冰蓄冷技术

冰蓄冷技术

周明

一、冰蓄冷空调技术及其发展背景

蓄冰空调系统即是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式贮存起来。在电力负荷较高的白天也就是用电高峰期，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷的需要。同时在空调负荷较小的春秋季减少电制冷机的开启，尽量融冰释冷，提供空调负荷。蓄冰空调系统是“转移用电负荷”或“平衡用电负荷”的有效方法。

电力工业是国民经济的基础产业，目前我国的发电装机容量已居世界第二位，但仍不能满足电力消费量；同时电力消费出现夏季冬季差值持续加大的现象，而同一天的上午和晚上电力消费量亦较其他时段达到高峰。

过去国家实行供电侧调节，主要靠新建电厂和建设蓄能电站，但仍满足不了每年用电量以5～7%增长的需要，同时电力系统峰谷差也急剧增加，电网负荷率明显下降，极大影响了发电的成本和电网的安全运行。由于电能本身不易储存，因此近年来国家从电用户方面考虑并制定了一系列的移峰填谷和节约用电政策加强对用电需求侧的管理（DSM），由于高峰用电量中空调用电一般占了30%以上，建筑物用电的40～60%左右，采用蓄冰空调后可大大缓解由于空调用电负荷在用电峰谷时段的不均衡而造成的电网不均衡。因此现在全国有许多城市的电力部门都适时推出了分时电价结构和许多相关的优惠政策，以鼓励人们使用蓄冰空调。

冰蓄冷空调技术是实现电网削峰填谷主要方法之一，目前该项技术在世界上属于成熟的技术，正被世界各国广泛的应用于各个领域。根据权威机构99年的资料显示，蓄冰工程已有1.5万个在全球各地正常运行，仅我国台湾省到2000年末就有近500个蓄冰空调系统正在运行。国内目前也有150个蓄冰空调系统工程在运行或建设之中，发展势头十分迅猛。国家电力公司也在有关文件中提出积极推广蓄冰空调技术，转移高峰电力，提高电网经济运行和资源综合利用水平，以达到节能和环境保护的目的。

二、冰蓄冷空调系统主要特点

冰蓄冷空调系统相对于常规空调系统具有以下一些特点：

1. 冷水机组高效率运行，系统运行灵活，冷量一比一的配置对负荷变化的适应性很强。

2. 减少制冷主机的容量和数量，减少系统的电力容量与变配电设施费用。

3. 易于实现低温送风，相对湿度较低，提高室内空气品质并节省大风输送系统的投资和

能耗。

4. 利用电网峰谷电力差价，每年可节省可观的系统运行费用。

5. 备用应急恒定冷源，使中央空调更可靠。

6. 自动化程度高，管理简单，可实现无人职守、网上监控，无消防等级要求。

7. 平衡电网峰谷负荷，优化电力资源配置。

8. 因增加了储冰设备，初投资比常规电制冷空调略高，占地略大。（增加的设备包括蓄

冰槽、循环泵、板式热交换器等，机房设备投资增加约10%～20%）

三、电力蓄冷装置的型式

冰蓄冷空调系统比常规空调系统增加了一个蓄冰装置，蓄冰装置的形式多种多样，一般有蓄冰槽、蓄冰球、蓄冰桶等。

目前在我国实际采用的蓄冷装置主要是两大类：

1、封装式蓄冷槽：其中又分为冰球式蓄冷槽（如法国CIAT的产品）和蕊芯褶囊冰球式蓄冷槽（如杭州华源公司的产品）。它是以放置在蓄冰箱（罐）内的冰球作为热交换器，利用低谷电将冰球内的水冻结，储存冷量。

冰球式蓄冷槽的蓄冷速度较慢，但取冷速度较快且在整个过程中会不断降低，适用于短期快速取冷，但约有20%的冷量储存比较困难，需增加蓄冷时间或降低蓄冰工况水温。实例为深圳中电大厦。

蕊芯褶囊冰球式蓄冷槽的换热性能较普通圆形冰球有所改善，蓄冷速度更快，取冷后期的传热性能也有一定改善。

2、盘管式蓄冷槽：是以放置在蓄冰槽（罐）内的用金属或塑料制成的盘管作为热交换器，利用低谷电将盘管外的水冻结，储存冷量。目前在国内应用的一般都是内融冰形式，可细分为U形塑料盘管、圆形塑料盘管、金属蛇形盘管等几种。

金属蛇形盘管式蓄冷槽的蓄冷速度较快，取冷速度较恒定，而且性能良好的蓄冷槽出口温度在整个取冷过程中可基本保持在4～5摄氏度。如美国BAC及清华同方的产品均能达到标准。

U形塑料盘管式蓄冷槽和圆形塑料盘管式蓄冷槽的性能特征与金属蛇形盘管相近，但在融冰过程中取冷水温会较缓慢地升高。

3、水蓄冷：是以水为蓄冷介质，利用低谷电将蓄冷槽（罐）内的水降至2-5℃，储存冷量。

4、其它型式：冰蓄冷还有冰晶式、优态盐式、直接蒸发式等型式。

四、冰球式与盘管式蓄冷设备的比较

冰球式与盘管式蓄冷设备是在我国应用较广泛的两类蓄冷系统形式，下表将从蓄冰融冰特性、设备寿命及应用于系统时的各种问题对金属盘管式和冰球式蓄冷设备进行全面的比

较：

五、冰蓄冷空调优缺点分析及经济指标估算

（一）蓄冰空调的优缺点：

优点：

1) 平衡电网峰谷负荷，减缓电厂和供配电设施的建设。

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。冰蓄冷空调系统利用低谷电价，其运行费用比常规电制冷空调系统减少38%左右。

4) 无污染、安全可靠且自动化程度高不需要专人管理。

5) 冷冻水温度可降到1－4℃，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风输送系统的投资和能耗。

6) 相对湿度较低，空调品质提高，可有效防止中央空调综合症。

7) 具有应急冷源，空调可靠性提高。

8) 冷量全年一对一配置，能量利用率高。

缺点：

1) 通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调大。冰蓄冷空调系统比常规

电制冷空调系统初投资费用增加16%。

2) 蓄冰装置要占用一定的建筑空间。

3) 制冷蓄冰时主机效率比在空调工况下运行低。

4) 设计与调试相对复杂。

以上4项缺点经过有关政府部门和工程技术人员的努力，有些已得到克服，有些得到了缓解，有些尚在进一步研究当中。冰蓄冷空调一次性投资较常规空调大已得到了有效的克服，通常对于适合采用冰蓄冷空调的建筑，如常规空调系统选用风冷热泵或直燃型溴化锂吸收式制冷机，一般冰蓄冷空调投资不会超过常规空调系统；但如果常规系统选用水冷式电动冷水机组则其投资通常较冰蓄冷低20％左右，但是如计及电力增容费其二者投资也有可能持平。经过近几年工程技术界的研究开发，有些蓄能装置可以不占用有效建筑空间。如温州体育馆、建行杭州分行办公楼、上海锦都大厦、杭州国际大厦等等，其蓄冰装置分别采用无压混凝土槽、无压或有压钢槽（罐）等分设于绿化草皮地下、停车场地下、屋顶等非使用建筑空间。蓄能空调机房面积可做到不超过常规空调冷冻机房占用的建筑面积。可利用自控系统，将蓄存的冷量全年一对一有效利用，可做到空调全年用电量不增加，如结合大温差、超低温送风空调技术其全年用电量可得到节约。最后一项缺点，可由蓄能专业工程公司承担，采用设计、制造、安装、调试、售后服务一条龙作业。能有效克服设计与调试相对复杂的不足。

六、蓄冰空调在国内外的应用状况：

国外蓄冰空调的推广从七十年代中期开始，由于工业和科技的高速发展，人们的环保意识加强，又遇上严重的石油危机，迫使人们去多方面地考虑电能的利用，因而产生了大量的蓄冰空调系统。日本由于战败引起的经济衰退，资金紧张，90年代前主要发展水蓄能系统，近年转而大量发展冰蓄冷系统，十年来新建、改建冰蓄冷项目3000多个，电网低谷电约有45%被加以利用。韩国已经立法，3000㎡以上的公共建筑必须采用蓄冷空调系统。

我国的蓄冰空调系统在1994年电力部郑州会议上正式写入国家红头文件，被列为十大节能措施之一，国家计委、电力部等部门决定实行电力供应不同的电价政策，以推动削峰和填谷的应用，缓解电力建设和新增用电的矛盾。华北电力集团首先公布峰谷电价比为4.5:1，当年在深圳电子大厦建成我国第一个冰蓄冷空调系统。

1995年4月成立了全国蓄冷空调研究中心，隶属于中国节能协会。1999年改现名为中国节能协会蓄冷空调专委会。

1997年国家经贸委办公厅颁布文件“国经贸厅技[1997]298号”，其中将冰蓄冷空调作

为今后的重点发展项目。11月国家发布了《中华人民共和国节约能源法》。

1998年初“全国冰蓄冷示范工程”（鲁班奖）——杭州交行正式投入运行。3月中国最早、最大的蓄能空调专用设备生产基地——法国西亚特公司杭州下沙工厂正式投产。年底国务院颁布的“国发[1998]032号”文件及华北电管局“华北电集营[1998]030号”文中更强调了“鼓励用户采用节电技术措施，鼓励用户多用低谷电，加快推广蓄冷空调等削峰填谷的技术措施”。

2000年9月《蓄冷冷却设备》行业标准审查会在杭州召开。从此蓄冰空调有了规范的行业标准。

自1994年国家第一次提出发展蓄冷空调开始，各种国外蓄冰设备纷纷进入我国，其中应用较多的有美国的BAC钢制蛇形盘管式蓄冷槽、CLAMAC圆形塑料盘管式蓄冷槽及法国CLAT冰球式蓄冷槽等。到2000年已经或在建项目达到108项。

部分省市蓄能空调优惠政策摘要

七、深圳市采用蓄冰空调系统的优势

1、深圳地区每年的空调使用期较长，一般为9～10个月（其他地区通常为4～5月/年），

这样在深圳的投资回报期就会大大低于其他地区。

2、新建工程（写字楼、酒店、高科技厂房、商场等）若在设计施工阶段就采用冰蓄冷空

调系统可享受市政府提供的免征贴费或增容费、申请政府贴息贷款等前期优惠政策。3、由于冰蓄冷技术的日益成熟使得低温送风系统的应用成为可能。常规的空调系统的送

风温度一般为16oC左右，而低温送风系统可以做到8oC左右的送风温度。低温送风首先可使整个系统的配置规格和尺寸减小，从而减少占地面积、降低运行费用。其次可增强除湿能力，特别适用于潮湿的南方地区尤其是深圳市。常规空调的房间常常是温度低、湿度高，人们长期呆在这种环境中极易引发“空调病”，损害人体体温的自动调节系统，导致头昏、恶心、四肢无力等。而低温送风系统可降低室内空气湿度，在满足人体舒适度的前提下适当提高室内温度，可以杜绝细菌的滋长。

八、工程实例分析

1、武汉某酒店冰蓄冷空调系统

(1) 工程概况

该酒店按四星级标准设计、主楼28层，建筑面积33000m2。设有客房450间及餐饮、会议、娱乐购物等设施。待建的副楼4层，建筑面积5000m2，主要为餐饮娱乐设施。空调制冷机房按建筑面积38000m2的负荷设计。

(2) 设计原则

按照业主对采用蓄冰空调必须达到“可靠、先进”的原则，结合酒店空调运行的要求和规律，在系统设计上作如下考虑：

1) 24小时连续使用空调的客房及其相关用房按常规空调设计；

2) 间歇使用的主、副楼餐饮、会议、娱乐、购物等用房按蓄冰空调计算；

3) 制冷机房分设蓄冰和常规空调的主机及其配套设备。采用可分可合多种灵活可变的供冷控制模式；

4) 整个建筑的末端空调供回水仍为一个系统，根据各部分的负荷变化调整制冷机房的

供冷方式以达到经济、节能运行的目的。

（3）设计参数和主要设备选型

1) 本工程原设计常规空调冷水机组制冷量为4570kW，采用冰蓄冷空调系统，装机容量为3512kW。按间歇使用面积计算，蓄冰比例为32%，按总面积计算，蓄冰比例为23%；

2) 原设计工程总供配电为3400KV A，现为2850KV A，减少550KV A；

3) 主机选用法国CIAT单螺杆制冷机4台，其中双工况2台（844kW×2），空调工况2台（912kW×2）。冰球罐（直径3米，长13.73米）2个。共装CIAT-CRISTOPIA冰球179m3。

4) 蓄冰技术参数：夜间低谷电时段为23时~7时，共8小时，可蓄冰量为8500kWh。设计蓄冰量为10382kWh，设计蓄冰时间为10小时。载冷剂乙烯乙二醇质量百分比29%，蓄冰时供回液温度为-6oC和-2.6oC。

5) 运行控制模式：

◇蓄冰◇蓄冰同时供冷◇机组供冷◇融冰供冷◇融冰同时机组供冷

6) 季节运行策略

◇高温季节时采用融冰供冷用于负荷高峰时段；

◇非高温和过渡季节时融冰供冷用于用电高峰时段，不开或少开主机。

(4) 实测运行参数分析：

1) 冰球蓄冰系统蓄冷和放冷时，载冷剂进出口温度变化曲线与厂家提供的参数及曲线基本相同；

2) 蓄冷罐运行正常，8小时可蓄冷8590kWh，10小时蓄冷量达到10000kWh以上，满足设计值与制造厂提供的参数；

3) 放冷特点：

◇可快速提供冷量，末端水温降得快，提前开机时间短。对餐饮、娱乐、会议等使用场所尤其适合。为此副楼突发使用时，不会影响主楼的供水温度；

◇通过控制系统，设定冰罐的供冷温度，同样可使供冷平稳运行；

◇末端供水温度稳定，回水温度正常；

4) 按放冷实测数据，在上午用电高峰时段仅用冰罐放冷供主楼空调使用，仅开一台乙二醇泵，不开主机，放冷4小时，供冷6974kWh。末端水系统供回水温度分别保持在6~7.8oC和11.5~12.6oC之间。

（5）经济效益分析：

1) 采用蓄冰空调系统的设备费比原常规系统约增加15%（仅机房部分增加，末端费用不变）。

2) 由于采用冰蓄冷系统，电力公司给予本工程极其优惠的政策，减少供配电贴费、节约开关所及外线费用、减少550KV A的变配电设备费等。为此在供电工程上所减免和节约的费用已经大大超过了蓄冰空调系统所增加的费用，给业主带来较大的经济效益。为此本工程

因采用蓄冰空调增加的投资的回收期已经不存在。

3) 节约电费预计为20%左右。

4) 用电移峰填谷比较明显。经实测证明在非高温季节，日间用电高峰时段可完全由冰罐放冷运行。转移了高峰期用电。在春、秋过渡季节时，除低谷时段开主机蓄冰外，其它时段可不开主机。高峰、平价时段用电完全转移。

2、大型超市——华商超市

(1) 设备配置与初投资：

大型仓储式超市18000平方米，主营食品、日用品的批发和零售、兼营餐饮。

从上表可以看出采用STL冰蓄冷中央空调比常规空调在一次性投资方面可以节省20.48万元(2) 使用效果：

经过2000年夏季近5个月的运行，系统的出水温度能稳定在5度左右，能满足整个华商超市空调的需要，从整个空调的效果来看，比一般的冰蓄冷中央空调电耗低，比较理想。

整个中央空调运行时间为146天，谷电的电量在69.29万kWh，峰电的电量在32.76万kWh，空调电费在49.58万元。而采用常规中央空调的用电量在95.63万kWh，空调电费在84.06万元，全年可以节约电费34.48万元，加上节约年度主机维修费用2.5万元，总计节约运行费用约37万元。对超市来说是一个不小的经济效益。

3、交通银行某市分行冰蓄冷空调系统

(1)工程概况：

交通银行某市分行金融大楼，位于某市某路173#，简洁而庄重的外形与美丽的西子湖遥相呼应。大楼占地面积4000m2，总建筑面积19913m2，空调使用面积15000m2。大楼主体建筑高51.1m，建筑物最高点68m，共分15层，地下两层，是一座集金融、办公于一体的现代化大厦。大楼1994年6月动工，1997年8月竣工。该大楼先后荣获全国新技术示范工程、中国建筑工程鲁班奖等多项荣誉称号。其采用的STL冰蓄冷中央空调技术被列为某省火炬计划项目。

(2) 设计简介：

整个建筑夏季设计最大冷负荷为1919kW，冬季热负荷为1395kW，建筑面积冷指标为128W/ m2，建筑面积热指标为93W/m2。大楼白天工作时间为8:00-18:00，夜间无负荷，夏季全日设计总冷负荷为17960kWh。冷热源采用STL冰蓄冷中央空调加轻油锅炉的形式，空调制冷机房面积190m2，燃油锅炉放在屋顶锅炉房。

(3) 冰蓄冷空调系统的确定：

某市三电办明文指出：采用冰蓄冷空调的业主一次性奖励10万kWh电。在用电高峰实行峰谷分时计量（即晚间0.32元/kWh，白天0.97元/kWh），夏季可不避峰使用，减征空调电力增容费30-50%。这对促进某市地区的冰蓄冷空调发展起到了积极的推动作用。而蓄冰空调特别适用于间歇空调系统及峰谷负荷差较大的连续运行空调工程，尤其在空调峰值负荷与电网负荷同步或接近同时出现时更为适用。如：金融办公大楼、影剧院、体育馆、非昼夜运行的工厂车间等。正是在上述因素的推动下，经过详尽科学的经济技术比较，交通银行某市分行最终决定采用法国西亚特的STL冰球蓄冰空调技术。

(5) 系统性能测试：

该系统安装完毕后一次调试成功,于1997年6月28日投入运行。同济大学空调测试中心于8月19-21日对该系统进行了系统科学的现场测试，结果表明：该系统蓄冰单位冷吨耗电仅为0.875kW，蓄冰率高达99.27%，融冰率为100%，完全达到了设计要求。8月28日通过了全国部分专家组成的评议小组的评议，一致认为该系统：设计合理、指标先进、施工质量良好、美观、运行可靠、性能良好、社会效益显著、具有典型的示范作用。

为了进一步证实该冰蓄冷系统运行的稳定性如何，供应商特对该系统在运行一年后进行了重新测试。时间为98年8月16日、17日两天，测试结果为：蓄冰率：97.7%，融冰率100%，（当日白天平均气温：34.96oC）。这证明该系统性能非常稳定。

某市交通银行用户经过两年的运行使用，对该系统的使用意见:

1)我行金融大楼采用了STL蓄冰空调系统以后，与原方案常规空调比空调主机减少电容量486kW，在实施峰谷电价政策的支持下，高峰期每日可节约电费3481元，每年为我行节约运行费用约40.8万元；2)每年可转移高峰电量约42万千瓦时；3)中央空调放冷非常迅速，早上上班时不再需要常规空调的预冷阶段，可以使大楼温度在短时间内迅速降下来；4)由于采用了完善的微机控制管理系统，使机房管理变得更加可靠简单，计算机工作站随时可以提供大量的工作数据以供打印和分析，而管理人员仅需一名退休工人，节约了管理资金。

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中宣部、国家环保局、国家教育部在2001年5月联合颁布的《2001年～2005年全国环境宣传教育工作纲要》中提出：全国47个环境保护重点城市要逐步开展创建“绿色社区”的活动。广州是全国47个环境保护重点城市之一，是全国首批开展“绿色社区”创建活动的城市之一。（综合《广州日报》和《南方日报》整理）