水蓄冷与冰蓄冷的比较

八、水蓄冷与冰蓄冷的比较   水蓄冷 冰蓄冷 造价 同等蓄冷量的水蓄冷系统造价约为冰蓄冷的一半或更低。 冰蓄冷需要的双工况制冷机组价格高，装机容量大，增加了配电装置的费用，且冰槽的价格高，使用有乙二醇数量多，价格贵，管路系统和控制系统均较复杂，因此总造价高。 蓄冷系统装机容量 水蓄冷的蒸发温度与常规空调相差不大，且可采取并联供冷等方式使装机容量减小。 冰蓄冷工质的蒸发温度较低，制冷机组在蓄冰工况下的制冷能力系数Cf为0.6～0.65（制冰温度为-6℃时），其制冷能力比制冷机组在空调工况下低0.4～0.35。相同制冷量下，冰蓄冷的双工况制冷机组容量要大于常规空调工况机组。 移峰量 在同等投入的情况下，水蓄冷系统一般为全削峰，节省电费大大多于冰蓄冷系统。 冰蓄冷为降低造价，一般为1/2或1/3削峰，节省电费少于水蓄冷系统。 用电量（系统效率） 属节能型空调，由于夜间蓄冷效率较白天高，系统满负荷运行时间大幅增加，扣除蓄冷损失等不利因素，较一般常规空调节电约10%。 属耗能型空调，制冰时效率下降达30%，综合其夜间制冷、满负荷运行时间大幅增加等因素后，其较一般常规空调多耗电20%左右。 蓄冷装置的蓄冷密度 蓄冷水池的蓄冷密度为7~11.6KW/M3。由于冰蓄冷的有效容积较小，如果将安装蓄冰槽的房间用作蓄冷水池，加上消防水池，其蓄冷量与冰蓄冷基本一致。 冰蓄冷槽的蓄冷密度为40~50KW/M3，约为水蓄冷的4~5倍，但因其有效容积小，实际二者蓄冷能力近乎相当。 蓄冷槽占用空间 相对较大，但因大温差蓄冷在一个蓄冷槽内完成全部蓄冷和放冷过程，占用空间绝大部分是有效的蓄冷空间，部分具体已投运的项目表明，水蓄冷实际占用空间只略大于冰蓄冷。 相对较小，但因蓄冷一般在多个蓄冷槽内实现，设备间需留有检修通道及开盖距离，且冰槽内有乙二醇及预留结冰时膨胀空间，故其有效空间只是实际占用空间的一小部分。 蓄冷装置的兼容性 蓄冷水池冬季可兼作蓄热水池，对于热泵运行的系统特别有用，但此时不能作为消防水池。若单独作蓄冷水槽时可作为消防水池使用。 蓄冰槽没有此功能。 蓄冷槽位置 可置于绿化带下、停车场下或空地上以及利用消防水池改造而成。 一般安装在室内，会占用正常机房面积。 适用性 适合老用户空调系统蓄冷改造，也适合新装空调蓄冷系统建设。 只适合新装用户，改造老用户需改造主机为双工况机组等因素，一般难实现。 运行状况响应速度 运行简便，易于操作，放冷速度、大小可依需冷负荷而定。可即需即供，无时间延迟。 需溶冰，故放冷速度、大小受限制，需约30分钟的时间延迟才可正常供冷。 维护 易于维护，维护费用低。 难维护，维护费用高，通常同等蓄冷量的冰蓄冷系统的维护费用是水蓄冷系统的2~3倍。       一. 水蓄冷与冰蓄冷比较 将水蓄冷与冰蓄冷进行比较，这二种蓄冷方式的最大不同就是水蓄冷是利用水的温度变化（显热变化）进行蓄冷，而冰蓄冷利用水的相态变化（相变所需的潜热）进行蓄冷。因此，冰、水蓄冷系统在下列方面发生了变化。 （1）蓄冷系统制冷机的容量 从冰蓄冷简介中知道：冰蓄冷制冷机组蓄冷工况下的制冷能力系数Cf为0.6～0.65（制冰温度为-6℃时），其制冷能力比制冷机组在空调工况低了0.4～0.35，也就是说冰蓄冷在希望利用蓄冷系统减少制冷机组容量的愿望很难实现。而水蓄冷就不存在这一问。 （2）蓄冷装置的蓄冷密度 从冰蓄冷与水蓄冷的简介中知道：冰蓄冷槽的蓄冷密度为（40～50kW /m3），蓄冷水池的蓄冷密度为（7～11.6kW /m3）。冰蓄冷槽的蓄冷密度是蓄冷水池蓄冷密度的5倍左右。 这里要说明一下，就是关于水蓄冷与冰蓄冷的占地问题。通常在人们的心目中，一说起水蓄冷，就有水池容积大，要占用大块地方。其实这是一种错觉。产生这一错觉的原因是：以为冰蓄冷利用的是水的潜热，而物态变化的热潜热是比较大的（往往人们对凝固热不太熟悉，又经常与汽化热来衡量），认为蓄冰槽内冰的容积比例可为1，因此，远远夸大了蓄冰槽蓄冷密度。而实际上蓄冰槽的蓄冷密度仅是蓄冷水池蓄冷密度的5倍左右，以目前使用最多的冰盘管为例，冰蓄冷槽需要安装在室内，并要求有一定的安装距离。我们曾对某一冰蓄冷系统与水蓄冷系统进行比较，如果将蓄冰槽安装的场地全部空间改为蓄冷水池，再加上该建筑物的消防水池，二者的蓄冷能力近乎相当。 （3）蓄冷装置的兼容性 水蓄冷系统的蓄冷水池冬季可作为蓄热水池使用，这一点对于热泵运行的制冷系统是特别有用的。而冰蓄冷系统蓄冰槽则没有此功能。 （4）蓄冷系统的建设投资 冰蓄冷与水蓄冷相比，一般来说，水蓄冷系统基本建设投资不高于常规空调系统，而冰蓄冷系统基本建设投资比常规空调系统高出20％以上。 冰蓄冷的缺点：冰蓄冷的用电量高于常规空调20％左右，水蓄冷则可节省制冷用电10％左右。水蓄冷储槽可实施夏季蓄冷，冬季蓄热，做到蓄冷、蓄热两用，而冰蓄冷不可能做到。冰蓄冷的投资比水蓄冷大很多，所以现在国内运行的冰蓄冷系统基本上都采用约1/2削峰运行，否则，将大量增加工程造价，而我公司开发的大温差水蓄冷一般采用全削峰运行。 冰蓄冷的优点：蓄冰槽占用的体积比蓄冷槽小，储蓄的冷量为水蓄冷的80倍，因此水蓄冷系统需要有一定的空间（如绿化空地、停车坪、消防水池等）来安置蓄水设施。 二、蓄冷技术简介 蓄冷技术原理，简而言之，是利用夜间电网多余的谷荷电力继续运转制冷冷，并通过介质将冷量储存起来，在白天用电高峰时释放该冷量提供空调服务，从而缓解空调争用高峰电力的矛盾。目前较为流行的蓄冷方式有三种，即水蓄冷、冰蓄冷、优态盐蓄冷。 2.1水蓄冷 以水作为蓄冷介质的水蓄冷系统是空调蓄冷重要方式之一，也是能源利用，开源节流的形式之一。水蓄冷可利用室内外蓄水池或消防水池，用普通冷水机组制冷，夜间制取2~5℃的冷水蓄存起来供白天使用。为了提高蓄冷罐的蓄冷能力并满足供冷负荷需求，应提高水蓄冷系统蓄冷效率，维持较大的蓄冷温差，并防止储存冷水与回流热水的混合以减少能量损失。通常水蓄冷系统贮槽结构设计有四种方式：自然分层蓄冷、复合贮槽蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷。其中自然分层蓄冷系统简单，蓄冷效率较高、经济效益好，目前广为应用。 自然分层蓄冷利用水的物理特性（水的密度与温度相关，水温大于4℃时，温度升高密度减小，在0~4℃范围内，温度升高密度增大，3.98℃时水的密度最大），使温度为4~6℃的冷水聚集在蓄冷罐下部，而10~18℃的热水自然地聚集在蓄冷罐上部，从而实现冷热水自然分层。 概括地讲，水蓄冷技术具有以下特点： 1）可使用常规的冷水机组，也可使用吸收式制冷机组，使其在经济状态下运行。 2）适用于常规供冷系统的扩容改造，无需增加制冷机组容量。 3）利用消防水池、既有蓄水设施或建筑物地下室等作为蓄冷容器，可降低初投资。 4）可实现蓄热和蓄冷双重用途。 5）技术要求低，维修方便，无需特殊技术。 6）水蓄冷方式是一种较为经济且储冷量较大的一种蓄冷方式。蓄冷罐体积越大，单位蓄冷量投资越低。蓄冷量大于7 000kW·h或蓄冷容积大于760m3时，以水蓄冷为经济。 2.2冰蓄冷 冷的制冰方式主要有两种[3]：1.静态制冰方式。即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态，这类制冰方式包括冰盘管式、冰球式等多种形式；2.动态制冰方式。该方式中有冰晶冰浆生成，且冰晶冰浆处于运动状态。 制冰系统简单，现是冰蓄冷系统的主流。目前，动态制冰方式国内外应用较多的是冰盘管式、冰球式蓄冷系统，其他少用。 蓄冷分为内融冰式和外融冰式，内融冰式设备是由沉浸在充满水的贮槽中的盘管构成结冰载体的一种蓄冷装置。充冷时，低温载冷剂在盘管内循环，将盘管外表面的水逐渐冷却至结冰。释冷时，经空调负荷加热的高温载冷剂在盘管内循环，将盘管外表面的冰逐渐融化，使载冷剂降温，供用户需要。外融冰式相反，在管内结冰，载冷剂在管外流动。沉浸在贮槽中的盘管形状通常有三种，即蛇形盘管、圆筒形盘管和U形立式盘管。 蛇形盘管蓄冷装置以美国BAC公司产品为代表，该装置一般使用25%（质量比）的乙烯乙二醇水溶液。充冷时进液温度一般为-5~-6℃，释冷时出口温度为0~1℃。圆筒形盘管蓄冷系统以美国calmac公司和Dunham-bush公司产品为代表。该装置载冷剂逆向流动，有利于改善和提高传热效率，并使贮槽内温度均匀，在充冷末期贮槽内的水基本可全部冻结成冰，因此，又称为完全冻结式蓄冷装置。U形盘管蓄冷装置以美国Fafco系列产品为代表。 上述盘管作为换热器分别与相应的不同种类贮槽组合为成套的各型号制冷设备。同时，这些盘管亦可以根据实际需要制作成非标尺寸，以适于各种建筑物布置，组成非标蓄冷装置，满足用户不同需求。 冰球式蓄冷属于封装冰式，蓄冰球的外壳一般由高密度聚合烯烃材料制成，球内装有有机盐溶液，蓄冰时低温载冷剂使冰球内的盐溶液结冰，放冷时高温载冷剂与冰球内的冰进行热交换达到降温目的。 静态制冰有自身缺点：冰层厚度使热阻增大，导致冷冻机性能系数COP降低。一些静态系统中印冰块的相互粘连易导致水路堵塞。 所以，冰蓄冷研究的主要方向是动态制冰技术，动态制冰技术将成为冰蓄冷主要形式。 2.3优态盐变相蓄冷 其原理类似冰蓄冷，利用材料相变蓄存冷量，但一般都在高温下相变，故冷机及系统类似于水蓄冷。优态盐是由无机盐，即硫酸钠的水化合物为主要成份，与水和添加剂调配而成的混合物。将其充注在高密度聚乙烯板式容器内，其相变温度应在空调适应的范围之内，通常以2~7℃为宜，冷机可采用普通冷水机组，运行效率高，但这种方式造价较高，且单位体积蓄冷量低，蓄冷槽体积大，是冰槽的2~3倍，重量也大，是冰槽的3~4倍。且该材料变相次数有限，一般在2 000～4000次，超过之后便失效。 优态盐以其理论上可以在任何温度下进行相态变化的特点，非常适合蓄冷式中央空调系统之应用。但实际上常面临某些技术问题，再加上有可靠性、稳定性、经济性、耐久性等要求时，适合空调应用的优态盐配方及设备并不多见。尽管如此，随着技术的进步，高温相变材料的蓄冷式中央空调系统也是值得重视的。 三、冰蓄冷与水蓄冷的比较 （一）冰蓄冷系统与水蓄冷系统在蓄冷原理上是不同的，冰蓄冷是利用水的相变将水降温后冻结蓄存，在用电高峰时取出使用。而水蓄冷不存在相变，是显热式蓄冷，故蓄冷能力低。冰蓄冷时蓄冷密度DSTL（每立方米储存的能量）为： DSTL=Q1+Qs1×(T3-Tst)+Qss× (Tst-Tm)   （1） 式中： Q1 -蓄冷球的相变潜热； Qs1 -蓄冷球的液态显热； Qss -蓄冷球的固态显热； T3   -放冷阶段蓄冷系统的出液温度，5℃； Tst -蓄冷球的相变温度，0℃； Tm蓄冷期结束时冷媒平均温度，取蓄冷末期温度范围上下限的平值。 水蓄冷时，去掉（1）式中涉及潜热和固体显热的部分。因此，与水蓄冷相比，1m3冰的蓄冷能力相当于同体积水的17倍。即在相同蓄冷量的情况下，水蓄冷所需蓄冷槽的体积是冰的17倍，其占地面积不容忽视，这在一定程度上制约水蓄冷的发展。 但与冰蓄冷相比，水蓄冷无需增加制冷机组容量，如果有条件利用消防水池、既有蓄水设施作为蓄冷容器，选择水蓄冷系统可以大大节约投资。 与水蓄冷相比，冰蓄冷的优点是：蓄冷密度高，蓄冷槽体积较小，温度稳定，便于控制，设计灵活性强。故冰蓄冷的优势比较明显，它是目前空调蓄冷的主要方式，其发展空间较大。 （2）水蓄冷中央空调系统：水蓄冷与冰蓄冷相比，它的主要优点是它的制冷效率高、蓄冷设备简单、易于改造、见效快。 其一，传统中央空调的制冷机、风机、水泵、空调箱、管路等主要部件不必更换，可直接使用； 其二，以水作为蓄冷介质，它的获取方便，价格低廉； 其三，不需降低制冷机的蒸发温度，制冷深度不变，可保持较高的制冷效率； 其四，蓄冷设备比较简单，容易将传统中央空调系统改造为水蓄冷空间系统，投资少，工期短，见效快。 它的主要缺欠是蓄冷介质的蓄冷密度低，蓄冷设备占地大和蓄冷效率低。 水的比热是 4.1868kJ/（kg·K）（1.0kcal/kg·℃），冰的相变温度是O℃、相变潜热 333.3kJ/kg（79.6kcal/kg）。在水蓄冷方式中，通常的蓄冷温差在5℃左右，lm3水的蓄冷能力为20.9×103kJ，相当5.8kW·h。在冰蓄冷方式中，lm3的冰（相当924kg）其蓄冷能力为 308×103kJ，相当85.6kW·h。理论上，在水和冰两种蓄冷介质同样体积下，冰蓄冷能力约为水蓄冷能力的15倍。因此，在提供相同蓄冷量条件下，水蓄冷设备用占地要比冰蓄冷占地大得多，因而受场地条件约束大。若能够与消费水池共用，不但可以节省占地，而且还 可以减少投资。 水蓄冷的蓄冷槽内不同温度的冷冻水易于掺混，以及庞大蓄冷槽的水表面散热损失较大等因素的影响，使它的蓄冷效率偏低。 （3）冰蓄冷中央空调系统：冰蓄冷与水蓄冷相比，它的主要优点是蓄冷密度大，蓄冷 能力强，蓄冷效率高，并可实现低温送水运风，水泵和风机容量较小。 其一，由于它蓄冷介质的蓄冷密度大，故蓄冷设备占地比水蓄冷设备占地小得多，这在 大中城市高层楼宇设置蓄冷空调是一个相对有利的条件； 其二，冰蓄冷设备内的蓄冷温度虽比水蓄冷设备内的蓄冷温度低，蓄冷设备内外温差 大，但它的外表面积远小于水蓄冷设备的外表面积，故而散热损失低，蓄冷效率高；