使用冰蓄冷中央空调需要注意的问题与优化方向

郭江文

摘 要：随着人们对生活质量重视程度和消费水平的提高，工作和生活环境中的使用空调的情况越来越多，在改善生活环境的同时也给电力供应和环境资源带来较大压力。冰蓄冷空调作为一种新兴的蓄热空调技术应用形式，在我国拥有较为广阔的发展空间。冰蓄冷空调具有有效提高能源利用效率，减小制冷设备体积和装设功率，从而大幅降低空调系统的运行费用和维修费用的优点。文章介绍了冰蓄冷技术的原理和优势，并对其优化改进提出相关建议。

关键词：冰蓄冷；动态冰蓄冷技术；中央空调

冰蓄冷中央空调使用独特的节能环保技术。它以冰作为冷源，在结构上比常规中央空调多出一个蓄冰装置。冰蓄冷中央空调在人类能源开发与利用领域实现了新突破，它能够降低用电高峰压力，节约投资和运行成本，冰蓄冷技术通过调整不同用电时段的电力负荷，在保障白天空调制冷需求的基础上，降低用户用电成本。相较于一般的常规空调，每年可以节省10%～30%的运行费用。

在国内，人们关于冰蓄冷技术的节能作用的讨论长期存在。有相当一部分人认为，冰蓄冷技术在晚上主要是在夜间消耗电能，虽然缓解用电压力，但消耗的电量是不变的，只是单纯因为夜间电价便宜而节约了用电成本，并没有节能。基于这一论点，有人进行了相关测算。以我国每年新增的约3亿平米的商务建筑物为例，如果全面使用商用建筑蓄冰空调系统，每年可为国家节省用电资金38.4亿元，节煤319万吨，减少二氧化碳排放867万吨，减少二氧化硫排放11.2万吨。换句话说，上述减排结果大致等效于为大气减少217万辆汽车尾气的排放量，种树474万亩。从上述数据，可以看到冰蓄冷技术的节能潜力是何等巨大。

1 冰蓄中央冷空调工作原理

冰蓄冷空调以水或有机盐溶液作为蓄冷介质，在夜间运行制冷，将蓄冷介质转换成固态，在白天通过融化吸收热量，达到降温效果。由于夜间为供电低谷时段电价较低，而白天处于用电高峰电价较高，冰蓄冷空调通过自身制冷蓄冷时段分别处于用电高峰和低谷时段的特点，既缓解了高峰时期的用电压力，提高用电低谷时段用电效率，同时也利用不同时段的电价差来节约用电费用，达到合理利用电力资源和减小国家电力工业建设投资的目的。

2 冰蓄中央冷空调的优点

2.1 降低电力需求

冰蓄冷技术使用冰为冷源，风量相对减少，从而使得低温送风系统的风机能耗降低30%至40%。同时，因为供回水温差很大，冷水侧水泵能耗也有所降低，大体可节约电费约20%左右。

2.2 降低了初投资和运行费用

由于冰蓄冷系统冷量品位很高，使得能源利用效率大幅提升，而且送风温度较低，降低了送风量的要求，从而实现了设备和管路的小型化，减小了占有空间，降低了设备造价，从一定程度上弥补了制冰蓄冰增加的费用额度。

2.3 用较低的房间相对湿度提高了热舒适

由于以冰作为冷源，空气湿度相对较低，空气更加清新，体感舒适度有所上升。

2.4 用电“移峰填谷”效果明显

特别是在春、秋两季，主机只需在用电低谷时段启动蓄冰，其他时段无需启动，从而实现了高峰、平价时段间的用电转移。

3 冰蓄中央冷空调存在问题及优化

冰蓄冷系统可以实现电网的“移峰填谷”的效果，这可从价格差中带来经济效益。但是冰蓄冷系统的初投资费用比常规空调高很多，成为限制其发展的一个重要因素。如何最大限度地发挥其节能的优点，可快速恢复最初的投资，是冰蓄冷空调技术和设计的关键。冰蓄冷低温送风空调系统具有具有常规空调系统无法比拟的优点，同时也存在着一些不足。通过对冰蓄冷低温送风空调系统和常规空调系统的对比分析，就其关键部分的改进优化提出相关建议。主要有以下几个方面。

3.1 加强对送风温度和蓄冷率的系统设计优化

送风温度和蓄冷率是冰蓄冷低温送风空调系统的关键参数，直接影响着空调系统的能源利用效率和经济效益。从系统设计角度对送风温度和蓄冷率进行优化，是提高冰蓄冷送风空调系统技术水平和经济效益的根本途径。

3.2 冰蓄冷低温送风空调技术的核心价值在于可以实现较高水平的经济效益

要保障系统的经济效益，实现系统优化需要从设计、控制和管理几个方面着手。其中设计是根源和基础。冰蓄冷低温送风空调系统的优化设计要在满足设计指标和安全运行的基础上，降低初投资成本，平衡不同用电时段的电力负荷，从而实现降低电力资源消耗和节约经济成本的最优化。

3.3 考虑电价以及用电限制的影响

当地的电价政策是决定冰蓄冷空调系统适用性的关键指标。峰谷电价差越大，冰蓄冷空调的经济效益越好。国外相关数据显示，峰谷电价比达到2：1是采用蓄冷系统的门槛指标；峰谷电价比为2.5：1时，采用蓄冷系统可以创造较好的经济效益；峰谷电价比为3：1时，采用蓄冷系统创造的经济效益非常显著。

由于国内电价政策与国外不同，是否使用冰蓄冷空调还要考虑当地具体情况。另外，当地对高峰时期的用电限制相关规定对设备容量具有重要影响，必须予以考虑。

3.4 考虑建筑物类型的影响

建筑物类型、功能不同，其用电负荷分布也不一样。如果建筑物用电负荷比较集中，且负荷多发生在用电高峰时期，那么采用蓄冷系统平衡用电费用，就可以实现较好的经济效益。如果建筑物白天晚上用电负荷相差不大，或者当地用电高峰和低谷电价差额不大，那么冰蓄冷空调系统的经济效益就不明显，甚至不适合使用。

3.5 考虑当地典型年的气象资料的影响

当地整个供冷季节的逐时冷负荷分布是选择冰蓄冷低温送风空调系统与否的重要参考，而逐时负荷是依据典型年的气象资料算出的。全新风循环作为省能器供冷的地区，采用低温送风空调系统就不合适了。

3.6 改进制冷设备

通过对设备的质量管控与改进，实现整体系统技术水平的提高。积极吸收外国先进技术经验，去除冰蓄冷中央空调系统中的板式换热器，可以提高系统可靠性。而通过采用变风量空调器、联结蝶阀和全部法兰、对管道内壁进行防腐处理、增加乙二醇溶液回收装置，防止溶液损失等相关技术措施，可以解决没有换热器的问题，从而实现节省初投资和运行费用的目的。endprint

3.7 降低送风系统的温度

空调系统的送风温度从常规的12℃降到4～12℃，同一条件下冷却空调负荷量减少，从而减少功率消耗的风机正常运行所消耗的功率，使系统节约能源和降低运营成本。根据流体力学的风机功率公式可以得出，送风量减少会使风机所耗功率会三次方下降。此外，送风量减少伴随着风管尺寸的减小，从而使系统减少了初投资。因此，降低空气温度可以使冰蓄冷空调系统在实施“移峰填谷”的同时，并能降低系统的运行费用和初投资，取得了可观的经济效益。

3.8 增加热回收装置

空调系统排风中的余热直接排放到大气中，既造成城市的热污染，又浪费了热能。如果将排风中的余热（余冷）加以回收再利用，如加热生活热水、处理新风等，则可提高系统的整体能源利用率，达到节能的目的，同时又可降低机组负荷，节省初期投资。热回收装置可分为两大类：全热回收装置和显热回收装置。全热回收装置用具有吸湿作用的材料制作，既能传热又能传湿，可同时回收显热和潜热；显热回收装置则用不含吸湿作用的材料制作，只能传热，不能传湿，只能回收显热。在设计中，对全热回收装置和显热回收装置的选择应因地而宜。

3.9 使用热管技术

热管作为传热元件，由于其良好的传热性能，正越来越多地应用到各种工程项目中。该热管应用在冰蓄冷系统，可以提高冰蓄冷空调的传热性能，提高能源利用效率。

3.9.1 直接式热管冰蓄冷

采用热管冷凝段置于制冷系统的蒸发器中，热管的蒸发段置于蓄冰池中直接蓄冰，称为直接式热管冰蓄冷系统。该系统由于热管热变换，从而克服制冷剂压降和回油困难，由于管道腐蚀和制冷剂泄漏现象，融冰过程由外向内融化，温度较高的冷冻水回水与冰直接接触，可以在较短的时间内制出大量的低温冷冻水，提高了能源的利用效率，因此特别适用于短时间内要求冷量大、温度低的场合。系统的问题是，如果存储冰没有完全融化的冰块，将增加电力消耗及系统设计和安装难度。

3.9.2 间接式热管冰蓄冷

采用二次冷媒将制冷系统与蓄冷系统进行连接，热管蒸发段置于蓄冷池中，冷凝段置于蓄冷池之上。二次冷媒经制冷机组蒸发器降温后流经热管冷凝段进行换热，利用热管高效的传热特性对蓄冷池直接蓄冷，这种系统目前尚处于研究中。该装置的最大优点在于无需对传统的制冷机组进行结构改装即可直接应用于工程中，且少量的热管破裂及泄漏均不影响系统的正常运行。热管技术在设计中应注意，在热管冰蓄冷过程中，冰直接凝固在热管上，随着冰层厚度增加，传热热阻加大，将导致结冰速度缓慢，降低能源的使用效率。若能使热管在结冰达到一定厚度后冰层自动从热管蒸发段脱落，使热管总是维持在一个传热热阻较小、换热性能较高的水平，这样将会显著提高整个蓄冷系统的效率，减少设备投资容量，也更为节能。

4 控制模式

与常规空调系统不同，蓄冷系统可以通过制冷机组或蓄冷设备单独为建筑物供冷，也可以两者同时供冷。在夜间，控制系统通过预测次日负荷的需求，决定当晚的蓄冰量，以免过量蓄冰，造成不必要的浪费；日间，则通过预测当日逐时负荷需求，测定冰槽剩余冰量，计算出包括制冷机组在内的整个系统在未来的供冷能力，并据此确定在某一给定时刻，多少负荷是由制冷机组提供，多少负荷是由蓄冷设备供给的，最终达到日间用完所有的蓄冰量，但又不至于过早用完，以充分发挥蓄冰系统的节能优势。

4.1 双工况主机制冰模式

在夜间利用优惠的低谷价和低峰负荷，双工况主机全力制冰，将制得的冷量储存在蓄冰装置中。

打开双工况制冷机组蒸发器、冷凝器出口阀门，将制冷主机出来的低温乙二醇溶液（-6℃）泵入蓄冰槽中与水发生热交换，水放出潜热后在乙二醇管壁外结冰，乙二醇溶液吸收水的潜热后温度升高至-3.6℃。随着制冷机不断的制取低温溶液，直到蓄冰结束，待白天高峰负荷时使用。制冰结束结素有如下三个判断依据，其中一个条件满足时，系统即判断制冰结束，停止制冰工况。

（1）冰槽液位传感器指示已储存额定冰量。（2）控制系统的时间程序指示为非蓄冰时间。（3）当双工况主机出口温度低于-6℃（可调）时或蓄冰装置的出水温度降到-4℃（可调）。

4.2 基载主机直供运行方式

当蓄冰槽释冷结束时或供冷负荷进行必需的临时调度时，仅基载制冷机组直接供冷，而蓄冰槽不工作。通过控制器关闭双工况主机及相关附件，基载机组承担空调负荷。此时，基载主机制取6℃的空调冷冻水经二次泵送到末端供冷，12℃的空调回水汇聚于集水器中经一次冷冻泵送入主机蒸发器再次制冷。

4.3 融冰单独供冷模式

乙二醇系统中，把电动阀门调整到相应的开关状态，乙二醇溶液在主机（此时主机不供冷）、蓄冰装置、板换和乙二醇泵之间形成循环。乙二醇溶液进入蓄冰装置，和冰槽内的冰进行热交换，冰吸收潜热发生相变，乙二醇溶液放出热量后温度降至4℃，进入板换和冷冻水进行热交换，产生6℃的冷冻水，满足空调的要求。换热后的乙二醇溶液温度升高到10℃，再回到蓄冰装置降温。此时，所有主机都不运行，仅有几台水泵和乙二醇泵再循环，所以运行费用很低。

4.4 基载主机和融冰联供运行方式

当用户冷负荷大于冰槽融冰所产生的冷量需要蓄冰槽和基载机组同时运行供冷模式。本系统按分量蓄冷运行策略设计，在较热季节大都需要采用此运行模式。此工况下基载制冷机组、基载一次泵、乙二醇泵、蓄冷槽、板式换热器均投入运行，微机控制系统根据动态负荷预测的数据，控制蓄冷罐释冷量的大小，使蓄冷罐的蓄冷量当天基本用尽，又不能出现最后几小时蓄冷系统供不应求，使冰蓄冷系统运行达到最经济的效果。

5 我国中央空调动态冰蓄冷技术的应用情况

我国大部分地区处于暖温带和亚热带。夏季时间较长，在南方某些地区甚至可达8个月。进入夏季后空调使用需求急剧上升，不仅用电量巨大而且使用时间集中，对电力供应造成巨大压力，成为导致城市电力负荷峰谷的主要原因。冰蓄冷空调通过对用户用电方式的调整，在一定程度上缓解了高峰期的用电压力。我国当前的蓄冰空调工程设备主要来自国外，其中绝大部分为静态蓄冰技术，体积巨大，运行成本高，制冰效率低。与之对应的动态冰蓄冷技术采用制冷剂直接与水进行热交换技术，极大提高了空调效能，是新建系统以及既有系统的节能改造的主要趋势。

6 结束语

冰蓄冷中央空调具有节能环保、经济效益水平高的特出特点，在国内市场具有广阔的发展空间。文章对冰蓄冷空调改进优化方向和注意因素进行了归纳阐述，希望广大同行能够从中受到启发，从而推动我国冰蓄冷空调技术的不断前进。

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