蓄冷空调技术及其发展现状_徐勇

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1、中央空调市场2 0 0 6年1 2月( 上)随着经济的发展和人民生活水平的提高， 人们对工作和生活环境提出了更高的要求。许多商场、 宾馆、 写字楼、 民用住宅都设有空调系统， 导致我国电力需求增长非常迅速， 尤其是一天内用电高峰与低谷差距在不断拉大， 电网运行的不均匀情况日趋严重， 极大地影响了发电的成本和电网的安全运行。冰蓄冷中央空调技术是人类在面对能源危机时优化资源配置、 保护生态环境的一项重大技术革命， 有着良好的社会效应和经济效益。蓄冰系统是利用低价时段制冰， 将冷量储存在蓄冰筒中， 在高峰电价时段， 将储存的冰量释放出来供空调末端， 达到节省电费、 节能环保的目的。由于蓄冰技术可平衡

2、电力负荷， 提高负荷因素，从而大大减少 C O2和烟尘排放量，同时由于 C F C用量的大幅减小， 从而可减轻全球温室效应， 对环境保护具有重大的意义。对用户来说， 蓄冰系统除作为中央空调系统的主要组成部分外， 还兼有备用冷源的功能， 可实现计算机优化管理和低温送风。冰蓄冷空调代表了全球中央空调发展的趋势和方向， 这些特点使得蓄冰空调系统将成为 2 1 世纪空调系统用户的最佳选择。1蓄冷技术的发展阶段及应用状况1 . 1蓄冷技术的发展阶段蓄冷技术最初开始于 2 0 世纪 3 0 年代， 其发展大致经历了 3 个阶段 1 、 2 。（1 ） 从 2 0 世纪 3 0 年代至 6 0 年代， 是以

3、削减空调制冷设备装机容量为主要目标， 以小冷机带动大冷负荷的蓄冷阶段， 特别是 1 9 5 0 1 9 6 0年间， 发展很快， 主要采用水蓄冷技术， 优点是投资省、 技术要求低、 维修费用少， 可用于一些周期性使用， 供冷时间又短的建筑物， 如教堂、 体育馆、 礼堂。（2 ） 1 9 7 3 年全球性的经济危机，再次引起人们对蓄冷技术的关注和研究。人们开始实验性地将蓄冷技术引入建筑物空调系统， 以转移尖峰用电时段空调负荷为主要目的， 此阶段主要在办公楼、 大型商场内推广蓄冷技术。（3 ） 1 9 8 3 年在美国能源部主持召开的第 3 次“蓄冷技术在制冷工程中的应用” 专题研讨会上， 首次提

4、出了与冰蓄冷相结合的低温送风系统。蓄冷技术的发展从此进入了第 3 个阶段。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 “高品位冷量” ， 以提高空调制冷系统整体能效和降低空调制冷系统整体投资及建筑造价。蓄冷空调的应用范围扩展到实验楼、 研究中心、工厂、 学校、 医院等类型的建筑， 以及区域供冷的改造。1 . 2蓄冷技术在国内外的应用状况1 . 2 . 1 蓄冷空调国外应用状况2 0 世纪 7 0 年代， 美国、 加拿大和欧洲一些工业发达国家就已开始尝试性地将冰蓄冷技术引入集中式空调系统。 1 9 8 1 年前后， 美国开始推广应用蓄冷技术， 并颁布了相关的奖励措施，如在夏季用电高

5、峰期移峰 1 k W奖中央空调市场2 0 0 6年1 2月 (上)行业前沿 H a n g y eQ i a n y a n技 术 交 流蓄冷空调技术及其发展现状江苏省设备成套有限公司徐勇4 2机电信息2 0 0 6年第2 8期总第1 3 6期励 2 0 0 美元， 并分担 5 0 %的可行性研究费用。到 2 0 世纪9 0 年代， 每移峰 1 k W负荷奖励金额最高可达 5 0 0 美元，在美国从事蓄冷系统开发及冰蓄冷专用制冷机开发的公司多达数十家。目前在北美地区新增的中央空调中，冰蓄冷空调已占 8 0 %以上的份额。冰蓄冷不但用于建筑物的空调系统， 而且在食品乳业、 农业、 工业和其他行业

6、也都采用。近 1 0 年， 日本新建、 改建冰蓄冷项目 3 0 0 0 多个， 电网低谷用量使用率达 4 5 %； 韩国已经立法， 3 0 0 0 m2以上的公共建筑必须采用蓄冰空调系统。最近几年，冰蓄冷在美国不断得到发展， C A L MA C蓄冰筒、 F A F C O蓄冰罐等日趋完善， 同时在替代 C F C冷水机组方面也要求尽可能采用一些蓄冷系统。另外， 各国纷纷成立各种蓄冷研究中心， 对蓄冰设备的研究开发主要集中在制冰、 蓄冰、 取冰、 融冰技术和蓄冰槽 I P F测定方法的讨论上， 对系统的研究主要集中在系统优化设计、 建立客观的综合评价方法上 3 、 4 。1 . 2 . 2 蓄

7、冷空调国内应用情况我国自改革开放以来， 社会生产力、 综合国力和人民生活水平都有较大的提高， 电力工业作为国民经济的基础产业之一， 已取得长足的发展， 但电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾仍未得到改善。1 9 9 4 年国家计委、电力部等部门决定实行峰谷不同的电价政策， 来缓解电力建设和新增用电的矛盾， 这为蓄冷技术提供了广阔的发展前景。进入 2 0 世纪 9 0 年代以来， 蓄冷技术在我国发展很快， 1 9 9 3 年首次在深圳中电大厦落户， 1 9 9 9 年底已建成和正在建的蓄能空调有 8 7项，截至到 2 0 0 4年底， 我国已建成或正在建的冰蓄冷工程约计 3 1 8 项。党的十六届五

8、中全会提出把节约资源作为基本国策，“十一五” 规划纲要进一步把 “十一五” 时期单位 G D P能耗降低 2 0 %左右作为约束性指标。2 0 0 6 年 7 月 1 9 日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议， 进一步重申节能工作的意义及要求， 把节能工作摆在更加突出的战略位置，这为蓄冰空调在国内的发展提供了良好的契机。在中国大力发展蓄冰空调的技术已经相当成熟， 广泛应用蓄能技术已势在必行。2蓄冷空调系统形式典型的蓄冷空调形式主要有以下 4 种：2 . 1水蓄冷空调系统水蓄冷是利用水的显热来蓄冷， 利用冷冻水蓄冷的空调系统早在 2 0世纪 8 0年代前就已经成功地投入使用。水蓄冷空调系统的

9、优点：（1 ） 以水为蓄冷材料， 无需其他蓄冷介质， 可节省蓄冷介质费用和能耗；（2 ） 可以使用常规的冷水机组， 也可使用吸收式制冷机组， 设备的选择性和可用性范围广， 并能使其在经济状态下运行， 经济效益好；（3 ） 适用于常规供冷系统的扩容和改造， 可通过不增加制冷机组容量而达到增加供冷容量的目的；（4 ） 可以利用消防水池、 原有的蓄水设施或建筑物地下室等作为蓄冷容器来降低初投资；（5 ） 可以实现蓄热和蓄冷的双重用途；（6 ） 技术要求低， 维修方便， 无需特殊的技术培训；（7 ） 水蓄冷系统是一种较为经济的储存大量冷量的方式。水蓄冷系统的缺点是：（1 ） 水蓄冷只利用水的显热， 蓄

10、冷密度低。在同样蓄机电信息2 0 0 6年第2 8期总第1 3 6期行业前沿 技 术 交 流H a n g y eQ i a n y a n4 3中央空调市场2 0 0 6年1 2月( 上)冷量条件下， 需大量的水， 使用时受到空间条件限制。由于蓄水槽体积庞大， 表面散热损失也相应增加， 需要增加保温材料；（2 ） 由于使用开启式蓄水槽， 水与空气接触易生菌藻， 管路也容易生锈， 增加水处理费用；（3 ） 蓄冷槽内不同温度的水容易混合， 影响蓄冷效果， 使蓄存的冷冻水可用冷量减少。2 . 2冰蓄冷空调系统冰蓄冷主要利用水的潜热和显热来蓄冷。冰蓄冷空调的基本工作原理是在夜间电网谷荷时段开启制冷主

11、机， 将建筑物空调所需冷量部分或全部制备好， 以冰的形式储存起来。当日间电网高峰时， 可融冰降温， 实现了用电的移峰填谷， 达到节约电费的目的， 与常规空调系统相比， 冰蓄冷空调具有突出优点：（1 ） 平衡电网峰谷负荷， 减缓电厂和输变电设施的建设；（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；（4 ） 冷冻水温度可降到 1 4， 可实现大温差、 超低温送风， 节省水、 风输送系统的投资和能耗；（5 ） 相对湿度更低， 空调品质提高， 可防止中央空调综合症；（6 ） 具有低温冷源， 空调可靠性提高。冰蓄冷在节省运行费用

12、、 减少系统初投资方面具有较大的经济效益， 目前对冰蓄冷研究的较多， 其应用技术也很成熟。但主要缺点是装置占据的空间较大， 需要具有制冰功能的制冷机。2 . 3动态蓄冷空调系统静态蓄冷系统在结冰蓄冷时， 无论是盘管外结冰或容器内结冰， 由于冰层逐渐由薄变厚， 要求制冷机的蒸发温度变低， 电耗也就越大， 而动态制冷技术提高了结冰和融冰的效率， 降低了能耗。其主要形式有：（1 ） 动态制冰滑落式蓄冷系统： 该系统融冰速率快，有较高的释冷速率， 尤其适合于高峰用冷的场合， 而且可以用于温差大的冷冻水供给的低温空调系统。制冷滑落式蓄冷系统基本以制冰机作为制冷设备， 以保温的槽体作为蓄冷设备， 系统主要

13、由压缩机、 冷凝器、 节流阀、蒸发器、 四通阀、 泵、 热交换器、 阀门等组成。一般在工厂组装成为成套设备。主要生产厂家有美国的 T u r b o 、Mu e l l e r 和 Mo r r i e s 公司。（2 ） 冰晶式或冰泥式蓄冷系统： 这种系统的优点是制冷和融冰速度快而且稳定， 不像其他冰蓄冷系统容易在冰桶或冰槽内产生冰桥和死角， 同样的管径可输送较大的冷量。缺点是制冰机需要特殊设计和制造， 费用大，同时， 制冷能力和蓄冷能力偏小， 因此， 它目前还不适用于大型空调系统。动态蓄冷空调系统目前在应用中还存在一些问题，如控制复杂、 制冷和蓄冷能力偏小、 投资费用高等。因此， 在实际工

14、程中采用的很少。2 . 4相变材料蓄冷空调系统相变材料也称 P C M （P h a s e C h a n g e Ma t e r i a l） 物质。 利用相变材料在高温下进行相变来蓄冷的空调系统可以克服上述冰蓄冷系统的缺点， 高温相变材料非常适于蓄冷式中央空调的应用。相变温度为 5 8的相变材料能被常规制冷机组所制成的冷冻水凝固， 因此可以在不对原有的制冷机组及空调系统作任何修改的基础上增加蓄冷设备， 这是相变材料蓄冷系统的优点之一， 另外，因为利用相变材料的潜热来蓄冷， 蓄冷设备的体积较水蓄冷系统小， 这也是该系统的一个优点。目前， 蓄冷技术中采用的相变材料， 要求相变材料潜热大，

15、传热性能好， 并希望相变温度与空调工况相匹配， 以提高系统效率。由于气体水合物具备上述优良特性， 2 0 世纪 8 0 年代中期以来人们就对水合物的特性及应用进行了研究。近几年， 随着替代工质研究的不断深入， 以替代工质水合物为相变材料的二元及三元混合制冷工质的研究成为重点。上述这些研究主要针对结晶水合盐类物质， 使用范围广， 导热系数大 （与有机相变材料中央空调市场2 0 0 6年1 2月 (上)行业前沿 H a n g y eQ i a n y a n技 术 交 流4 4机电信息2 0 0 6年第2 8期总第1 3 6期相比） ， 融解热较大， 一般呈中性。但缺点是存在过冷及析出现象。而有

16、机相变材料可以克服这一缺点， 瑞典皇家工学院研究了一种碳 1 6和碳 1 8的混合物作为相变物质的特性， 当它们以不同比例混合时， 可得到的相变温度范围是 - 1 . 5 1 7 ， 无过冷及析出现象， 性能稳定，自成核性能好， 缺点是导热系数小， 密度小， 单位体积贮热能力差。3问题与对策近年来， 我国冰蓄冷空调工程有一定的发展， 主要与当地的电力政策有关，如果有稳定的峰谷电价差政策，峰谷电价差在 3 1 以上，就可采用冰蓄冷空调系统。我国在推行蓄冷空调工程时， 主要存在 3 大障碍：（1 ） 造价高， 一般比常规空调系统高 3 0 %4 0 %；（2 ） 占地多；（3 ） 运行复杂。解决 3 方面的问题应从以下方面着手： 使蓄冷设备和系统配件国产化或在国内合资生产，造价可降低一些； 电力政策给予较大的优惠， 即考虑电力设施的投资减少和空调运行费用的降低； 利用建筑物的筏基， 利用不宜作其他用途的空间或室外地下以解决占地多的问题； 使自控系统日益完善， 稳定性和可靠性提高， 管理趋于简化。当蓄冷设备可提供稳定的 + 1 + 3 的