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专业分享|冰蓄冷空调的发展简史

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时间: 2018-11-29
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专业分享|冰蓄冷空调的发展简史

 



近年来,用电荒和能源紧缺俨然成为阻碍经济发展的瓶颈。随着全球对能源危机意识的增强,我国明确提出将节能增效放在能源工作的首位。

目前大城市电力供应紧张表现为两个方面:一方面是电网负荷率低,系统峰谷差加大,另一方面是随着用电结构的变化,工业用电比重相对减少,城市生活、商业用电相对快速增长

空调的用电量约占建筑物用电的30-50%,所以节约空调系统的高峰用电将是缓解缺电矛盾的重要一环。城市生活、商业用电的快速增长,部分城市(如深圳、佛山)已设有商业峰谷电价,冰蓄冷空调方案可考虑应用到商业建筑节能当中,特别是对于大业主的自持项目,效果更明显。

 

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(关于广东省一般工商业电价降价政策的公告)

 

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(深圳市工商业电价价目表)

冰蓄冷空调系统原理

冰蓄冷空调是指利用制冰主机,在夜间电力低谷段制冰,冷量以冰的形式贮存起来,然后在电力高峰段优先释放出来,从而达到节省电费目的。

 

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(冰蓄冷削峰填谷示意图)



冰蓄冷空调发展历程

冰蓄冷空调起源于20世纪30年代美国,经历过降低初投资、减缓电网高峰用电压力,现步入削峰填谷和提高空调系统使用灵活性、可靠性的目标发展过程中。冰蓄冷技术紧随科技不继发展,至今已经过三代技术历程了。

参考北美、欧洲、日本等发达国家蓄冷空调市场占有率分别达到70%、30%、75%,随着全球对能源危机意识的增强,我国明确提出将节能增效放在能源工作的首位。目前冰蓄冷国内项目正逐年增长,已成为一种节能增效有力的技术解决方案。

 第一代明星:以冰球为主。兴起于1970-1990年代,主要代表厂家法国西亚特等。

 

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(冰球式蓄冰罐)

原理及方法

将冰球放入装有不冻液载冷剂(一般为乙二醇)的大蓄冰罐中,冰球通过与乙二醇进行热交换,使球内的水结冰/融冰,实现蓄冷/放冷功能。

1.冰球的制冰过程

-6左右的乙二醇水溶液在冰球外面流动,通过冰球壳体传热,使球内的水温度下降,接着在壳体内壁结冰,冰层逐渐加厚,完成制冰过程。

 

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2.冰球的融冰过程

在融冰过程中,由于冰的密度比水小,冰浮在水的上部。12左右的乙二醇水溶液首先通过冰球壳体向冰层传热,在壳体内侧的冰先融化成水,冰块逐渐变小,水逐渐增加,完成融冰过程。

 

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冰球内的水在结冰膨胀时,通过球表面凹处凸起缓解应力,凹面反复动作,容易开裂,而且结冰膨胀效应不一定全部发生在凹处。

冰球直径通常在100mm左右,由于冰的热阻大,外部的冷量至少要通过30mm左右厚的冰层才能抵达中心点,如此,冰球中的冷水越是靠近中心处则越发难以结成冰,造成后期蓄冰缓慢。

由于冰球表层一般使用聚乙烯材质,材质自身传热性能不及金属材质。

冰球式蓄冷能耗偏大,但其发展历史最久,技术也较为成熟,项目积累较多,有一定的市场份额。

 第二代明星:以盘管式为主。兴起于1980-2000年代,主要代表厂家BAC、益美高、华电华源等。

 

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(盘管式蓄冰槽)

 

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(盘管式蓄冰原理图)

原理及方法

在盘管蓄冷技术中,将金属或者塑料盘管置于冰槽中,在盘管里面充满载冷剂乙二醇不冻液,盘管外面充满水。蓄冷运行时,通过制冷主机制取0以下的乙二醇载冷剂在盘管内流动,通过管壁传热导热将外面的水结成冰,实现蓄冰运行。放冷时,分为内融冰和外融冰两种方式,内融冰就是通过盘管内部较高温度的乙二醇载冷剂,将盘管外表面的冰融化,使载冷剂降温后将热量通过换热器传递给末端用户。外融冰放冷时通过水泵抽取蓄冰槽中的冰水,经换热后回来的热水直接进入蓄冰槽循环,水和冰直接接触式换热,实现放冷循环。

1.冰盘管制冰过程

冷水机组出来的低温乙二醇水溶液送入蓄冰槽中的塑料管或金属管内,乙二醇水溶液吸收蓄冰槽中水的热量,水的温度下降,最后在盘管外表面上结冰。

 

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2.冰盘管融冰过程

从空调负荷端流回的温度较高的乙二醇水溶液进入蓄冰槽,在塑料或金属管内流动,将管外的冰融化;乙二醇水溶液温度下降,再被抽回到空调负荷端使用。

 

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冰盘管设置于蓄冰槽内,管间间隙小,需求盘管数量较多,由于盘管一般采用不锈钢管或者特制塑料管,一般投入成本较高。

与冰球相同,盘管亦存在热阻问题,当盘管外部成冰增厚时,传热效率降低,要么降低冰盘管外部的解冰厚度,但如此以来蓄冷能力便又降低了。

由于系统盘管数量较多,放置于蓄冰槽中结构紧凑,一旦发生泄漏,维修极为不便。

冰盘管式蓄冷技术能耗较冰球式蓄冷技术要低,较动态冰蓄冷技术能耗要高,但其技术较为成熟,市场份额较大,国内外大的冷站应用较多。

第一代与第二代制冰技术由于制冰过程中冰体静止,故称作静态制冰。

第三代明星冰蓄冷技术实现了制冰与储冰空间上的分离,一般称为动态冰。兴起于2000年代初,动态冰技术种类较多,目前市场上有制冰滑落式冰蓄冷、冰晶式蓄冷、过冷水动态冰浆式蓄冷、其他冰蓄冷如盐水冰浆技术等,制冰滑落式冰蓄冷代表有Mueller公司,动态冰浆技术国外代表厂家有日本高砂热学、新菱冷热、大气社等,盐水冰浆技术国外代表厂家有SUNWELL公司等,国内以中科院广州能源研究所最早研发并应用。

 制冰滑落式冰蓄冷

 

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(滑落式冰蓄冷系统原理图

原理及方法

制冰机安装在蓄冰槽的上方,水或水溶液喷洒在蒸发器上,在蒸发器表面结成一层薄冰,待冰达到一定厚度时,制冰设备中的四通阀切换,压缩机的排气直接进入蒸发器,使冰脱落。

 特点

融冰特性较好,融冰时冰与水直接接触,片状冰具有较大的表面积,换热效率较高,同时冰融化后的水直接进入循环系统,循环系统的出水实际上取自冰水混合物的水,在融冰初期和终期均可保持恒定的出水温度。但机房对层高有特别要求,无法使用常规双工况制冷机组,四通阀故障率高。

 冰晶式蓄冷

 

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(冰晶式蓄冷系统原理图)

原理及方法

冰晶式冰蓄冷是将低浓度的乙烯乙二醇或丙二醇的水溶液降到冻结点以下,使其产生冰晶。冰晶是极细的冰粒(直径100μm),类似雪花,生成后成为一种淤浆状的液冰,可以用泵输送。

 特点

需使用专门生产冰晶的制冰机和特殊设计的蒸发器,冰晶融化速度较快。该系统生成的冰晶比较均匀,不会产生冰死角和冰桥。冰晶直径小,总的换热面积大,融冰释冷速率快。冰晶可被泵送,蓄冰槽的位置布置方便。冰晶式蓄冷系统制冷能力比较小,尚不适用于大型系统。

 过冷水制冰(动态冰浆冰蓄冷)

 

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(过冷水动态冰浆装置)

 

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(过冷水动态冰浆制冰原理图)

原理及方法

以普通清水为蓄冷介质,采用板式换热器换热制取过冷水,再通过超声波处理转化为冰浆。

 特点

制冷主机不冻液出水温度约-3.0,比传统静态冰蓄冷高3左右,能效比COP增加显著。

2) 融冰放冷速率快。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。

3) 融冰出水温度可恒定在2以内,放冷时冰槽取水温度接近1,具备满足某些特殊工艺用冷的条件(如牛奶加工过程中对0~2冷冻水冷源的苛刻要求)。

4) 冰槽安装空间灵活,冰槽里面无设备,对形状的要求降低。

5) 目前过冷水动态冰浆蓄冷技术适用于中、小型中央空调项目。

其他冰蓄冷

这里举例盐水冰浆蓄冷(刮削式盐水冰浆技术),以低浓度盐水溶液(如3%乙二醇溶液)为蓄冷介质,采用刮削式圆柱筒夹套换热器,直接通过刮削刀片或螺杆从换热壁面把冰晶刮离形成冰浆。刮削式盐水冰浆技术需要提供额外的机械力,其制冷能力比较小,尚不适用于大型空调系统。

 

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(刮削式盐水冰浆技术装置)

冰蓄冷技术种类繁多,市场上品牌众多,不在此一一列举。

冰蓄冷制冰时间通常在凌晨0点至次日8点,这个时间段通常不是用电高峰,电网稳定,享受谷段电价,实现“移峰填谷”,与同常规空调系统对比,运行费用大幅度降低。

蓄冷技术目前已成为许多经济发达国家所积极推广的一项促进能源、经济和环境协调发展的实用系统节能技术


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