新型流态冰蓄冷与常规冰蓄冷系统对比研究

訾 洁，杨绍阳，田 野

（1.山东同圆建设工程施工图审查有限公司，山东 济南 250101；2.同圆设计集团有限公司，山东 济南 250101）

1 冰蓄冷简介

一幢建筑物中，空调通风系统的能耗占建筑总能耗的50%～60%，而制冷机房内的制冷设备能耗又占了空调通风系统总能耗的50%～60%左右（相当于建筑总能耗的25%～35%），故采用合理、高效的冷源形式，对于整个项目的运行节能及经济收益都具有十分重要的意义。与常规空调相比，冰蓄冷空调系统只比常规空调系统增加了一个蓄冰装置，蓄冰装置的形式多种多样，一般有蓄冰盘管、蓄冰球、蓄冰桶等。冰蓄冷系统在夜间用电低谷时间段满负荷开启双工况制冷机组制冰，将制得的冷量储存在蓄冰池内，白天用电高峰时间段双工况制冷机组按空调工况开启或不开启，配合融冰系统，满足末端部分或全部的用冷需求。

蓄冰系统具有良好的社会效益和经济效益：对于国民经济来说，可以转移电力高峰用电量，平衡电网的峰谷差，提高发电机组效率，优化电力资源的配置，减少新建电厂和输变电设施的投资；对于用户来说，利用夜间谷值低电价制冷，可以节省运行费用，减少制冷机组及附属设备的装机容量，减少相关设备一次电力的投资，提高运行过程中制冷机组的利用率。目前各地方均出台相关政策法规，对电力用户实行峰谷分时电价、季节性电价以及可中断负荷电价制度，鼓励电力用户合理调整用电负荷，针对蓄冷有更优惠的电价政策，为冰蓄冷的推广使用提供了更好的保障。

2 两种新型流态冰蓄冷系统的介绍

（1）清水冰浆蓄冷系统。清水冰浆蓄冷系统采用过冷水式冰浆蓄冷技术，以普通清水为蓄冷介质，采用板式换热器换热制取过冷水，再通过超声波辐射转化为冰浆，换热效率高、能耗低，蓄冷介质安全、卫生、廉价。动态制冰的基本技术过程为制冷主机提供-3℃的冷却介质（一般为20%乙二醇溶液），使0℃以上的水通过板式换热器降温至-2℃的过冷水，本环节只换热不结冰，然后通过动态制冰机组，采用超声波诱导结冰，产生0℃以下的冰浆，本环节只结冰不换热，通过冰晶过滤器和动态制冰机的冷却水防冻旁流，可以彻底避免冰层对换热效率的不利影响。动态冰浆系统可集成不同型号的模块化机组，只需根据蓄冷能力要求选型匹配即可，如同制冷主机、水泵等设备的选型设计一样简单方便。设备核心以换热部件为主，无运动磨损部件，可靠性高，在正常保养条件下使用寿命不短于制冷主机。（2）低浓度乙二醇溶液蓄冷系统。低浓度乙二醇溶液蓄冷系统中流态冰是一种溶液中含有无数个微小冰晶的相变载冷剂，冰晶在一定温度下的溶液（主要是低浓度乙二醇）中形成。制冰主机和冰晶生成器为一体机组，相对于常规蓄冷系统，系统简单，省去了蓄冰盘管，乙二醇充注量小，从双工况制冰机组出水为-1～-3℃的3.5%乙二醇流态冰浆，采用乙二醇泵输送至蓄冰槽，蓄冰槽内为3.5%乙二醇冰水混合物。低浓度乙二醇溶液蓄冷系统图流程如图1所示。

图1 低浓度乙二醇溶液蓄冷系统图

以上两种流态冰蓄冷系统均利用了过冷水技术，冷量损失小，机房布置也简单。清水冰浆采用常规双工况机组和动态制冰机的形式，方便配合多数制冷机组厂家配合。低浓度乙二醇冰浆采用一体机，系统更简单，集成度更高。

3 新型流态冰蓄冷与常规冰蓄冷系统的对比分析

（1）制冰过程。①静态冰蓄冷（冰盘管）。冰盘管蓄冷系统中冷媒在-5～-7℃蒸发，制冷机组首先需要将高浓度乙二醇溶液（20%左右）冷却至-6℃，然后通过乙二醇泵把高度浓度乙二醇溶液输送至蓄冰槽内的钢制盘管，最后通过换热将蓄冰槽内的清水凝结成冰。冰盘管蓄冷系统制冰过程存在两个缺陷：一是制冰系统蒸发温度偏低，蒸发温度每降低1℃，制冷效率降低3%，导致制冰能耗高（COP约为3.5～3.8）；二是制冰过程中后期，钢制盘管管壁外的冰成为乙二醇与水之间的热阻，制冰效率会越来越低。②流态冰蓄冷。流态冰蓄冷系统中冷媒的蒸发温度可提高至-3℃左右，制冰过程可直接将清水制成流态冰（絮状流态冰）。

流态冰蓄冷系统有两大优点：制冰过程中冷媒采用直接蒸发换热，蒸发温度得以提高，制冰过程系统能效提高（COP约为4.0～4.5）；制冰过程不存在结冰的热阻，系统始终维持在高效段。

（2）融冰过程。①静态冰蓄冷（冰盘管）。冰盘管蓄冷系统释冷时，空调冷冻水通过板式换热器与钢制盘管内的乙二醇溶液进行换热，换热后的“高温乙二醇”再通过钢盘管与蓄冰池内的冰进行换热。此系统融冰过程存在以下问题：在末端用冷高峰时期以及换热中后期，蓄冰槽内的水会成为冰与钢盘管内的乙二醇之间的热阻，换热效率会逐步降低，导致高峰期或换热中后期融冰放冷能力不足，需要重新开启制冷主机；尤其是到融冰末期，冰块漂浮于水面，无法与盘管内的乙二醇进行直接换热，冷冻水供水温度升高，供冷效果降低，同时由于蓄冰槽内浮冰无法有效利用，浪费了部分蓄冰冷量，导致系统释冷率偏低，一般为85%～90%。②流态冰蓄冷。流态冰系统的蓄冰槽内为冰水混合物，絮状冰漂浮在水的上方，蓄冰率高达60%（即冰与水的比例为6∶4）。融冰时，蓄冰池下方的冰水混合物经循环水泵抽出，与板式换热器换热后的“高温乙二醇溶液”快速进入絮状冰进行换热。冰槽内放冷回水与冰浆之间不存在换热热阻，经过实测，8h蓄冷量可在2h内放冷完毕，融冰放冷能力可达蓄冷主机能力的4倍以上，且在整个换热过程中，冰水换热面积保持不变，故流态冰蓄冷系统出水温度恒定，理论释冷率可达100%。

（3）系统输送能耗。静态冰蓄冷与流态冰蓄冷系统主要输送能耗（一次侧）对比如表1所示。在不同工况下，系统主要能耗对比如表2所示。在同样制冰情况下，流态冰蓄冷系统的输送能耗仅为静态冰蓄冷系统的60%左右。

表1 静态冰蓄冷与流态冰蓄冷系统主要输送能耗（一次侧）表 单位：m水柱

表2 静态冰蓄冷与流态冰蓄冷系统各工况输送能耗（一次侧）表 单位：m水柱

（4）系统安装。①静态冰蓄冷（冰盘管）。冰盘管蓄冷系统中主要设备为双工况制冷机组及蓄冰盘管。蓄冰盘管由钢板卷焊而成，数量多，重量大，吊装、安装、现场二次搬运困难，在整个制冷机房的安装过程中，单蓄冰盘管的安装费用大约可占比50%。②流态冰蓄冷。流态冰蓄冷系统中主要设备为动态制冰机组或双工况制冷机组，流态冰溶液可采用常规水泵直接输送至蓄冰池，在蓄冰池内，由于冰的密度比水低，因此冰会漂浮于水的表面。流态冰蓄冷系统省去了钢盘管，现场安装简单，安装费用低。

（5）机房面积。①静态冰蓄冷（冰盘管）。为提高安装效率在冰盘管蓄冷系统中，蓄冰槽一般为模块产品，尺寸不可随意改动。另外，由于蓄冰槽内钢制盘管的特殊构造要求，异形空间无法利用。此外冰盘管蓄冷系统的蓄冰率偏低，一般为50%。由于以上原因，冰盘管蓄冷系统的占地面积较大，对空间的利用率仅为60%左右。②流态冰蓄冷。流态冰蓄冷系统，蓄冰池内为冰水混合物，无钢制盘管，所以蓄冰池可根据场地情况任意布置，既可以做土建混凝土蓄冰槽，又可以做不锈钢蓄冰槽，甚至也可以做异形蓄冰槽。流态冰对空间的利用率可达到90%以上。综合以上两点，流态冰蓄冷系统较静态冰蓄冷系统，机房占地面积可节约10%以上。

（6）系统维保及可靠性。①静态冰蓄冷（冰盘管）。冰盘管蓄冷系统载冷剂采用高浓度乙二醇溶液（20%左右），载冷剂腐蚀性较大，需增加乙二醇稳压补液系统；此外，钢盘管总长度超过1km，施工过程中焊点较多，如发生漏液情况，检修、排查难度大，系统可靠性差。②流态冰蓄冷。新型流态冰蓄冷系统安装空间适应性强，蓄冰槽内无制冰设备，任意形状任意尺寸均可，可因地制宜，充分利用现场既有空间。蓄冷介质为普通自来水，安全环保，且乙二醇不冻液用量极少。制冰设备置于槽外，维修保养简单方便。蓄冰槽内无换热设备，冬季可作为蓄热水槽。

4 结论

（1）应用新型流态冰蓄冷技术，制冷主机出水温度相比传统静态冰蓄冷可提高3～4℃，能效比（COP）可提高15%左右，制冷机制冰工况系数，即制冰工况与空调工况制冷能力的比值也得以提高，且蓄冰过程换热和结冰过程分离，避免冰层热阻，系统热交换效率提高。（2）新型流态冰蓄冷系统，放冷回水与冰浆直接渗透接触，融冰放冷能力可达蓄冷主机能力的4倍以上，具备在电价高峰时段全停主机的全移峰能力，实现用户经济效益最大化。（3）在新型流态冰蓄冷系统释冷过程中，冰水换热面积保持不变，故放冷时大部分时间冰槽取水温度接近1℃，具备满足某些特殊工艺用冷的条件。（4）新型流态冰蓄冷安装空间适应性强，乙二醇充注量少，安全环保，维修保养简单方便，冰槽可兼容冬季蓄热使用。