冰蓄冷空调技术及其发展

432中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南冰蓄冷空调技术及其发展叶水泉(中国华电·国电机械设计研究所浙江省杭州市310027)ICETHERMALSTORAGETECHNOLOGYYEShui-quan(SPMI,HangZhou310027,ZheJiangprovince,China)ABSTRACT:thearticleindicatesicethermalstoragetechnologyisaveryimportantmethodtoimprovetheDSMviaanalyzingthepropertyofthepowerdemandincitypowergrid.Clarifyitsbasictheoryandsorts.Introduceitsdomesticandoverseasengineeringapplication.KEYWORDS：DSM;Icethermalstorage;Centralairconditioningsystem;Favourablepowerpricepolicy摘要：通过分析城市电网用电负荷的特性，指出蓄能中央空调技术是改善电力需求侧管理的重要技术手段，阐明了冰蓄冷中央空调技术的基本原理和不同类别。结合具体工程实例，介绍了国内外冰蓄冷技术的应用情况。在国家优惠政策的指引和支持下，冰蓄冷中央空调技术必将获得更大的发展。关键词：需求侧管理；冰蓄冷；中央空调；优惠政策1引言据统计，城市空调的用电负荷已占到城市高峰电力总负荷的40%以上，而空调的负荷特性与电力负荷特性基本相同，是造成电网峰谷荷差逐步加大的最主要原因。目前我国每年建成的房屋面积高达16亿～20亿m2，通常建筑物空调用电负荷接近40W/m2，如果新增建筑全部使用空调，则每年因空调新增电网高峰电力需求8000万KW，而各建筑物空调的使用并不同时，通常同时使用系数小于0.5，这样可利用规模效应，采用区域供冷技术则可将电力需求降至4000万KW，利用冰蓄冷技术，还可转移50%的高峰电力需求，即空调高峰用电降为2000万KW。对缓解高峰电力压力，提高能源使用效率和保护环境都将有巨大的政治社会经济意义。这一技术方法已引起我国政府和电力部门的高度重视，成为电力需求侧管理的主要技术之一。1998年以来我国各级政府在电力需求侧管理方面制订了一系列优惠政策鼓励空调采用冰蓄冷系统，以便利用低谷电力，帮助电网实现移峰填谷。2004年4月6日国家发展和改革委员会、国家电力监管委员会和国家电网公司又联合召开全国电力需求侧管理工作会议。必将冰蓄冷空调技术在我国的推广应用推向新的高潮。2空调冷负荷分析综合分析一些已建成投运的建筑物，不难发现其空调冷热负荷有以下一些基本特点：（1）空调年运行负荷率低，一般达到设计负荷50％以下的运行时间占全年运行时间的70％。（2）空调日负荷曲线一般同电网用电负荷曲线同步。是造成高峰电力紧张的最主要原因之一如图1所示。（3）空调用电量高峰时达到城市总用电负荷的25％～35％，加大了电网的峰谷荷用电差。为此加强用电需求侧管理势在必行。050100150200250300350400450万kcal/h01234567891011121314151617181920212223餐饮娱乐办公商场公寓图1建筑物空调逐时负荷3冰蓄冷空调原理及优缺点分析冰蓄冷空调是指：在电网低谷时消耗电力制冷蓄冰，将其冷量储存起来供电网高峰时建筑物空调使用。冰蓄冷空调具有以下明显优点和不足。中国•海南中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集4333.1优点（1）平衡电网峰谷荷，减缓电厂和供配电设施的建设。（2）制冷主机容量减少，减少空调系统电力增容费和供配电设施费。（3）利用电网峰谷荷电力差价，降低空调运行费用。（4）电锅炉及其蓄热技术无污染、无噪声、安全可靠且自动化程度高不需要专人管理。（5）冷冻水温度可降到1~4℃，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风输送系统的投资和能耗。（6）相对湿度较低，空调品质提高，可有效防止中央空调综合症。（7）具有应急冷〔热〕源，空调可靠性提高。（8）冷（热）量全年一对一配置，能量利用率高。3.2缺点（1）通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调大。（2）蓄冰装置要占用一定的建筑空间。（3）制冷蓄冰时主机效率比在空调工况下运行低。（4）设计与调试相对复杂。以上不足经过政府、有关部门和工程技术人员的努力，在我国有些已得到克服，有些得到了缓解，有些尚在进一步研究当中。投资大的问题已得到明显改善，有些建筑采用蓄冰技术甚至低于常规空调。我国自主开发的一些蓄冰装置可以不占用有效建筑空间。如温州体育馆（置于草坪底下，如图2）、建行杭州分行办公楼、上海松江电力调度大楼（置于屋顶，如图3所示）等等，其蓄冰装置分别采用无压混凝土槽、无压或有压钢槽（罐）等，将其设计安装于绿化草坪地下、停车场地下、屋顶等非有效使用建筑空间。蓄冰空调机房面积可做到不超过常规空调冷冻机房面积。利用自控系统，将蓄存的冷量全年一对一有效利用，可做到空调全年用电量不增加，如结合大温差、超低温送风空调技术，则其全年用电量可得到节约。大多数蓄冰空调系统均采用工程公司总承包的方式进行，实践证明设计与调试相对复杂的问题也能得到有效克服。图2温州体育馆蓄冰槽图3上海松江电力调度大楼3.3冰蓄冷空调系统简介冰蓄冷系统的种类很多，分类也相当复杂，按是否使用载冷剂可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；间接制冰按制冰装置的几何形状不同可分为盘管式和封装容器式。盘管式又有金属盘管和非金属塑料盘管,封装容器式又有冰球、冰板和冰管等。冰蓄冷系统的分类如表1所示。本文将我国目前应用最广的蓄冰装置简介如下。表1冰蓄冷系统的分类分类方法名称冷媒制冷剂直接蒸发式、载冷剂循环式结冰方式静态结冰、动态结冰结冰融冰的方向内溶冰、外溶冰、内外同时溶冰载冷剂流程密闭式、开放式型式冰盘管式、全冻结式、制冰滑落式、容器式（包括冰球式）、冰泥式3.3.1静态直接蒸发制冰系统静态直接蒸发制冰系统最常见的是金属盘管外融冰式,如图4所示金属盘管式蓄冰装置是由沉浸在保温水槽中的金属盘管构成换热表面的一种蓄冰设备。在蓄冷过程中，制冷剂直接在金属盘管内循环蒸发制冷，吸收水槽中水的热量，在盘管外表面形成冰层。融冰时温度较高的空调回水直接送入保温水槽，空调冷媒水直接与金属盘管表面的冰层接触，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化。由于空调回水与冰直接接触，换热效果好，取冷速度快，来自蓄冰装置的供水温度可低达1oC左右。434中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南此外，空调用冷媒水直接来自蓄冰装置，故可不需要二次换热设备。但是为了实现快速融冰放冷，蓄冰装置内的水不可完全冻结成冰，故蓄冰装置的蓄冰率（IPF）较低，因此蓄冰装置容积较大。同时，由于盘管外表面冻结的冰层不均匀，易形成水流死角，而使蓄冰装置局部可能形成永不融化的冰层，故需采取搅拌措施，以促进冰层均匀融化。另外,由于盘管内需要充满制冷剂,系统成本较高，可靠性也较差。图4静态直接蒸发制冰原理图图5间接蒸发制冰蓄冷系统示意图3.3.2间接蒸发制冰系统顾名思义间接蒸发制冰，是在制冷循环过程中引入载冷剂传递热量，其主要目的是提高系统的可靠性。在蓄冰空调系统中常用的是乙烯乙二醇水溶液。如图5所示。间接蒸发制冰按蓄冰装置的几何形状不同分为盘管式和封装容器式两大类。（1）盘管式蓄冰装置盘管式蓄冰装置是由沉浸在保温水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冰设备。在蓄冷过程中，载冷剂（一般为体积浓度为25%的乙烯乙二醇水溶液）在盘管内循环，吸收蓄冰槽内盘管外面水的热量，使得盘管外表面的水逐渐结冰。按取冷方式分,它有内融冰和外融冰两种方式，按盘管材料分有金属盘管和非金属塑料盘管，按盘管的结构形式还可分成蛇形盘管、螺旋盘管和U形盘管。1）钢制蛇形盘管图6示出了盘管为连续卷焊而成的钢制蛇形盘管，外表面热镀锌，管外径为Ф26.67mm，冰层厚度约为25mm。盘管放置在蓄冰槽内，蓄冰槽体可为钢制、玻璃钢制或钢筋混凝土制，槽内壁面覆有80-100㎜厚隔热层。此种盘管式蓄冷装置可设计为外融冰式，也可设计为内融冰式。当采用外融冰方式时，为了融冰均匀，可在盘管下部设置压缩空气管，从管中泵送出空气进行搅拌。但长期送入空气将使装置中水呈弱酸性，对盘管有腐蚀作用。图6钢制蛇形盘管2）塑料螺旋盘管图7所示的盘管为聚乙烯管，在蓄冰桶内呈螺旋状立体布置。该类型蓄冰装置为完全冻结、内融冰方式，并做成整体式蓄冰桶，桶体为高密度聚乙烯板，外设隔热层或采用双层玻璃纤维壁体内夹隔热材料，耐腐蚀性能好。由于此种圆形冰盘管的管径较细，管间距离较小，设计的冰层厚度较薄，盘管的相对换热表面积较大，有利于融冰与蓄冰。但由于筒体为圆形，占地面积较大。圆形冰盘管与蛇形冰盘管的单路管长达数百米，故流体流动阻力较大，约8～10m水柱。融冰后期出水温度会上升。图7塑料螺旋盘管中国•海南中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集4353）塑料U形盘管该种冰盘管由耐低温的聚烯烃（polyolefin）石蜡脂喷射成型。每片盘管由200根外径为6.35times的中空管组成，管两端与直径50times的集管相连。呈U形的塑料盘管置于钢制槽体内，构成整体式蓄冰装。或以约12片为一组，置于钢筋混凝土槽体或筏基内。如图8所示，该装置为完全冻结、内融冰方式。这种类型的冰盘管由于管径很细，较易堵塞，融冰后期出水温度会上升。图8U形盘管4)不完全冻结导热塑料盘管图9示出了盘管为导热塑料弯卷而成的蛇形盘管，管外径为Ф22.5㎜，冰层厚度约为18㎜。盘管放置在蓄冰槽内，蓄冰槽体可为钢制、玻璃钢制或钢筋混凝土制，槽内壁面覆有80-100㎜厚隔热层。此种盘管式蓄冷装置可设计为内融冰式，也可设计为内外融冰结合式。其显著特点是管材选用专利产品导热塑料，既保证了良好的导热性能又有很好的耐腐蚀能力；采用不完全冻结方式，可提供稳定的低温载冷剂，适用于大温差低温送风空调系统。图9导热塑料蓄冰盘管（2）封装容器式蓄冰装置将蓄冷介质封装在球形或板形小容器内，并将许多此种小蓄冷容器（又称蓄冰单元）密集地放置在密封水罐或开式水槽内，从而形成封装式蓄冰装置。如图10所示。图10封装容器式蓄冰装置运行时，低温载冷剂在蓄冰单元外流动，将其中蓄冷介质冻结，实现制冰；融冰时将来自空调系统的高温载冷剂流过蓄冰罐中的蓄冰单元间隙实现融冰取冷。封装在容器内的蓄冷介质有水或其他相变材料。常见的蓄冰单元目前有三种形式，即冰球、蕊芯冰球和冰板，如图11所示。a圆形冰球b蕊心冰球c冰板图11封装式蓄冰单元此种蓄冰装置运行可靠，流动阻力小，载冷剂充注量比较大。但也存在融冰后期出水温度上升，并且蓄冷量不易计量等不足。4冰蓄冷空调技术国内外的发展现状冰蓄冷空调起步于上世纪三十年代，走过了降低中央空调投资、减缓电网高峰用电压力、为电网移峰填谷和提高空调系统使用的灵活性及可靠性等不同目标的发展过程。1973年全球性能源危机爆发促使蓄冷技术迅436中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南速发展。美国首先将蓄冷技术作为电力调峰的有效手段广泛应用于建筑物的空调工程建设中。南加利福尼亚爱迪生电力公司于1978年率先制定分时计费的收费措施，并于1979年出版了“建筑物非峰值期降温导则”。1981年后推广应用冰蓄冷技术，颁布了相关的奖励措施，如在夏季用电高峰期，移峰1kW奖励200美元，并分担50%的可行性研究费用。1985年，威斯康星州Trane技术中心的冰蓄冷空调系统实现了采用能源管理系统控制蓄冷系统的运行。日本在1990年以前主要发展水蓄冷，据报道当时在运行的大约1474个蓄冷空调系统中，水蓄冷有1246个，冰蓄冷228个。发展到1998年