冰蓄冷空调系统的设计方法

冰蓄冷空调系统的设计方法

莫观富

广东创怡建设工程有限公司 佛山市禅城区528000

摘要：冰蓄冷空调技术手段是时代发展背景下所创新起来的，其系统对于空调电力高峰符合的实际运转有着积极的影响，可以有效地减少电力压力的承载，实现设备容量的优化降低。实现冰蓄冷空调产品的移动优化创新，进一步降低现行的运行操作基础成本，同时高效的转化中国当前的冰蓄冷空调发展缓慢的现状，若能更好地应对和解决现行的冰蓄冷空调系统将会有较大的发展创新空间环境。为此本文在现有的技术手段创新的背景下，通过明确冰蓄冷空调的操作模式和工作优势，提出专项的技术手段，以求更好地发挥冰蓄冷空调系统应用效果，推动工作全面落实。

关键词：冰蓄冷空调；系统调节；设计

引言：

冰蓄冷空调是在常规空调系统基础上增加一套蓄冰系统，技术上可以减少制冷机容量，利用夜间低谷低价电力时段将冷量通过冰的形式储存起来，白天需要供冷时释放出来。该技术在二十世纪30年代开始应用于美国，在70年代能源危机中得到发达国家的大力发展。提高空调系统的可靠性。在拉闸限电时更能显示其优势：只要具备带动水泵的电力（如发电机发电、限电减电力供电）就能够融冰供冷，不会出现空调不能使用的状况。而夏季空调主机减半运行，造成大部分中央空调达不到效果，只有冰蓄冷空调的效果没有受到影响。

一、冰蓄冷空调系统

1、理念概述

冰蓄冷空调是在常规水冷冷水机组系统的基础上减小制冷主机容量增加蓄冰装置，利用夜间低谷低价电力时段将冷量通过冰的形式储存起来，白天需要供冷时释放出来。该技术在二十世纪30年代开始应用于美国，在70年代能源危机中得到发达国家的大力发展。蓄冰空调系统，即是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式贮存起来。在电力负荷较高的白天，也就是用电高峰期，把贮存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷的需求。同时，在空调用量较小的春秋季，减少电制冷机的开启，尽量融冰释冷，满足空调负荷。由此可见，蓄冰空调系统是“转移用电负荷”或“平衡用电负荷”的有效方法。冰蓄冷空调系统包括:空调主机、冷水泵、冷却水泵、冷却塔、释冷水泵、换热器、储冰槽等。相对于常规空调系统，冰蓄冷系统增加了储冰槽、换热器等装置。蓄冰空调的收益

减少制冷主机的装机容量和功率，可减少30%-50%。使空调冷水机组更平稳地运行，提高冷水机组的利用率和使用寿命。减少相应的电力设备投资，如:变压器、配电柜等。通过系统优化调节，可以减少机房设备维护，减少空调系统运行费用，分时电价差越大，业主越省钱，作为应急冷源，停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷，减少应急发电系统投资，减少电机机房有效占地面积，蓄冰系统和大温差系统和低温送风系统相结合，可进一步降低初期投资，有利于提高空气品质。

节能成为空调行业必须面对的极为严峻的问题，空调制冷设备通过系统调节利用夜间低谷点制冷，将冷量以冷、冷水或凝固状相变材料的形式储存起来，而在空调高峰负荷时段部分或全部地利用储存的冷量向空调系统供冷，以达到减少制冷设备安装容量、降低运行费用和电力负荷削峰填谷的目的。冰蓄冷空调是利用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中，白天融冰将所储存冷量释放出来，以减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量。蓄冰空调系统的制冷机组与蓄冰装置可以有多种组成。基本上可以分为串联系统和并联系统两种。

串联流程：串联系统有机组位于蓄冰装置的上游和机组位于蓄冰装置的下游两种形式。串联系统的制冷机与蓄冰罐在流程中处于串联位置，以一套循环泵维持系统内的流量与压力，供应空调所需的基本负荷。串联流程配置适当自控，也可实现各种工况的切换。串联流程系统较简单，放冷恒定，适合于较小的工程和大温差供冷系统。

并联流程：并联系统有单（板式）换热器系统和双（板式）换热器系统。并联系统的制冷机与蓄冰罐在系统中处于并联位置，当最大负荷时，可以联合供冷。同时该流程可以蓄冷、蓄冷并供冷、单融冰供冷、冷机直接供冷等。并联流程在发挥制冷机与蓄冰罐的放冷能力方面均衡性较好，夜间蓄冷时只需开启功率较小的初级泵运行，蓄冷时更节能，运行灵活。

2、技术核心

冰蓄冷技术的核心包括冰蓄冷空调技术和蓄冰装置技术。冰蓄冷空调是指夜间电网低谷时间通过制冷主机制冷，将制出-5度的冷量，通过乙二醇等低冰点的液体，将冷量传递到蓄冰装置中，通过系统间调节，将蓄冰装置中的水冷冻起来，储存冷量，待白天电网高峰时，或者空调制冷量不够时，将蓄冰装置中的冷量释放出来，用来满足高峰空调负荷和生产工艺用冷的需求。这样一来，制冷系统一部分耗电都发生在夜间用电低峰期，而在白天用电高峰期只需辅助设备运行，来实现用电负荷的“移峰填谷”。通过蓄冰空调来参与电力调峰和平衡电网，充分利用谷期电力，将部分电力峰期需要转移到谷期，从而缓解国家电网高峰负荷，同时提高能源使用效率和保护环境。此项技术在我国存在着不少争议，通过蓄冰空调的工作原理，很多人认为，冰蓄冷技术并没有节能，虽然冷机是在晚上消电，但单位制冷量使用的电量是一定的，另外，认为使用的是低谷电而享受低谷电价，只是实现了节约耗电费用。对于这样的说法，针对每年新增加大约3亿平面的商务建筑物来说，专业人士做过估算，假设全面开放使用商用建筑蓄冰空调系统，每年大约可为国家节38.4亿元电费，节约煤炭319万吨，减少排放量二氧化碳867万吨和二氧化硫11.2万吨。同时，冰蓄冷技术的实施还可看成为大气减少217万辆汽车尾气的排放，相当于种树474万亩。在这些数据面前，我们不得不承认，冰蓄冷技术是有巨大的节能潜力。其实，在冰蓄冷冷机的能效上也可以看出，冰蓄冷技术是有巨大的节能潜力的。首先，冰蓄冷在制冰期间是定频全负荷运行，主机效率控制在70%-90%之间，而普通的冷水机组白天运行是变频使用的（白天负荷不固定）所以其主机效率很难控制在70%-90%。变频运行时在一定的负荷时才具有更高效能。虽然变频主机高效能的范围比较宽（变频主机能效45%-90%，cop=6，定频主机能效55%-95%，cop=6）但是制冰时的出水温度是-5度-7度，而普通冷机的出水温度是5度-9度。

二、冰蓄冷空调系统设计优缺点分析

1、优势分析

减少冷水机组容量（降低主机一次性投资），总用电负荷少，减少变压器配电容量与配电设施费。冷主机制冷效率低，同时利用峰谷荷电价差，大大减少空调年运行电费，可节约运行费用35%以上（与热泵和溴化锂空调形式比可以节约40%以上）。减少建筑的配电容量，节约变配电的投资，节约30%（空调的配电投资）。使用灵活，部分区域使用空调可由融冰提供，不用开主机，节能效果明显。可以为较小的负荷（如使用个别办公室）融冰定量供冷，而无需开主机。在过渡季节，可以融冰定量供冷，而无需开主机，不会出现大马拉小车的状况，运行更合理，费用节约明显。具有应急功能，提高空调系统的可靠性。在拉闸限电时更能显示其优势：只要具备带动水泵的电力（如发电机发电、限电减电力供电）就能够融冰供冷，不会出现空调不能使用的状况年夏季空调主机减半运行，造成大部分中央空调达不到效果，只有冰蓄冷空调的效果没有受到影响）。制冷温度低而稳定，空调效果佳，提高大楼的舒适性和品位。有低温冷源制冷速度快，上班前启动时间短。上班前启动时间越长，则空调无效运行越多，无谓的浪费越大。作为驱动能源，清洁、环保、稳定、简单可靠，且峰谷电差价在不久的将来势必会更大（周边省份在去年已大幅优惠，国外的峰谷差更大）。对于大型多建筑区域供冷，可以低温供水，降低送水能耗、减少管网投资；同时与每一建筑一个供冷站的形式比可以节约投资、减少管理费用、减少机房面积。空调系统智能化程度高，可以实现系统的全自动运行，而且具备与大楼的BAS接口，是实现移峰填谷最可靠的空调形式。

2、缺点分析

系统异常复杂、庞大。冰蓄冷空调除了通常的制冷系统和空调设备外，还配备复杂的蓄冰设备，蓄冰设备包括蓄冷槽，乙二醇溶液泵、制冰泵、蓄冷介质（如冰球等）、热交换器等设施。占地面积大。由于系统复杂，特别是蓄冷设施庞大，因此占地面积很大，通常每100Rth 的蓄冰槽占体积为10 m³，如蓄冷能力为10000Rth，则体积达1000 m³。其所占用的大量建筑面积显著增加了客户的机会成本，如果该部分建筑改作他用，如地下车库、地下商场等，将给业主带来显著的经济收益。调控困难。冰蓄冷系统存在着控制方面的致命缺陷，其放冷速度开始时较快，到后面放冷速度越来越慢，最后有相当一部分剩余的冷量无法使用。蓄冷时也存在同样的问题，蓄冷时速度较快，后来越来越慢。同时与常规空调相比增加了冰水系统，导致控制非常困难，空调水温极不稳定，难以保证空调质量。还有另一个致命的问题是目前各厂家提供的控制系统不能适应我国电价政策的变化。效率低。制冷效率本身很低，由于系统的庞杂，散热面积大，冷散失也非常严重。维护困难，对操作人员素质要求高。由于系统复杂，同时控制困难，维护工作量成倍增加，而且对人员的素质要求非常高，否则无法达到经济运行，经济效益差。冰蓄冷空调系统初投资非常大，超出直燃机空调系统50%以上，杭州某制冷负荷为300万大卡/h的空调系统，其初投资费用约为750万人民币（如采用直燃机约为500万人民币），该部分费用尚未计算机房建筑成本。

三、冰蓄冷空调系统设计方法

蓄冰空调系统在运行过程中制冷机可有两种运行工况，即蓄冰工况和放冷工况。在蓄冰工况时，经制冷机冷却的低温乙二醇溶液进入蓄冰槽的蓄冰换热器内，将蓄冰槽内静止的水冷却并冻结成冰，当蓄冰过程完成时，整个蓄冰设备的水将基本完全冻结。融冰时，经板式换热器换热后的系统回流温热乙二醇溶液进入蓄冰换热器，将乙二醇溶液温度降低，再送回负荷端满足空调冷负荷的需要。乙二醇溶液系统的流程有两种：并联流程和串联流程。

1、并联流程设计：

这种流程中制冷机与蓄冰罐在系统中处于并联位置，当最大负荷时，可以联合供冷。同时该流程可以蓄冷、蓄冷并供冷、单融冰供冷、冷机直接供冷等。

①、制冷机蓄冰

在空调系统不运行的时间段（如：夜间），制冷机自动转换为蓄冰工况：关闭V2、V4阀门，开启V1、V3阀门，使得乙二醇溶液在制冷机和蓄冰罐之间循环。随着制冰时间的延长，乙二醇温度逐步降低，在管外完成要求冰量的冻结。

②、蓄冰罐供冷

当需要蓄冰罐通过融冰提供冷量，制冷机停止运行，但是仍作为系统的通路。通过乙二醇泵将乙二醇溶液送入蓄冰罐，经过降温后的乙二醇溶液进入板换换热。关闭阀门3，为了控制进入板换的乙二醇温度，将V2、V1阀门设为调节状态。

③、制冷机供冷

为维持较高的制冷效率，当制冷机需直接加入制冷时，按空调工况运行。乙二醇溶液在制冷机和板换之间循环，系统关闭V1和V3、V4，开启V2阀门。通过板换降温后的冷冻水向用户供冷。

④、制冷机、蓄冰罐联合供冷

为了满足空调高峰期时的用冷量，乙二醇溶液经过两次降温，即乙二醇溶液先经过制冷机进行一次降温，然后经过蓄冰罐进行二次降温。所以乙二醇溶液在板换前后的温差达到7℃。为了控制进入板换的乙二醇溶液温度，调节V2、V1阀门来达到目的。

2、串联流程设计

即制冷机与蓄冰罐在流程中处于串联位置，以一套循环泵维持系统内的流量与压力，供应空调所需的基本负荷。串联流程配置适当自控，也可实现各种工况的切换。

并联流程在发挥制冷机与蓄冰罐的放冷能力方面均衡性较好，夜间蓄冷时只需开启功率较小的初级泵运行，蓄冷时更节能，运行灵活。串联流程系统较简单，放冷恒定，适合于较小的工程和大温差供冷系统。

蓄冰系统可以采用温差较大的主机上游式内融冰串联系统，蓄冰设备选用蓄冰筒。由于乙二醇水溶液温度较低，可以保证板式换热器为系统提供3.5℃出水同时有较高的制冷效率和较低的初投资。在典型设计日空调冷负荷由制冷机和蓄冰筒共同承担，非典型设计日通过优化控制来满足冷负荷需求并将系统运行费用降低到最低。在系统供冷时，乙二醇溶液首先经过冷机在空调工况下降温以保持高效的运行，再经蓄冰筒的冷却使乙二醇溶液温度进一步降低，板式换热器进出口处乙二醇溶液可以达到较大的温差，从而使相同负荷条件下串联系统乙二醇溶液的流量较小，因此在相同条件下串联系统的乙二醇循环泵小于并联系统，使串联系统的设备投资和运行费用都优于并联系统，而且串联方式管路简单运行可靠。

3、蓄冰空调的选型

除了空调供冷外，全天的其余时间全部用于蓄冷，这样可以使主机的容量减少至最小值。

蓄冷比例的确定是非常重要的一个环节，在方案设计中一般先初步选择教典型的几个值（如30%等），经设备初选型，根据当地有关的电力政策并计算初投资、运行费、并考虑其他因素最后选定较佳的比例值。

蓄冰罐计算：

蓄冰槽容量：Q′=n2×q×T2

板式换热器选型:F=Q/(K×Δtm)

公式中Q为总换热量；K为换热系数；Δtm为对数平均温差；

水泵：冰蓄冷系统中，由于乙二醇价格较高，对水泵的密封性能要求较高。一般建议采用带机械密封的水泵，可以减少漏液或几乎不漏液。

水泵选型：根据流程，确定满足各种工况下的最大阻力和流量；为达到节能的目的，尽量选用多台泵。

该工程采用并联流程，初级泵流量=Q/C×Δt

扬程P(估算)=P主机+P蓄冷罐+P管道+P阀门

扬程P=P换热器+P蓄冷罐+P管道+P阀门

水泵选型后，还需与自控专业配合，校核各工况下的流量和阻力分配，以及三通阀的调节能力能否满足工况要求等。

设计工作落实中，一是采用主机上游的串联系统，主机上游回水先流经主机，使主机在较高的温度下运行，提高了压缩机的效率，使能耗降低。二是蓄冰装置标准蓄冰槽。标准蓄冰槽有以下优点：在保证导热性能的同时，彻底杜绝腐蚀隐患，重量轻；采用不完全冻结式，可提供稳定的低温载冷剂，减小循环水泵的流量及相应管道的管径，降低初投资；外结冰，无内应力，使用寿命长；传热面积大，结冰融冰速率稳定；结冰厚度薄，制冷主机运行效率高。三是设计日联合供冷时，采用主机优先模式，主机一直满负荷运行，机组利用率高，主机和蓄冷盘管容量最小，投资最节省。四是所有水泵采用原装进口优质产品，变频运行。整个供冷期，大部分时间都为部分负荷，水泵通过无级调速、变频、节能效果明显。

总结：

冰蓄冷空调比常规空调减少装机容量，以相对节约的投资和运行成本实现均衡电网用电负荷、移峰填谷的目的，社会、经济和环境效益显著。暖通与冰蓄冷行业相结合是空调系统发展的一种新趋势，同时具有很大的推广应用价值和发展前景。

参考文献

[1] 张丽娟，王文龙，冰蓄冷空调系统设计及其节能优化措施 [ J]. 徐州建筑职业技术学院学报，2009

[2] 李光旭，冰蓄冷空调系统设计与应用 [ J]. 福建建设科技 2005