空調(diào)蓄冷技術(shù)

　　1　引言
　　
　　隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，一些大中城市的空調(diào)用電量已占其高峰用電量20%[1]以上，致使電力系統(tǒng)峰谷負(fù)荷差加大，電網(wǎng)負(fù)荷率下降。有的電網(wǎng)峰谷負(fù)荷差達(dá)40%，不僅影響人們正常用電，而且造成了發(fā)電資源很大閑置。表現(xiàn)在電網(wǎng)低谷時(shí)，要停掉很多機(jī)組，機(jī)組頻繁啟停不僅增加能耗，而且影響機(jī)組壽命。應(yīng)用蓄冷技術(shù)是解決該問(wèn)題的有效辦法之一，將空調(diào)用電從白天高峰期轉(zhuǎn)移到夜間低谷期，來(lái)均衡城市電網(wǎng)負(fù)荷，達(dá)到削峰填谷的目的。    
　　
　　因此，我國(guó)政府和電力部門(mén)推行新的能源政策和電價(jià)政策，利用峰谷電價(jià)差值鼓勵(lì)應(yīng)用空調(diào)蓄冷技術(shù)減少或轉(zhuǎn)移高峰電力需求。蓄冷技術(shù)的推廣將有效平衡我國(guó)電能消耗，引導(dǎo)新的用電模式，合理利用電力資源。

　　1　蓄冷技術(shù)
　　
　　空調(diào)蓄冷技術(shù)現(xiàn)已是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，歐洲和日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家在80年代初期即開(kāi)始對(duì)蓄冷技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，在家用蓄冷、蓄熱式空調(diào)產(chǎn)品和成套蓄冷設(shè)備方面取得很大進(jìn)展。近幾年，蓄冷技術(shù)發(fā)展迅速，規(guī)模愈來(lái)愈大，已形成了區(qū)域性蓄冷、供冷系統(tǒng)。有效地緩解了高峰用電需求，合理充分地利用能源，提高了電廠效率。
　　
　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)用電和居民用電大幅增加，用電模式已和發(fā)達(dá)國(guó)家相近，國(guó)外蓄冷技術(shù)的成功應(yīng)用值得借鑒。由于我國(guó)過(guò)去單一制電價(jià)政策使該技術(shù)的發(fā)展受到限制。近年來(lái)，我國(guó)出臺(tái)了峰谷電價(jià)政策以及各項(xiàng)鼓勵(lì)性措施，奠定了推廣蓄冷技術(shù)的基礎(chǔ)，但發(fā)展仍舊緩慢。除北京、上海等一些大城市，其余地區(qū)蓄冷系統(tǒng)應(yīng)用非常有限。

　　2　蓄冷技術(shù)簡(jiǎn)介

　　蓄冷技術(shù)原理，簡(jiǎn)而言之，是利用夜間電網(wǎng)多余的谷荷電力繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)制冷機(jī)制冷，并通過(guò)介質(zhì)將冷量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在白天用電高峰時(shí)釋放該冷量提供空調(diào)服務(wù)，從而緩解空調(diào)爭(zhēng)用高峰電力的矛盾。目前較為流行的蓄冷方式有三種，即水蓄冷、冰蓄冷、優(yōu)態(tài)鹽蓄冷[2]。

　　2.1　水蓄冷
　　
　　以水作為蓄冷介質(zhì)的水蓄冷系統(tǒng)是空調(diào)蓄冷重要方式之一，也是能源利用，開(kāi)源節(jié)流的形式之一。水蓄冷可利用室內(nèi)外蓄水池或消防水池，用普通冷水機(jī)組制冷，夜間制取2~5℃的冷水蓄存起來(lái)供白天使用。為了提高蓄冷罐的蓄冷能力并滿足供冷負(fù)荷需求，應(yīng)提高水蓄冷系統(tǒng)蓄冷效率，維持較大的蓄冷溫差，并防止儲(chǔ)存冷水與回流熱水的混合以減少能量損失。通常水蓄冷系統(tǒng)貯槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有四種方式：自然分層蓄冷、復(fù)合貯槽蓄冷、迷宮式蓄冷和隔膜式蓄冷。其中自然分層蓄冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單，蓄冷效率較高、經(jīng)濟(jì)效益好，目前廣為應(yīng)用。
　　
　　自然分層蓄冷利用水的物理特性（水的密度與溫度相關(guān)，水溫大于4℃時(shí)，溫度升高密度減小，在0~4℃范圍內(nèi)，溫度升高密度增大，3.98℃時(shí)水的密度最大），使溫度為4~6℃的冷水聚集在蓄冷罐下部，而10~18℃的熱水自然地聚集在蓄冷罐上部，從而實(shí)現(xiàn)冷熱水自然分層。
　　概括地講，水蓄冷技術(shù)具有以下特點(diǎn)：
　　
　　1）可使用常規(guī)的冷水機(jī)組，也可使用吸收式制冷機(jī)組，使其在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行。

　　2）適用于常規(guī)供冷系統(tǒng)的擴(kuò)容改造，無(wú)需增加制冷機(jī)組容量。

　　3）利用消防水池、既有蓄水設(shè)施或建筑物地下室等作為蓄冷容器，可降低初投資。

　　4）可實(shí)現(xiàn)蓄熱和蓄冷雙重用途。

　　5）技術(shù)要求低，維修方便，無(wú)需特殊技術(shù)培訓(xùn)。

　　6）水蓄冷方式是一種較為經(jīng)濟(jì)且儲(chǔ)冷量較大的一種蓄冷方式。蓄冷罐體積越大，單位蓄冷量投資越低。蓄冷量大于7 000kW•h或蓄冷容積大于760m3時(shí)，以水蓄冷為經(jīng)濟(jì)。

　　2.2　冰蓄冷
　
　　冷的制冰方式主要有兩種[3]：1.靜態(tài)制冰方式。即在冷卻管外或盛冰容器內(nèi)結(jié)冰，冰本身始終處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這類制冰方式包括冰盤(pán)管式、冰球式等多種形式；2.動(dòng)態(tài)制冰方式。該方式中有冰晶冰漿生成，且冰晶冰漿處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。


　　制冰系統(tǒng)簡(jiǎn)單，現(xiàn)是冰蓄冷系統(tǒng)的主流。目前，動(dòng)態(tài)制冰方式國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的是冰盤(pán)管式、冰球式蓄冷系統(tǒng)，其他少用。

　　冰球式蓄冷分為內(nèi)融冰式和外融冰式，內(nèi)融冰式設(shè)備是由沉浸在充滿水的貯槽中的盤(pán)管構(gòu)成結(jié)冰載體的一種蓄冷裝置。充冷時(shí)，低溫載冷劑在盤(pán)管內(nèi)循環(huán)，將盤(pán)管外表面的水逐漸冷卻至結(jié)冰。釋冷時(shí)，經(jīng)空調(diào)負(fù)荷加熱的高溫載冷劑在盤(pán)管內(nèi)循環(huán)，將盤(pán)管外表面的冰逐漸融化，使載冷劑降溫，供用戶需要。外融冰式相反，在管內(nèi)結(jié)冰，載冷劑在管外流動(dòng)。沉浸在貯槽中的盤(pán)管形狀通常有三種，即蛇形盤(pán)管、圓筒形盤(pán)管和U形立式盤(pán)管。
   
　　蛇形盤(pán)管蓄冷裝置以美國(guó)BAC公司產(chǎn)品為代表，該裝置一般使用25%（質(zhì)量比）的乙烯乙二醇水溶液。充冷時(shí)進(jìn)液溫度一般為-5~-6℃，釋冷時(shí)出口溫度為0~1℃。圓筒形盤(pán)管蓄冷系統(tǒng)以美國(guó)calmac公司和Dunham-bush公司產(chǎn)品為代表。該裝置載冷劑逆向流動(dòng)，有利于改善和提高傳熱效率，并使貯槽內(nèi)溫度均勻，在充冷末期貯槽內(nèi)的水基本可全部?jī)鼋Y(jié)成冰，因此，又稱為完全凍結(jié)式蓄冷裝置。U形盤(pán)管蓄冷裝置以美國(guó)Fafco系列產(chǎn)品為代表。
　　
　　上述盤(pán)管作為換熱器分別與相應(yīng)的不同種類貯槽組合為成套的各標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)制冷設(shè)備。同時(shí)，這些盤(pán)管亦可以根據(jù)實(shí)際需要制作成非標(biāo)尺寸，以適于各種建筑物布置，組成非標(biāo)蓄冷裝置，滿足用戶不同需求。
　　
　　冰球式蓄冷屬于封裝冰式，蓄冰球的外殼一般由高密度聚合烯烴材料制成，球內(nèi)裝有有機(jī)鹽溶液，蓄冰時(shí)低溫載冷劑使冰球內(nèi)的鹽溶液結(jié)冰，放冷時(shí)高溫載冷劑與冰球內(nèi)的冰進(jìn)行熱交換達(dá)到降溫目的。
　　
　　靜態(tài)制冰有自身缺點(diǎn)：冰層厚度使熱阻增大，導(dǎo)致冷凍機(jī)性能系數(shù)COP降低。一些靜態(tài)系統(tǒng)中印冰塊的相互粘連易導(dǎo)致水路堵塞。

　　所以，冰蓄冷研究的主要方向是動(dòng)態(tài)制冰技術(shù)，動(dòng)態(tài)制冰技術(shù)將成為冰蓄冷主要形式。

　　2.3　優(yōu)態(tài)鹽變相蓄冷
　　
　　其原理類似冰蓄冷，利用材料相變蓄存冷量，但一般都在高溫下相變，故冷機(jī)及系統(tǒng)類似于水蓄冷。優(yōu)態(tài)鹽是由無(wú)機(jī)鹽，即硫酸鈉的水化合物為主要成份，與水和添加劑調(diào)配而成的混合物。將其充注在高密度聚乙烯板式容器內(nèi)，其相變溫度應(yīng)在空調(diào)適應(yīng)的范圍之內(nèi)，通常以2~7℃為宜，冷機(jī)可采用普通冷水機(jī)組，運(yùn)行效率高，但這種方式造價(jià)較高，且單位體積蓄冷量低，蓄冷槽體積大，是冰槽的2~3倍，重量也大，是冰槽的3~4倍。且該材料變相次數(shù)有限，一般在2 000～4 000次，超過(guò)之后便失效。
　　
　　優(yōu)態(tài)鹽以其理論上可以在任何溫度下進(jìn)行相態(tài)變化的特點(diǎn)，非常適合蓄冷式中央空調(diào)系統(tǒng)之應(yīng)用。但實(shí)際上常面臨某些技術(shù)問(wèn)題，再加上有可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等要求時(shí)，適合空調(diào)應(yīng)用的優(yōu)態(tài)鹽配方及設(shè)備并不多見(jiàn)。盡管如此，隨著技術(shù)的進(jìn)步，高溫相變材料的蓄冷式中央空調(diào)系統(tǒng)也是值得重視的。