冰蓄冷空调浅析

◎ 益美高（上海）制冷设备有限公司 徐 飞

一、冰蓄冷空调的历史与发展

能源是人类赖以生存的要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。经济、能源与环境的协调发展，是实现社会发展的重要前提。在公元一千年以前，我国劳动人民已采用天然冰进行食品冷藏和防暑降温。早在《诗经，幽风》中就曾记载“二日凿冰冲冲，三日纳于凌阴”的诗句；《左传》等书中也谈及冰房窖冰，总管藏冰，出冰的“凌人”，并有“鉴如缶，大口以盛冰，置食物于中，以御温气”的记载；《大暑赋》曾记载“积素冰于幽馆，气飞结而为霜”。它说明我国利用天然冰来制冷有着悠久的历史，一直延用至今。

自改革开放以来，我国的综合国力和人民生活水平都有较大程度的提高。能源工业作为国民经济的基础产业之一，已取得长足发展。但是，能源工业的发展仍然满足不了国民经济的快速发展和人民生活用能急剧增长的需要，全国能源紧缺局面仍然存在。目前，由于能源的供给与需求在数量上和时间上不能很好地匹配和协调，造成大量能源浪费。如电力系统峰谷差加大，高峰电力严重不足，致使电网经常拉闸限电，峰谷差占高峰负荷的比例已高达30%以上。在夏季，许多城市都出现配电设备超载运行情况，2002年夏季，全国各电网空调制冷负荷共达4500万KW；2003年夏季，多数电网负荷又连创历时新高，全国电网差不多全面告急，至少有10个省市不得不拉闸限电，各电网高峰负荷中约有1/3都属于空调制冷负荷；2005年，全国虽然新增投产发电机组达到6500万KW，总装机容量将超过5亿KW，但在当年夏季用电高峰期间，全国电力供需形势依然紧张，国家电网公司预计最大缺口在2500万KW。我国政府部门实行了电力供应峰谷不同电价政策，采用需求侧管理（DSM）的蓄冷技术来达到削峰填谷，是缓解电力建设和新增用电矛盾的有效解决途径之一。

二、制定运行策略时应该考虑的因素

与常规空调系统中的制冷主机加载或卸载来满足空调末端冷负荷要求不同的是，冰蓄冷空调对系统中所有耗电设备进行管理，当我们以设计日冷负荷为基础，制定运行策略时，应当考虑以下因素：

1.分时电价

在此，提出一个观点，1KW≠1KW，虽然能量单位相同，但使用时间改变了能源的价值。大部分电力公司制定了基于季节和每天用电时间的不同而不同的费率表。用电成本会随着这些变化而大幅波动。最低价格通常出现在夜间，这段时间电力需求量少，称为电价低谷时段。最高价格出现在白天工作时间，这时电力需求量大，发电量和能量分配受限，因此称为电价高峰时段。此外，一些电力公司还制定了平段中间费率，将高峰时段和低谷时段分开。因此，在不同的电价时段制定不同的冰蓄冷空调系统的运行策略是相当重要的。在满足空调末端负荷需求的前提下，在夜间电价低谷时段，冰蓄冷空调系统使用双工况制冷主机制冰，将冷量以冰的形式贮存起来。而在白天电价高峰时段，冰蓄冷空调系统采用尽量少开甚至关闭双工况制冷主机，而尽量多地将冰融化释放冷量的运行策略。在电价平段时，则双工况制冷主机和蓄冰设备同时运行，共同承担空调负荷。

2.融冰方式

不同的融冰方式有其不同的特点，所以在制定冰蓄冷空调系统的运行策略时，应该将所采用的融冰方式作为考虑的因素。对于外融冰，双工况主机的蒸发器提供低温的乙二醇溶液进入蓄冰盘管用于制冰，当盘管外的冰层达到设计厚度时，制冰结束。在额定蓄冰量时，蓄冰槽内存在一定比例的冰和水，每台蓄冰盘管中的相邻两根回路之间仍留有空隙，蓄冰槽内的冰水沿着蓄冰盘管长度方向流动，冰水与每一列冰层都可以直接接触，充分换热，冰层由外向内逐步融化，所以该融冰方式定义为外融冰。由于外融冰可以在很短的时间内融冰释冷，同时可以保持稳定的出水温度，在制定系统的运行策略时，应该将外融冰能够满足较大瞬时负荷，即冰可在较短时间内融完这一特点充分考虑，制定出更加合理、经济的运行策略。对于内融冰，制冰过程与外融冰是一致的，在融冰期间，温度较高的乙二醇溶液依然流入蓄冰盘管，将盘管外的冰层由内往外逐步融化，同时，乙二醇溶液自身被冷却到设计温度。由于乙二醇溶液与冰层是间接接触，在保持一定的蓄冰盘管出口温度的前提下，内融冰的融冰速率有一定限制，在制定系统运行策略时，应该将此考虑在内，以保证整个冰蓄冷空调系统的稳定运行。

3.全蓄冰或部分蓄冰

全蓄冰是指空调负荷全部由蓄冰设备承担，而制冷主机、冷却塔、冷却水泵等设备在白天均不运行，因此能够最大程度地节省运行成本。然而，由于要有足够多的冰来满足空调负荷，制冷主机以及其它设备的容量可能会大于常规空调系统，这就会增加冰蓄冷空调系统的初投资，但是，在世界上的很多地区，电价高峰时段的电力非常有限并且十分昂贵，这样的地区还是适合采用全蓄冰。部分蓄冰降低了系统的初投资，通常情况下，部分蓄冰所需的双工况制冷主机容量大约是常规系统所需的60%～70%，较小的制冷主机在白天运行并与蓄冰设备一起承担空调冷负荷。由于过渡季节冷负荷逐渐减少，制冷主机运行的百分比也随之降低，部分蓄冰在冷负荷较低的过渡季节经常转化为全蓄冰运行。

三、蓄冰槽的注意事项

1.设计要点

蓄冰槽可由任何材料建造，原则是能够承受蓄冰盘管、载冷剂以及水的重量，并且绝不能发生泄漏，常见的结构材料为钢筋混凝土和钢板。蓄冰槽可以布置在地下、部分地下或地上。在设计蓄冰槽基础时，其应该足以承载蓄冰槽的自身重量，蓄冰盘管的净重，蓄冰盘管中乙二醇溶液的重量以及蓄冰槽中水的重量之和，所以，土建结构工程师应该参与全部蓄冰槽的设计。

2.防水

蓄冰槽作为容器，防水很重要。结构连接处和穿管处必须密封，并能够承受相应的水压。钢制蓄冰槽自身是防水的，而混凝土表面具有渗透性，对混凝土表面的防水处理有几种处理方式：第一，搅拌混凝土时可以添加防水的化学添加剂；第二，可在蓄冰槽的底板和内壁做三元乙丙橡胶防水材料（EPDM）衬里；第三，在蓄冰槽内表面或外表面喷涂水泥基防水化合物；第四，喷涂含沥青的内衬。

3.保温

蓄冰槽内冰水温度最低可至0℃，蓄冰槽内的空气温度低，并趋于饱和，因此，安装在蓄冰槽内管道上任何暴露的纤维状保温材料均不会持久，因此，如果在蓄冰槽内进行保温，应该使用闭孔发泡型保温材料，也可以在防水衬里与蓄冰槽壁之间保温，亦或在蓄冰槽外壁进行保温。

四、冰蓄冷空调系统的应用

谈到冰蓄冷空调，我们自然会想到益美高公司（Evapco Inc.），其成立于1976年，总部设在美国马里兰州，产品包括蓄冰盘管、蒸发式冷凝器、闭式冷却塔、开式冷却塔等用于商业空调、工业冷冻市场的产品。益美高公司是世界上最著名的从事热交换产品的制造商，作为一家跨国公司，益美高公司在7个国家建立了16家工厂，在42个国家拥有170多个销售机构。近年来，随着我国冰蓄冷空调事业的蓬勃发展，益美高公司以其世界先进的冰蓄冷设备和专业的技术团队做出了卓越贡献，全程参与了许多区域供冷项目和大型冰蓄冷空调工程。其中包括作为国家级节能示范项目的三亚市亚龙湾区域供冷项目，选用了益美高外融冰盘管，总蓄冰量达到了25536冷吨时；作为广州亚运会重点项目，珠江新城核心区域集中供冷站选用了益美高外融冰盘管，一期工程总蓄冰量达到了28728冷吨时；作为国家级可再生能源建筑示范项目的重庆市江北嘴中央商务区项目，选用了益美高外融冰盘管，总蓄冰量达到了77490冷吨时；刚刚建成并已经投入使用的天津市文化中心项目，其三个区域供冷站都选用了益美高外融冰盘管，总蓄冰量达到了66444冷吨时。此外，我国许多城市的地标建筑也选用了益美高的冰蓄冷设备，包括天津津塔、深圳京基金融中心、武汉琴台艺术中心、福州大剧院、江苏广播电视中心等等。

随着峰谷电价政策的出台及不断完善，将为促进我国蓄冷空调的发展和应用创造良好的外部经济环境，蓄冷技术在我国的应用将形成不断发展的趋势。一方面，随着峰谷电价比的加大，用户采用电力蓄能技术将大大减少其空调运行费用，降低用电成本，提高企业效率；另一方面，采用蓄能空调技术移峰填谷，有利于提高电网负荷率，亦有利于电网的安全运行。电力蓄能技术不仅仅是应对当前电力供应紧张形势的有效手段，而且即便在今后电力供求平衡时期，电力蓄能技术仍然是需求侧管理（DSM）重要的移峰填谷技术措施。