動(dòng)態(tài)蓄冷系統(tǒng)和區(qū)域供冷的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)研究

汪瑞東 楊榮海

（中機(jī)西南能源科技有限公司，江蘇 南京210012）

0 引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)力和人們生活水平的提高，電力供應(yīng)高峰電能不足而低谷過(guò)剩的矛盾相當(dāng)突出，電網(wǎng)負(fù)荷率下降。電力部門(mén)實(shí)行了峰谷不同電價(jià)政策，鼓勵(lì)低谷用電，這就為冰蓄冷技術(shù)的推廣提供了可能。同時(shí)，城市中在一定范圍內(nèi)集中新建了大量的賓館、辦公大樓和大規(guī)模商業(yè)中心，亦為區(qū)域供冷提供了可能。

冰蓄冷是利用夜間低谷電制冰并儲(chǔ)存起來(lái)，在白天用電高峰時(shí)段用儲(chǔ)存的冰作為冷源的技術(shù)［1］。冰蓄冷技術(shù)與常規(guī)技術(shù)相比稱(chēng)不上節(jié)能，但能達(dá)到移峰填谷和減少變電設(shè)備的作用，是緩解電力建設(shè)和新增用電矛盾的有效途徑之一。

區(qū)域供冷是利用集中設(shè)置的大型冷凍站向一定范圍內(nèi)的需冷單位提供冷源的供冷方式。由冷凍站、冷媒輸送管網(wǎng)和末端用冷裝置組成。該供冷方式于1961年首次應(yīng)用于美國(guó)的哈特福德（Hartford）［2］。隨著我國(guó)空調(diào)制冷行業(yè)的發(fā)展，區(qū)域供冷技術(shù)的推廣已是大勢(shì)所趨。

1 滑落式板冰冷水機(jī)組簡(jiǎn)介

1.1 機(jī)組組成

由壓縮冷凝機(jī)組、蒸發(fā)板模塊和控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)制冷和制冰兩種工況，是高效的滿(mǎn)液式冷水機(jī)組。

1.2 機(jī)組工作原理

板冰冷水機(jī)組系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 板冰冷水機(jī)組系統(tǒng)原理圖

制冷過(guò)程：在循環(huán)水泵作用下，循環(huán)水經(jīng)板式換熱器（閥1關(guān)，閥2開(kāi)）進(jìn)布水器，沿蒸發(fā)板表面呈膜狀均勻流下，制冷劑在蒸發(fā)板內(nèi)蒸發(fā)吸熱，溫度降低后的水落到蓄冰槽內(nèi)。

制冰過(guò)程：制冷循環(huán)過(guò)程中隨著水溫降低，部分水凝結(jié)成冰附在蒸發(fā)板表面，另一部分水落到蓄冰槽內(nèi)，由循環(huán)水泵吸入（閥1開(kāi)，閥2關(guān)）繼續(xù)循環(huán)制冰。

脫冰過(guò)程：當(dāng)制冰時(shí)間到設(shè)定值，某一蒸發(fā)板模塊的制冷劑進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)，部分熱的制冷劑氣體進(jìn)入蒸發(fā)板模塊內(nèi)，蒸發(fā)板表面的冰由于受熱失去附著力，冰層依靠重力落到蓄冰槽內(nèi)，破碎成小冰片。

融冰過(guò)程：在循環(huán)水泵作用下，循環(huán)水進(jìn)入布水器落到蓄冰槽內(nèi)直接與片狀冰接觸換熱，再由循環(huán)水泵吸入（閥1關(guān)，閥2開(kāi)），經(jīng)板式換熱器與空調(diào)回水換熱后回到蓄冰槽。

制冷＋融冰過(guò)程：在循環(huán)水泵作用下，經(jīng)過(guò)板式換熱器與空調(diào)回水換熱后的循環(huán)水進(jìn)入布水器，沿蒸發(fā)板表面呈膜狀流下，制冷劑在蒸發(fā)板內(nèi)蒸發(fā)吸熱，溫度降低后的水落到蓄冰槽內(nèi)直接與片狀冰接觸換熱后由循環(huán)水泵吸入（閥1關(guān)，閥2開(kāi)），經(jīng)板式換熱器與空調(diào)回水換熱后再回到蓄冰槽。

2 不同蓄冰方式特點(diǎn)比較

蓄冰方式主要有以下幾種：冰盤(pán)管式（外融冰方式）、完全凍結(jié)式（內(nèi)融冰方式）、冰球式、片冰滑落式、冰漿式。以上5種蓄冰方式，前3種是靜態(tài)蓄冰，后2種是動(dòng)態(tài)蓄冰。

2.1 蓄冰原理比較

靜態(tài)蓄冰通過(guò)中間載冷劑制冰、儲(chǔ)冰，制冰過(guò)程中冰一直附著在蓄冰裝置上，蓄冰過(guò)程一次凍結(jié)完成。

滑落式動(dòng)態(tài)蓄冰通過(guò)制冷劑直接蒸發(fā)制冰、儲(chǔ)冰，蓄冰過(guò)程中冰結(jié)到一定厚度與制冰裝置分離，輸送到儲(chǔ)冰裝置中，蓄冰過(guò)程是多次凍結(jié)完成。

2.2 蓄冷效率比較

靜態(tài)蓄冰方式冰層越厚，傳熱系數(shù)越差，蒸發(fā)溫度越低，系統(tǒng)性能系數(shù)越低。乙二醇水溶液比熱容低而密度較高，傳熱性能比水差，換熱設(shè)備需更大的換熱面積，增加了設(shè)備投資。溶液循環(huán)量比水高，水泵功耗增加，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)能效。

滑落式動(dòng)態(tài)蓄冰方式冰層厚度可控，反復(fù)快速制冰，機(jī)組蒸發(fā)溫度較高，系統(tǒng)效率高，基本不存在冰層厚度的影響。由于蓄冷、供冷的介質(zhì)都為水，設(shè)備投資及水泵功耗不需額外增加。

2.3 融冰效率比較

靜態(tài)內(nèi)融冰方式和冰球方式融冰過(guò)程：冰→25%乙二醇溶液→板式換熱器，需通過(guò)2次換熱循環(huán)才能將冷量送至末端，影響系統(tǒng)整體效率；隨著融冰時(shí)間的推移，冰球內(nèi)冰的直徑減小或盤(pán)管與冰層之間形成水層，融冰效率進(jìn)一步降低。

靜態(tài)外融冰方式融冰時(shí)冰水直接接觸，但制冰時(shí)會(huì)結(jié)冰不均勻，易形成死區(qū)，影響蓄冰效率，融冰時(shí)會(huì)存在“千年冰”現(xiàn)象。

滑落式動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)冰水直接混合，通過(guò)板式換熱器與空調(diào)末端系統(tǒng)連接，與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)接近。蓄冰槽中為無(wú)數(shù)混合在水中的小冰塊，融冰時(shí)冰水直接接觸，融冰速度、效率都很高。

2.4 取冷速率比較

靜態(tài)內(nèi)融冰方式和冰球方式屬于間接系統(tǒng)，在融冰環(huán)節(jié)需通過(guò)盤(pán)管壁或冰球壁融冰換熱，接觸面積有限，取冷速率受到了限制。

靜態(tài)外融冰方式融冰時(shí)冰水直接接觸，釋冷較快，但會(huì)存在“千年冰”，需增加水流攪動(dòng)設(shè)施提高融冰速率。

滑落式動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)融冰時(shí)冰水直接接觸，可實(shí)現(xiàn)快速融冰，24 h蓄存的冰，30 min可以全部融化。

2.5 低溫供水實(shí)現(xiàn)比較

靜態(tài)內(nèi)融冰方式和冰球方式屬于間接系統(tǒng)，乙二醇水溶液不直接進(jìn)入空調(diào)水系統(tǒng)，在融冰環(huán)節(jié)需通過(guò)換熱器和系統(tǒng)回水換熱融冰，與用戶(hù)之間多了一級(jí)換熱，難以提供較低的水溫。靜態(tài)內(nèi)融冰方式和冰球方式可以穩(wěn)定提供＞3℃的低溫冷水。

靜態(tài)外融冰方式融冰時(shí)冰水直接接觸，融冰初期可保持恒定，但會(huì)存在“千年冰”，需增加水流攪動(dòng)設(shè)施提高融冰速率。非承壓式蓄冰裝置系統(tǒng)對(duì)外供冷時(shí)需額外增加一組換熱器以使二次側(cè)冷水回路形成閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜。靜態(tài)外融冰方式可以穩(wěn)定提供＞2℃的低溫冷水。

滑落式動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)蓄冰槽中為無(wú)數(shù)混合在水中的小冰塊，融冰時(shí)冰水直接接觸，可實(shí)現(xiàn)快速融冰，融冰初、末期均可保持恒定的出水溫度?；涫絼?dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)可以穩(wěn)定提供1～2℃的低溫冷水。

2.6 蓄冰裝置比較

靜態(tài)冰球方式冰結(jié)在球內(nèi)，有內(nèi)應(yīng)力，球易變形、撕裂，需定期維護(hù)，補(bǔ)充冰球。

靜態(tài)盤(pán)管蓄冰方式盤(pán)管較長(zhǎng)且焊頭太多，泄漏后難查找，需定期檢測(cè)、補(bǔ)充乙二醇以維持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)制冰與蓄冰裝置分離，蓄冰裝置維護(hù)的工作量小。

2.7 周蓄冰比較

靜態(tài)蓄冰方式實(shí)現(xiàn)周蓄冰須增加制冰裝置的費(fèi)用，投資大。

動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)周蓄冰不需增加制冰裝置，只需增加蓄冰槽的容積，投資小。

3 冰蓄冷技術(shù)與區(qū)域供冷技術(shù)相結(jié)合

區(qū)域供冷系統(tǒng)由冷凍站、冷凍水輸送管網(wǎng)和末端用冷裝置組成。對(duì)于含電制冷蓄冷的區(qū)域供冷系統(tǒng)而言，可以降低裝機(jī)容量，減小冷凍水輸送管網(wǎng)的管徑，提供合適的供水溫度，以提高空氣品質(zhì)。

3.1 區(qū)域供冷目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

區(qū)域供冷技術(shù)考慮了不同建筑的同時(shí)使用系數(shù)，與分散式供冷機(jī)房相比已降低機(jī)房裝機(jī)容量，機(jī)組可以滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)能效比較高。

冰蓄冷技術(shù)與區(qū)域供冷技術(shù)結(jié)合不僅可以進(jìn)一步降低裝機(jī)容量，減少投資，還可移峰填谷，減少電網(wǎng)負(fù)荷，用戶(hù)也可利用電價(jià)差節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

要降低冷凍水輸送管網(wǎng)直徑就需增加供回水溫差，降低冷凍水供水溫度；與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)可以提供較低的供水溫度，更易于實(shí)現(xiàn)區(qū)域供冷的目標(biāo)。

3.2 冰蓄冷與區(qū)域供冷相結(jié)合的實(shí)例

深圳大學(xué)城采用區(qū)域供冷系統(tǒng)，總供冷量8 000 RT［2］。杭州市市民中心建筑面積580 000 m2，蓄冷量39 360 RT·h［3］。廣州珠江新城核心區(qū)集中供冷，總蓄冷量82 080 RT·h，分三期進(jìn)行建設(shè)，第一期工程蓄冷量28 728 RT·h［3］。海南三亞亞龍灣冰蓄冷區(qū)域供冷，為亞龍灣地區(qū)多個(gè)五星級(jí)酒店提供冷源，一期供冷能力8 880 RT，冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷量25 536 RT·h［3］。

以上冰蓄冷與區(qū)域供冷相結(jié)合的項(xiàng)目采用靜態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)提供冷源，減少設(shè)備裝機(jī)容量，降低了對(duì)電力系統(tǒng)的影響，降低了高峰用電負(fù)荷。以上項(xiàng)目的成功實(shí)施，說(shuō)明了冰蓄冷與區(qū)域供冷結(jié)合應(yīng)用的技術(shù)日趨成熟。

3.3 動(dòng)態(tài)板冰蓄冷與區(qū)域供冷相結(jié)合的實(shí)例

比照區(qū)域供冷的目標(biāo)，動(dòng)態(tài)蓄冷系統(tǒng)可在蓄冰效率、融冰效率、取冷速率、周蓄冰、供水溫度及其穩(wěn)定性等方面進(jìn)一步優(yōu)化和提升，降低機(jī)房設(shè)備投資、運(yùn)行效率、運(yùn)行費(fèi)用，提供更高品質(zhì)的空調(diào)環(huán)境。

深圳華南城物流中心5號(hào)廣場(chǎng)總建筑面積約32萬(wàn)m2，調(diào)溫面積約為23萬(wàn)m2，分為A座和B座，通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)房向兩個(gè)區(qū)域供冷。5號(hào)廣場(chǎng)夏季尖峰冷負(fù)荷為21 971 k W（6249USRT），設(shè)計(jì)日空調(diào)總冷量為81 153 RT·h，采用分量蓄冰模式，設(shè)計(jì)蓄冷量為26 000 RT·h。項(xiàng)目冷源設(shè)備選用了動(dòng)態(tài)板冰蓄冷系統(tǒng)。該工程于2013年已投入使用，并正常運(yùn)行了2個(gè)供冷季，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯［4］。

華南城5號(hào)交易廣場(chǎng)與上述區(qū)域供冷項(xiàng)目相比，無(wú)論是供冷規(guī)模還是蓄冷體量已基本相當(dāng)。相對(duì)于靜態(tài)蓄冰系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)應(yīng)用范圍雖還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及，但滑落式動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)在深圳華南城的成功運(yùn)營(yíng)及其優(yōu)點(diǎn)為動(dòng)態(tài)蓄冰技術(shù)與區(qū)域供冷技術(shù)相結(jié)合奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

蓄冰系統(tǒng)與區(qū)域供冷相結(jié)合在世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為一種商業(yè)化的、十分成熟的供冷技術(shù)，在冷量需求較高、商業(yè)化建筑密集同時(shí)電力又比較缺乏的地區(qū)，可以發(fā)展區(qū)域供冷來(lái)解決當(dāng)?shù)卣^痛的一些缺電、環(huán)保問(wèn)題。動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)與區(qū)域供冷的成功結(jié)合和運(yùn)用為后續(xù)此類(lèi)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了依據(jù)。

動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)與區(qū)域供冷相結(jié)合是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及面廣，投資數(shù)額大，需要政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛合作。只有這樣，動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)與區(qū)域供冷才會(huì)在我國(guó)發(fā)展、成熟、壯大。

［1］嚴(yán)德隆，張維君.空調(diào)蓄冷應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997

［2］惠榮娜，徐奇，李德英，等.我國(guó)區(qū)域供冷的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.建筑節(jié)能，2007（3）：47～50

［3］張永銓.我國(guó)蓄冷技術(shù)的發(fā)展［J］.暖通空調(diào)，2010（6）：2～5

［4］深圳華南城5號(hào)交易廣場(chǎng)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)工程技術(shù)資料［Z］