冰蓄冷空調系統的研究現狀

韋新東，王禹崴，張天陽，秦燁欣

(吉林建筑大學 市政與環境工程學院，吉林 長春 130118)

0 引言

能源穩定供應是經濟穩定發展的必要保障，煤炭的消費量約占全世界不可再生能源的70%，而90%的煤炭用于國民經濟發展[1].經濟的高速發展造成一次能源逐漸消耗，碳排放量也因此逐漸增加，而大量的二氧化碳污染物會引發溫室效應.2010年，中國能源消費和碳排放量增長約占全球總量的五分之一，使中國成為世界上能源消費和碳排放量較大的國家之一[2].2012年起，東北地區冬季供暖期PM2.5爆表，空氣污染增加[3].建筑工程用電、其他日常生活(照明、家電、生活熱水等)的建筑能源折合為總電能約為5 500 kW·h/a，約占全國社會終端電能消耗的27%，相當于三峽年發電量的6倍[4].空調系統耗電量約占建筑用電總耗電量的60%，是導致電網高峰期壓力增大的主要原因，高峰供電量不足及低谷時段電力過剩的問題日漸顯著[5].

1 冰蓄冷空調系統概述

1.1 冰蓄冷空調系統簡介

蓄冰空調技術是一種相變儲能技術.在夜間的用電低谷期利用蓄冷裝置將冷量儲備，在尖峰階段放出儲備的冷量滿足建筑負荷需求.降低了高峰段國家用電負擔，同時也可以減少空調系統中冷卻主機的總裝機容量.在節約能源和資金的前提下，能更好地滿足高峰負荷的需求.

1.2 制冰方式

冰蓄冷空調系統按制冰時冰的運動狀況(如圖1所示)分成了靜態制冰和動態制冰.靜態制冰又分成盤管外式和封裝式.而盤管外制冰又分成外融冰和內融冰.內融冰是將流經空調系統的高溫載冷劑流入盤管內進行熱交換，使盤管外表面的冰由內向外融化.外融冰則是將流經空調系統的高溫載冷劑直接流入盤管外的儲槽內，使盤管外表面的冰由外向內融化[6].封裝式冰蓄冷，是指在蓄冰槽內有許多規則布置的封閉容器，每個容器內都是裝滿水溶液和成核物的蓄冰單元，這些容器由高密度聚乙烯材料制成[7].

動態制冰包括冰晶式和冰片滑落式.冰晶式冰蓄冷系統的冷卻單元設計較為獨特，將質量分數相對較小的載冷劑水溶液(通常為乙二醇水溶液)徑直流入冷卻器，使水溫降至凍結溫度以下形成冰晶[8].冰片滑落式是將蓄冷槽與特殊的立式板式蒸發器結合，將蓄冷槽中的水噴淋在溫度較低的蒸發器表面形成薄冰，當冰的厚度達到6～8 mm時加熱蒸發器表面使冰脫離并儲存在蓄冷槽內[9].

圖1 冰蓄冷制冰方式分類

1.3 制冰流程

冰蓄冷空調系統根據冰蓄冷設備和制冷主機位置的不同，可分為串聯和并聯兩種形式.在串聯工藝配置中，根據制冷主機和蓄冰設備的順序，有上下游串聯兩種方式[10].

并聯控制系統(如圖2所示)可以同時兼顧制冷機組和蓄冷裝置的效率.但這種流程配置難以保持載冷劑出口溫度和出水量恒定.當蓄冷裝置與制冷機組的出水溫度一致時，制冷機組的蒸發溫度降低使得運行功率提高；當蓄冷裝置的出水溫度低于制冷機組的出水溫度時，蓄冷槽的載冷劑溫度很低，并聯管路交叉時會使載冷劑的溫度升高，造成冷量的浪費.因此并聯的流程配置很少被采用[11].

圖2 蓄冷設備與制冷主機并聯示意圖

當制冷機位于蓄冷設備下游時(如圖3所示)，載冷劑先經過蓄冷設備交換熱量再流入制冷主機.制冷主機在蒸汽溫度較低的環境下工作，制冷效率下降，提高系統運行能耗[12].

圖3 制冷主機位于下游的串聯流程

當制冷機位于蓄冷設備上游時(如圖4所示)，制冷劑先經過制冷主機再流入蓄冷設備中，蓄冷裝置位于主機出口，充分利用冰的低溫特性增大冷液的溫差.蓄冷設備進出口液體溫度較低，換熱能力差、融冰速率慢，需增加換熱設備容量和面積[13].

圖4 制冷主機位于上游的串聯流程

1.4 冰蓄冷空調系統運行控制策略

運行控制策略指某一時刻，分配制冷機組和蓄冷設備分別承擔相應建筑所需負荷.選出最優的控制策略直接影響機組設備的選型、蓄冷設備容量、機組的運行效率以及系統的運行費用.結合冰蓄冷空調的特點，保持系統高效、穩定運行的同時，減少系統的運行費用，縮小初投資的回收年限[14].冰蓄冷空調按蓄冷模式分為全量蓄冷和部分蓄冷.

全量蓄冷(如圖5所示)指在建筑物全部冷負荷均由蓄冷設備提供，夜間當電網負荷處于低谷時，利用制冷機組盡可能儲存冷量，白天開啟釋冷模式釋放冷量.該運行策略最大限度地提高蓄冷設備的使用，系統所需所有冷量均由低谷電價制取，運行費用最低、轉移電力負荷的能力最強，但由于制冷主機和蓄冰裝置無法同時運行，系統整體使用效率低，蓄冷設備容積較大，導致一次投資成本高.此種系統適用于負荷集中、制冷時間較短、峰谷價差大的地方.

部分蓄冷(如圖6所示)指用夜間低谷電制備的部分建筑所需冷量，并將其貯存于蓄冷裝置中.當白天用電負荷峰值時，制冷主機與蓄冷裝置共同工作，共同承擔建筑所需冷量.相對于全量蓄冷，部分蓄冷系統整體效率較高，蓄冷裝置與制冷主機的總容量相對減少，雖然運行成本和電力負荷轉移能力不如全量蓄冷，但該模式的一次投資成本低、回收期更短，應用廣泛.在過渡季，部分蓄冷系統也能夠滿足建筑所需全部冷量，降低運行費用.部分蓄冷也可分為融冰優先、制冷機優先和優化控制.

圖5 全量蓄冷策略示意圖

圖6 部分蓄冷策略示意圖

1.4.1 融冰優先

融冰優先策略是空調系統通過蓄冷設備優先考慮建筑冷負荷，當蓄冷設備提供冷量時，制冷主機停止工作，當蓄冷設備不能滿足建筑需求時，剩余的冷負荷由制冷主機提供.在融冰優先的情況下，冰蓄冷系統在需求高峰期提供最大的冷負荷，需要根據需求優化負荷預測.

1.4.2 制冷機優先

制冷機優先策略是制冷機優先提供建筑絕大部分冷負荷，當制冷機能夠滿足要求時，蓄冷設備暫停.當制冷主機無法滿足需求時，由蓄冷設備釋冷補充剩余的冷量.蓄冷系統作為制冷機的補充，不能最大限度地利用轉移電力負荷的能力.

1.4.3 優化控制

以預測用電高峰期各時段負荷為基礎，參考電價政策對蓄冷設備釋冷量進行合理分配，充分利用蓄冷設備性能，減少制冷主機在高峰期運行，最大可能降低系統運行費用.優化控制的基礎是能夠準確預測次日逐時負荷，如果預測結果不合理，將降低系統的經濟性，甚至會出現供冷不足的現象.

2 冰蓄冷空調系統的研究現狀

2.1 運行策略優化方面

M.Navidbakhsh等[15]通過能耗、耗、經濟性以及環境四個方面對冰蓄冷系統進行分析，通過對相變材料冰蓄冷系統、普通冰蓄冷系統和常規制冷機組系統的分析，相變材料冰蓄冷系統的功耗比普通冰蓄冷系統低6.7%、比常規制冷機組系統低17.1%.J.A.Candanedo等[16]利用Energy Plus軟件建立冰蓄冷系統的簡化線熱性模型，根據運行策略優化分配系統最佳冷量，根據模型分析融冰優先和制冷機優先的經濟性.結果表明，融冰優先運行費用比制冷機優先減少30%左右.D.H.Spethmann[17]對冰蓄冷系統的經濟性進行優化，以負荷預測結果為基礎，按電價走勢調整系統運行形式，得出優化控制方式的運行費用相比于制冷機優先和融冰優先節約16%～42%.王胤鈞等[18]通過建立冰蓄冷系統的運行模型、分析系統初投資組成，建立系統全壽命周期內成本最低的目標函數，采用粒子群優化算法處理目標函數，得出優化控制下制冷機組和蓄冷設備的最小設計容量.于軍琪等[19]通過對系統多目標模型的計算，從經濟性和節能角度考慮，得到最佳控制參數和蓄冷設備配備比，可使系統運行成本降低10%.楊熊等[20]對傳統PSO-BP神經網絡模型實行優化，以建筑冷負荷的核心因素為輸入變量，利用灰色關聯性分析法提前處理.優化后的PSO-BP神經網絡模型預測精度更高、收斂速度更快.

2.2 評價方法及經濟分析方面

李玉娜等[21]歸納了冰蓄冷的經濟評價方法主要分為靜態經濟評價法和動態經濟評價法.動態投資評價法是對靜態投資評價法的改進，同時考慮了投資回收期和壽命使用周期.杜曉亮等[22]以青島某辦公樓建筑項目為例，對比分析了冰蓄冷制冷機房與常規制冷機房的經濟性和實用性.得出冰蓄冷制冷機房的初投資較常規制冷機房提高27%，但運行成本降低29.3%，系統回收年限為5.5年，經濟效益良好.錢雨寧等[23]將冰蓄冷系統與地源熱泵系統耦合，以實際工程為例，對耦合系統和常規系統進行能耗和經濟性分析.與常規系統比，耦合系統的能耗低7%、運行費用低5%，投資回收期為4.1年.徐鵬等[24]對北京市某辦公樓冰蓄冷系統近5年的實際運行數據進行經濟性分析，結果發現政府初投資補貼、峰谷電價差、峰谷電價執行時間以及運行人員對系統運行策略的調配是影響系統經濟性的重要因素.J Chen等[25]對冰蓄冷技術在多能源集成系統中做了經濟性分析，對蓄冷及不蓄冷四種情況進行比較.結果表明，冰蓄冷可以為整個能源系統提供更大的靈活性，并進一步降低運行成本，也可以減輕其他配置的裝機容量.S.Rahgozar等[26]對五個典型氣候區及其四種運行策略的冰蓄冷系統做經濟性分析，結果表明回收期對氣候條件、儲能策略和電價高度敏感.

2.3 關于冰蓄冷系統用于區域供冷的研究

K.Heine等[27]對7棟建筑使用帶有冰蓄冷技術的區域供冷，在運行費用方面相比于傳統供冷系統，區域供冷每年節省14.5%，而使用單個建筑方法時節省12.1%.M.P.Kody等[28]對采用冰蓄冷系統的區域供冷創建了數學模型，并制定等比例冷機、無蓄冷時靜態優化冷機以及三種負荷分配運行策略.最后發現有蓄冷時動態冷機負荷分配方式的運行費用最低.胡睿等[29]對區域供冷的三種運行策略(融冰優先、制冷機優先和非蓄冰)模擬分析.結合經濟性和實用性，制冷機優先和非蓄冰運行模式相差不大，融冰優先比非蓄冰模式運行費用節省11.77%，單位電耗費用節省24.05%.李妤姝等[30]采用江水源熱泵耦合冰蓄冷空調系統為區域供冷，該耦合系統谷電利用率高達40%，峰谷用電轉移率大于50%，削峰填谷效益顯著.

2.4 關于冰蓄冷系統技術方面的研究

訾潔等[31]提出清水冰漿和低濃度乙二醇兩種新型流態冰蓄冷系統，相比常規冰蓄冷系統，新型流態冰蓄冷系統COP更高，融冰釋冷更高效，維修更加便利.姜恒等[32]通過新開發的封裝袋式蓄冷設備與傳統冰球式蓄冷設備的實驗對比表明，封裝袋式蓄冷設備的性能優于冰球式蓄冷設備.蔣玉龍等[33]將泡沫金屬材料填充到冰蓄冷板中，建立了冰蓄冷板融化過程的二維模型，發現導熱性能高的泡沫金屬材料可以提高融化速度，而導熱性能低的聚氨酯泡沫材料可以有效延長冰蓄冷板的工作時間.李宏波等[34]研發制造了永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機組，相比于傳統雙工況機組，具有冷量大、效率高、高壓比、變壓比等特點.C.Hu等[35]將光伏驅動技術運用到冰蓄冷系統中，該系統具有電力驅動和光伏驅動兩種模式.通過兩種模式的比較，光伏驅動也具有較強的蓄冷能力.

2.5 關于冰蓄冷系統蓄冷率方面的研究

林育賢等[36]以實際工程為例，建立經濟性數學模型，得出蓄冰率和系統初投資成正比.在某一拐點之前，增長速度相對平緩，當超過某一拐點，初投資迅速增加.而運行費用和蓄冰率成反比，蓄冰率越高運行費用越低.王碩等[37]以深圳市某辦公樓為例，利用靜態經濟評價法，計算得出深圳地區最佳蓄冰率為26.5%，為滿足合理回收年限的限制，蓄冷率最大不能超過35%.肖蓀等[38]提出最佳蓄冷率與峰谷電價、峰谷時長、系統運行時間以及系統調控技術等因素有關，無法統一界定.

3 冰蓄冷系統的優缺點

3.1 冰蓄冷系統應用前景

3.3.1 削峰填谷，平衡電力負荷，提升用電效率

隨著社會的快速發展，電力供應形式緊張，特別是用電高峰期，電力嚴重不足，甚至出現限電政策.由于發電廠24 h不間斷發電，在低谷期浪費了大量的電力資源.冰蓄冷系統利用夜間低谷時段的電能儲存冷量，在用電高峰期將儲存的冷量釋放出來，極大地提高了用電效率，轉移了用電高峰期用電負荷.

3.3.2 降低電能消耗、減少環境污染

冰蓄冷系統可以節約電力資源，降低夜間電能消耗，減小發電壓力，可以降低化石能源的使用起到改善環境污染的效果.

3.3.3 降低制冷設備裝機容量，降低系統運行費用

冰蓄冷空調系統使用夜間低谷電儲存冷量，用電高峰期蓄冷設備承擔了制冷機組所要承擔的部分建筑冷負荷，降低了制冷設備的裝機容量，在過渡季，儲存的冷量足以滿足建筑的負荷需求，此時制冷主機只負責對蓄冷設備充冷.由于使用低谷電力，峰谷價差政策的實施也降低了系統運行費用.

3.3.4 冰蓄冷系統運行穩定性高

冰蓄冷系統利用蓄冷設備儲存的冷量實現融冰供冷，避免用電高峰期出現限電、拉閘等風險.通過運行策略的調配，即使電網供電波動較大系統依舊能平穩運行.

3.3.5 高室內空氣品質

冰蓄冷系統送風溫度低、去濕能力強，在輸送過程中，能夠有效的抑制了細菌、病毒的繁殖，改善室內空氣質量和熱舒適性.

3.2 冰蓄冷系統存在的問題

3.2.1 蓄冷設備占地面積大

冰蓄冷系統除了常規制冷機房的設備外，還需要體積龐大的蓄冷設備及其配套設施，需要占據大量的建筑面積.

3.2.2 系統調控復雜

冰蓄冷系統調控復雜，容易出現冷量剩余或冷量無法滿足建筑負荷需要的情況.在蓄冷過程中容易發生蓄冷速度越來越慢的情況，導致蓄冷所使用的并非低谷電力.

3.2.3 冰蓄冷系統初投資大

冰蓄冷系統除了需要購買蓄冷設備及其配套設施外，由于系統調控復雜、安裝技術需求大、維修費用高，需要聘請專業人員進行安裝、調控及維護，間接增加投資成本.

4 結論

冰蓄冷技術具有平衡電力負荷、提高用電效率、降低裝機容量、降低運行費用等優勢，在我國建筑節能快速發展中發揮著重要作用.隨著分時電價政策的出現，冰蓄冷技術得到政府的大力鼓勵與支持，具有深遠的發展前景.目前冰蓄冷系統主要應用在商場、圖書館、辦公樓、醫院等負荷集中、蓄能時間長的大型建筑中.隨著蓄冷技術的進一步發展，蓄冷技術也被提出應用在小型別墅、地鐵車廂、礦井等項目.