冰蓄冷系统

一、用冰蓄冷空调技术的意义1.削峰填谷、平衡电力负荷。2.改善发电机组效率、减少环境污染。3.减小机组装机容量、节省空调用户的电力花费。4.改善制冷机组运行效率。5.蓄冷空调系统特别适合用于负荷比较集中、变化较大的场合加体育馆、影剧院、音乐厅等。6.应用蓄冷空调技术，可扩大空调区域使用面积。7.适合于应急设备所处的环境，计算机房、军事设施、电话机房和易燃易爆物品仓库等。1.商业建筑、宾馆、饭店、银行、办公大楼、学校的中央集中式空调系统。2.家用空调。家用空调用电特点是用电集中，数量大，持续时间长常常是持续至深夜。3.体育馆、影剧院。这些场所冷负荷量大，持续时间短且无规律性，适宜于采用蓄冷空调系统。一、常规空调系统的组成1.常现空调系统的组成（1）节省电费。（2）节省电力设备费用与用电困扰。（3）蓄冷空调效率高，具有节能效果。（4）节省冷水设备费用。（5）节省空调箱倒设备费用。（6）除湿效果良好。（7）断电时利用一般功率发电机仍可保持室内空调运行。（8）可快速达到冷却效果。（9）节省空调及电力设备的保养成本。（10）降低噪乱冷水流量与循环风上减少，即水泵与空调机组运转振动及噪音降低。（11）使用寿命长。（1）对于冰蓄冷系统，其运行效率将降低。（2）增加了蓄冷设备费用及其占用的空间。（3）增加水管和风管的保温费用。（4）冰蓄冷空调系统的制冷主机性能系数（COP）要下降。按蓄冷装置结构形式可分为盘管式、板式、球式、冰晶式和冰片滑落式等几种形式。①盘管外融冰图3-4冰片滑落式动态蓄冷系统图3-5冰晶式蓄冷系统示意图冷冻机冷媒泵乙二醇泵板式换热器蓄冷罐楼房建筑物空调的负荷分布是很不均匀的。以办公楼、写字楼为例，其24小时冷负荷荷需求曲线如图所示，图中纵坐标轴为该大楼的冷负荷需求，很明显在白天8:00～18:00为空调开机时间，其它时间为空调关机时间。采用常规空调时，制冷机的选择必须满足峰值负荷的要求即Qx=1000kw，而采用蓄冷系统则可充分利用夜间时间，由原来10h工作时间延长到24h，制冷机组装机容量也相应降到QX=300kw。图A夜间制冷蓄冷过程图B白天融冰放冷过程1、盘管式蓄冰装置盘管式蓄冰装置是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冷设备。因为盘管的管道阻力较大，宜采用串联系统，特别适合低温送风系统。盘管为钢制连续卷焊而成，盘管组装在钢架上，装配后进行整体外表面热电镀。盘管外径为1.05(26.67m)，结冰厚度控制在0.9(23mm)左右。如采用内融冰方式，冰与冰之间仍有极小的间隙，以便在融冰过程中，结在盘管周置的冰存在少量的活动空间，使得钢管与冰始终存在有直接接触的部位，因此导热较好，在整个融冰过程中蓄冰槽的出口二次冷媒温度始终可保持在3°C左右，并使冰几乎全部被融化来供冷。因盘管采用焊接工艺，一组盘管有多个焊点。降低了系统的可靠性和稳定性。宜采用串联系统。盘管为聚乙烯材料，盘管组装在架构上，整体放置在蓄冰槽内。蓄冰桶采用外径为16mm（也有13mm）的聚乙烯管绕成螺旋形盘管热交换器。盘管冰层厚度为12mm，盘管换热表面积12ft2/RTH(0.317m2/KWH)。FAFCO蓄冰槽由外径为6.35mm的耐高低温石腊脂塑料管制成平行流换热盘管垂直放入保温槽内构成，平均冰层厚度为10mm，盘管换热表面积为13ft2/RTH(0.345m2/KWH)。盘管管径小，易堵塞。载冷剂必须经过过滤，或者过滤器没有很好的清洗，管道就会堵塞。Cristopia冰球外壳由高密度聚合烯烃材料制成，内注CIAT公司专利的具高凝固---融化潜热的PCM相变蓄能溶液。冰球有多种类型，从-33℃～+27℃的温度覆盖范围能够满足各种不同的需求，形成全系列的产品组合空调用蓄冰球型号为AC-00型，冰球直径98mm,相变温度为0℃，蓄冷量为6RTh/m3,冰球重量560g,每立方米冰球的个数为1222个。冰球为光滑的球形，每个冰球作为一个独立的蓄冰单元，可承受20bar的压力。一个蓄冰系统有几十万甚至上百万个这样的独立单元，任一独立单元的损坏都不会对整个系统的性能产生影响，从而系统运行可靠，维护量最低；冰球为高密度聚烯烃外壳，不存在任何腐蚀。截至到目前为止冰球已经过至少数万次无损试验且试验仍在继续，其测试寿命已超过50年。美国Cryogel的冰球表面存在多处凹涡，当结冰体积膨胀时凹处外凸成平滑园球型，使用时自然堆垒方式安装于一园桶型密闭式压力钢桶槽内，以避免结冰后体积膨胀，比重降低而漂浮，以防止二次冷媒形成短路。因为Cryogel冰球表面有凹涡，在蓄冰膨胀时，应力在凹涡处比较集中，可靠性和稳定性不高。蕊心冰球为台湾产品(国内杭佳公司也生产)，蕊心褶囊由高弹性高强度聚乙烯制成，褶皱利于冻结和融冰时内部水体积变化而产生的膨胀和收缩，同时两侧设有中空金属蕊心。一方面增强热交换，另一方面起配重作用，在槽体内结冰后不会浮起。但金属和塑料的导热系数，膨胀系数不同，金属蕊心易脱落，可靠性和稳定性较差。有不少工程因此失败。以美国Mueller公司为代表的该系统的基本组成是以制冰机作为制冷设备，以保温的槽体作为蓄冷设备，制冰机安装在蓄冰槽的上方，在若干块平行板内通入制冷剂作为蒸发器。循环水泵不断将蓄冰槽中的水抽出至蒸发器的上方喷洒而下，而冰冷的板状蒸发器表面，结成一层薄冰，待冰达到一定厚度（一般在3-6.5mm之间）时，制冰设备中的四通阀切换，压缩机的排气直接进入蒸发器而加热板面，使冰脱落。“结冰”，“取冰”反复进行，蓄冰槽的蓄冰率为40-50%。不适合于大、中型系统。因为“结冰”，“取冰”反复进行，四通换向阀连续工作，因为加工工艺等原因，导致设备的可靠性、稳定性不高，使用寿命不长。蓄冷系统运行策略所谓运行策略是指蓄冷系统以设计循环周期（如设计日或周等）的负荷及其特点为基础，按电费结构等条件对系统以蓄冷容量、释冷供冷或以释冷连同制冷机组共同供冷作出最优的运行安排考虑。一般可归纳为全部蓄冷策略和部分蓄冷策略。部分蓄冷策略运行安排图①按负荷均衡蓄冷①夜间有少量供冷负荷蓄冷系统工作模式是指系统在充冷还是供冷，供冷时蓄冷装置及制冷机组是各自单独工作还是共同工作。蓄冷系统需在规定的几种方式下运行，以满足供冷负荷的要求常用的工作模式有如下几种：（1）机组制冰模式（2）制冰同时供冷模式（3）单制冷机供冷模式（4）单融冰供冷模式（5）制冷机与融冰同时供冷制冷机组制冰工作模式示意图制冰同时制冷工作模式示意图单制冷机供冷工作模式示意图单融冰供冷工作模式示意图在此工作模式下制冷机和蓄冰装置同时运行满足供冷需求。按部分蓄冷运行策略，在较热季节都需要采用这种工作模式，才能满足供冷要求。该工作模式又分成了两种情况，即机组优先和融冰优先。1.机组优先回流的热乙二醇溶液，先经制冷机预冷，而后流经蓄冰装置而被融冰冷却至设定温度。所示为该种工作模式示意图。2.融冰优先从空调负荷端流回的热乙二醇溶液先经蓄冰装置冷却到某一中间温度，而后经制冷机冷却至设定温度。所示为该工作模式示意图。主机与蓄冰槽并联示意图主机与蓄冷槽并联流程图主机在蓄冷槽上游串联连接示意图主机在蓄冷槽上游串联流程图主机在蓄冷槽下游串联连接示意图主机在蓄冰槽下游串联连接流程图1、制冷系统的蒸发温度蓄冷空调系统特别是冰蓄冷式空调系统在蓄冷过程中，一般会造成制冷机组的蒸发温度的降低。理论上说蒸发温度每降低l℃，制冷机组的平均耗电率增加3％。因此在配置系统，选择蓄冷设备时应尽可能地提高制冷机组的蒸发温度。对于冰蓄冷系统，影响制冷机组的蒸发温度的主要因素是结冰厚度，制冰厚度越薄，蓄冷时所需制冷机组的蒸发温度较高，耗电量较少；但是制冰厚度太薄，则蓄冰设备盘管换热面积增加，槽体体积加大，因此一般应考虑经济厚度来控制制冷系统的蒸发温度。名义蓄冷量是指由蓄冷设备生产厂商所定义的蓄冷设备的理论蓄冷量（一般比净可用蓄冷量大）。净可利用蓄冷量是指在一给定的蓄冷和释冷循环过程中，蓄冷设备在等于或小于可用供冷温度时所能提供的最大实际蓄冷量。净可利用蓄冷量占名义蓄冷量的百分比例值是衡量蓄冷设备的一个重要指标，此比例值越大，则蓄冷设备的使用率越高，当然此数值受蓄冷系统很多因素的影响，如蓄冷系统的配置，设备的进出口温度等。对于冰蓄冷系统此数值可近似为融冰率．目前制冰率（IPF）有两种定义，一是指对于冰蓄冷式系统中，当完成一个蓄冷循环时，蓄冰容器内水量中冰所占的比例．另一个是指蓄冰槽内制冰容积与蓄冰槽容积之比。而融冰率是指在完成一个融冰释冷循环后，蓄冰容器内融化的冰占总结冰量的百分比。制冰率与融冰率这两个概念是冰蓄冷式系统中评价蓄冰设备的两个非常重要数值融冰率与系统的配置有关，对于串联式制冷机组下游的系统，蓄冷设备的融冰率较高；反之，则较低。而并联系统的融冰率界于两者之间。通常蓄冷系统的蓄冷温度取决于蓄冷速率和这一时间蓄冷槽体的状态特性，对于外融冰式系统是指内管壁的结冰量。对于蓄冷时间短的蓄冰系统，一般需要较高的蓄冷速率，即指较低的（平均）蓄冷温度蓄冷；反之，蓄冷速率慢，蓄冷温度较高。一般情况下蓄冷设备生产厂商都可以提供各种蓄冷速率下最低蓄冷温度值。对于蓄冷设备如容器式、优态盐式，在蓄冷过程的初期会产生过冷现象，过冷现象仅发生在蓄冷设备已完成释冷，内无一点余冰时，其结果是降低了蓄冷开始阶段的换热速率。过冷现象可以通过添加起成核作用的试剂来削减其过冷度值。据国外资料介绍，某种专利成核剂可限制过冷度在-3℃～-2℃之间。对于蓄冰式系统，在释冷循环过程中，若释冷温度保持不变，则释冷量会逐渐减少；或当释冷速率保持恒定时，释冷温度会逐渐上升。这对于完全冻结式，容器式蓄冷设备表现特别明显，这是由于盘管外和冰球内的冰在大部分是隔着一层水进行热交换融冰，同时换热面积是在动态变化；而对于制冰滑落式，冷媒盘管式蓄冷设备，温水与冰直接接触融冰，释冷温度相对保持稳定。实际上，蓄冷设备很少保持释冷速率恒定不变，实际释冷速率取决于空调负荷曲线图，特别是最后几个小时的空调负荷值最为重要，这决定了释冷循最高释冷温度值。因此，对于同种类型的蓄冷设备，哪一种在实际释冷速率条件下，保持恒定释冷温度的时间越长，哪一种设备的性能越好。蓄冷设备的占用空间是业主与设计者应重点考虑的项目，特别是高楼林立的都市地区，寸士即寸金，有时为增加停车位，而放弃采用蓄冷空调系统，因此蓄冷设备的单位可利用蓄冷量所占用体积或面积是衡量蓄冷设备的一项重要指标，应优先考虑占用空间少，布置位置灵活的蓄冷设备。在设计蓄冷槽体时应注意：槽体必须有足够的强度克服水，冰水混合物或其它冷媒体的静压，槽体应作防腐防水处理，同时应防止水的蒸发。对于埋地式蓄冷槽，槽体还须承受泥土和地表水对槽体四周的压力。蓄冷槽体一般每天有l—5％的能量损失，其数值大小取决于槽体的面积、传热系数和槽体内外温差。对于埋地式蓄冷槽设计时必须考虑其冷损失，通常换热系数取0．58～1．9W／M2．K。槽体材料可选用钢结构、混凝土、玻璃钢或塑料。蓄冷空调系统，主要应用于商用大楼，特别是都市人口稠密的地区，其系统首先应考虑安全性。通常蓄冷设备的维修量很小，如内融冰式、容器式、优态盐式等．但对于冷媒盘管式系统，由于制冷剂在蓄冷设备内直接蒸发，蒸发面积很大，制冷剂需求量也很多，蓄冷设备的安全性与可靠性是十分重要的。而对于制冰滑落式，冰晶式蓄冷设备的机构维修问题应予以重视。通常常规空调系统的使用寿命15—25年，同样对于蓄冷设备的使用寿命也应加以限制，一般最少应有15年以上的使用寿命，以保证设备的可靠性。例如，对于优态盐式系统，其使用寿命周期应在相变次数3000次以上仍保持系统原有的名义蓄冷量和净可利用蓄冷量。蓄冷空调系统无论是采用部分蓄冷还是全部蓄冷，其初期投资通常均比常规空调系统高，这就要求设计者应正确掌握建筑物空调负荷的时间变化特性，确定合理的蓄冷设备及其系统配置，制定系统的运转策略，准确地作出经济分析，以便投资者可以在短时间里以节省电费的形式收回多出的投资．一般情况下，在一个已设计好的蓄冷系统中可以以单位可利用蓄冷量所需的费用来衡