽容积大大减少,工程造价、传热损耗乃至载冷体输送功耗亦随之减小，则有其推广使用的价值。

水蓄冷技术具有以下特点：
1、可以使用常规的冷水机组，也可以使用吸收式制冷机组，并使其在经济状态下运行。

2、适用于常规供冷系统的扩容和改造，可以通过不增加制冷机组容量而达到增加供冷容量的目的。

3、可以利用消防水池、原有的蓄水设施或建筑物地下室等作为蓄冷容器来降低初投资。

4、可以实现蓄热和蓄冷的双重用途。

5、技术要求低，维修方便，无需特殊的技术培训。

6、水蓄冷系统是一种较为经济的储存大量冷量的方式。

蓄冷罐体积越大，单位蓄冷量的投资越低。

当蓄冷量大于7000KW.H（602万大卡）或蓄冷容积大于760m3时，水蓄冷是最为经济的。

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水蓄冷与冰蓄冷系统比较：
成本：冰蓄冷与水蓄冷相比，一般来说，水蓄冷系统建设投资与常规空调系统相当，而冰蓄冷系统建设投资比常规空调系统高出20％以上。

[6]
节能：水蓄冷可节省制冷用电量10%以上，冰蓄冷的用电量则高于常规空调的30%左右；
蓄冷蓄热两用：水蓄冷储槽可实施夏季蓄冷，冬季蓄热，而冰蓄冷不可能做到。

蓄冷槽位置：由于可以减少制冷机的容量或台数，制冷机房的面积小于常规空调；大温差水蓄冷槽可灵活地置于绿化带下，停车场下或空地上，以及利用消防水池等，冰蓄冷设备一般安装在室内，占用正常的机房面积。

缺点
实际案例中，由于冰蓄冷的蓄冷设备一般在多个蓄冷槽内实现，设备之间需留有检修通道及开盖距离，而且冰槽内有乙二醇及预留结冰时膨胀空间，冰蓄冷的蓄水（冰）有效空间一般只是实际占用空间的一小部分；大温差水蓄冷系统在一个蓄冷槽内完成全部蓄冷和放冷过程，占用空间绝大部分是有效的蓄冷空间。

具体已投运的项目表明，大温差水蓄冷的实际占用空间只略大于冰蓄冷的实际占用空间。

三种供冷方式：
1）供冷机单独供冷：制冷机按照原有方式运行。

2）蓄冷槽单独供冷方式：利用夜间低谷电开启制冷机，制备冷冻水并储存在蓄冷槽中。

白天开启冷冻水泵即可完成供冷。

3）制冷机与蓄冷槽联合使用：在每年极端炎热的有限时间，空调负荷很大时使用，白天由制冷机提供部分冷量、蓄冷槽提供部分冷量。

蓄冷罐的形式
蓄冷罐的结构形式应能防止所蓄冷水与回流热水的混合。

为实现这一目的，目前常用的有以下几种方法：
1）多蓄水罐方法
将冷水、热水分别储存在不同的罐中，以保证送至负荷侧的冷水温度维持不变，多个蓄水罐有不同的连接方式，一种是空罐方式，它保持蓄水罐系统中总有一个罐在蓄冷或放冷循环开始时是空的。

随着蓄冷或放冷的进行，各罐依次倒空。

另一种连接方式是将多个罐串联连接或将一个蓄水罐分隔成几个相互连通的分格。

蓄冷时，冷水从第一个蓄水罐的底部入口进入罐中，顶部溢流的热水送至第二个罐的底部入口，依次类推，最终所有的罐中均为冷水；放冷时，水流动方向相反，冷水由第一个罐的底部流出。

回流热水从最后一个罐的顶部送入。

由于在所有的罐中均为热水在上、冷水在下，利用水温不同产生的密度差就可防止冷热水混合。

多罐系统在运行时其个别蓄水罐可以从系统中分离出来进行检修维护，但系统的管路和控制较复杂，初投资和运行维护费作较高。

2）自然分层法
利用水在不同温度下密度不同而实现自然分层。

系统组成是在常规的制冷系统中加入蓄水罐。

在蓄冷循环时，制冷设备送来的冷水由底部散流器进入蓄水罐，热水则从顶部排出，罐中水量保持不变。

在放冷循环中，水流动方向相反，冷水由底部送至负荷侧，回流热水从顶部散流器进入蓄水罐。

一般来说，自然分层方法是最简单，有效和经济的，如果设计合理，蓄冷效率可以达到85%-95%。

自然分层蓄冷是一种结构简单、蓄冷效率较高、经济效益较好的蓄冷方法，目前应用得较为广泛。

水的密度与其温度密切相关，在水温大于4℃时,温度升高密度减小,而在0~4℃范围内，温度升高密度增大，3.98℃时水的密度最大。

自然分层蓄冷就是依靠密度大的水自然会聚集在蓄冷罐的下部,形成高密度水层的趋势进行的,在分层蓄冷中使温度为4~6℃的冷水聚集在蓄冷罐的下部,而10~18℃的热水自然地聚集在蓄冷罐的上部,来实现冷热水的自然分层。

自然分层水蓄冷罐的结构形式如图所示，在蓄冷罐中设置了上下两个均匀分配水流散流器，为了实现自然分层的目的，要求在蓄冷和释冷过程中，热水始终是从上部散流器流入或流出，而冷水是从下部散流器流入或流出，应尽可能形成分层水的上下平移运动。

在自然分层水蓄冷罐中，斜温层是一个影响冷热分层和蓄冷罐蓄冷效果的重要因素,它是由于冷热水间自然的导热作用而形成的一个冷热温度过渡层，如图所示，它会由于通过该水层的导热、水与蓄冷罐壁面和沿罐壁的导热，并随着储存时间的延长而增厚，从而减少实际可用蓄冷水的体积，减少可用蓄冷量，明确而稳定的斜温层能防止蓄冷罐下部冷水与上部热水的混合，蓄冷罐储存期内斜温层变化是衡量蓄冷罐蓄冷效果的主要考察指标。

一般希望斜温层厚度在0.3-1.0m之间.为了防止水的流入和流出对储存冷水的影响,在自然分层水蓄冷罐中采用的散流器应使水流以较小的流速均匀地流入蓄冷罐,以减少对蓄冷罐水的扰动和对斜温层的破坏.因此,分配水流的散流器也是影响斜温层厚度变化的重要因素.
在自然分层水蓄冷罐蓄冷循环中,冷水机组送来的冷水由下部散流器进入蓄冷罐,而热水则从上部散流器流出,进入冷水机组降温。

随着冷水体积的增加，斜温层将被向上推移，而罐中总水量保持不变，在释冷循环中，水流动方向相反，冷水由下部散流器送至负荷，而回流热水则从上部散流器进入蓄冷罐。

散流器的设计
自然分层的蓄水罐需要用散流器将水平稳地引入罐中，依靠密度差而不是惯性力产生一个沿罐底或罐顶水平分布的重力流，形成一个使冷热水混合作用尽量小的斜温层。

在0-20°C范围内，
水的密度差不大，形成的斜温层不太稳定。

因此要求通过散流器的进出口水流流速足够小，以免
造成斜温层的扰动破坏。

在设计中要注意散流器的开口方向，尽量减少进水对罐中水的扰动。

通常顶部散流器的开口方向朝上，避免有直接向下冲击斜温层的动量，底部散流器的开口方向朝下，避免有直接向上的动量。

散流器管的开口一般为90-120℃。

常用散流器的型式有：八边式、h式，径向盘式和连续槽式等。

八边式适用于圆柱体蓄水罐。

H式适用于立体蓄水罐。

在应用中，也可以根据具体的情况，散流器来满足实际要求。

[2]
蓄水罐材料结构：
常用的蓄水罐为：焊接钢罐、装配式预应力水泥罐和现场浇筑水泥罐。

钢罐良好的导热性能会影响蓄冷效率，对于体积较小的蓄水罐这种影响较明显，水泥罐的绝热性能田间，地下布置时热损失不会很大，但水泥罐的绝热性能同时会造成斜温层品质的下降。

选择蓄水罐材料需要考虑的因素有：初投资、泄漏的可能性，地下布置的可能性和现场的特定条件。

水蓄冷技术应用的优点：
(1)水蓄冷技术的应用相对错开了用电高峰，减小了用电高峰期电网的压力，做到了移峰填谷，使白天
和晚上用电更加均衡。

(2)水蓄冷技术的应用相对减少了冷水机组的主机的使用频率和时间，避免了主机的过渡使用磨损和
备用机的闲置，使主机和备用机的使用更加均衡同时也减少了冷却水系统的运行时间。

(3)水蓄冷技术的应用，使得冷却塔等大功率用电设备在夜间运行，运行功率提高，减收了电力消耗。

(4)充分利用了政策的优惠，合理降低了企业的经营成本。

[3]
水蓄冷技术应用的不足之处：
(1)在目前水蓄冷技术所用材料的前提下，若不能得到相关部门关于用电谷底电价优惠政策的支持，采
用水蓄冷技术，则并无太大实际意义，相反有可能因为蓄冷槽的冷量散失等因素，造成用电量增加，运行
成本增高。

(2)在进行中央空调系统安装过程中同步进行水蓄冷技术施工，为能充分、合理利用空调冷水机组，
则需增加备用主机；增大蓄冷量，就必须扩大蓄冷水池的容积，而可以利用的消防水池容积有限，在确保
蓄冷效果的前提下，就必须增加地下水池的容量，造成设备初投资成本增加，投资压力相对增大。

参考文献:
[1]刘坚、侯靖闲.水蓄冷空调技术的应用.上海南区节电科技开发有限公司, 上海 201100.
[2]( 日本) 久留米工业大学崔军；( 日本) 九州大学渡边俊行.大温差水蓄冷空调系统的
模拟研究.
[3]郑尚志.水蓄冷空调在大型商场中的节能效益显著.上海建设科技 2006 年第 4 期.
[4]华泽钊刘道平等.水蓄冷技术及其在空调工程中的应用[M].北京:科学出版社,1997.
[5] 陈则韶程文龙.水蓄冷空调的经济分析和最佳蓄冷率选择[J].制冷与空调（四川）,1997,1.
[6] 张华王宜义.冰蓄冷空调系统的评价方法[J].节能技术.。