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1、冰蓄冷原理和设备,冰蓄冷的定义,“冰蓄冷空调”一词的英文为ICE STORAGE，日文表示为“冰蓄热”，狭义的定义为“制冰蓄冷”的空调制冷系统。但在寒带国家除了需要夏季“蓄冷”外，大部分时间里还要“蓄热”，因此，广义的用语为“THERMAL（ENERGY）STORAGE AIR CONDITIONING SYSTEM（缩写为TES）”，即“蓄能式空调系统”。,发展背景,1977年前后，美国、加拿大和欧洲一些工业发达国家，夏季的电负荷增长惊人，下午的耗电量竞超过夜间耗电量的1.5倍，以致不得不增建发电站来满足高峰负荷，但一到夜间又闲置下来，而且夜间发电站处于很低的负荷效率下运转，资源浪费严重。,
2、发展背景,1980年，美国得州Dallas电力公司第一个实施“转移尖峰电力优待措施”。开始时是以直接蒸发式管外结冰为基础的冰蓄冷空调系统，然后有其它形式的冰蓄冷设备和系统，实施的工程项目逐年增加。1983年在美国能源部主持召开的第三次“蓄冰在制冷工程中的应用”专题研讨会上，首次提出了与冰蓄冷相结合的低温送风系统。1985年末，两座采用冰蓄冷与低温送风系统总建筑面积为46450m2的空调建筑在美国投入运行。进入90年代以来，低温送风系统的形式日趋多样，设计方法更加完善。,发展背景,1952年东日会馆大楼是日本第一个采用水蓄冷的中央空调系统。60年代以后，水蓄冷中央空调系统在日本得到了大量应用。1
3、996年，日本NHK广播中心建成9000m3水蓄冷槽空调系统。80年代中期，人们发现冰蓄冷较水蓄冷有许多优点，因此，许多设备厂也参与冰蓄冷设备的生产，促进了冰蓄冷的迅速发展。,发展背景,日本对蓄冷空调进行多方面的研究，如降低水的结冰冷度，不同增核剂对结冰的影响，制冷剂直接进入水中形式二元冰晶，过冷水过冷释放后冰的形成等等。而他们对冰蓄冷的研究则在全世界也是领先的。他们研究出了温度分层槽的R值模型，多个完全混合槽模型，多个温度分展槽模型，以及槽效率的理论预测方法等。,发展背景,我国是一个能源供应十分紧张的国家。一些大中城市空调用电量已占其高峰用电量的30以上，使得电力系统峰谷荷差加大，有的电网峰
4、谷差达40多，造成机组频繁启停。不仅增加能耗，而且影响机组寿命。为此电力部门已明确提出到2000年电网移峰填谷达10001200万kW。与其相配套的优惠用电政策也相继出台，这给储能中央空调的广泛应用带来了契机。,空调冷（热）源简介,工业与民用建筑中，中央空调用冷热源常见的类型如表：,空调冷（热）负荷分析,综合分析一些已建成投运的建筑物，不难发现其空调冷热负荷有以下一些基本特点：（1）空调年运行负荷率低，一般达到设计负荷50以下的运行时间占全年运行时间的70%。,空调冷（热）负荷分析,（2）空调日负荷曲线一般同电网用电负荷曲线同步。,空调冷（热）负荷分析,（3）空调用电量高峰时达到城市总用电负荷
5、的2530，加大了电网的峰谷荷用电差,加强用电需求侧管理势在必行。（4）蓄能空调技术能帮助电网有效实行移峰填谷。,冰蓄冷空调原理,蓄冷技术的分类 蓄冷技术有很多具体的形式，美国制冷工业协会（ARI）1994年出版的蓄冷设备热性能指南将蓄冷设备广义地分为显热式蓄冷和潜热式蓄冷，见下表。,按照蓄冷进行的原理分类,在介质吸热或放热过程中，必然会引起介质的温度或物态发生变化。蓄冷就是利用工质状态变化过程中所具有的显热、潜热效应或化学反应中的反应热来进行冷量的储存。实现蓄冷的原理主要有显热蓄冷、浴热蓄冷和热化学蓄冷。,按照蓄冷持续时间进行分类,主要有昼夜蓄冷和季节性蓄冷两种类型。昼夜蓄冷是将电动制冷机组
6、在夜间低谷期运行制取的冷量，以显热或浴热的形式格冷量储存起来并用于次日白天高峰期的冷量需求。季节性蓄冷是在冬季将形成的冷量(以冰或冷水的形式)储存在特定的容器或地下蓄水层中，在夏季再将其释放出来供应用户的冷负荷需求。,按照用于蓄冷的介质进行分类,有水蓄冷、冰蓄冷、其它相变蓄冷材料蓄冷等。在季节性蓄冷中，多采用水或冰来进行。在昼夜蓄冷中，根据具体要求可以采用使用水作为蓄冷介质的显热蓄冷、或利用冰和共晶盐作为蓄冷介质的潜热蓄冷。,各种蓄冷方式及其系统组成简介,水蓄冷(Chilled Water Thermal Storage)水蓄冷是利用价格低廉、使用方便的水作为蓄冷介质，利用显热进行冷量储存的。
7、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。,各种蓄冷方式及其系统组成简介,(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。水蓄冷技术适用于对现有常规制
8、冷系统的扩容或改造，可以实现在不增加或少增加制冷机组容量的情况下，提高供冷能力。,水蓄冷,为了提高蓄冷槽的蓄冷效果，防止负荷回来的热水与储存冷水间的混合，蓄冷槽的结构形式可以采用多种方法，如多蓄水罐方法(Multiple Tank)、迷宫法(Labyrinth and Baffle)、隔膜法(Membrane or Diaphragm)、自然分层方法(NaturalStratification)。在这些方法中，自然分层水蓄冷技术应用得较为普遍。,水蓄冷,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04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
9、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46的冷水聚集在蓄冷罐的下部,而1018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。,水蓄冷,自然分层水蓄冷罐的结构形式如图所示。,水蓄冷,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。,水蓄冷,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。在释冷循环中，水流动方向相反，冷水由下部散流器送至
10、负荷，而回流热水则从上部散流器进入蓄冷罐。,冰蓄冷,冰蓄冷就是将水制成冰的方式，利用冰的相变潜热进行冷量的储存。由于冰蓄冷除可以利用一定温差的水显热外，主要利用的是：335KJ/Kg的相变潜热。因此，与水蓄冷相比，储存同样多的冷量，冰蓄冷所需的体积将比水蓄冷所需的体积小得多。,冰蓄冷,蓄冰槽内的水并不是全部都冻结成冰。为此，常使用制冰率(IPF)来表示蓄冰槽中冰所占的体积份额。这种特点促进了冰蓄冷槽与制冷机一体机化机组的发展。蓄冰系统的技术水平要求较高，它必须使用蒸发温度低的制冷机组，要求制冷剂的蒸发压力较低，所以压缩机能耗高；而且冰蓄冷系统的设计和控制比水蓄冷系统复杂得多。,冰蓄冷,当空调系
11、统采用蓄冰和低温送风相结合的形式后，由于输送冷水温度降低、送风温度降低，系统的管网和盘管、整个风道系统，以及水泵、冷却塔等辅机在材料、尺寸和容量方面，均要比水蓄冷和共晶盐蓄冷系统要小，可节约系统设备投资。,冰蓄冷,在建设过程中，施工量和材料消耗量相对也要减少。同时，由于减少了管网和空气分配系统的体积，建筑物的可用空间会有所增加。在运行时，由于风扇和水泵设备容量的减少，其耗电量也要降低。,冰蓄冷,所以，在空调工程中，选用蓄冰和低温送风系统相结合的蓄冷供冷方式在初投资上是可以和常规制冷空调系统相竞争的；且在分时计费的电价结构下，其运行费用要比常规制冷空调系统低得多。蓄冰和低温送风系统相结合已成为建
12、筑空调技术发展的一个方向。,按制冰方式不同和结构形式分类,蓄冰装置按制冰方式不同和结构形式不同可分为：（1）直接蒸发制冰。具体包括：a)金属盘管外融冰式,金属盘管外融冰式,外融冰式盘管蓄冷的缺点是在蓄冷过程必须克服随厚度增加越来越大的冰层热阻。但在取冷方面有较多的优点。外融冰方式是直接采用蓄冰槽内的水作为取冷介质送出，冰是从冰柱外表面开始向内进行融化的。不需要二次换热，取冷效率更高，而且取冷温度更低，使得实现大温差低温送风成为可能。,金属盘管外融冰式,例如一般空调用表冷器处冷冻水温度约为7，如果采用外融冰方式，冷冻水温度可长时间保持在12，可以更大幅度地降低送风温度，增加送回风温差，实现送风量
13、的大幅度减少。因此这种系统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。,片冰机、管冰机、板冰机等机械制冰,片冰机、管冰机、板冰机等机械制冰,该系统的基本组成是以制冰机作为制冷设备，以保温的槽体作为蓄冷设备，制冰机安装在蓄冰槽的上方，在若干块平行板内通入制冷剂作为蒸发器。循环水泵不断将蓄冰槽中的水抽出至蒸发器的上方喷洒而下，而冰冷的板状蒸发器表面，结成一层薄冰，待冰达到一定厚度（一般在3-6.5mm 之间）时，制冰设备中的四通阀切换，压缩机的排气直接进入蒸发器而加热板面，使冰脱落。“结冰”，“取冰”反复进行，蓄冰槽的蓄冰率为40-50%。不适合于大、中型
14、系统。,冰晶式,该系统是将低浓度卤水溶液（通常是水和乙二醇）经冷却至冻结点温度产生千千万万个非常细小均匀的冰晶，其直径约为100m的冰粒与水的混合物，类似一种泥浆状的液冰，可以用泵输送。,冰晶式,间接蒸发制冰,a)金属（蛇形）盘管内融冰式内融冰方式在取冷时仍由管内的乙二醇溶液或盐水作载冷剂与管外冰进行二次换热。虽然是属于内融冰方式，但冰与冰之间仍有极小的间隙，以便在融冰过程中，结在盘管周置的冰存在少量的活动空间，使得钢管与冰始终存在有直接接触的部位，因此导热较好，在整个融冰过程中蓄冰槽的出口二次冷媒温度始终可保持在3C左右，并使冰几乎全部被融化来供冷。,金属（蛇形）盘管内融冰式,完全冻结式,如
15、螺旋状塑料盘管、U型塑料管。该系统是将冷水机组制出的低温乙二醇水溶液（二次冷媒）送入蓄冰槽（桶）中的塑料管或金属管内，使管外的水结成冰。蓄冰槽可以将90%以上的水冻结成冰，融冰时从空调负荷端流回的温度较高的乙二醇水溶液进入蓄冰槽，流过塑料或金属盘管内，将管外的冰融化，乙二醇水溶液的温度下降，再被抽回到空调负荷端使用。,完全冻结式,这种蓄冰槽是内融冰式，盘管外可以均匀冻结和融冰，无冻坏的危险。这种方式的制冰率最高，可达IPF=90%以上（指槽中水90%以上冻结成冰）。生产这种蓄冰设备的厂家较多。,完全冻结式,完全冻结式,容器式,如冰球、冰板、冰管等。冰球又分为园形冰球，表面有多处凹涡冰球和齿形冰
16、球。圆形冰球式以法国CRISTOPIA为代表，蓄冰球外壳有高密度聚合烯烃材料制成，内注以具有高凝固-融化潜热的蓄能溶液。,共晶盐蓄冷系统,共晶盐蓄冷(也称之为优态盐蓄冷)是利用固液相变特性蓄冷的另一种形式。蓄冷介质主要是由无机盐、水、促凝剂和稳定剂组成的混合物。目前应用较广泛的是相变温度约为89的共晶盐蓄冷材料，其相变潜热约为95kJk8。在蓄冷系统中，这些蓄冷介质多置在板状、球状或其它形状的密封件中，再放置于蓄冷槽中。一般地讲，其蓄冷槽的体积比冰蓄冷槽大；比水蓄冷槽小。其主要优越性在于它的相变温度较高，可以克服冰蓄冷要求很低的蒸发温度的弱点，并可以使用普通的空调冷水机组。,气体水合物蓄冷,在
17、一定温度和压力下，水能在某些气体分子周围形成坚实的包络状结晶体。在水合物结晶时释放出固化相变热。大多数制冷剂蒸气与水作用时能在512条件下形成水合物，而且结晶相变热较大。,气体水合物蓄冷,气体水合物蓄冷是一新兴的空调蓄冷技术，它不仅蓄冷温度与空调工况相吻合，蓄冷密度高，而且蓄冷释冷时的传热效率高，特别是直接接触释冷系统。但此方法还有一系列问题有待解决；如制冷剂蒸气夹带水分的清除，防止水合物膨胀堵塞等。目前该技术还有待完善。,固-固定形蓄冷,固固定形相变材料此类定形相变材料在受热或冷却时通过晶体有序无序结构之间的转变而可逆地吸热、放热，主要包括交联高密度聚乙烯和多元醇。,蓄冷介质比较,蓄冷系统选
18、择的几种运行策略,制冷机组优先式蓄冷系统采用制冷机组优先式运行策略是指制冷机组首先直接供冷，超过制冷机组供冷能力的负荷由蓄冷设备释冷提供。这种策略通常用于单位蓄冷量所需的费用高于单位制冷机组产冷量所需的费用，通过降低空调尖峰负荷值可以大幅度地节省系统的投资费用。,蓄冷设备优先式,蓄冷设备优先式运行策略是指蓄冷设备优先释冷，超过释冷能力的负荷由制冷机组负责供冷，这种方式通常用于单位蓄冷量所需的费用低于单位制冷机组产冷量所需的费用。,蓄冷设备优先式,蓄冷设备优先式在控制上要比制冷机组优先式相对要复杂些。在下一个蓄冷过程开始前，蓄冷设备应尽可肾将蓄存的冷能全部释冷完，即充分利用蓄冷设备的可利用蓄冷量
19、，降低蓄冷系统的运行费用；,蓄冷设备优先式,另外应避免蓄冷设备在释冷过程的前段时间将蓄存的大部分冷能释放，而在以后尖峰负荷时，制冷机组和蓄冷设备无法满足空调负荷需要的现象，因此应合理地控制蓄冷设备的剩余冷量，特别是对于设计日空调尖峰负荷是出现在下午时段时是非常重要的。,蓄冷设备优先式,一般情况，蓄冷设备优先式运行策略要求蓄冷系统应预测出当日24小时空调负荷分布图，并确定出当日制冷机组在供冷过程中最小供冷量控制分布图，以保证蓄冷设备随时有足够 释冷量配合制冷机组满足空调负荷的要求。,负荷控制式（限制负荷式）,简单地说负荷控制式就是在电力负荷不足的时段，对制冷机组的供冷量加以限制的一种控制方法，通
20、常这种方法是受电力负荷限制时才采用，超过制冷机组供冷量的负荷可由蓄冷设备负责。例如某城市电力负荷高峰时段（上午8：00-11：00），禁止制冷机运行。,均衡负荷式,均衡负荷法是指在部分蓄冷系统中，制冷机组在设计日24小时内基本上全部满负荷运行；在夜间满载蓄冷，白天当制冷机组产冷量大于空调冷负荷时，将满足冷负荷所剩余的冷量（用冰的形式）贮存起来；当空调冷负荷大于制冷机组的制冷量时，不足的部分由蓄冷设备（融冰）来完成。这种方式系统的初期投资最小，制冷机组的利用率最高，但设计日空调负荷高峰时段与当地电力负荷高峰时段是否相同时，即是否与当地电力电价低谷时段相重叠，如不重合，则系统的运行费用较高。,蓄能
21、空调优缺点分析,优点 1)平衡电网峰谷荷，减缓电厂和供配电设施的建设2)制冷主机容量减少，减少空调系统电力增容费和供配电设施费3)利用电网峰谷荷电力差价，降低空调运行费用。4)电锅炉及其蓄热技术无污染、无噪声、安全可靠且自动化程度高不需要专人管理,优点,5)冷冻水温度可降到14，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风输送系统的投资和能耗。6)相对湿度较低，空调品质提高，可有效防止中央空调综合症。7)具有应急冷热源，空调可靠性提高。8)冷（热）量全年一对一配置，能量利用率高。,缺点,1)通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调大 2)蓄能装置要占用一定的建筑空间。3)制冷蓄冰时主机效
22、率比在空调工况下运行低、电锅炉制热时效率有可能较热泵低。4)设计与调试相对复杂。,缺点的克服,冰蓄冷空调一次性投资较常规空调大已得到了有效的克服，通常对于适合采用冰蓄冷空调的建筑，如常规空调系统选用风冷热泵或直燃型溴化锂吸收式制冷机，一般冰蓄冷空调投资不会超过常规空调系统；,缺点的克服,但如果常规系统选用水冷式电动冷水机组则其投资通常较冰蓄冷低20左右，但是如计及电力增容费其二者投资也有可能持平。,缺点的克服,经过近几年工程技术界的研究开发，有些蓄能装置可以不占用有效建筑空间。如温州体育馆、建行杭州分行办公楼、上海锦都大厦、杭州国际大厦等等，其蓄冰装置分别采用无压混凝土槽、无压或有压钢槽（罐）
23、等分设于绿化草皮地下、停车场地下、屋顶等非使用建筑空间。蓄能空调机房面积可做到不超过常规空调冷冻机房占用的建筑面积。,缺点的克服,可利用自控系统，将蓄存的冷量全年一对一有效利用，可做到空调全年用电量不增加，如结合大温差、超低温送风空调技术其全年用电量可得到节约。,蓄冷技术研究及发展方向,随着蓄冷空调技术应用的推广，对研究和发展新型蓄冷空调技术的需求日益增强，许多研究机构和高等院校都在积极从事这方面应用基础研究和产品的开发工作，以求不断地提高蓄冷空调技术，进一步地提高其应用的效益。,丰富和完善蓄冷空调技术理论和系统设计方法,从发展和优化单元式蓄冷槽角度出发，加强对现有蓄冷槽性能的试验研究；应用数
24、值方法建立静态和动态蓄冷槽的数值模型研究或预测蓄冷槽的性能，以求在设计阶段就可以对整个蓄冷空调系统有一基本了解，从而实现系统的设计优化；通过对己建项目进行系统测试和蓄冷空调系统运行经验的总结，丰富对实际运行状况的了解。,蓄冷技术的系统节能和经济性的宏观评价和预测方法,应用宏观分析方法，从区域经济、能源发展角度出发，对应用蓄冷技术所产生的系统问题进行分析；从区域电力建设发展规划、区域蓄冷调荷潜力、能源价格的制定等方面考察区域能源消耗水平、蓄冷技术市场发展。,冰蓄冷和低温送风系统中所需解决的问题研究,对强化制冰技术的研究；高效低温送风终端设备(散流器、风盒)的研究与开发；对应用低温送风所带来的其它
25、问题的研究，如：低温送风所适用的气候条件，对舒适性室内环境和空气品质的评价等。,新型相变蓄冷介质的开发,研究开发适用于冷水制冷机组的固液相变潜热大、经久耐用的新型相变蓄冷材料。,蓄冷空调系统的节能技术研究,在实际运行中，蓄冷空调系统的节能主要来源于运行管理，这方面的工作才刚刚起步。主要包括：通过进行负荷的预测，合理优化系统运行模式，实现系统的经济性运行；充分进行系统能耗的分析，找出空调系统节能的潜力；通过经验的总结，进一步改进系统设计方法和优化设备选型。,研究开发新型蓄冷技术,目前新型蓄冷技术的研究工作有水合物蓄冷技术和冰蓄冷技术。如CFC替代工质的水合物蓄冷技术；直接接触式制冰晶技术的研究；过冷水制冰技术在蓄冷技术中的应用研究；以及结合冰晶制备和区域集中空调技术的冰水两相流输送供冷技术的研究；利用乳化液制冰技术，利用多孔性材料强化密封件蓄冷技术等。,
