使用冰蓄冷中央空調(diào)需要注意的問題與優(yōu)化方向

郭江文

摘 要：隨著人們對生活質(zhì)量重視程度和消費水平的提高，工作和生活環(huán)境中的使用空調(diào)的情況越來越多，在改善生活環(huán)境的同時也給電力供應(yīng)和環(huán)境資源帶來較大壓力。冰蓄冷空調(diào)作為一種新興的蓄熱空調(diào)技術(shù)應(yīng)用形式，在我國擁有較為廣闊的發(fā)展空間。冰蓄冷空調(diào)具有有效提高能源利用效率，減小制冷設(shè)備體積和裝設(shè)功率，從而大幅降低空調(diào)系統(tǒng)的運行費用和維修費用的優(yōu)點。文章介紹了冰蓄冷技術(shù)的原理和優(yōu)勢，并對其優(yōu)化改進提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：冰蓄冷；動態(tài)冰蓄冷技術(shù)；中央空調(diào)

冰蓄冷中央空調(diào)使用獨特的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。它以冰作為冷源，在結(jié)構(gòu)上比常規(guī)中央空調(diào)多出一個蓄冰裝置。冰蓄冷中央空調(diào)在人類能源開發(fā)與利用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新突破，它能夠降低用電高峰壓力，節(jié)約投資和運行成本，冰蓄冷技術(shù)通過調(diào)整不同用電時段的電力負荷，在保障白天空調(diào)制冷需求的基礎(chǔ)上，降低用戶用電成本。相較于一般的常規(guī)空調(diào)，每年可以節(jié)省10%～30%的運行費用。

在國內(nèi)，人們關(guān)于冰蓄冷技術(shù)的節(jié)能作用的討論長期存在。有相當(dāng)一部分人認(rèn)為，冰蓄冷技術(shù)在晚上主要是在夜間消耗電能，雖然緩解用電壓力，但消耗的電量是不變的，只是單純因為夜間電價便宜而節(jié)約了用電成本，并沒有節(jié)能?；谶@一論點，有人進行了相關(guān)測算。以我國每年新增的約3億平米的商務(wù)建筑物為例，如果全面使用商用建筑蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，每年可為國家節(jié)省用電資金38.4億元，節(jié)煤319萬噸，減少二氧化碳排放867萬噸，減少二氧化硫排放11.2萬噸。換句話說，上述減排結(jié)果大致等效于為大氣減少217萬輛汽車尾氣的排放量，種樹474萬畝。從上述數(shù)據(jù)，可以看到冰蓄冷技術(shù)的節(jié)能潛力是何等巨大。

1 冰蓄中央冷空調(diào)工作原理

冰蓄冷空調(diào)以水或有機鹽溶液作為蓄冷介質(zhì)，在夜間運行制冷，將蓄冷介質(zhì)轉(zhuǎn)換成固態(tài)，在白天通過融化吸收熱量，達到降溫效果。由于夜間為供電低谷時段電價較低，而白天處于用電高峰電價較高，冰蓄冷空調(diào)通過自身制冷蓄冷時段分別處于用電高峰和低谷時段的特點，既緩解了高峰時期的用電壓力，提高用電低谷時段用電效率，同時也利用不同時段的電價差來節(jié)約用電費用，達到合理利用電力資源和減小國家電力工業(yè)建設(shè)投資的目的。

2 冰蓄中央冷空調(diào)的優(yōu)點

2.1 降低電力需求

冰蓄冷技術(shù)使用冰為冷源，風(fēng)量相對減少，從而使得低溫送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機能耗降低30%至40%。同時，因為供回水溫差很大，冷水側(cè)水泵能耗也有所降低，大體可節(jié)約電費約20%左右。

2.2 降低了初投資和運行費用

由于冰蓄冷系統(tǒng)冷量品位很高，使得能源利用效率大幅提升，而且送風(fēng)溫度較低，降低了送風(fēng)量的要求，從而實現(xiàn)了設(shè)備和管路的小型化，減小了占有空間，降低了設(shè)備造價，從一定程度上彌補了制冰蓄冰增加的費用額度。

2.3 用較低的房間相對濕度提高了熱舒適

由于以冰作為冷源，空氣濕度相對較低，空氣更加清新，體感舒適度有所上升。

2.4 用電“移峰填谷”效果明顯

特別是在春、秋兩季，主機只需在用電低谷時段啟動蓄冰，其他時段無需啟動，從而實現(xiàn)了高峰、平價時段間的用電轉(zhuǎn)移。

3 冰蓄中央冷空調(diào)存在問題及優(yōu)化

冰蓄冷系統(tǒng)可以實現(xiàn)電網(wǎng)的“移峰填谷”的效果，這可從價格差中帶來經(jīng)濟效益。但是冰蓄冷系統(tǒng)的初投資費用比常規(guī)空調(diào)高很多，成為限制其發(fā)展的一個重要因素。如何最大限度地發(fā)揮其節(jié)能的優(yōu)點，可快速恢復(fù)最初的投資，是冰蓄冷空調(diào)技術(shù)和設(shè)計的關(guān)鍵。冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)具有具有常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，同時也存在著一些不足。通過對冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的對比分析，就其關(guān)鍵部分的改進優(yōu)化提出相關(guān)建議。主要有以下幾個方面。

3.1 加強對送風(fēng)溫度和蓄冷率的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

送風(fēng)溫度和蓄冷率是冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響著空調(diào)系統(tǒng)的能源利用效率和經(jīng)濟效益。從系統(tǒng)設(shè)計角度對送風(fēng)溫度和蓄冷率進行優(yōu)化，是提高冰蓄冷送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)水平和經(jīng)濟效益的根本途徑。

3.2 冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)技術(shù)的核心價值在于可以實現(xiàn)較高水平的經(jīng)濟效益

要保障系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化需要從設(shè)計、控制和管理幾個方面著手。其中設(shè)計是根源和基礎(chǔ)。冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計要在滿足設(shè)計指標(biāo)和安全運行的基礎(chǔ)上，降低初投資成本，平衡不同用電時段的電力負荷，從而實現(xiàn)降低電力資源消耗和節(jié)約經(jīng)濟成本的最優(yōu)化。

3.3 考慮電價以及用電限制的影響

當(dāng)?shù)氐碾妰r政策是決定冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)適用性的關(guān)鍵指標(biāo)。峰谷電價差越大，冰蓄冷空調(diào)的經(jīng)濟效益越好。國外相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，峰谷電價比達到2：1是采用蓄冷系統(tǒng)的門檻指標(biāo)；峰谷電價比為2.5：1時，采用蓄冷系統(tǒng)可以創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益；峰谷電價比為3：1時，采用蓄冷系統(tǒng)創(chuàng)造的經(jīng)濟效益非常顯著。

由于國內(nèi)電價政策與國外不同，是否使用冰蓄冷空調(diào)還要考慮當(dāng)?shù)鼐唧w情況。另外，當(dāng)?shù)貙Ω叻鍟r期的用電限制相關(guān)規(guī)定對設(shè)備容量具有重要影響，必須予以考慮。

3.4 考慮建筑物類型的影響

建筑物類型、功能不同，其用電負荷分布也不一樣。如果建筑物用電負荷比較集中，且負荷多發(fā)生在用電高峰時期，那么采用蓄冷系統(tǒng)平衡用電費用，就可以實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益。如果建筑物白天晚上用電負荷相差不大，或者當(dāng)?shù)赜秒姼叻搴偷凸入妰r差額不大，那么冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益就不明顯，甚至不適合使用。

3.5 考慮當(dāng)?shù)氐湫湍甑臍庀筚Y料的影響

當(dāng)?shù)卣麄€供冷季節(jié)的逐時冷負荷分布是選擇冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與否的重要參考，而逐時負荷是依據(jù)典型年的氣象資料算出的。全新風(fēng)循環(huán)作為省能器供冷的地區(qū)，采用低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)就不合適了。

3.6 改進制冷設(shè)備

通過對設(shè)備的質(zhì)量管控與改進，實現(xiàn)整體系統(tǒng)技術(shù)水平的提高。積極吸收外國先進技術(shù)經(jīng)驗，去除冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)中的板式換熱器，可以提高系統(tǒng)可靠性。而通過采用變風(fēng)量空調(diào)器、聯(lián)結(jié)蝶閥和全部法蘭、對管道內(nèi)壁進行防腐處理、增加乙二醇溶液回收裝置，防止溶液損失等相關(guān)技術(shù)措施，可以解決沒有換熱器的問題，從而實現(xiàn)節(jié)省初投資和運行費用的目的。endprint

3.7 降低送風(fēng)系統(tǒng)的溫度

空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度從常規(guī)的12℃降到4～12℃，同一條件下冷卻空調(diào)負荷量減少，從而減少功率消耗的風(fēng)機正常運行所消耗的功率，使系統(tǒng)節(jié)約能源和降低運營成本。根據(jù)流體力學(xué)的風(fēng)機功率公式可以得出，送風(fēng)量減少會使風(fēng)機所耗功率會三次方下降。此外，送風(fēng)量減少伴隨著風(fēng)管尺寸的減小，從而使系統(tǒng)減少了初投資。因此，降低空氣溫度可以使冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在實施“移峰填谷”的同時，并能降低系統(tǒng)的運行費用和初投資，取得了可觀的經(jīng)濟效益。

3.8 增加熱回收裝置

空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)中的余熱直接排放到大氣中，既造成城市的熱污染，又浪費了熱能。如果將排風(fēng)中的余熱（余冷）加以回收再利用，如加熱生活熱水、處理新風(fēng)等，則可提高系統(tǒng)的整體能源利用率，達到節(jié)能的目的，同時又可降低機組負荷，節(jié)省初期投資。熱回收裝置可分為兩大類：全熱回收裝置和顯熱回收裝置。全熱回收裝置用具有吸濕作用的材料制作，既能傳熱又能傳濕，可同時回收顯熱和潛熱；顯熱回收裝置則用不含吸濕作用的材料制作，只能傳熱，不能傳濕，只能回收顯熱。在設(shè)計中，對全熱回收裝置和顯熱回收裝置的選擇應(yīng)因地而宜。

3.9 使用熱管技術(shù)

熱管作為傳熱元件，由于其良好的傳熱性能，正越來越多地應(yīng)用到各種工程項目中。該熱管應(yīng)用在冰蓄冷系統(tǒng)，可以提高冰蓄冷空調(diào)的傳熱性能，提高能源利用效率。

3.9.1 直接式熱管冰蓄冷

采用熱管冷凝段置于制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器中，熱管的蒸發(fā)段置于蓄冰池中直接蓄冰，稱為直接式熱管冰蓄冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)由于熱管熱變換，從而克服制冷劑壓降和回油困難，由于管道腐蝕和制冷劑泄漏現(xiàn)象，融冰過程由外向內(nèi)融化，溫度較高的冷凍水回水與冰直接接觸，可以在較短的時間內(nèi)制出大量的低溫冷凍水，提高了能源的利用效率，因此特別適用于短時間內(nèi)要求冷量大、溫度低的場合。系統(tǒng)的問題是，如果存儲冰沒有完全融化的冰塊，將增加電力消耗及系統(tǒng)設(shè)計和安裝難度。

3.9.2 間接式熱管冰蓄冷

采用二次冷媒將制冷系統(tǒng)與蓄冷系統(tǒng)進行連接，熱管蒸發(fā)段置于蓄冷池中，冷凝段置于蓄冷池之上。二次冷媒經(jīng)制冷機組蒸發(fā)器降溫后流經(jīng)熱管冷凝段進行換熱，利用熱管高效的傳熱特性對蓄冷池直接蓄冷，這種系統(tǒng)目前尚處于研究中。該裝置的最大優(yōu)點在于無需對傳統(tǒng)的制冷機組進行結(jié)構(gòu)改裝即可直接應(yīng)用于工程中，且少量的熱管破裂及泄漏均不影響系統(tǒng)的正常運行。熱管技術(shù)在設(shè)計中應(yīng)注意，在熱管冰蓄冷過程中，冰直接凝固在熱管上，隨著冰層厚度增加，傳熱熱阻加大，將導(dǎo)致結(jié)冰速度緩慢，降低能源的使用效率。若能使熱管在結(jié)冰達到一定厚度后冰層自動從熱管蒸發(fā)段脫落，使熱管總是維持在一個傳熱熱阻較小、換熱性能較高的水平，這樣將會顯著提高整個蓄冷系統(tǒng)的效率，減少設(shè)備投資容量，也更為節(jié)能。

4 控制模式

與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同，蓄冷系統(tǒng)可以通過制冷機組或蓄冷設(shè)備單獨為建筑物供冷，也可以兩者同時供冷。在夜間，控制系統(tǒng)通過預(yù)測次日負荷的需求，決定當(dāng)晚的蓄冰量，以免過量蓄冰，造成不必要的浪費；日間，則通過預(yù)測當(dāng)日逐時負荷需求，測定冰槽剩余冰量，計算出包括制冷機組在內(nèi)的整個系統(tǒng)在未來的供冷能力，并據(jù)此確定在某一給定時刻，多少負荷是由制冷機組提供，多少負荷是由蓄冷設(shè)備供給的，最終達到日間用完所有的蓄冰量，但又不至于過早用完，以充分發(fā)揮蓄冰系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。

4.1 雙工況主機制冰模式

在夜間利用優(yōu)惠的低谷價和低峰負荷，雙工況主機全力制冰，將制得的冷量儲存在蓄冰裝置中。

打開雙工況制冷機組蒸發(fā)器、冷凝器出口閥門，將制冷主機出來的低溫乙二醇溶液（-6℃）泵入蓄冰槽中與水發(fā)生熱交換，水放出潛熱后在乙二醇管壁外結(jié)冰，乙二醇溶液吸收水的潛熱后溫度升高至-3.6℃。隨著制冷機不斷的制取低溫溶液，直到蓄冰結(jié)束，待白天高峰負荷時使用。制冰結(jié)束結(jié)素有如下三個判斷依據(jù)，其中一個條件滿足時，系統(tǒng)即判斷制冰結(jié)束，停止制冰工況。

（1）冰槽液位傳感器指示已儲存額定冰量。（2）控制系統(tǒng)的時間程序指示為非蓄冰時間。（3）當(dāng)雙工況主機出口溫度低于-6℃（可調(diào)）時或蓄冰裝置的出水溫度降到-4℃（可調(diào)）。

4.2 基載主機直供運行方式

當(dāng)蓄冰槽釋冷結(jié)束時或供冷負荷進行必需的臨時調(diào)度時，僅基載制冷機組直接供冷，而蓄冰槽不工作。通過控制器關(guān)閉雙工況主機及相關(guān)附件，基載機組承擔(dān)空調(diào)負荷。此時，基載主機制取6℃的空調(diào)冷凍水經(jīng)二次泵送到末端供冷，12℃的空調(diào)回水匯聚于集水器中經(jīng)一次冷凍泵送入主機蒸發(fā)器再次制冷。

4.3 融冰單獨供冷模式

乙二醇系統(tǒng)中，把電動閥門調(diào)整到相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，乙二醇溶液在主機（此時主機不供冷）、蓄冰裝置、板換和乙二醇泵之間形成循環(huán)。乙二醇溶液進入蓄冰裝置，和冰槽內(nèi)的冰進行熱交換，冰吸收潛熱發(fā)生相變，乙二醇溶液放出熱量后溫度降至4℃，進入板換和冷凍水進行熱交換，產(chǎn)生6℃的冷凍水，滿足空調(diào)的要求。換熱后的乙二醇溶液溫度升高到10℃，再回到蓄冰裝置降溫。此時，所有主機都不運行，僅有幾臺水泵和乙二醇泵再循環(huán)，所以運行費用很低。

4.4 基載主機和融冰聯(lián)供運行方式

當(dāng)用戶冷負荷大于冰槽融冰所產(chǎn)生的冷量需要蓄冰槽和基載機組同時運行供冷模式。本系統(tǒng)按分量蓄冷運行策略設(shè)計，在較熱季節(jié)大都需要采用此運行模式。此工況下基載制冷機組、基載一次泵、乙二醇泵、蓄冷槽、板式換熱器均投入運行，微機控制系統(tǒng)根據(jù)動態(tài)負荷預(yù)測的數(shù)據(jù)，控制蓄冷罐釋冷量的大小，使蓄冷罐的蓄冷量當(dāng)天基本用盡，又不能出現(xiàn)最后幾小時蓄冷系統(tǒng)供不應(yīng)求，使冰蓄冷系統(tǒng)運行達到最經(jīng)濟的效果。

5 我國中央空調(diào)動態(tài)冰蓄冷技術(shù)的應(yīng)用情況

我國大部分地區(qū)處于暖溫帶和亞熱帶。夏季時間較長，在南方某些地區(qū)甚至可達8個月。進入夏季后空調(diào)使用需求急劇上升，不僅用電量巨大而且使用時間集中，對電力供應(yīng)造成巨大壓力，成為導(dǎo)致城市電力負荷峰谷的主要原因。冰蓄冷空調(diào)通過對用戶用電方式的調(diào)整，在一定程度上緩解了高峰期的用電壓力。我國當(dāng)前的蓄冰空調(diào)工程設(shè)備主要來自國外，其中絕大部分為靜態(tài)蓄冰技術(shù)，體積巨大，運行成本高，制冰效率低。與之對應(yīng)的動態(tài)冰蓄冷技術(shù)采用制冷劑直接與水進行熱交換技術(shù)，極大提高了空調(diào)效能，是新建系統(tǒng)以及既有系統(tǒng)的節(jié)能改造的主要趨勢。

6 結(jié)束語

冰蓄冷中央空調(diào)具有節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟效益水平高的特出特點，在國內(nèi)市場具有廣闊的發(fā)展空間。文章對冰蓄冷空調(diào)改進優(yōu)化方向和注意因素進行了歸納闡述，希望廣大同行能夠從中受到啟發(fā)，從而推動我國冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的不斷前進。

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