我国冰蓄冷空调形式的发展状况

简介： 本文从冰蓄冷空调系统的发展过程出发，介绍了几种国内比较先进的冰蓄冷空调系统的形式：冰蓄冷与低温送风系统、家用小型冰蓄冷系统和冰蓄冷与热泵相结合，简述了各种系统的特点以及应用过程中存在的问题。

关键字：冰蓄冷系统 低温送风 家用冰蓄冷 热泵

0 引言

自从改革开放到现在，我国的综合国力和人民的生活水平都有很大程度的提高，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。我国近年来的总装机容量已达年增长1.5×10⁷kW,1996年发电装机容量已居世界第二位^[1]。但是，电力的增长仍然满足不了每年用电量5％～7％增长的要求，全国缺点的局面仍未得到根本的改变。特别是近年来城市进程的不断发展，城市建筑能耗呈现加速增长的趋势，使得电力系统峰谷差急剧增加，电网负荷率明显下降。据统计，城市空调的用电负荷已占到城市高峰电力总负荷的40%以上，而空调的负荷特性与电力负荷特性基本相同，是造成电网峰谷荷差逐步加大的最主要原因。为此许多地方电力公司纷纷推出了峰谷分时电价政策，特别制定了针对蓄能空调技术推广使用的各种优惠政策，由此为蓄能空调广泛推广带来了契机。

所谓冰蓄冷空调，即在夜间电网低谷时间（同时也是空调负荷很低的时间），制冷主机制冷并由蓄冷设备将冷量储存起来，待白天电网高峰用电时间（同时也是空调负荷高峰时间），再将冷量释放出来满足高峰空调负荷的需要或生产工艺用冷的需求。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%^[2]的高峰电力需求，对缓解高峰电力压力，提高能源使用效率和保护环境都将有巨大的社会经济意义。

1、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，大致经历了三个阶段：

(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。

2、现阶段国内冰蓄冷空调系统形式简介

2.1 冰蓄冷与低温送风相结合

目前，国内对冰蓄冷与低温送风系统的研究很多^[3-7]， 详细分析了系统的特点，以及存在的问题。同时由于低温送风系统的末端装置对整个空调系统的性能有很大影响，这方面的研究也很深入^[8-10]，说明了这种系统在我国具有广阔的发展前景。

2.1.1 低温送风系统

在常规全空气空调系统中,送风温差一般控制在8～10℃,送风温度在15～18℃范围,如果系统有再热,则盘管出口空气温度可低到12℃左右。而在冰蓄冷系统中,利用低温冷水,可将盘管出口空气温度降到4～6℃,送风温差可达20℃左右,形成所谓“低温送风系统”。目前对空气输送能耗以及保温性能已经有了评价指标^[4]：

根据ASHRAE标准90-75规定,空气输送的能耗可用空气输送系数ATF(Air Transport Factor)来评价:

式中　T_s—送风温差,℃;　

P—风机静压,mmH2O;　

Q—送风量,m3/h;　

η—风机,电机综合效率。

低温送风系统的最大问题是防止空调器、风道、末端装置和风口的结露,评价保温性能可用下述方法:

(1) 隔热系数

式中: T_R—周围空气干球温度,℃;　

T_D—周围空气露点温度,℃;

T_C—空调器盘管出口空气干球温度,℃。

(2) 表面温度系数R'=1/a1/K=

式中a—保温层内表面换热系数,W/m²·K;

K—保温层传热系数,W/m²·K;

T_s—管壁表面温度,℃。

低温送风由于送风温度降低,送风温差增大,风量减少,使其具有初投资省,年运行费用低,大大减少了空调的装机容量,所需占用的建筑空间小,增加建筑使用面积,空气品质优良,提高舒适度减少空调病,创造好的经济效益等优点。与冰蓄冷系统相结合后，由于它能够充分利用冰蓄冷系统所产生的低温冷冻水，这在一定程度上弥补了因设置蓄冰系统而增加的初投资，进而提高了蓄冷空调系统的整体竞争力，是新世纪空调系统发展的方向之一。

2.1.2 低温送风系统中存在的问题

（1）空气中水的凝结问题

使用冰蓄冷与低温送风相结合的系统最大的问题就是空气中水的凝结。由于通过管网中的空气温度很低，在输送过程中很容易使管外的空气中水的凝结，这样虽然能够降低室内的空气湿度，但常常引起顶棚的破坏和脱膜，因此对管道的保温提出了更高的要求，还要注意保护空调房间保温管道的隔汽层。另外，在系统开启时，为防止凝结水，应采用“软启动”，使冷冻水供水温度和送风温度逐渐降低，在系统停止运行较长时间后，采用“软启动”非常重要。机房内的管道如保温良好一般不易结露。对于温度很低、湿度较大或直接与外界相通的室内又无散热设备的设备间，可采用除湿或室内加热的方法防止管道及设备表面结露。

（2）室内的空气品质低的问题

由于大温差送风，使得系统的送风量较小，流速也低，从而严重影响了室内的空气品质。在设计系统时，可以采用变风量方式，确定一个最小新风量，随着室内负荷的减小，新风比增大，这样可以适当提高室内的空气品质。

（3）室内空气的温度分布引起的吹风感

由于空气的性质，温度低的空气密度比较大，易于下沉，从低温送风系统末端吹出的冷空气下沉而影响室内的空气分布，室内人员会有吹风感，目前可以用低温送风系统专用的散流器，这种散流器有很好的帖附诱导性能，但是成本仍然很高，所以对于这个问题有待于进一步研究。

总之，由于低温送风空调系统在技术上已经有了很大的进步，一次投资只是常规空调造价的76％一86％，这在一定程度上弥补了冰蓄冷与低温送风相结合的系统中增加蓄冷设备而引起的初投资的增加。目前就国内情况来说，要使冰蓄冷空调与低温送风系统结合得更加完美，一方面要大力引进国外先进技术和经验，开发新产品，降低整个系统的成本，另一方面还要努力实现冰蓄冷系统的高效率化，降低系统的耗电率，提高性能系数。当然低温送风系统作为新生事物，对整个系统的评价显得及其重要，这方面有待于进一步的研究，有利用低温送风系统在我国的推广。

2.2 家用空调中的冰蓄冷系统

随着人们的生活水平的提高和受全球气候变暖的影响,家用空调器正以惊人的速度普及,成为不可忽视的耗电大户,给电力供应带来很大压力。如何能把蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备上,所起到的削峰填谷作用将是很可观的，这也是目前研究的热点^[11-17]。

2.2.1 小型家用冰蓄冷系统的组成

由于户式冰蓄冷空调要求具备以下特点:结构简单紧凑、蓄冷取冷方便、控制灵活有效等。因此,如图1 所示，小型家用冰蓄冷空调将直接蒸发制冰蓄冷、制冷剂内融冰取冷及大温差过冷有机地结合为一体从而大幅度提高了制冷量和制冷性能系数COP。

该冰蓄冷空调系统有以下三种运行工况：

(1) 蓄冷运行。阀门 V1、V2、V3 为开，其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用储液器4、双阀机构5、蓄冰槽6等部件组成；

(2) 取冷供冷运行。阀门 4、5、6、7 为开，其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用储液器 4、蓄冰槽 6、双阀机构 5、蒸发器7 等部件组成；

(3)常规空调运行。阀门 1、4、7 为开，其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、双阀机构 5、蒸发器7等部件组成。

图1 家用冰蓄冷空调系统简图
1－压缩机；2－四通阀；3－冷凝器；4－蓄冷用储液器；5－双阀机构；
6－蓄冰槽；7－蒸发器；8－汽液分离器；9－水泵；10－V1～V7球阀

2.2.2 家用小型冰蓄冷系统推广中存在的问题

家用小型冰蓄冷空调技术的研究开发和推广应用对我国电网调峰、节能及保护环境有着十分重要的意义和发展前景。就我国目前的研究水平来说，这种形式的冰蓄冷空调在推广中还存在两个问题：

（1） 成本高。由于国内这方面的技术还不够成熟，还没有成套的国产设备，目前使用的还是进口设备，所以要引进国外先进技术，加强蓄冷材料和小型蓄冷空调设备的研究；

（2） 系统的不稳定性。这是由于蓄冰装置在融冰供冷过程中，其初期提供的是冰的显热，中期提供的是冰的潜热，末期提供的是水的显热，而显热与潜热有着巨大的差值，使供冷初末期的冷量远远小于中期提供的冷量，这就使得蓄冷装置在供冷过程中很不稳定。目前对这方面的改进措施的研究有待于进一步加强。

2.3 冰蓄冷与热泵相结合

2.3.1 冰蓄冷与热泵相结合的发展现状

在过去的几十年里，冰蓄冷和热泵这两项技术得到了蓬勃地发展，在欧美等国家得以广泛地应用，在我国近年来也发展迅速，但是，这两种相对独立的技术都具有一定的局限性，冰蓄冷技术只能应用于夏季空调季节，可起到削峰填谷的效益。但冰蓄冷技术无法提供冬季的采暖；同样，热泵技术虽然可以同时提供冬季采暖和夏季制冷，但却无法在夜间电力低谷时段蓄得冷量，以起到削峰填谷的功效，而这两项技术的结合后，既可利用热泵技术同时满足制冷和采暖的需求，又可采用蓄冰技术进行电网的削峰填谷。即使用户使用到了廉价的采暖方式，又解决了污染问题，还为电网的昼夜平衡做出了贡献，可谓一举多得。

工程时实践证明^[18]，采用冰蓄冷与水源热泵相结合的系统，冰蓄冷技术是一种“日储能”系统，可以转移大量的日间高峰电力到夜间低谷时段使用，充分利用电网的日夜电差价，解决夏季供冷问题，热泵技术解决了冬季清洁供暖问题。如果普及结合热泵和蓄冰空调技术到我国的商业建筑上，将对我国整个电网的结构性调整将起到重要作用：同时可取代大量的燃煤锅炉，对我国的环境治理也将起到重要作用。因此，热泵技术与蓄冰技术的结合必然具有广阔的经济前景和重大的社会效益。

目前，国内仅有少数人对这种冰蓄冷与热泵相结合的系统进行研究^[19]，有些公司和高校联合研制出了这种系统系统的核心部件小型复合空调器^[20]，蓄冰槽在低谷电和夜晚室外温度较低时蓄冷，然后利用蓄冷提高冷凝器出口制冷剂的过冷度，不但增大空调器的制冷量，而且充分利用蓄冰槽内的显热量。放冷结束后，通过调节阀门，蓄冰槽可转换成水冷冷凝器，复合空调器变成热泵热水器，提供生活热水的同时，可以提供一定的制冷量。在采用水源热泵机组进行采暖空调，通常会出现这样的问题，建筑物冬季的热负荷往往小于夏季的冷负荷，而热泵机组又往往都是制热量大于制冷量(通常情况下热泵机组的制热量是制冷量的1．1～ 1．3倍)。因此在机组选择的时候，按照冷负荷标准进行机组的选择，则会导致机组的制热能力大大超出建筑物的热负荷需求，在供热上造成了机组投资和运行的浪费；而若按照热负荷标准选择的话，则会出现夏季制冷量不够，往往需要添加额外的制冷机组。三工况热泵机组解决了机组冷、热负荷不相配的问题^[21]。

2.3.2 冰蓄冷与热泵相结合过程中存在的问题

由于冰蓄冷系统和热泵系统工况不同，因此在这两种系统结合的过程中，要注意系统的匹配问题。例如，由于空调工况与蓄冰工况的制冷剂流量、阀前后压差及运行特性等差别很大，特别是由于热力膨胀阀本身构造所限，其适用的温度及调节范围均小两种工况采用同一膨胀阀显然是不合理的；还有对于空调工况和蓄冰工况的蒸发温度差别较大，所以一个蒸发器很难满足两个工况下的要求，这些都是急待解决的问题。

3、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，本文介绍了三种比较先进的技术：冰蓄冷与低温送风相结合、家用小型冰蓄冷系统和冰蓄冷系统与热泵系统相结合的研究状况以及应用过程中出现的问题，希望能对我国冰蓄冷系统形式的研究有所帮助。

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