动态冰蓄冷技术及优势分析
作者：弗格森研究院
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简介： 本文从冰蓄冷空调系统的原理出发，介绍了几种国内外比较常用的冰蓄冷空调系统的形式，提出动态冰蓄冷技术的优势，并指出其潜在的社会价值和经济价值。
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所谓冰蓄冷空调，是指空调压缩机组在夜间电网供电富余的情况下运行制冰并储存（同时也是空调负荷很低的时间），在白天电网供电紧张的情况下（同时也是空调负荷高峰时间），空调系统利用夜间机组所制的冰作为冷源，提供给需要供冷的场所。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，从而实现用电负荷的“移峰填谷”。蓄冰空调技术正是从电力用户着手，参与电力调峰, 平衡电网，充分利用谷期电力，将部分峰期电力需求转移到谷期,削减供电量，减少电力建设投资，保护大气环境。利用冰蓄冷技术，还可转移50%以上的高峰电力需求移峰填谷，既缓解电网供电紧张，又利用夜间廉价电费，节省空调制冷机组的整体运行成本。
冰蓄冷空调系统的发展过程
冰蓄冷技术在空调领域的应用，从世界范围来看，大致经历了四个阶段：
(1)上世纪30～60年代，以削减空调设备装机容量为主要目标，以小冷机带动大负荷的冰蓄冷阶段。主要在一些周期性使用、供冷时间又很短的建筑物如教堂、体育馆、会堂中采用，旨在降低初投资。
(2)上世纪70～80年代，以转移尖峰用电时段空调用电负荷为主要目的的“移峰填谷”的冰蓄冷阶段。主要在一些只在用电高峰时段使用空调的建筑物，如办公楼、大型商场内推广使用。对于单纯的冰蓄冷工艺，由于蓄冷过程需降低蒸发温度，因而降低了制冷效率及增加了制冷时的电耗，所以虽然表面上运行费降低了(由于实行峰谷电价差与其它优惠措施)，但实际电能消耗却增加了，而且总投资也高，偿还期一般在4年以上。
(3)从80年代末至90年代中期开始，除了转移尖峰用电时段的空调负荷外，又增加了利用冰蓄冷的“高品位冷能”，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冰蓄冷空调阶段。
(4)从90年代中期到现在，各生产厂家突出以地碳、环保为主要目标，在努力提高冰蓄冷工作性能之同时，还侧重在设备体积、安装维护、性价比等方面下工夫。比较有名的制造商是以德国弗格森（Focusun Refrigeration）和美国Fafco为代表(Fafco Energy)。
目前世界各国的冰蓄冷中央空调系统主要采用“冰球”式、“冰盘管”式蓄冷系统，这两种方式虽然能从根本上达到蓄冰降温之最终使用目的，但存在很多缺陷：
冰球冰蓄冷系统介绍：
采用冰球式冰蓄冷方式，冰球外表面为聚乙烯材质，外形为直径100mm左右的圆球，表面设有多个凹坑，球内水结冰膨胀时，结冰时凹坑凸起，防止胀裂。将很多冰球放入装有乙二醇载冷剂的大蓄冰槽中，冰球通过与乙二醇热交换，球内的水结冰蓄冷、融冰吸热，实现冰蓄冷功能。冰球冰蓄冷系统的一些不足之处如下：
1、冰球蓄冷系统采用乙二醇载冷剂，带有载冷剂的制冷方式均为二次传热制冷方式，制冷效率低；
2、球内冷水冻结膨胀时，通过球表面凹处凸起缓解应力，凹面反复动作，容易开裂，而且结冰膨胀不一定会在凹处形成；
3、冰球的直径通常为80～120mm，由于冰的热阻大，外部的冷量至少要通过20～30mm厚的冰层才能抵达中心点，冰球越中心的冷水越难结成冰，空间利用率低，蓄冷量低，释放冷量慢。
4、冰球表层本身使用聚乙烯材质，传热性能差。
冰盘管冰蓄冷系统介绍：
冰盘管式冰蓄冷，冰盘管采用不锈钢SUS304材质的盘管，盘管外表面附带翅片，盘管一般为多组并联，放置在一个装有水的大蓄冰槽内，蓄冰槽内的水与盘管内部的载冷剂热交换，在制冷蓄冷时，冰盘管外表面结成冰，储存冷量；在融冰吸热时，盘管外表面的冰融化，释放冷量，实现冰蓄冷功能。冰盘管蓄冷系统的一些不足之处如下：
1、冰盘管蓄冷系统采用载冷剂，带有载冷剂的制冷方式均为二次传热制冷方式，制冷效率低。
2、冰盘管摆放在蓄冰槽内时，管与管之间的间隙小，所有用的盘管较多，一般采用价格高昂的SUS304不锈钢管。投入成本高。
3、盘管外部冰结的越厚，传热效果越差，所以冰盘管外部的结冰厚度一般都比较薄，蓄冷能力低。
4、盘管较多，而且放置在蓄冰槽中，发生泄漏，不方便维修。
动态冰蓄冷系统介绍：
动态冰蓄冷（Dynamic Ice Storage）采用板片型蒸发器，多片并联，安装在蓄冰池正上方。压缩冷凝机组一般由多台高温螺杆压缩机并联，实现制冰、蓄能。
动态冰蓄冷简易流程图.jpg
动态的制冰储冰：制冷系统正常运行后，内循环水泵将蓄冰池内的水输送至板冰机蒸发器顶部的洒水槽处，通过洒水槽将水均匀的洒在板冰机蒸发器的外表面，与制冰机（板片状冰形制冰机，又名板冰机）蒸发器内部的制冷剂热交换，部分水在板冰机蒸发器上结冰，没有结冰的水落入蓄冰池内，再次循环。待蒸发器表面的冰层厚度达到5-8mm时，采用热氟将板冰机蒸发器上的冰脱落，掉进蓄冰池内，漂浮在水面上，通过快速的制冰脱冰循环，最终将蓄冰池内的水全部制成冰。
融冰吸热：通过温度比例调节阀，将部分空调回水通过板冰机蒸发器顶部的洒水槽均匀洒在板冰机蒸发器外表面，由于制冷机组停止运行，空调回水经过板冰机蒸发器，均匀的洒在蓄冰池上方的冰层上，通过热交换，温度降低至接近0℃，再由蓄冰池底部采用水泵输送至空调回水处混合，将空调回水温度降低至空调出水的标准，通过比例调节阀和空调出水温度配合控制空调的出水温度。在储冰量不足时，机组可运行在冷水制冷模式，即运行部分压缩机，作为中央空调机组使用。
动态冰蓄冷蓄冰池外观图.jpg
动态冰蓄冷系统特点：
采用制冰-脱冰循环，动态制冰，控制冰的厚度为5～8mm，保证蒸发器与水的传热效率，大幅度提升制冰、蓄冷能力；
制冰时空调水通过板冰机蒸发器，直接与制冷剂进行热交换，不使用载冷剂，制冷效率高，更节能；
融冰吸热时，空调回水直接与冰混合，吸热快，通过比例调节，出水温度更稳定；
蒸发器为板片式，并且安装在蓄冰池顶部，方便维修、清洁；
板冰机蒸发器为开放式蒸发器，水在外表面结冰，蒸发器没有冻裂的可能；
整个系统可作为空调机组运行。
动态冰蓄冷系统的价值体现：
在空调工况下，制冷量相同动态冰蓄冷系统与空调机组相比，压缩冷凝机组、冷却塔系统、蒸发器的的总成本相差不大，而动态冰蓄冷系统仅多了一个蓄冰池，蓄冰池可采用土建方式或钢架结构，附带保温层，成本不高。
举例：在夜间不用空调的场所，如办公楼，白天使用空调时间设定为10小时，夜间低谷电时间设定为8小时，空调机组的制冷量设定为550kw。如果替换成一套空调工况下制冷量为550kw的动态冰蓄冷系统，其运行电耗为130kw；该系统在制冰工况下的制冷量约为300kw，运行电耗115kw，每天运行8小时制冰模式，产冰量约为17吨，相当于3小时的空调制冷量，其余7小时可用动态冰蓄冷系统作为中央空调主机使用。按照电费峰值1元谷值0.3元计算，节省成本如下式：
1元/kw*h×130kw×3h-0.3元/kw*h×115 kw×8=114元/天=41610元/年
而建造一个储存17吨冰的蓄冰池，按照L4000×W3000×H3000mm的尺寸（36立方米）的蓄冰池，土建类仅需2-4万，钢架类仅需5-8万即可。因此将中央空调机组替换成动态冰蓄冷系统，最多两年内收回成本，从第三年开始，每1千瓦安装制冷量每年可节省约41610÷365=75.6元人民币。
结语
随着冰蓄冷系统在我国的应用越来越广泛，它的空调形式也随着时代对节能的要求出现很多新的形式，动态冰蓄冷技术具有更优的经济效益。本文抛砖引玉，希望得到各位专家指正。
参考文献：
1- Optimization of a dynamic method ice-storage programming, W. & Steffen, America.
2- 21世纪冰蓄冷空调技术发展方向探讨 潘雨顺 中国
3- Dynamic ice-making research of super-cooled water, Katharina J, Germany
4- 冰蓄冷器性能及其评价指标 王利军 李敏霞 田玉卓 中国
5- Dynamic modeling of the storage of an encapsulated ice tank, T Kousksou, Japan