研 究 生 课 程 论 文 (2008 -2009 学年第二学期)

课程论文题目：冰蓄冷技术及其应用 研究生：欧

提交日期： 年 月 日 研究生签名： 学 号 学 院 课程编号 课程名称 学位类别 硕士 任课教师 制冷空调过程的节能新技术 教师评语：

成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日 冰蓄冷技术及其应用 摘要：本文在介绍了冰蓄冷技术的特点的基础上，论述了冰蓄冷技术对电力调峰、平衡电网及节能减排的意义；并结合工程实际，分析了与冰蓄冷空调相结合的低温送风系统的经济性;并简要介绍了冰蓄冷与热泵组合式空调系统的优势。展望了新型冰蓄冷系统的发展前景。 关键词： 冰蓄冷 削峰填谷 节能 低温送风系统

1 引言 改革开放以来，我国经济的高速发展和人民物质生活水平的不断提高，对电力供应不断提出新的挑战。尽管全国发电装机容量不断增大，然而，电力供应仍很紧，尤其是夏季有些地方不得不采用拉闸限电的办法解燃眉之急。因而，改善电力供应的紧状况和电力负荷环境已成为一些大中城市的首要任务。长期以来空调系统是能耗大户，而空调系统用电负荷一般集中在电力峰段，因此对城市电网具有很大的“削峰填谷”潜力。基于这种“削峰填谷”的想法，空调系统中出现了冰蓄冷机组，它利用午夜以后的低谷电制冰，储存到白天用电高峰时供冷。而冰蓄冷技术和低温送风空调系统相结合则更能增强它的竞争力，对于电力生产部门和用户都会产生良好的经济效益和社会效益，并可以实现整个能源系统的节能和环保。因而随着国冰蓄冷技术的成熟，它在我国将有更广阔的发展前景。 2 冰蓄冷空调系统简介 冰蓄冷空调就是利用水或一些有机盐溶液作为蓄冷介质，在夜间电力供应的低谷期（同时也是空调负荷很低的时间）开机制冷，将它们制成冰或冰晶，到白天电力供应的高峰期（同时也是空调负荷高峰时间），利用冰或冰晶融解过程的潜热吸热作用，再将冷量释放出来满足高峰空调负荷的需要或生产工艺用冷的需求。在用电低谷时不用或少用空调如办公室,写字楼,体育馆,影剧院,商业中心,文化馆场,健身娱乐城,国防科研,教学试验楼等冷负荷要求变化大的场所，特别适合于采用冰蓄冷技术。这样制冷系统的大部分耗电发生在夜间用电低峰期，而在白天用电高峰期只有辅助设备在运行，从而能有效地解决大多数城市电网均面临高峰期电力不够、低谷期电力用不了的尴尬局面，实现用电负荷的“移峰填谷”。图1为夜间中央空调主机蓄冰示意图，图2为白天依靠蓄冰装置制冷的示意图。

图1 夜间中央空调主机蓄冰 图2 白天依靠蓄冰装置制冷 2.1 冰蓄冷技术的分类 冰蓄冷技术按是否使用载冷剂分为直接蒸发制冰和间接蒸发制冰。直接蒸发制冰又按制冰装置有无运动部件分为静态制冰和动态制冰。静态制冰是指制冰的制备和融化在同一位置，蓄冰设备和制冰设备部件为一体结构，具体形式有冰盘管式（外融冰式管外蓄冰）、完全冰结式（融冰式管外蓄冰）、密封件蓄冰。动态制冰是指冰的制备和融化不在同一位置，制冰机和蓄冰槽相对独立，具体形式有制冰滑落式、冰晶式。 图3所示为直接蒸发式外融冰工作原理图，来自用户侧温度较高的载冷剂（通常为乙二醇水溶液）在盘管循环，通过管壁将热量传给冰层，将盘管表面的冰层由向外融化，使载冷剂冷却到需要的温度，以供应外界负荷所需的冷量。

图3 直接蒸发式外融冰工作原理图 2.2 冰蓄冷模式 一般可把冰蓄冷空调系统划分为全量和部分蓄冰和部分蓄冰两种蓄冰模式。 （1）全量蓄冰 制冷主机只负责在夜间电网低谷期制冰蓄冷，空调所需要的所有负荷全部由冰的融化来提供。该方案配置由于所有冷负荷都在低谷电价时段制取，所以其运行费用最省；但由于设备的使用效率低（主机高峰期不运行），所需的主机和储冰器的容量较大，与主机配套的冷却塔和电力设备也大，一次投资费用最多。因此，全量蓄冰空调系统只适用于负荷集中，使用时间短的建筑，在一般工程中较少采用。 （2）分量蓄冰 制冷机在夜间低谷段制取部分冷量，以冰的形式储存。在日间电力高峰期，由储冰机和制冷机联合供冷，以满足空调负荷的需要。蓄冰负荷占总负荷的比例，可由技术经济分析的评估结果来决定，一般为30%-50%。由于制冷机在日间和夜间都在运行，设备的使用效率高，相对于全量蓄冰模式，制冷机和蓄冰器的容量最多可减少至近一半。由此可以实现最少的初期投资和最短的投资回收期，其运行费用比全量蓄冷高。在过度季节，为减少运行电费，可把分量蓄冷转化为全量蓄冷运行模式。分量蓄冷又分为制冷机优先和融冰优先两种运行策略。 2.3冰蓄冰空调的节能性分析 2.3.1 冰蓄冰空调本身不节能 文献[1]比较了活塞式、螺杆式和二级或三级离心式冷水机组在蓄冰和空调两种工况下的性能系数，结果表明，蓄冰工况的性能系数大于空调工况的性能系数,即提供同样冷量的前提下,采用蓄冰技术需要多耗能, 且在不同的蓄冷模式情况下,存在比常规空调多的蓄冷、释冷过程中高、低温热源之间的损失,因此蓄冰空调从其本身并不节能。 2.3.2 冰蓄冷空调的终端节能 冰蓄冷系统本身并不节能，但它的移峰填谷作用将对电力供应和生产带来显著效益并节约能源,其具体表现在:移峰填谷使电网供电平衡,可降低输、配电损失5%～18%;充分利用移峰电力,可使发电的热质效率提高约25%;稳定用电,使功率因数改善,可节电1%～2%;由于削峰,避免了为几个小时的尖峰负载而新建电厂,据有关资料显示，要新建一个电站，每千瓦需投资3375～10000元人民币。而采用蓄冰技术每转移1千瓦高峰负荷只需增加初投资100元左右。 总之，采用蓄冷技术,一是可以起到“削峰填谷”的作用;二是可以降低制冷设备的容量和配电容量;三是可以降低运行费用,延长系统寿命;四是可以作为备用冷源，特别适用于应急设备所取的环境，如医院、计算机房、军事设备及机房等。通过“削峰填谷”可以降低装机容量和调峰容量,减少机组启停次数和低负荷运行时间,使机组大部分处于高效率的满负荷工况下运行,既能降低发电煤耗,又能提高能源利用率,真正做到终端节能。这对于电力生产部门和用户都会产生良好的经济效益和社会效益，从而实现整个能源系统的节能，并产生较好的环保作用。 3 应用 从世界围来看,冰蓄冷技术在空调领域的应用从20世纪30～60年代以减小制冷机容量为主要目的的起步阶段到20世纪70～80年代以转移高峰用电时段空调用电负荷为主要目的的“移峰填谷”的快速发展阶段,再到20世纪90年代中期以来利用冰蓄冷的“高品位冷能”与其它空调装置的有机结合,以提高空调制冷系统整体能效和降低整体投资及建筑造价、改善室空气品质和热舒适为目标的技术成熟阶段,经历了漫长的过程.目前我国的冰蓄冷空调技术也正在逐步接近世界先进水平,其中冰蓄冷与其他系统特别是低温送风空调系统及热泵系统结合越来越引起人们的重视。 3.1 冰蓄冷技术与低温送风相结合 早在20世纪80年代国外发展冰蓄冷的经验就告诉我们，单纯的冰蓄冷，利用低谷电制冰，储存到用电高峰时段供冷，确实可以转移部分高峰电力负荷。但是，这种方法不但使冷源建设投资增加到常规冷源的1.6-2倍，而且空调的实际用电量也比常规空调系统高出1.3倍之多。解决这个问题的出路是走冰蓄冷与低温送风系统相结合的道路。 3.1.1 低温送风系统特点 低温送风系统是利用冰蓄冷系统提供的低温介质，通过表面冷却器处理空气，从而得到较低温度空气的一种空调系统。低温送风空调方式是指从集中空气处理机组送出较低的一次风,经高诱导比的末端送风装置进入空调房间。它是相对于常规送风而言的，常规送风系统从空气处理器出来的空气温度为10～15℃,而低温送风空调方式的送风温度为3～11℃。 3.1.2 冰蓄冷与低温送风空调系统相结合的优势以及存在的问题 低温送风系统所需的冷水温度一般为2～3℃,正好可以与冰蓄冷系统联合应用,两者的结合既可以有效地转移了一部分尖峰用电时段的空调电负荷以相应减少了输配电设备的容量,从而可减少输配电设备的投资和增容费；且由于低温送风降低了送风温度,增大了送风温差，从而减少了一次风量,也就减少了一次风的空气处理设备,其初投资可降低（见表1）；再者，由于送风量减少,相应的空调设备和风道尺寸均减少，因而可以节省建筑物空间，降低建筑层高[5]（见表2）；同时, 它能降低房的相对湿度, 舒适性和室空气品质也有所提高。因而增加了冰蓄冷低温送风空调系统的竞争力。 然而，采用低温送风也有一些问题：低温送风因低温而减小了送风量,会使空调区域空气流速过低及气流循环量较低,一定程度上影响到空调区域的舒适性；对低温送风系统的送风温度若不进行优化设计,会因其低于空调区域空气的露点温度,引起气流的“白雾”。在系统刚启动时,尤为明显,还会在送风口产生“结露”和滴水现象,影响室环境。当然，从设计、安装和调试三个环节进行技术管理和质量控制就能解决以上问题。 表1 几种空调系统投资比较 空调系统 相对投资系数 非蓄冰常规送风系统 1.0 部分蓄冰与常规送风系统 1.18～1.26 部分蓄冰与低温送风系统 0.73～0.86

表2 低温送风与常规空调方式比较 项目 低温送风方式 常规空调方式 送风温差/℃ 10～20 8～10

送风温度/℃ 3～11 10～15 送风温度空调机组尺寸减少比例/% 20～30 0 风管尺寸减少比例/% 30 0 风管功率减少比例/% 30～50 0 3.1.3 工程实例 向红[8]等对市中国大唐电力集团公司生产调度指挥中心的空调系统进行设计。 （1）工程简介 中国大唐电力集团公司生产调度指挥中心位于市西城区金融街,总建筑面积4.83万m2,地上16层,地下5层,建筑总高度70m,标准层层高3.85 m。该建筑属于电力部门的办公类建筑，夏季需要24小时供冷。 该工程设计总冷负荷(包括新风负荷)为44952Kw, 设计时采用冰蓄冷、大温差供水的低温变风量系统加独立的新风系统。 蓄冰模式为分量蓄冰模式,设计工况的供冷运行方式为主机优先模式,部分负荷时按融冰优先模式运行。蓄冰装置采用5台钢制盘管成品蓄冰槽,总蓄冰量为13378 kWh,占设计日空调负荷总量的29.7%。主机采用2台双工况螺杆式冷水机组,制冷工质为R22,载冷剂采用质量分数为25%的乙二醇溶液。设计日冰蓄冷系统运行模式和冷负荷平衡情况为:100%冷负荷条件下,高峰供冷时段,融冰和主机同时供冷,满足高峰供冷的需要，超过75%的存冰量在电力高峰和尖峰两种时段融化提供冷量。 该工程的另一特点是采用低温变风量系统，它是由变流量冷水系统(冷水泵为变频泵)和变风量空气输送系统(空气处理机组为低温变风量中央空气处理机组)低两大部分构成。与常规空调送风相比，它在提高空调室的空气品质的同时，能有效节省系统初投