冰蓄冷技术.docx

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冰蓄冷技术

冰蓄冷技术

周明

一、冰蓄冷空调技术及其发展背景

蓄冰空调系统即是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式贮存起来。

在电力负荷较高的白天也就是用电高峰期，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷的需要。

同时在空调负荷较小的春秋季减少电制冷机的开启，尽量融冰释冷，提供空调负荷。

蓄冰空调系统是“转移用电负荷”或“平衡用电负荷”的有效方法。

电力工业是国民经济的基础产业，目前我国的发电装机容量已居世界第二位，但仍不能满足电力消费量；同时电力消费出现夏季冬季差值持续加大的现象，而同一天的上午和晚上电力消费量亦较其他时段达到高峰。

过去国家实行供电侧调节，主要靠新建电厂和建设蓄能电站，但仍满足不了每年用电量以5～7%增长的需要，同时电力系统峰谷差也急剧增加，电网负荷率明显下降，极大影响了发电的成本和电网的安全运行。

由于电能本身不易储存，因此近年来国家从电用户方面考虑并制定了一系列的移峰填谷和节约用电政策加强对用电需求侧的管理（DSM），

由于高峰用电量中空调用电一般占了30%以上，建筑物用电的40～60%左右，采用蓄冰空调后可大大缓解由于空调用电负荷在用电峰谷时段的不均衡而造成的电网不均衡。

因此现在全国有许多城市的电力部门都适时推出了分时电价结构和许多相关的优惠政策，以鼓励人们使用蓄冰空调。

冰蓄冷空调技术是实现电网削峰填谷主要方法之一，目前该项技术在世界上属于成熟的技术，正被世界各国广泛的应用于各个领域。

根据权威机构99年的资料显示，蓄冰工程已有1.5万个在全球各地正常运行，仅我国台湾省到2000年末就有近500个蓄冰空调系统正在运行。

国内目前也有150个蓄冰空调系统工程在运行或建设之中，发展势头十分迅猛。

国家电力公司也在有关文件中提出积极推广蓄冰空调技术，转移高峰电力，提高电网经济运行和资源综合利用水平，以达到节能和环境保护的目的。

二、冰蓄冷空调系统主要特点

冰蓄冷空调系统相对于常规空调系统具有以下一些特点：

1.冷水机组高效率运行，系统运行灵活，冷量一比一的配置对负荷变化的适应性很强。

　2.减少制冷主机的容量和数量，减少系统的电力容量与变配电设施费用。

3.易于实现低温送风，相对湿度较低，提高室内空气品质并节省大风输送系统的投资和能耗。

4.利用电网峰谷电力差价，每年可节省可观的系统运行费用。

5.备用应急恒定冷源，使中央空调更可靠。

6.自动化程度高，管理简单，可实现无人职守、网上监控，无消防等级要求。

7.平衡电网峰谷负荷，优化电力资源配置。

8.因增加了储冰设备，初投资比常规电制冷空调略高，占地略大。

（增加的设备包括蓄冰槽、循环泵、板式热交换器等，机房设备投资增加约10%～20%）

三、电力蓄冷装置的型式

冰蓄冷空调系统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，一般有蓄冰槽、蓄冰球、蓄冰桶等。

目前在我国实际采用的蓄冷装置主要是两大类：

1、封装式蓄冷槽：

其中又分为冰球式蓄冷槽（如法国CIAT的产品）和蕊芯褶囊冰球式蓄冷槽（如杭州华源公司的产品）。

它是以放置在蓄冰箱（罐）内的冰球作为热交换器，利用低谷电将冰球内的水冻结，储存冷量。

冰球式蓄冷槽的蓄冷速度较慢，但取冷速度较快且在整个过程中会不断降低，适用于短期快速取冷，但约有20%的冷量储存比较困难，需增加蓄冷时间或降低蓄冰工况水温。

实例为深圳中电大厦。

蕊芯褶囊冰球式蓄冷槽的换热性能较普通圆形冰球有所改善，蓄冷速度更快，取冷后期的传热性能也有一定改善。

2、盘管式蓄冷槽：

是以放置在蓄冰槽（罐）内的用金属或塑料制成的盘管作为热交换器，利用低谷电将盘管外的水冻结，储存冷量。

目前在国内应用的一般都是内融冰形式，可细分为U形塑料盘管、圆形塑料盘管、金属蛇形盘管等几种。

金属蛇形盘管式蓄冷槽的蓄冷速度较快，取冷速度较恒定，而且性能良好的蓄冷槽出口温度在整个取冷过程中可基本保持在4～5摄氏度。

如美国BAC及清华同方的产品均能达到标准。

U形塑料盘管式蓄冷槽和圆形塑料盘管式蓄冷槽的性能特征与金属蛇形盘管相近，但在融冰过程中取冷水温会较缓慢地升高。

3、水蓄冷：

是以水为蓄冷介质，利用低谷电将蓄冷槽（罐）内的水降至2-5℃，储存冷量。

4、其它型式：

冰蓄冷还有冰晶式、优态盐式、直接蒸发式等型式。

四、冰球式与盘管式蓄冷设备的比较

冰球式与盘管式蓄冷设备是在我国应用较广泛的两类蓄冷系统形式，下表将从蓄冰融冰特性、设备寿命及应用于系统时的各种问题对金属盘管式和冰球式蓄冷设备进行全面的比较：

类别

盘管式

冰球式

材料

钢，不易破损，寿命长。

塑料，易破损，寿命短。

蓄冷

蓄冷速度快，温度高；蓄冷温度一般－2ºC至－5.5ºC，冷机蒸发温度－10ºC，机组出力相对高。

蓄冷速度慢，温度低；蓄冷温度一般－3ºC至－7ºC，冷机蒸发温度－13ºC，机组出力相对低。

取冷

融冰出水温度低，一般可用3～5ºC，水温稳定，可保持较大的换热温差，故板式换热器小。

融冰前期快，出水温度不易控制，水温波动大，后期水温往往很难满足要求，故板式换热器大。

设备

寿命

管外结冰，无内应力变化，寿命长。

球内结冰，有内应力或伸缩变化，球壁易裂，寿命较短。

系统

系统灵活，由于取冰出水温度低且稳定，故可设计为串联系统，当然也可并联。

由于取冷水温高且不稳定，故一般系统均为并联式。

控制

控制简单，蓄冷取冷流向相同，一般只用4个电动阀门。

控制复杂，蓄冷取冷流向相反，一般需用6个电动阀门。

结冰量测量

结冰量可依冰槽内水位变化得到精确测量，不必另加流量计累计冰量。

结冰量不易测得，装流量计增加投资而且累计计算精度不高。

乙二醇用量

乙二醇浓度低，且用量小，约为同样蓄冰容量冰球系统的三分之一至五分之一。

乙二醇浓度高，且因冰球罐容量大，故用量多，约为同样蓄冰容量盘管系统的三至五倍。

乙二醇

乙二醇在管内流动，流速快，不易沉淀。

乙二醇在球外罐内流动，流速慢，易沉淀，且易造成流动短路现象，影响换热效果。

有效利用率

保证出水温度为4ºC时有效利用率95%。

保证出水温度为5ºC时有效利用率65%。

设备

布置

可充分利用机房层高采用双层布置；还可利用建筑物的基础，减少占地面积。

普通的主机房层高一般在4.3～4.8米左右，不能充分利用其高度。

相关系统设备

因系统出水温度较低，温差较大（可达7～9ºC），故可使双工况主机、板式热交换器及水泵的设备造价减低；同时因系统流量的降低会使水泵电机容量降低，水泵运行费用降低；所有管道的尺寸降低从而减少系统造价。

因系统温差较低（仅为5ºC左右），因而板式热交换器及水泵的容量均较大，所有管道尺寸也较大，系统造价较大。

五、冰蓄冷空调优缺点分析及经济指标估算

（一）蓄冰空调的优缺点：

优点：

1）平衡电网峰谷负荷，减缓电厂和供配电设施的建设。

2）制冷主机容量减少，减少空调系统电力增容费和供配电设施费。

3）利用电网峰谷荷电力差价，降低空调运行费用。

冰蓄冷空调系统利用低谷电价，其运行费用比常规电制冷空调系统减少38%左右。

4）无污染、安全可靠且自动化程度高不需要专人管理。

5）冷冻水温度可降到1－4℃，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风输送系统的投资和能耗。

6）相对湿度较低，空调品质提高，可有效防止中央空调综合症。

7）具有应急冷源，空调可靠性提高。

8）冷量全年一对一配置，能量利用率高。

缺点：

1）通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调大。

冰蓄冷空调系统比常规电制冷空调系统初投资费用增加16%。

2）蓄冰装置要占用一定的建筑空间。

3）制冷蓄冰时主机效率比在空调工况下运行低。

4）设计与调试相对复杂。

以上4项缺点经过有关政府部门和工程技术人员的努力，有些已得到克服，有些得到了缓解，有些尚在进一步研究当中。

冰蓄冷空调一次性投资较常规空调大已得到了有效的克服，通常对于适合采用冰蓄冷空调的建筑，如常规空调系统选用风冷热泵或直燃型溴化锂吸收式制冷机，一般冰蓄冷空调投资不会超过常规空调系统；但如果常规系统选用水冷式电动冷水机组则其投资通常较冰蓄冷低20％左右，但是如计及电力增容费其二者投资也有可能持平。

经过近几年工程技术界的研究开发，有些蓄能装置可以不占用有效建筑空间。

如温州体育馆、建行杭州分行办公楼、上海锦都大厦、杭州国际大厦等等，其蓄冰装置分别采用无压混凝土槽、无压或有压钢槽（罐）等分设于绿化草皮地下、停车场地下、屋顶等非使用建筑空间。

蓄能空调机房面积可做到不超过常规空调冷冻机房占用的建筑面积。

可利用自控系统，将蓄存的冷量全年一对一有效利用，可做到空调全年用电量不增加，如结合大温差、超低温送风空调技术其全年用电量可得到节约。

最后一项缺点，可由蓄能专业工程公司承担，采用设计、制造、安装、调试、售后服务一条龙作业。

能有效克服设计与调试相对复杂的不足。

（二）冰蓄冷空调经济指标估算——以大型超市冰蓄冷空调为例

序　号

项　目

规格型号

价　格

（万元）

单位经济指标

品　牌

1

冷水主机

180万kcal/h

160

1600元/RT

合资

2

冷却塔

22kw

15

150元/RT

合资

3

冷却水泵

60kw

4.5

45元/RT

国产

4

冷冻水泵

60kw

3

30元/RT

国产

5

乙二醇泵

37kw

2

20元/RT

国产

6

蓄冰装置

240M3

148

1480元/RT

合资CIAT

7

自控系统

1套

10

10元/套

合资西门子

机房设备小计

342.5

3425元/RT

8

乙二醇

50吨

36

7200元/吨

国产

9

电子除垢仪

DN300/2台

4

2万/台DN300

国产

10

机房安装费（估）

68

以国家工程定额为准按实计入

机房部分投资

450

4500元/RT，255元/m2

11

末端设备（估）

277

以国家工程定额为准按实计入

12

末端安装费（估）

185

末端部分投资

462

4620元/RT，231元/m2

空调系统总投资

912

9120元/RT，456元/m2

六、蓄冰空调在国内外的应用状况：

国外蓄冰空调的推广从七十年代中期开始，由于工业和科技的高速发展，人们的环保意识加强，又遇上严重的石油危机，迫使人们去多方面地考虑电能的利用，因而产生了大量的蓄冰空调系统。

日本由于战败引起的经济衰退，资金紧张，90年代前主要发展水蓄能系统，近年转而大量发展冰蓄冷系统，十年来新建、改建冰蓄冷项目3000多个，电网低谷电约有45%被加以利用。

韩国已经立法，3000㎡以上的公共建筑必须采用蓄冷空调系统。

我国的蓄冰空调系统在1994年电力部郑州会议上正式写入国家红头文件，被列为十大节能措施之一，国家计委、电力部等部门决定实行电力供应不同的电价政策，以推动削峰和填谷的应用，缓解电力建设和新增用电的矛盾。

华北电力集团首先公布峰谷电价比为4.5:

1，当年在深圳电子大厦建成我国第一个冰蓄冷空调系统。

1995年4月成立了全国蓄冷空调研究中心，隶属于中国节能协会。

1999年改现名为中国节能协会蓄冷空调专委会。

1997年国家经贸委办公厅颁布文件“国经贸厅技[1997]298号”，其中将冰蓄冷空调作为今后的重点发展项目。

11月国家发布了《中华人民共和国节约能源法》。

1998年初“全国冰蓄冷示范工程”（鲁班奖）——杭州交行正式投入运行。

3月中国最早、最大的蓄能空调专用设备生产基地——法国西亚特公司杭州下沙工厂正式投产。

年底国务院颁布的“国发[1998]032号”文件及华北电管局“华北电集营[1998]030号”文中更强调了“鼓励用户采用节电技术措施，鼓励用户多用低谷电，加快推广蓄冷空调等削峰填谷的技术措施”。

2000年9月《蓄冷冷却设备》行业标准审查会在杭州召开。

从此蓄冰空调有了规范的行业标准。

自1994年国家第一次提出发展蓄冷空调开始，各种国外蓄冰设备纷纷进入我国，其中应用较多的有美国的BAC钢制蛇形盘管式蓄冷槽、CLAMAC圆形塑料盘管式蓄冷槽及法国CLAT冰球式蓄冷槽等。

到2000年已经或在建项目达到108项。

部分省市蓄能空调优惠政策摘要

地区

峰谷分时电价（元/kwh）

峰谷比

低谷时段

供配电贴费（元/kvA.单回路）冰蓄冷免收

工业

宾馆

商业

北京

0.751/0.186

0.901/0.552/0.222

4.06:

1

22:

00-06:

00

330

天津

0.551/0.35/

0.222（+8%）

0.76/0.478/

0.215（+8%）

0.855/0.527/

0.221（+8%）

3.87:

1

23:

00-07:

00

405（低压）

330（高压）

上海

0.865/0.289

1.015/0.34

0.61/0.35宅

0.895/0.3

3:

1

22:

00-06:

00

360

浙江

0.688/0.289

0.879/0.30

2.93:

1

22:

00-08:

00

450

江苏

0.71/0.237

0.78/0.26宅

0.996/0.3

3.32:

1

23:

00-07:

00

450

福建

0.5865/0.373/0.1762

3.33:

1

23:

00-07:

00

450

山东

0.8349/0.2783

0.422宅

0.9519/0.3173

3:

1

23:

00-07:

00

270

大连

1.09/0.365

3:

1

23:

00-07:

00

320

河北

0.56/0.225（保定市）

2.5:

1

23:

00-07:

00

河南

0.54/0.18蓄冰,0.662/0.221非

3:

1

23:

00-07:

00

450

湖北

0.88/0.5/0.20.827（常规.24h）

4.4:

1

0:

00-07:

00

免

湖南

0.8688/0.19（常德市）

4.6:

1

23:

00-07:

00

450

江西

0.765/0.51/0.255（商）0.97非蓄冰

4.31:

1

23:

00-07:

00

350

安徽

0.7/0.2

0.669/0.38/0.19

3.5:

1

23:

00-07:

00

250

陕西

0.686/0.249

0.402宅

1.004/0.364

2.76:

1

23:

00-07:

00

900

山西

0.382/0.12

0.552/0.107

0.401/0.176

2.28:

1

23:

00-07:

00

免

甘肃

0.83/0.705/0.577

1.44:

1

23:

00-07:

00

270

四川

0.4515/0.0.301/0.1505

3:

1

23:

00-07:

00

405

云南

0.28电锅炉,0.674非,（24H）

23:

00-07:

00

贵州

0.38（工）0.718（商）0.364（居）

0.25/0.18冰蓄冷（电锅炉）专用

4:

1

23:

00-07:

00

390

广西

021/0.5105（枯水期）,0.771/0.3855（丰水期）

2:

1

23:

00-08:

00

220（低压）

160（高压

七、深圳市采用蓄冰空调系统的优势

1、深圳地区每年的空调使用期较长，一般为9～10个月（其他地区通常为4～5月/年），这样在深圳的投资回报期就会大大低于其他地区。

2、新建工程（写字楼、酒店、高科技厂房、商场等）若在设计施工阶段就采用冰蓄冷空调系统可享受市政府提供的免征贴费或增容费、申请政府贴息贷款等前期优惠政策。

3、由于冰蓄冷技术的日益成熟使得低温送风系统的应用成为可能。

常规的空调系统的送风温度一般为16ºC左右，而低温送风系统可以做到8ºC左右的送风温度。

低温送风首先可使整个系统的配置规格和尺寸减小，从而减少占地面积、降低运行费用。

其次可增强除湿能力，特别适用于潮湿的南方地区尤其是深圳市。

常规空调的房间常常是温度低、湿度高，人们长期呆在这种环境中极易引发“空调病”，损害人体体温的自动调节系统，导致头昏、恶心、四肢无力等。

而低温送风系统可降低室内空气湿度，在满足人体舒适度的前提下适当提高室内温度，可以杜绝细菌的滋长。

八、工程实例分析

1、武汉某酒店冰蓄冷空调系统

（1）工程概况

该酒店按四星级标准设计、主楼28层，建筑面积33000m2。

设有客房450间及餐饮、会议、娱乐购物等设施。

待建的副楼4层，建筑面积5000m2，主要为餐饮娱乐设施。

空调制冷机房按建筑面积38000m2的负荷设计。

（2）设计原则

按照业主对采用蓄冰空调必须达到“可靠、先进”的原则，结合酒店空调运行的要求和规律，在系统设计上作如下考虑：

　　1）24小时连续使用空调的客房及其相关用房按常规空调设计；

　　2）间歇使用的主、副楼餐饮、会议、娱乐、购物等用房按蓄冰空调计算；

　　3）制冷机房分设蓄冰和常规空调的主机及其配套设备。

采用可分可合多种灵活可变的供冷控制模式；

　　4）整个建筑的末端空调供回水仍为一个系统，根据各部分的负荷变化调整制冷机房的供冷方式以达到经济、节能运行的目的。

（3）设计参数和主要设备选型

　　1）本工程原设计常规空调冷水机组制冷量为4570kW，采用冰蓄冷空调系统，装机容量为3512kW。

按间歇使用面积计算，蓄冰比例为32%，按总面积计算，蓄冰比例为23%；

　　2）原设计工程总供配电为3400KVA，现为2850KVA，减少550KVA；

　　3）主机选用法国CIAT单螺杆制冷机4台，其中双工况2台（844kW×2），空调工况2台（912kW×2）。

冰球罐（直径3米，长13.73米）2个。

共装CIAT-CRISTOPIA冰球179m3。

　　4）蓄冰技术参数：

夜间低谷电时段为23时~7时，共8小时，可蓄冰量为8500kWh。

设计蓄冰量为10382kWh，设计蓄冰时间为10小时。

载冷剂乙烯乙二醇质量百分比29%，蓄冰时供回液温度为-6ºC和-2.6ºC。

　　5）运行控制模式：

　　　◇蓄冰◇蓄冰同时供冷◇机组供冷◇融冰供冷◇融冰同时机组供冷

　　6）季节运行策略

　　　◇高温季节时采用融冰供冷用于负荷高峰时段；

　　　◇非高温和过渡季节时融冰供冷用于用电高峰时段，不开或少开主机。

（4）实测运行参数分析：

1）冰球蓄冰系统蓄冷和放冷时，载冷剂进出口温度变化曲线与厂家提供的参数及曲线基本相同；

　2）蓄冷罐运行正常，8小时可蓄冷8590kWh，10小时蓄冷量达到10000kWh以上，满足设计值与制造厂提供的参数；

　　3）放冷特点：

◇可快速提供冷量，末端水温降得快，提前开机时间短。

对餐饮、娱乐、会议等使用场所尤其适合。

为此副楼突发使用时，不会影响主楼的供水温度；

◇通过控制系统，设定冰罐的供冷温度，同样可使供冷平稳运行；

◇末端供水温度稳定，回水温度正常；

4）按放冷实测数据，在上午用电高峰时段仅用冰罐放冷供主楼空调使用，仅开一台乙二醇泵，不开主机，放冷4小时，供冷6974kWh。

末端水系统供回水温度分别保持在6~7.8ºC和11.5~12.6ºC之间。

（5）经济效益分析：

1）采用蓄冰空调系统的设备费比原常规系统约增加15%（仅机房部分增加，末端费用不变）。

2）由于采用冰蓄冷系统，电力公司给予本工程极其优惠的政策，减少供配电贴费、节约开关所及外线费用、减少550KVA的变配电设备费等。

为此在供电工程上所减免和节约的费用已经大大超过了蓄冰空调系统所增加的费用，给业主带来较大的经济效益。

为此本工程因采用蓄冰空调增加的投资的回收期已经不存在。

　　3）节约电费预计为20%左右。

　　4）用电移峰填谷比较明显。

经实测证明在非高温季节，日间用电高峰时段可完全由冰罐放冷运行。

转移了高峰期用电。

在春、秋过渡季节时，除低谷时段开主机蓄冰外，其它时段可不开主机。

高峰、平价时段用电完全转移。

2、大型超市——华商超市

（1）设备配置与初投资：

大型仓储式超市18000平方米，主营食品、日用品的批发和零售、兼营餐饮。

项　　目

常规空调

冰蓄冷空调

　1．冷水机组冷量/功率

　320万Kcal/h　　790KW

　180万Kcal/h　　　410KW

　2．冷水机组价格

　248万元

　140万元

　3．冷却水泵流量/功率

　900m3/h　　90KW

　550m3/h　　　60KW

　4．冷却水泵价格

　6万元（3台）

　4.5万元（3台）

　5．冷冻水泵流量/功率

　640m3/h　　90KW

　400m3/h　　　60KW

　6．冷冻水泵价格

　6万元（3台）

　3万元（2台）

　7．蓄冰水泵流量/功率

　380m3/h　　　37KW

　8．蓄冰水泵价格

　1.95万元（1台）

　9．冷却塔规格/功率

　900m3/h　　33kW

　600T/H　　　22kW

　10．冷却塔价格

　22.5万元

　15万元

　11．电子除垢仪价格

　5.5万元

　4万元

　12．蓄冰设备价格

　148万元

　13．自动控制价格

　5万元

　10万元

　14．管道费用减少

　-8万元

　15．配电容量

　1003KW

　552KW

　16．电力增容费

　90.27万元

　49.68万元

　17．电力设备投资

　85.26万元

　46.92万元

　18．乙二醇量/价格

　50T/33万元

合　　计

468.53万元

448.05万元

从上表可以看出采用STL冰蓄冷中央空调比常规空调在一次性投资方面可以节省20.48万元

（2）使用效果：

经过2000年夏季近5个月的运行，系统的出水温度能稳定在5度左右，能满足整个华商超市空调的需要，从整个空调的效果来看，比一般的冰蓄冷中央空调电耗低，比较理想。

整个中央空调运行时间为146天，谷电的电量在69.29万kWh，峰电的电量在32.76万kWh，空调电费在49.58万元。

而采用常规中央空调的用电量在95.63万kWh，空调电费在84.06万元，全年可以节约电费34.48万元，加上节约年度主机维修费用2.5万元，总计节约运行费用约37万元。

对超市来说是一个不小的经济效益。

3、交通银行某市分行冰蓄冷空调系统

（1）工程概况：

交通银行某市分行金融大楼，位于某市某路173#，简洁而庄重的外形与美丽的西子湖遥相呼应。

大楼占地面积4000m2，总建筑面积19913m2，空调使用面积15000m2。

大楼主体建筑高51.1m，建筑物最高点68m，共分15层，地下两层，是一座集金融、办公于一体的现代化大厦。

大楼1994年6月动工，1997年8月竣工。

该大楼先后荣获全国新技术示范工程、中国建筑工程鲁班奖等多项荣誉称号。

其采用的STL冰蓄冷中央空调技术被列为某省火炬计划项目。

（2）设计简介：

　　整个建筑夏季设计最大冷负荷为1919kW，冬季热负荷为1395kW，建筑面积冷指标为128W/m2，建筑面积热指标为93W/m2。

大楼白天工作时间为8:

00-18:

00，夜