蓄能专利新技术——闭式外融冰蓄冰空调系统

　　摘要 目前的外融冰蓄冰空调系统多采用开式蓄冰槽，造成其空调水系统需采用二次换热系统与蓄冰系统进行热交换，不仅使得设备初投资增加。不能实现低温供水，而且给系统的安全运行与控制也带来了困难。本文介绍了清华同方人环工程公司与清华大学建筑技术系联合研发的闭式外融冰蓄冰槽，以及基于该设备的的闭式外融冰蓄冰空调系统。

关键词 蓄冰空调 闭式外融冰槽 蓄冷 取冷

　　　　　　　A new kind of thermal energy storage technique
　　 　——closed-loop ice-on-coil tank air conditioning system
　　　　　　　　　　

Abstract In present thermal energy storage system, a second heat-exchange system is needed to exchange heat with the air conditioning system because of the application of open ice tank. But the second heat-exchange system would increase the capital investment, increase the cooling water temperature, and make it difficult to control the operation of the system. A new kind of close ice-on-coil tank and the corresponding closed-loop ice-on-coil tank air conditioning system that are researched and exploited by Tsinghua Tongfang Artificial Environment Engineering Company and the Department of Building Environment, Tsinghua University, are introduced in this paper.

Key Word ice storage air conditioning, closed-loop ice-on-coil tank, cooling, thawing

　　冰蓄冷技术是指在用电低谷时用电制冰并暂时储存在蓄冰装置中，在需要时（如用电高峰）把冷量取出来进行利用，由此实现对电网的“削峰填谷”，冰蓄冷技术的推广和应用，有利于促进能源、和环境的协调，能取得良好社会效益和经济效益。随着我国经济和社会的发展，电力供应日益紧张，高峰不足而低谷过剩，为此，我国电力部门对蓄冷技术给予了极高的关注，各地电力部门纷纷出台优惠政策以鼓励用户采用节电技术、多用低谷电[1]，在政府优惠政策的支持下，我国的冰蓄冷技术逐渐迈向了一个飞速发展的时代，其所带来的巨大经济、社会效益已成为不容争辩的事实。

　1. 传统外融冰蓄冰空调系统存在的问题
　　对于目前应用最为广泛的冰盘管蓄冰设备，根据取冷过程的不同又可分为内融冰和外融冰两种方式。在内融冰蓄冷系统中，取冷时，依靠蓄冰盘管内循环流动的载冷剂从冰槽内取冷，再通过板式换热器与空调水进行热交换，将冷量释放给空调水，内融冰系统具有安全、可靠、高效、技术成熟等诸多优点，是目前工程中普遍采用的蓄冰系统形式[2]，然而，虽然内融冰取冷时实现了闭式循环，但是，由于采用了二次换热方式，其取冷温度上升，不能提供低温空调水，无法实现低温送风和降低系统造价的目标。

　　而外融冰方式与内融冰相比，由于外融冰系统中的空调水可以与冰直接接触进行取冷，其取冷效率更高，取冷温度更低，同时取冷过程更加平稳，使大温差低温送风成为可能[3]，但常规外融冰空调系统所采用的蓄冰槽一般为上部与大气相通的开放式蓄冰槽，在工程应用中要谨防系统水倒灌，如图1 “串联开式外融冰空调系统[4]”。

　　可以直接从蓄冰槽内低温水中取冷，但需要取冷泵的扬程大。而且停机后不能克服室内末端的水流倒灌问题；若用电动调节阀控制，也会因阀门承受水静压大，而造成开启与调节困难。为克服上述“串联开式外融冰空调系统”存在的缺陷，有些工程将设备间设置在建筑顶层，但又导致了建筑负荷增加、振动增加以及蓄冰槽的冷桥绝缘不能很好解决等问题。因此，在外融冰空调系统中 “并联开式外融冰空调系统[4]（如图2）”被广泛采用。

　　该系统与“串联开式外融冰空调系统”的主要区别是利用板式换热器将蓄冰槽与空调水回路分离，使空调水回路形成一个闭式循环，该系统形式降低了取冷泵的扬程，停机后不会出现室内末端的水流倒灌问题。由于空调水回路形成闭式循环，开式水箱内的水容易解决倒空问题，调节灵活，运行可靠。但与前面系统相比，又增加了板式换热器，难以实现低温水的直接利用。为解决水流倒灌问题，美国BAC公司提出 “肋片盘管取冷外融冰空调系统[5]（如图3）”，将取冷肋片盘管直接放置在蓄冰槽内部上方，此系统实质上与图2所示的“并联开式外融冰空调系统”形式没有本质区别，只不过是用取冷肋片盘管取代板式换热器。所以该系统仍为开式系统，并且多用了一台取冷肋片盘管，使蓄冷槽高度加大，增加了系统成本和安装尺寸。再者蓄冰槽下部附加空气搅拌器，会加速取冷肋片盘管的腐蚀，缩短使用寿命。

　　综上，采用上述开式外融冰蓄冰槽的系统，决定了冰槽水系统为开式系统，需要独立的取冷泵从冰水混合物中取冷。因此开式外融冰系统普遍存在取冷泵扬程大，泵停机后不可避免室内末端的水流倒灌、水流换向电磁阀和水量调节电动阀承受水静压大，开启与调节困难等缺陷，如果在实际冰蓄冷空调系统中以采取增加冰槽空调水和系统空调水二次换热方式来克服上述缺陷，势必增加二次换热环节，造成取水温度升高，难以实现大温差供水和低温送风系统，进一步降低系统总造价目标。

　2. 闭式外融冰蓄冰设备结构与性能
　　为了解决传统开式外融冰空调系统在工程应用中存在的缺陷，清华同方人环工程公司与清华大学合作共同研制开发了专利技术产品“闭式外融冰盘管蓄冰设备[6]（见图4）”。

　　　　　　　　　

它包括壳体、冰盘管、载冷剂分液管和载冷剂集液管等，其结构特点是，冰槽壳体的两端分别与封头封闭连接，冰盘管由弯管和直管形成多管程载冷剂通道，由壳体内两端所设具有通孔的管板固定在壳体内，空调水通道中径向设有多个交错放置的水折流板。另外，该设备还有强度高，不易变形，安装条件简单、节省空间等特点。 　　对该专利技术设备进行大量蓄冰工况实验表明，闭式外融冰蓄冰设备完全保留了一般开式外融冰蓄冰槽冰盘管外结冰的特征，盘管不承受相变时应力的影响，使用寿命延长。在整个潜冷蓄冷过程中，蓄冷速率大致维持恒定，蓄冰过程稳定、高效、快速。图5为该设备典型蓄冰的特性曲线。 　　同样，大量融冰工况试验表明，与工程中经常采用的冰球和内融冰盘管等蓄冰设备相比，闭式外融冰蓄冰设备整个取冷过程中取冷速率大，取冷快，而且能维持恒定的取冷速率和持续稳定的低温水，即取冷速率几乎是条直线，逐时取冷量大致保持不变，取冷水温更能长时间保持在0～2℃，由于直接从冰水混合物中取冷，进口空调水能够快速、直接、充分地与冰槽中的冰水混合物进行热质交换，快速放冷、释冷。图6为该设备典型取冰过程的特性曲线。 　　实验结果同时表明，取冷速率的大小不仅取决于流量，而且还跟取冷进口水温有关，取冷进口水温越高、取冷流量越大，取冷速率就越大，取冷越快；但是，在取冷过程的后期，为了获取低温水，必须降低取冷进口水温、减小取冷流量，这样又导致取冷速率下降，总之，在取冷过程后期，取冷速率和取冷水温二者是相互牵制的，应该根据实际需要具体进行系统设计与配置，使冰槽的出力达到最优，满足全过程要求。 　3. 闭式外融冰蓄冰空调系统 　　在外融冰系统中以闭式蓄冰设备代替传统的开式蓄冰槽，同时去除二次换热热交换器，将外融冰系统的开式水系统改为承压的闭式系统[7]，避免空调水系统二次换热环节的引入，同时综合考虑闭式外融冰蓄冰设备的蓄冰、融冰特性，以达到向空调系统提供持续稳定的低温空调水、可实现大范围调节取冷速率为目的，并为进一步实现大温差供水与低温送风、减小空调水系统水泵、管径和末端设备规格，降低整个空调系统的总造价打下坚实的基础，典型的闭式外融冰空调系统形式有两种：典型闭式外融冰系统（图7）和无板热闭式外融冰系统（图8）。 　　　　　 　　典型闭式外融冰系统与常规外融冰系统相比，省去了约1/2容量的板式换热器；可以提供大温差供、回水，可持续提供0～2℃的低温空调水；同时有效解决了空调水倒灌、泵体阀体承受静水压大或管内出现真空现象，使水系统更加简捷、安全、可靠；对于夜间仍需要进行供冷的建筑物，系统还可以在夜间进行边蓄冰边供冷。该系统比较适合在大中型空调系统中采用。 无板热闭式外融冰系统则省去了所有的板式换热器，系统更加简单，大大降低了系统初投资，比较适合注重初投资的较小的空调系统（图8）。 　4. 结论 　　综上，闭式外融冰系统克服了传统开式外融冰系统存在的不足之处，能有效地降低蓄冰空调系统的总体价格和装机配电容量，为大温差供水和低温送风提供了坚实的技术基础，具有很好的和社会效益。 　　 [1] 张永铨，大陆蓄冷技术应用的新进展，第四届海峡两岸制冷空调技术交流会大陆部分集，p.1~6，台北，1999年　　7月 [2] 严德隆、张维君，空调蓄冷应用技术，北京：中国建筑出版社，1997年 [3] 张茂勇. 外融冰蓄冰槽取冷特性的实验研究[D]. 北京：清华大学建筑技术系，2001. [4] Yatabe Takashi(矢田部隆志). 蓄热システムの最新动向と周边技术[J]. JETI(Japan Energy & Technology 　　　　　　　Intelligence)[J]. 2001,49(7):25-48. [5] 美国B.A.C.公司. 冰蓄冷槽样本资料，1995 [6] 石文星，赵彬，彭晓峰，等. 一种闭式外融冰蓄冰槽[P]. 中国专利，发明专利，申请号：02121129.9，2002.6.10. [7] 赵庆珠，石文星，骆维军，等. 一种闭式外融冰空调装置[P]. 中国专利，发明专利，申请号：02123434.5，2002.6.28.