动态蓄冷系统和区域供冷的现状及发展动态研究

汪瑞东 杨荣海

（中机西南能源科技有限公司，江苏 南京210012）

0 引言

随着社会生产力和人们生活水平的提高，电力供应高峰电能不足而低谷过剩的矛盾相当突出，电网负荷率下降。电力部门实行了峰谷不同电价政策，鼓励低谷用电，这就为冰蓄冷技术的推广提供了可能。同时，城市中在一定范围内集中新建了大量的宾馆、办公大楼和大规模商业中心，亦为区域供冷提供了可能。

冰蓄冷是利用夜间低谷电制冰并储存起来，在白天用电高峰时段用储存的冰作为冷源的技术［1］。冰蓄冷技术与常规技术相比称不上节能，但能达到移峰填谷和减少变电设备的作用，是缓解电力建设和新增用电矛盾的有效途径之一。

区域供冷是利用集中设置的大型冷冻站向一定范围内的需冷单位提供冷源的供冷方式。由冷冻站、冷媒输送管网和末端用冷装置组成。该供冷方式于1961年首次应用于美国的哈特福德（Hartford）［2］。随着我国空调制冷行业的发展，区域供冷技术的推广已是大势所趋。

1 滑落式板冰冷水机组简介

1.1 机组组成

由压缩冷凝机组、蒸发板模块和控制系统组成，实现制冷和制冰两种工况，是高效的满液式冷水机组。

1.2 机组工作原理

板冰冷水机组系统原理图如图1所示。

图1 板冰冷水机组系统原理图

制冷过程：在循环水泵作用下，循环水经板式换热器（阀1关，阀2开）进布水器，沿蒸发板表面呈膜状均匀流下，制冷剂在蒸发板内蒸发吸热，温度降低后的水落到蓄冰槽内。

制冰过程：制冷循环过程中随着水温降低，部分水凝结成冰附在蒸发板表面，另一部分水落到蓄冰槽内，由循环水泵吸入（阀1开，阀2关）继续循环制冰。

脱冰过程：当制冰时间到设定值，某一蒸发板模块的制冷剂进气电磁阀打开，部分热的制冷剂气体进入蒸发板模块内，蒸发板表面的冰由于受热失去附着力，冰层依靠重力落到蓄冰槽内，破碎成小冰片。

融冰过程：在循环水泵作用下，循环水进入布水器落到蓄冰槽内直接与片状冰接触换热，再由循环水泵吸入（阀1关，阀2开），经板式换热器与空调回水换热后回到蓄冰槽。

制冷＋融冰过程：在循环水泵作用下，经过板式换热器与空调回水换热后的循环水进入布水器，沿蒸发板表面呈膜状流下，制冷剂在蒸发板内蒸发吸热，温度降低后的水落到蓄冰槽内直接与片状冰接触换热后由循环水泵吸入（阀1关，阀2开），经板式换热器与空调回水换热后再回到蓄冰槽。

2 不同蓄冰方式特点比较

蓄冰方式主要有以下几种：冰盘管式（外融冰方式）、完全冻结式（内融冰方式）、冰球式、片冰滑落式、冰浆式。以上5种蓄冰方式，前3种是静态蓄冰，后2种是动态蓄冰。

2.1 蓄冰原理比较

静态蓄冰通过中间载冷剂制冰、储冰，制冰过程中冰一直附着在蓄冰装置上，蓄冰过程一次冻结完成。

滑落式动态蓄冰通过制冷剂直接蒸发制冰、储冰，蓄冰过程中冰结到一定厚度与制冰装置分离，输送到储冰装置中，蓄冰过程是多次冻结完成。

2.2 蓄冷效率比较

静态蓄冰方式冰层越厚，传热系数越差，蒸发温度越低，系统性能系数越低。乙二醇水溶液比热容低而密度较高，传热性能比水差，换热设备需更大的换热面积，增加了设备投资。溶液循环量比水高，水泵功耗增加，进一步降低了系统能效。

滑落式动态蓄冰方式冰层厚度可控，反复快速制冰，机组蒸发温度较高，系统效率高，基本不存在冰层厚度的影响。由于蓄冷、供冷的介质都为水，设备投资及水泵功耗不需额外增加。

2.3 融冰效率比较

静态内融冰方式和冰球方式融冰过程：冰→25%乙二醇溶液→板式换热器，需通过2次换热循环才能将冷量送至末端，影响系统整体效率；随着融冰时间的推移，冰球内冰的直径减小或盘管与冰层之间形成水层，融冰效率进一步降低。

静态外融冰方式融冰时冰水直接接触，但制冰时会结冰不均匀，易形成死区，影响蓄冰效率，融冰时会存在“千年冰”现象。

滑落式动态蓄冰系统冰水直接混合，通过板式换热器与空调末端系统连接，与常规空调系统接近。蓄冰槽中为无数混合在水中的小冰块，融冰时冰水直接接触，融冰速度、效率都很高。

2.4 取冷速率比较

静态内融冰方式和冰球方式属于间接系统，在融冰环节需通过盘管壁或冰球壁融冰换热，接触面积有限，取冷速率受到了限制。

静态外融冰方式融冰时冰水直接接触，释冷较快，但会存在“千年冰”，需增加水流搅动设施提高融冰速率。

滑落式动态蓄冰系统融冰时冰水直接接触，可实现快速融冰，24 h蓄存的冰，30 min可以全部融化。

2.5 低温供水实现比较

静态内融冰方式和冰球方式属于间接系统，乙二醇水溶液不直接进入空调水系统，在融冰环节需通过换热器和系统回水换热融冰，与用户之间多了一级换热，难以提供较低的水温。静态内融冰方式和冰球方式可以稳定提供＞3℃的低温冷水。

静态外融冰方式融冰时冰水直接接触，融冰初期可保持恒定，但会存在“千年冰”，需增加水流搅动设施提高融冰速率。非承压式蓄冰装置系统对外供冷时需额外增加一组换热器以使二次侧冷水回路形成闭式系统，系统复杂。静态外融冰方式可以稳定提供＞2℃的低温冷水。

滑落式动态蓄冰系统蓄冰槽中为无数混合在水中的小冰块，融冰时冰水直接接触，可实现快速融冰，融冰初、末期均可保持恒定的出水温度。滑落式动态蓄冰系统可以稳定提供1～2℃的低温冷水。

2.6 蓄冰装置比较

静态冰球方式冰结在球内，有内应力，球易变形、撕裂，需定期维护，补充冰球。

静态盘管蓄冰方式盘管较长且焊头太多，泄漏后难查找，需定期检测、补充乙二醇以维持系统运转。

动态蓄冰系统制冰与蓄冰装置分离，蓄冰装置维护的工作量小。

2.7 周蓄冰比较

静态蓄冰方式实现周蓄冰须增加制冰装置的费用，投资大。

动态蓄冰系统实现周蓄冰不需增加制冰装置，只需增加蓄冰槽的容积，投资小。

3 冰蓄冷技术与区域供冷技术相结合

区域供冷系统由冷冻站、冷冻水输送管网和末端用冷装置组成。对于含电制冷蓄冷的区域供冷系统而言，可以降低装机容量，减小冷冻水输送管网的管径，提供合适的供水温度，以提高空气品质。

3.1 区域供冷目标的实现

区域供冷技术考虑了不同建筑的同时使用系数，与分散式供冷机房相比已降低机房装机容量，机组可以满负荷运行，系统能效比较高。

冰蓄冷技术与区域供冷技术结合不仅可以进一步降低装机容量，减少投资，还可移峰填谷，减少电网负荷，用户也可利用电价差节约运行费用。

要降低冷冻水输送管网直径就需增加供回水温差，降低冷冻水供水温度；与常规空调系统相比，冰蓄冷空调系统可以提供较低的供水温度，更易于实现区域供冷的目标。

3.2 冰蓄冷与区域供冷相结合的实例

深圳大学城采用区域供冷系统，总供冷量8 000 RT［2］。杭州市市民中心建筑面积580 000 m2，蓄冷量39 360 RT·h［3］。广州珠江新城核心区集中供冷，总蓄冷量82 080 RT·h，分三期进行建设，第一期工程蓄冷量28 728 RT·h［3］。海南三亚亚龙湾冰蓄冷区域供冷，为亚龙湾地区多个五星级酒店提供冷源，一期供冷能力8 880 RT，冰蓄冷系统蓄冷量25 536 RT·h［3］。

以上冰蓄冷与区域供冷相结合的项目采用静态冰蓄冷系统提供冷源，减少设备装机容量，降低了对电力系统的影响，降低了高峰用电负荷。以上项目的成功实施，说明了冰蓄冷与区域供冷结合应用的技术日趋成熟。

3.3 动态板冰蓄冷与区域供冷相结合的实例

比照区域供冷的目标，动态蓄冷系统可在蓄冰效率、融冰效率、取冷速率、周蓄冰、供水温度及其稳定性等方面进一步优化和提升，降低机房设备投资、运行效率、运行费用，提供更高品质的空调环境。

深圳华南城物流中心5号广场总建筑面积约32万m2，调温面积约为23万m2，分为A座和B座，通过一个统一的机房向两个区域供冷。5号广场夏季尖峰冷负荷为21 971 k W（6249USRT），设计日空调总冷量为81 153 RT·h，采用分量蓄冰模式，设计蓄冷量为26 000 RT·h。项目冷源设备选用了动态板冰蓄冷系统。该工程于2013年已投入使用，并正常运行了2个供冷季，经济效益非常明显［4］。

华南城5号交易广场与上述区域供冷项目相比，无论是供冷规模还是蓄冷体量已基本相当。相对于静态蓄冰系统，动态蓄冰系统应用范围虽还远远不及，但滑落式动态蓄冰系统在深圳华南城的成功运营及其优点为动态蓄冰技术与区域供冷技术相结合奠定了坚实的基础。

4 结语

蓄冰系统与区域供冷相结合在世界范围内已经成为一种商业化的、十分成熟的供冷技术，在冷量需求较高、商业化建筑密集同时电力又比较缺乏的地区，可以发展区域供冷来解决当地政府头痛的一些缺电、环保问题。动态蓄冰系统与区域供冷的成功结合和运用为后续此类项目的设计和建设提供了依据。

动态蓄冰系统与区域供冷相结合是一项系统工程，涉及面广，投资数额大，需要政府、企业和学术界的广泛合作。只有这样，动态蓄冰系统与区域供冷才会在我国发展、成熟、壮大。

［1］严德隆，张维君.空调蓄冷应用技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997

［2］惠荣娜，徐奇，李德英，等.我国区域供冷的现状及发展［J］.建筑节能，2007（3）：47～50

［3］张永铨.我国蓄冷技术的发展［J］.暖通空调，2010（6）：2～5

［4］深圳华南城5号交易广场冰蓄冷空调系统工程技术资料［Z］