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冰蓄冷技术及其应用


研 究 生 课 程 论 文
(2008 -2009 学年第二学期)

课程论文题目:冰蓄冷技术及其应用
研究生:欧阳光
提交日期: 学 号 年 月 日 学 院 研究生签名:

课程编号 学位类别 教师评语: 硕士

课程名称 任课教师 制冷空调过程的节能新技术

成绩评定





任课教师签名:







冰蓄冷技术及其应用
摘要:本文在介绍了冰蓄冷技术的特点的基础上,论述了冰蓄冷技术对电力调峰、 平衡电网及节能减排的意义;并结合工程实际,分析了与冰蓄冷空调相结合的低温送风 系统的经济性;并简要介绍了冰蓄冷与热泵组合式空调系统的优势。展望了新型冰蓄冷 系统的发展前景。 关键词: 冰蓄冷 削峰填谷 节能 低温送风系统

1 引言 改革开放以来,我国经济的高速发展和人民物质生活水平的不断提高,对电力供应 不断提出新的挑战。尽管全国发电装机容量不断增大,然而,电力供应仍很紧张,尤其 是夏季有些地方不得不采用拉闸限电的办法解燃眉之急。因而,改善电力供应的紧张状 况和电力负荷环境已成为一些大中城市的首要任务。长期以来空调系统是能耗大户,而 空调系统用电负荷一般集中在电力峰段, 因此对城市电网具有很大的 “削峰填谷” 潜力。 基于这种“削峰填谷”的想法,空调系统中出现了冰蓄冷机组,它利用午夜以后的低谷 电制冰,储存到白天用电高峰时供冷。而冰蓄冷技术和低温送风空调系统相结合则更能 增强它的竞争力,对于电力生产部门和用户都会产生良好的经济效益和社会效益,并可 以实现整个能源系统的节能和环保。因而随着国内冰蓄冷技术的成熟,它在我国将有更 广阔的发展前景。 2 冰蓄冷空调系统简介 冰蓄冷空调就是利用水或一些有机盐溶液作为蓄冷介质,在夜间电力供应的低谷期 (同时也是空调负荷很低的时间)开机制冷,将它们制成冰或冰晶,到白天电力供应的 高峰期(同时也是空调负荷高峰时间) ,利用冰或冰晶融解过程的潜热吸热作用,再将

冷量释放出来满足高峰空调负荷的需要或生产工艺用冷的需求。在用电低谷时不用或少 用空调如办公室,写字楼,体育馆,影剧院,商业中心,文化馆场,健身娱乐城,国防科研, 教学试验楼等冷负荷要求变化大的场所,特别适合于采用冰蓄冷技术。这样制冷系统的 大部分耗电发生在夜间用电低峰期,而在白天用电高峰期只有辅助设备在运行,从而能 有效地解决大多数城市电网均面临高峰期电力不够、低谷期电力用不了的尴尬局面,实 现用电负荷的“移峰填谷” 。图1为夜间中央空调主机蓄冰示意图,图2为白天依靠蓄冰 装置制冷的示意图。

图1 夜间中央空调主机蓄冰

图2 白天依靠蓄冰装置制冷 2.1 冰蓄冷技术的分类 冰蓄冷技术按是否使用载冷剂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。静态制冰是指制冰的制备和融化在 同一位置,蓄冰设备和制冰设备部件为一体结构,具体形式有冰盘管式(外融冰式管外 蓄冰) 、完全冰结式(内融冰式管外蓄冰) 、密封件蓄冰。动态制冰是指冰的制备和融化 不在同一位置,制冰机和蓄冰槽相对独立,具体形式有制冰滑落式、冰晶式。 图3所示为直接蒸发式外融冰工作原理图,来自用户侧温度较高的载冷剂(通常为 乙二醇水溶液)在盘管内循环,通过管壁将热量传给冰层,将盘管表面的冰层由内向外 融化,使载冷剂冷却到需要的温度,以供应外界负荷所需的冷量。

图3 直接蒸发式外融冰工作原理图 2.2 冰蓄冷模式 一般可把冰蓄冷空调系统划分为全量和部分蓄冰和部分蓄冰两种蓄冰模式。 (1)全量蓄冰 制冷主机只负责在夜间电网低谷期制冰蓄冷,空调所需要的所有

负荷全部由冰的融化来提供。该方案配置由于所有冷负荷都在低谷电价时段制取,所以 其运行费用最省;但由于设备的使用效率低(主机高峰期不运行) ,所需的主机和储冰 器的容量较大,与主机配套的冷却塔和电力设备也大,一次投资费用最多。因此,全量 蓄冰空调系统只适用于负荷集中,使用时间短的建筑,在一般工程中较少采用。 (2)分量蓄冰 制冷机在夜间低谷段制取部分冷量,以冰的形式储存。在日间电力 高峰期,由储冰机和制冷机联合供冷,以满足空调负荷的需要。蓄冰负荷占总负荷的比

例,可由技术经济分析的评估结果来决定,一般为30%-50%。由于制冷机在日间和夜间 都在运行,设备的使用效率高,相对于全量蓄冰模式,制冷机和蓄冰器的容量最多可减 少至近一半。由此可以实现最少的初期投资和最短的投资回收期,其运行费用比全量蓄 冷高。在过度季节,为减少运行电费,可把分量蓄冷转化为全量蓄冷运行模式。分量蓄 冷又分为制冷机优先和融冰优先两种运行策略。 2.3冰蓄冰空调的节能性分析 2.3.1 冰蓄冰空调本身不节能 文献[1]比较了活塞式、螺杆式和二级或三级离心式冷水机组在蓄冰和空调两种工况 下的性能系数,结果表明,蓄冰工况的性能系数大于空调工况的性能系数,即提供同样 冷量的前提下,采用蓄冰技术需要多耗能, 且在不同的蓄冷模式情况下,存在比常规空 调多的蓄冷、释冷过程中高、低温热源之间的损失,因此蓄冰空调从其本身并不节能。 2.3.2 冰蓄冷空调的终端节能 冰蓄冷系统本身并不节能, 但它的移峰填谷作用将对电力供应和生产带来显著效益 并节约能源,其具体表现在:移峰填谷使电网供电平衡,可降低输、配电损失5%~18%;充 分利用移峰电力,可使发电的热质效率提高约25%;稳定用电,使功率因数改善,可节电 1%~2%;由于削峰,避免了为几个小时的尖峰负载而新建电厂,据有关资料显示,要新建 一个电站,每千瓦需投资3375~10000元人民币。而采用蓄冰技术每转移1千瓦高峰负荷 只需增加初投资100元左右。 总之,采用蓄冷技术,一是可以起到“削峰填谷”的作用;二是可以降低制冷设备的 容量和配电容量;三是可以降低运行费用,延长系统寿命;四是可以作为备用冷源,特别 适用于应急设备所取的环境,如医院、计算机房、军事设备及电话机房等。通过“削峰 填谷” 可以降低装机容量和调峰容量,减少机组启停次数和低负荷运行时间,使机组大部

分处于高效率的满负荷工况下运行,既能降低发电煤耗,又能提高能源利用率,真正做到 终端节能。这对于电力生产部门和用户都会产生良好的经济效益和社会效益,从而实现 整个能源系统的节能,并产生较好的环保作用。 3 应用 从世界范围来看,冰蓄冷技术在空调领域的应用从20世纪30~60年代以减小制冷机 容量为主要目的的起步阶段到20世纪70~80年代以转移高峰用电时段空调用电负荷为 主要目的的 “移峰填谷” 的快速发展阶段,再到20世纪90年代中期以来利用冰蓄冷的 “高 品位冷能”与其它空调装置的有机结合,以提高空调制冷系统整体能效和降低整体投资 及建筑造价、 改善室内空气品质和热舒适为目标的技术成熟阶段,经历了漫长的过程.目 前我国的冰蓄冷空调技术也正在逐步接近世界先进水平,其中冰蓄冷与其他系统特别是 低温送风空调系统及热泵系统结合越来越引起人们的重视。 3.1 冰蓄冷技术与低温送风相结合 早在20世纪80年代国外发展冰蓄冷的经验就告诉我们,单纯的冰蓄冷,利用低谷电 制冰,储存到用电高峰时段供冷,确实可以转移部分高峰电力负荷。但是,这种方法不 但使冷源建设投资增加到常规冷源的1.6-2倍,而且空调的实际用电量也比常规空调系 统高出1.3倍之多。解决这个问题的出路是走冰蓄冷与低温送风系统相结合的道路。 3.1.1 低温送风系统特点 低温送风系统是利用冰蓄冷系统提供的低温介质,通过表面冷却器处理空气,从而 得到较低温度空气的一种空调系统。低温送风空调方式是指从集中空气处理机组送出较 低的一次风,经高诱导比的末端送风装置进入空调房间。它是相对于常规送风而言的, 常规送风系统从空气处理器出来的空气温度为 10~15℃,而低温送风空调方式的送风温 度为 3~11℃。

3.1.2 冰蓄冷与低温送风空调系统相结合的优势以及存在的问题 低温送风系统所需的冷水温度一般为 2~3℃,正好可以与冰蓄冷系统联合应用,两 者的结合既可以有效地转移了一部分尖峰用电时段的空调电负荷以相应减少了输配电 设备的容量,从而可减少输配电设备的投资和增容费; 且由于低温送风降低了送风温度, 增大了送风温差, 从而减少了一次风量,也就减少了一次风的空气处理设备,其初投资可 降低(见表 1) ;再者,由于送风量减少,相应的空调设备和风道尺寸均减少,因而可以 节省建筑物空间,降低建筑层高[5](见表 2) ;同时, 它能降低房的相对湿度, 舒适性和 室内空气品质也有所提高。因而增加了冰蓄冷低温送风空调系统的竞争力。 然而,采用低温送风也有一些问题:低温送风因低温而减小了送风量,会使空调区 域空气流速过低及气流循环量较低,一定程度上影响到空调区域的舒适性;对低温送风 系统的送风温度若不进行优化设计,会因其低于空调区域空气的露点温度,引起气流的 “白雾” 。在系统刚启动时,尤为明显,还会在送风口产生“结露”和滴水现象,影响室内 环境。 当然, 从设计、 安装和调试三个环节进行技术管理和质量控制就能解决以上问题。 表 1 几种空调系统投资比较
空调系统 非蓄冰常规送风系统 部分蓄冰与常规送风系统 部分蓄冰与低温送风系统 相对投资系数 1.0 1.18~1.26 0.73~0.86

表 2 低温送风与常规空调方式比较

项目 送风温差/℃ 送风温度/℃ 送风温度空调机组尺寸减少比例/% 风管尺寸减少比例/% 风管功率减少比例/%

低温送风方式 10~20 3~11 20~30 30 30~50

常规空调方式 8~10 10~15 0 0 0

3.1.3 工程实例 杨向红[8]等对北京市中国大唐电力集团公司生产调度指挥中心的空调系统进行设 计。 (1)工程简介 中国大唐电力集团公司生产调度指挥中心位于北京市西城区金融街,总建筑面积 4.83 万 m2,地上 16 层,地下 5 层,建筑总高度 70m,标准层层高 3.85 m。该建筑属于电力 部门的办公类建筑,夏季需要 24 小时供冷。 该工程设计总冷负荷(包括新风负荷)为 44952Kw, 设计时采用冰蓄冷、大温差供水 的低温变风量系统加独立的新风系统。 蓄冰模式为分量蓄冰模式,设计工况的供冷运行方式为主机优先模式,部分负荷时 按融冰优先模式运行。蓄冰装置采用 5 台钢制盘管成品蓄冰槽,总蓄冰量为 13378 kWh, 占设计日空调负荷总量的 29.7%。 主机采用 2 台双工况螺杆式冷水机组,制冷工质为 R22, 载冷剂采用质量分数为 25%的乙二醇溶液。设计日冰蓄冷系统运行模式和冷负荷平衡情 况为:100%冷负荷条件下,高峰供冷时段,融冰和主机同时供冷,满足高峰供冷的需要,超 过 75%的存冰量在电力高峰和尖峰两种时段内融化提供冷量。 该工程的另一特点是采用低温变风量系统,它是由变流量冷水系统(冷水泵为变频 泵)和变风量空气输送系统(空气处理机组为低温变风量中央空气处理机组)低两大部分

构成。与常规空调送风相比,它在提高空调室内的空气品质的同时,能有效节省系统初 投资、减少空调机房占用面积、降低长期运行能耗和减少维护成本。 (2) 项目的经济性 与非蓄冰常规送风系统相比,该工程具有明显的经济性: 1)初投资减少约 200 万元; 2)每年运行电费节约近 55 万元; 3)系统电力配置容量降低 350 kW,电力削峰容量近 10%。 3.2 冰蓄冷与热泵组合式空调系统 冰蓄冷技术和热泵技术的独立使用都具有一定的局限性,但在冰蓄冷与地源热泵泵 组合式空调系统中,冰蓄冷技术是一种“日储能”系统,可以转移大量的日间高峰电力到 夜间低谷时段使用,充分利用电网的日夜电差价,解决夏季供冷问题和热泵难以蓄冷的 矛盾,热泵技术解决了冬季清洁供暖问题和冰蓄冷装置无法供热的矛盾。 图 4 为冰蓄冷与地源热泵组合式空调系统原理图(在该系统中,地源热泵采用垂直 埋管系统) ,将冰蓄冷技术与地源热泵二者结合,就能“取长补短” ,对我国整个电网的 结构性调整起到重要作用,可取代大量的燃煤锅炉,同时对我国的环境治理也将起到重 要作用。目前,冰蓄冷与热泵组合式空调器越来越引起国内外学者的关注。王少为等[9] 研制开发了蓄冷和热泵热水器复合空调器,蓄冰槽在低谷电和夜晚室外温度较低时蓄冷, 然后利用蓄冷提高冷凝器出口制冷剂的过冷度,不但增大空调器的制冷量,而且充分利 用蓄冰槽内的显热量。放冷结束后,通过调节阀门,蓄冰槽可转换成水冷冷凝器,复合空 调器变成热泵热水器,提供生活热水的同时,可以提供一定的制冷量。因此,热泵技术与 蓄冰技术的结合必然具有广阔的经济前景和重大的社会效益。

图 4 冰蓄冷与地源热泵组合空调系统示意图

4 结语 冰蓄冷空调比常规空调减少装机容量,以相对节约运行成本实现均衡电网用电负 荷、移峰填谷的目的,社会、经济和环境效益显著。冰蓄冷低温送风系统则是一个有特 色的节能系统,是常规空调系统的重大变革,冰蓄冷技术与低温送风空调相结合,更能 增强冰蓄冷空调的竞争力;冰蓄冷空调与热泵技术相结合,更能兼具二者之强。目前在 我国发展蓄冷空调技术,已成为国家能源与与环境战略要求的必然趋势,因而与低温送 风及热泵技术相结合的新型冰蓄冷系统具有很大的推广应用价值和发展前景。

参考文献
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