冰蓄冷技術及其應用

1、研 究 生 課 程 論 文(2008 -2009 學年第二學期)課程論文題目：冰蓄冷技術及其應用研究生：歐陽光提交日期： 年 月 日 研究生簽名：學 號學 院課程編號課程名稱學位類別碩士任課教師制冷空調(diào)過程的節(jié)能新技術教師評語： 成績評定： 分 任課教師簽名： 年 月 日冰蓄冷技術及其應用摘要：本文在介紹了冰蓄冷技術的特點的基礎上，論述了冰蓄冷技術對電力調(diào)峰、平衡電網(wǎng)及節(jié)能減排的意義；并結(jié)合工程實際，分析了與冰蓄冷空調(diào)相結(jié)合的低溫送風系統(tǒng)的經(jīng)濟性;并簡要介紹了冰蓄冷與熱泵組合式空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢。展望了新型冰蓄冷系統(tǒng)的發(fā)展前景。關鍵詞： 冰蓄冷 削峰填谷 節(jié)能 低溫送風系統(tǒng) 1 引言改革開放以來，

2、我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的不斷提高，對電力供應不斷提出新的挑戰(zhàn)。盡管全國發(fā)電裝機容量不斷增大，然而，電力供應仍很緊張，尤其是夏季有些地方不得不采用拉閘限電的辦法解燃眉之急。因而，改善電力供應的緊張狀況和電力負荷環(huán)境已成為一些大中城市的首要任務。長期以來空調(diào)系統(tǒng)是能耗大戶，而空調(diào)系統(tǒng)用電負荷一般集中在電力峰段，因此對城市電網(wǎng)具有很大的“削峰填谷”潛力?；谶@種“削峰填谷”的想法，空調(diào)系統(tǒng)中出現(xiàn)了冰蓄冷機組，它利用午夜以后的低谷電制冰，儲存到白天用電高峰時供冷。而冰蓄冷技術和低溫送風空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合則更能增強它的競爭力，對于電力生產(chǎn)部門和用戶都會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益，并可以實現(xiàn)整

3、個能源系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保。因而隨著國內(nèi)冰蓄冷技術的成熟，它在我國將有更廣闊的發(fā)展前景。2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)簡介冰蓄冷空調(diào)就是利用水或一些有機鹽溶液作為蓄冷介質(zhì)，在夜間電力供應的低谷期（同時也是空調(diào)負荷很低的時間）開機制冷，將它們制成冰或冰晶，到白天電力供應的高峰期（同時也是空調(diào)負荷高峰時間），利用冰或冰晶融解過程的潛熱吸熱作用，再將冷量釋放出來滿足高峰空調(diào)負荷的需要或生產(chǎn)工藝用冷的需求。在用電低谷時不用或少用空調(diào)如辦公室,寫字樓,體育館,影劇院,商業(yè)中心,文化館場,健身娛樂城,國防科研,教學試驗樓等冷負荷要求變化大的場所，特別適合于采用冰蓄冷技術。這樣制冷系統(tǒng)的大部分耗電發(fā)生在夜間用電低峰期，而在

4、白天用電高峰期只有輔助設備在運行，從而能有效地解決大多數(shù)城市電網(wǎng)均面臨高峰期電力不夠、低谷期電力用不了的尷尬局面，實現(xiàn)用電負荷的“移峰填谷”。圖1為夜間中央空調(diào)主機蓄冰示意圖，圖2為白天依靠蓄冰裝置制冷的示意圖。圖1 夜間中央空調(diào)主機蓄冰圖2 白天依靠蓄冰裝置制冷2.1 冰蓄冷技術的分類冰蓄冷技術按是否使用載冷劑分為直接蒸發(fā)制冰和間接蒸發(fā)制冰。直接蒸發(fā)制冰又按制冰裝置有無運動部件分為靜態(tài)制冰和動態(tài)制冰。靜態(tài)制冰是指制冰的制備和融化在同一位置，蓄冰設備和制冰設備部件為一體結(jié)構(gòu)，具體形式有冰盤管式（外融冰式管外蓄冰）、完全冰結(jié)式（內(nèi)融冰式管外蓄冰）、密封件蓄冰。動態(tài)制冰是指冰的制備和融化不在同一位

5、置，制冰機和蓄冰槽相對獨立，具體形式有制冰滑落式、冰晶式。圖3所示為直接蒸發(fā)式外融冰工作原理圖，來自用戶側(cè)溫度較高的載冷劑（通常為乙二醇水溶液）在盤管內(nèi)循環(huán)，通過管壁將熱量傳給冰層，將盤管表面的冰層由內(nèi)向外融化，使載冷劑冷卻到需要的溫度，以供應外界負荷所需的冷量。圖3 直接蒸發(fā)式外融冰工作原理圖2.2 冰蓄冷模式一般可把冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)劃分為全量和部分蓄冰和部分蓄冰兩種蓄冰模式。（1）全量蓄冰 制冷主機只負責在夜間電網(wǎng)低谷期制冰蓄冷，空調(diào)所需要的所有負荷全部由冰的融化來提供。該方案配置由于所有冷負荷都在低谷電價時段制取，所以其運行費用最?。坏捎谠O備的使用效率低（主機高峰期不運行），所需的主機和

6、儲冰器的容量較大，與主機配套的冷卻塔和電力設備也大，一次投資費用最多。因此，全量蓄冰空調(diào)系統(tǒng)只適用于負荷集中，使用時間短的建筑，在一般工程中較少采用。（2）分量蓄冰 制冷機在夜間低谷段制取部分冷量，以冰的形式儲存。在日間電力高峰期，由儲冰機和制冷機聯(lián)合供冷，以滿足空調(diào)負荷的需要。蓄冰負荷占總負荷的比例，可由技術經(jīng)濟分析的評估結(jié)果來決定，一般為30%-50%。由于制冷機在日間和夜間都在運行，設備的使用效率高，相對于全量蓄冰模式，制冷機和蓄冰器的容量最多可減少至近一半。由此可以實現(xiàn)最少的初期投資和最短的投資回收期，其運行費用比全量蓄冷高。在過度季節(jié)，為減少運行電費，可把分量蓄冷轉(zhuǎn)化為全量蓄冷運行模

7、式。分量蓄冷又分為制冷機優(yōu)先和融冰優(yōu)先兩種運行策略。2.3冰蓄冰空調(diào)的節(jié)能性分析2.3.1 冰蓄冰空調(diào)本身不節(jié)能文獻1比較了活塞式、螺桿式和二級或三級離心式冷水機組在蓄冰和空調(diào)兩種工況下的性能系數(shù)，結(jié)果表明，蓄冰工況的性能系數(shù)大于空調(diào)工況的性能系數(shù),即提供同樣冷量的前提下,采用蓄冰技術需要多耗能, 且在不同的蓄冷模式情況下,存在比常規(guī)空調(diào)多的蓄冷、釋冷過程中高、低溫熱源之間的損失,因此蓄冰空調(diào)從其本身并不節(jié)能。2.3.2 冰蓄冷空調(diào)的終端節(jié)能冰蓄冷系統(tǒng)本身并不節(jié)能，但它的移峰填谷作用將對電力供應和生產(chǎn)帶來顯著效益并節(jié)約能源,其具體表現(xiàn)在:移峰填谷使電網(wǎng)供電平衡,可降低輸、配電損失5%18%;充

8、分利用移峰電力,可使發(fā)電的熱質(zhì)效率提高約25%;穩(wěn)定用電,使功率因數(shù)改善,可節(jié)電1%2%;由于削峰,避免了為幾個小時的尖峰負載而新建電廠,據(jù)有關資料顯示，要新建一個電站，每千瓦需投資337510000元人民幣。而采用蓄冰技術每轉(zhuǎn)移1千瓦高峰負荷只需增加初投資100元左右?？傊捎眯罾浼夹g,一是可以起到“削峰填谷”的作用;二是可以降低制冷設備的容量和配電容量;三是可以降低運行費用,延長系統(tǒng)壽命;四是可以作為備用冷源，特別適用于應急設備所取的環(huán)境，如醫(yī)院、計算機房、軍事設備及電話機房等。通過“削峰填谷”可以降低裝機容量和調(diào)峰容量,減少機組啟停次數(shù)和低負荷運行時間,使機組大部分處于高效率的滿負荷工

9、況下運行,既能降低發(fā)電煤耗,又能提高能源利用率,真正做到終端節(jié)能。這對于電力生產(chǎn)部門和用戶都會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益，從而實現(xiàn)整個能源系統(tǒng)的節(jié)能，并產(chǎn)生較好的環(huán)保作用。3 應用從世界范圍來看,冰蓄冷技術在空調(diào)領域的應用從20世紀3060年代以減小制冷機容量為主要目的的起步階段到20世紀7080年代以轉(zhuǎn)移高峰用電時段空調(diào)用電負荷為主要目的的“移峰填谷”的快速發(fā)展階段,再到20世紀90年代中期以來利用冰蓄冷的“高品位冷能”與其它空調(diào)裝置的有機結(jié)合,以提高空調(diào)制冷系統(tǒng)整體能效和降低整體投資及建筑造價、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適為目標的技術成熟階段,經(jīng)歷了漫長的過程.目前我國的冰蓄冷空調(diào)技術也正在

10、逐步接近世界先進水平,其中冰蓄冷與其他系統(tǒng)特別是低溫送風空調(diào)系統(tǒng)及熱泵系統(tǒng)結(jié)合越來越引起人們的重視。3.1 冰蓄冷技術與低溫送風相結(jié)合早在20世紀80年代國外發(fā)展冰蓄冷的經(jīng)驗就告訴我們，單純的冰蓄冷，利用低谷電制冰，儲存到用電高峰時段供冷，確實可以轉(zhuǎn)移部分高峰電力負荷。但是，這種方法不但使冷源建設投資增加到常規(guī)冷源的1.6-2倍，而且空調(diào)的實際用電量也比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高出1.3倍之多。解決這個問題的出路是走冰蓄冷與低溫送風系統(tǒng)相結(jié)合的道路。3.1.1 低溫送風系統(tǒng)特點低溫送風系統(tǒng)是利用冰蓄冷系統(tǒng)提供的低溫介質(zhì)，通過表面冷卻器處理空氣，從而得到較低溫度空氣的一種空調(diào)系統(tǒng)。低溫送風空調(diào)方式是指從集中

11、空氣處理機組送出較低的一次風,經(jīng)高誘導比的末端送風裝置進入空調(diào)房間。它是相對于常規(guī)送風而言的，常規(guī)送風系統(tǒng)從空氣處理器出來的空氣溫度為1015,而低溫送風空調(diào)方式的送風溫度為311。3.1.2 冰蓄冷與低溫送風空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)勢以及存在的問題低溫送風系統(tǒng)所需的冷水溫度一般為23,正好可以與冰蓄冷系統(tǒng)聯(lián)合應用,兩者的結(jié)合既可以有效地轉(zhuǎn)移了一部分尖峰用電時段的空調(diào)電負荷以相應減少了輸配電設備的容量,從而可減少輸配電設備的投資和增容費；且由于低溫送風降低了送風溫度,增大了送風溫差，從而減少了一次風量,也就減少了一次風的空氣處理設備,其初投資可降低（見表1）；再者，由于送風量減少,相應的空調(diào)設備和風

12、道尺寸均減少，因而可以節(jié)省建筑物空間，降低建筑層高5（見表2）；同時, 它能降低房的相對濕度, 舒適性和室內(nèi)空氣品質(zhì)也有所提高。因而增加了冰蓄冷低溫送風空調(diào)系統(tǒng)的競爭力。然而，采用低溫送風也有一些問題：低溫送風因低溫而減小了送風量,會使空調(diào)區(qū)域空氣流速過低及氣流循環(huán)量較低,一定程度上影響到空調(diào)區(qū)域的舒適性；對低溫送風系統(tǒng)的送風溫度若不進行優(yōu)化設計,會因其低于空調(diào)區(qū)域空氣的露點溫度,引起氣流的“白霧”。在系統(tǒng)剛啟動時,尤為明顯,還會在送風口產(chǎn)生“結(jié)露”和滴水現(xiàn)象,影響室內(nèi)環(huán)境。當然，從設計、安裝和調(diào)試三個環(huán)節(jié)進行技術管理和質(zhì)量控制就能解決以上問題。表1 幾種空調(diào)系統(tǒng)投資比較空調(diào)系統(tǒng)相對投資系數(shù)非

13、蓄冰常規(guī)送風系統(tǒng)1.0部分蓄冰與常規(guī)送風系統(tǒng)1.181.26部分蓄冰與低溫送風系統(tǒng)0.730.86表2 低溫送風與常規(guī)空調(diào)方式比較項目低溫送風方式常規(guī)空調(diào)方式送風溫差/1020810送風溫度/3111015送風溫度空調(diào)機組尺寸減少比例/%20300風管尺寸減少比例/%300風管功率減少比例/%305003.1.3 工程實例楊向紅8等對北京市中國大唐電力集團公司生產(chǎn)調(diào)度指揮中心的空調(diào)系統(tǒng)進行設計。（1）工程簡介中國大唐電力集團公司生產(chǎn)調(diào)度指揮中心位于北京市西城區(qū)金融街,總建筑面積4.83萬m2,地上16層,地下5層,建筑總高度70m,標準層層高3.85 m。該建筑屬于電力部門的辦公類建筑，夏季需

14、要24小時供冷。該工程設計總冷負荷(包括新風負荷)為44952Kw, 設計時采用冰蓄冷、大溫差供水的低溫變風量系統(tǒng)加獨立的新風系統(tǒng)。蓄冰模式為分量蓄冰模式,設計工況的供冷運行方式為主機優(yōu)先模式,部分負荷時按融冰優(yōu)先模式運行。蓄冰裝置采用5臺鋼制盤管成品蓄冰槽,總蓄冰量為13378 kWh,占設計日空調(diào)負荷總量的29.7%。主機采用2臺雙工況螺桿式冷水機組,制冷工質(zhì)為R22,載冷劑采用質(zhì)量分數(shù)為25%的乙二醇溶液。設計日冰蓄冷系統(tǒng)運行模式和冷負荷平衡情況為:100%冷負荷條件下,高峰供冷時段,融冰和主機同時供冷,滿足高峰供冷的需要，超過75%的存冰量在電力高峰和尖峰兩種時段內(nèi)融化提供冷量。該工程

15、的另一特點是采用低溫變風量系統(tǒng)，它是由變流量冷水系統(tǒng)(冷水泵為變頻泵)和變風量空氣輸送系統(tǒng)(空氣處理機組為低溫變風量中央空氣處理機組)低兩大部分構(gòu)成。與常規(guī)空調(diào)送風相比，它在提高空調(diào)室內(nèi)的空氣品質(zhì)的同時，能有效節(jié)省系統(tǒng)初投資、減少空調(diào)機房占用面積、降低長期運行能耗和減少維護成本。（2） 項目的經(jīng)濟性與非蓄冰常規(guī)送風系統(tǒng)相比，該工程具有明顯的經(jīng)濟性：1)初投資減少約200萬元;2)每年運行電費節(jié)約近55萬元;3)系統(tǒng)電力配置容量降低350 kW,電力削峰容量近10%。3.2 冰蓄冷與熱泵組合式空調(diào)系統(tǒng)冰蓄冷技術和熱泵技術的獨立使用都具有一定的局限性,但在冰蓄冷與地源熱泵泵組合式空調(diào)系統(tǒng)中,冰蓄冷

16、技術是一種“日儲能”系統(tǒng),可以轉(zhuǎn)移大量的日間高峰電力到夜間低谷時段使用,充分利用電網(wǎng)的日夜電差價,解決夏季供冷問題和熱泵難以蓄冷的矛盾,熱泵技術解決了冬季清潔供暖問題和冰蓄冷裝置無法供熱的矛盾。圖4為冰蓄冷與地源熱泵組合式空調(diào)系統(tǒng)原理圖（在該系統(tǒng)中，地源熱泵采用垂直埋管系統(tǒng)），將冰蓄冷技術與地源熱泵二者結(jié)合，就能“取長補短”，對我國整個電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)性調(diào)整起到重要作用,可取代大量的燃煤鍋爐,同時對我國的環(huán)境治理也將起到重要作用。目前，冰蓄冷與熱泵組合式空調(diào)器越來越引起國內(nèi)外學者的關注。王少為等9研制開發(fā)了蓄冷和熱泵熱水器復合空調(diào)器,蓄冰槽在低谷電和夜晚室外溫度較低時蓄冷,然后利用蓄冷提高冷凝器出口

17、制冷劑的過冷度,不但增大空調(diào)器的制冷量,而且充分利用蓄冰槽內(nèi)的顯熱量。放冷結(jié)束后,通過調(diào)節(jié)閥門,蓄冰槽可轉(zhuǎn)換成水冷冷凝器,復合空調(diào)器變成熱泵熱水器,提供生活熱水的同時,可以提供一定的制冷量。因此,熱泵技術與蓄冰技術的結(jié)合必然具有廣闊的經(jīng)濟前景和重大的社會效益。圖4 冰蓄冷與地源熱泵組合空調(diào)系統(tǒng)示意圖4 結(jié)語冰蓄冷空調(diào)比常規(guī)空調(diào)減少裝機容量，以相對節(jié)約運行成本實現(xiàn)均衡電網(wǎng)用電負荷、移峰填谷的目的，社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著。冰蓄冷低溫送風系統(tǒng)則是一個有特色的節(jié)能系統(tǒng),是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的重大變革，冰蓄冷技術與低溫送風空調(diào)相結(jié)合，更能增強冰蓄冷空調(diào)的競爭力；冰蓄冷空調(diào)與熱泵技術相結(jié)合，更能兼具二者之強。

18、目前在我國發(fā)展蓄冷空調(diào)技術,已成為國家能源與與環(huán)境戰(zhàn)略要求的必然趨勢，因而與低溫送風及熱泵技術相結(jié)合的新型冰蓄冷系統(tǒng)具有很大的推廣應用價值和發(fā)展前景。參考文獻1 陳楊華,吳逸飛.論蓄冷空調(diào)技術與節(jié)能J.江西能源,2004(3). 2 黃茂文. 冰蓄冷低溫送風空調(diào)系統(tǒng)的原理、應用和發(fā)展J. 通風空調(diào)安裝,2009(1).3 李莉,朱彩霞,張建一. 與冰蓄冷相結(jié)合的低溫送風系統(tǒng)J. 低溫工程,2004(5). 4 劉華斌, 低溫送風空調(diào)系統(tǒng)設計淺析J.建筑節(jié)能與環(huán)保,2005(12). 5 馬勇.現(xiàn)階段冰蓄冷技術應用探討J.節(jié)能,2006(4). 6 莊友明. 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的效率分析及能耗比較J. 暖通空調(diào),2006(6). 7 何國偉. 冰蓄冷空調(diào)應用分析J.制冷2005增刊,2005(7). 8 楊向紅,徐穩(wěn)龍.中國大唐電力集團公司生產(chǎn)調(diào)度指揮中心空調(diào)設計J.暖通空調(diào),2007 (6). 9 王少為,劉震炎,趙可可等.小型復合空調(diào)器的研制和實驗研