蓄能空调
蓄能空调
一 ． 蓄能空调基本概念
   空调蓄能技术是九十年代以来在国内兴起的一门实用综合技术，由于可以对电网的电力起到移峰填谷的作用，有利于整个社会的优化资源配置；同时，由于峰谷电价的差额，使用户的运行电费大幅下降，因此是一项利国利民的双盈举措。
  蓄能空调，就是利用蓄能设备在空调系统不需要能量或用能量小的时间内将能量储存起来，在空调系统需求量大的时间将这部分能量释放出来。根据使用对象和储存温度的高低，可以分为蓄冷和蓄热。结合电力系统的分时电价政策，以冰蓄冷系统为例，在夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将制得冷量以冰（或其它相变材料）的形式储存起来，在白天空调负荷（电价）高峰期将冰融化释放冷量，用以部分或全部满足供冷需求。
   潜热蓄能是利用物质发生相变将所吸收或释放的热能储存起来，而显热蓄能则是将物质发生温度变化时所吸收或释放的热能储存起来。例如，每1千克水发生1℃的温度变化会向外界吸收或释放1千卡的热量，为显热蓄能；而每1千克0℃冰发生相变融化成0℃水需要吸收80千卡的热量，为潜热蓄能。很明显，同一物质的潜热蓄能量(相变温度)大大高于显热蓄能量(1℃温差)，因此采用潜热蓄能方式将大大减少介质的用量和设备的体积。


二 ． 蓄能空调的由来与发展
   早在几千年前，我国《诗经》中就有“凿冰冲冲，纳于凌阴”的记载，当时还没有机械制冷，我们的祖先利用大自然的造化将冬天的冰储存起来到夏天使用，这应该是最古老的蓄冰工程了。
  国外利用机械制冷机的蓄能空调最早出现在二十世纪三十年代的教堂，由于平时人员少、负荷需求少，而礼拜日人员多、负荷需求大，由于制造工艺所限，当时制冷机的制冷容量均较小，因此平日制冷并蓄冰，到礼拜日冷机和融冰同时使用以提供冷量。充分体现了蓄能系统的优点，可减少设备容量并提高设备的使用率。当时主要应用于类似的剧院和乳品厂等负荷集中、间歇供冷的场所内。随着机械制造业的进步，蓄冷技术的发展很快停滞下来。
  到了二十世纪七十年代中期，随着世界范围内的能源危机出现，蓄冷技术的发展得到了新的、更强大的推动力。美国南加利福尼亚爱迪生电力公司于1978年率先制定分时计费的电费结构，1979年编写并出版了《建筑物非峰值期降温导则》，1981年后推广应用蓄冷技术，并颁布相关的奖励措施。到90年代，美国已有40多家电力公司制定了分时计费电价，
从事蓄冷系统开发及冰蓄冷专用制冷机开发的公司也多达数十家。
  欧洲、日本等经济发达国家以及我国的台湾地区也在80年代开始了蓄冷技术的应用研究。日本由于战败引起的经济衰退、资金紧张，90年代前，主要是发展初投资较低的水蓄能系统，近年转而大量发展冰蓄冷系统；1990年只有200个左右的冰蓄冷系统，到2002年已经发展到1万多个蓄冷空调系统；电网低谷电约有45%被加以利用，其特点是中小型空调系统也采用蓄能方式。我国的台湾地区已经有600多幢建筑采用蓄能空调系统。
开车撞人  韩国已经在1999年立法，三千平方米以上的公共建筑必须采用蓄能空调系统。
  我国在94年电力部郑州会议上，正式将蓄冰空调系统写入国家红头文件，被列为十大节能措施之一，当年在深圳电子大厦建成第一个冰蓄冷空调系统。国家经贸委办公厅颁发的经贸厅技[1997]298号文件将冰蓄冷空调作为今后的重点发展项目。国务院国发[1998]32号文件更强调了加快推广包括蓄冷空调在内的各种削峰填谷的技术措施。国家电力公司国电财[2000]114号文件明确要求加大峰谷电价推广力度。目前，辽宁、吉林、黑龙江、北京、天津、河北、山东、陕西、新疆、青海、甘肃、宁夏、上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、河南、四川、重庆、云南、广西、贵州、广东等省市纷纷出台了分时电价政策，一般低谷电价只相当于高峰电价的1/2甚至1/5，而且有取消电力增容费、电贴
费等不同程度的优惠。
  我国从70年代起，在体育馆建筑中多处采用水蓄冷空调系统。94年开始建造冰蓄冷空调系统以来，截止到2002年底，已建成和正在建的水蓄冷和冰蓄冷空调系统共计259项。根据1997年国家电力总公司委托清华大学进行的工程运行情况调研，绝大部分蓄冰系统都在正常运行，成功率很高 (使用动态蓄冰设备的系统运行调试比较困

三． 蓄能介质与设备
   现阶段的空调蓄冷介质主要有以下几种：
　1． 水：
  显热式蓄冷，蓄冷温度为4～6℃。主要特点是易于利用现有空调用常规冷水机组。蓄冷槽的体积和效率取决于供冷回水与蓄冷槽供水之间的温差，受蓄冷水和回水之间保持分层程度的影响。为减小并充分利用蓄冷水槽的体积，应该尽可能提高空调回水温度。对于大多数建筑的空调系统来说，供冷回水与蓄冷槽供水之间的温差可为8～11℃，蓄冷水槽的体积为0.303~0.417m3/RTH(0.086~0.118m3/KWH）。
　2． 冰
  潜热式蓄冷。由于水的凝固点为0℃，因此蓄冷温度为-3~-9℃。冷水机组的供水温度大大低于常规空调使用的冷水机组，导致COP下降，而且需要换热流体——载冷剂。蓄冷冰槽的体积一般为0.068~0.085m3/RTH(0.02~0.025m3/KWH），只有水槽的1/6左右，设备占用体积大大减小。蓄冰装置可以提供较低的冷冻水供空调系统使用，有利于提高空调供回水温差，同时可与低温送风技术相结合，进一步降低空调系统配管尺寸和输送电耗。
　3． 共晶盐
  潜热式蓄冷。是无机盐与水的混合物，随着盐的成分不同，其蓄冷温度相应不同，通过配置不同成分比例的水合盐，可以得到所需相变温度的相变材料。但这类材料的相变潜热一般比冰小，而且融解过程容易出现分层现象，要求封装容器的厚度不能太大。目前价格和稳定性成为其广泛使用的障碍。
　4． 气体水合物
  潜热式蓄冷。是一种包络状晶体，外来气体分子被水分子结成的晶体网络坚实地保围在中间。由于大多数制冷剂能在5~12℃条件下形成气体水合物，比较适合空调工况，而且容易融解和生成，在水合结晶时释放出相当于水结冰的相变热，传热效果好，具有很好的化学稳定性，腐蚀性低，安全性好，因而被认为是比冰蓄冷更为有效的一种蓄冷技术。但是气
体水合物对蓄冷槽的要求很高，蓄冷槽的结构、密封性、承压能力以及内部不凝性气体含量对蓄冷效果都有影响。
  显热式蓄冷设备的主要立足点是防止和减少水槽内温度较高和较低的水流发生混合，通常可供选择的结构形式有：分层式、迷宫式、隔膜/板式、复合水槽式。水槽可用钢板制作，也可单建钢筋混凝土水槽，或利用消防水槽等。
  潜热式蓄冷设备主要分为以下几类：
种类
类型
主要生产厂家
蓄冷介质
蓄冷流体意味深长的句子
取冷流体
主要特点
静态蓄冰
冰盘管(外融冰)
B.A.C，Evapco，清华同方RH
(美国、日本、中国)
冰
制冷剂载冷剂
水
开式槽瞬时放冷速率高供冷温度低
冰盘管(内融冰)
蛇形 BAC，RH圆形 ClamacU形 Fafca
冰
载冷剂
载冷剂
闭式系统模块式槽适用广泛瞬时放冷速率有限
封装式
冰球： CIAT,西冷,台佳冰板： 开利、台佳蕊芯球： 台湾、华源
冰或其它共晶盐
载冷剂
载冷剂或水
开式/闭式系统瞬时放冷速率较高放冷后期供冷温度上升明显共晶盐系统可不降低冷机效率
动态蓄冰
冰片滑落
Mueller, Turbo 美国
冰
制冷剂
水
比静态制冰冷机效率下降减少6~9%供冷温度低融冰放冷速率极快设备投资高
冰晶
(冰浆)
Mueller, MaximalceY.T.LiSunwell
(加拿大)
气体水合物（中国）
冰或其它水混合物
制冷剂载冷剂
水或载冷剂
  　* 注：载冷剂一般为乙烯乙二醇水溶液。

  在蓄热系统中，目前我国主要采用水蓄热，特点是使用简单、造价低廉。主要是由于近年来环保要求不断提高，燃煤锅炉在大城市被逐渐禁用；燃油和燃气锅炉的使用也受到价格和资源的限制；而电锅炉由于简单、方便、清洁，使用量逐年增加。蓄热设备大多采用显热式水蓄能槽，在实际工程中可以蓄冷蓄热合用水槽以减少占用体积。为进一步减小蓄热槽体积，也可采用压力容器蓄高温(高压)热水，但安全方面需要遵守相关规定。近年来也有利用金属等材料高温蓄热(600~650℃)的电锅炉自蓄热系统出现。
  欧洲、日本等国大多采用相变材料直接用于末端散热器，由用户自行设定室内温度，白天电力高峰时散热器缓慢释放贮存的热量。我国也有采用高温蓄热介质用于锅炉和供热系统的研究与工程应用。

四． 蓄能空调系统的特点
  4.1 社会效益
  蓄能空调系统的应用与电力系统的政策是密不可分的，主要原因就是蓄能系统具有巨大的
社会效益。蓄能系统能够转移电力高峰用电量，平衡电网峰谷差，因此可以减少新建电厂投资，提高现有发电设备和输变电设备的使用率，同时，可以减少能源使用（特别是对于火力发电）引起的环境污染，充分利用有限的不可再生资源，有利于生态平衡。
  电网的峰谷差是现代电网的一大特点，而且随着经济发展有加剧的趋势。随着我国国民经济的不断发展，虽然国家电力部门耗用大量的财力物力建设电厂，但仍然满足不了每年用电量以5－7%增长的需要。特别是近年来随着城市化进程的不断发展，城市建筑能耗呈现加速增长的趋势。据统计，国内部分大城市的高峰用电量中空调用电就占了30%以上，这样使得电力系统峰谷差急剧增加，电网负荷率明显下降，这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，因此通常在电用户方面考虑办法。空调用电在电网中，特别是民用电中的比例越来越大。据统计，一般写字楼空调用电占1/3多一些，而商场建筑中空调用电占50~60%，从空调用电入手解决电网峰谷差问题无疑是最有效的，而且蓄能空调包括蓄冷（冰或水）和蓄热（供暖和生活热水）等应用面相当宽，同时空调用能一般具有如下特点，也非常适合蓄能使用：首先，大多数空调与供暖系统可以间歇使用，如上班时供应、下班时关闭，使系统本身有可能利用原有设备在间歇期（夜间电力低谷期）进行能量
蓄存，为第二天空调运行供能或补充。第二，空调用能多为7/12℃冷水或40/50~50/60℃热水，属于低品位能量，而电能是高品位能源，可以转化为任意低品位的能源，而且利用制冷机或热泵的工作，每使用1kW电能可以获得3~6kW的热能，电能转化利用率非常高，而且蓄存使用也比较方便。
  移峰填谷和节约用电，统称为用电需求侧管理，英文缩写为DSM。美国在70年代开始用电需求侧未来战士出装管理工作，在三十年时间里，政府陆续出台了鼓励用电需求侧管理项目的一系列优惠政策，包括直接提供经费、提供各种低息或无息贷款、鼓励各行业投资此类项目并给予电价政策回收投资、提供购买蓄能节能设备的价格折扣等。在亚洲，泰国、菲律宾、斯里兰卡等发展中国家都开展了需求侧管理工作，也收到了巨大的社会效益和经济效益。在国外，工厂车间、办公楼、商场、医院、学校甚至居民住宅等建筑物都可以看到蓄能技术的应用，使用范围非常广阔，可以说前途光明。
  我国电力行业的技术装备和管理水平经过多年的努力，已经跃上了一个新的台阶，电网建设和改造也取得了重大进展。但是，电网负荷率低、峰谷差大的特点使电力供应仍很紧张。例如华北电网的最大峰谷差别达到最大负荷的40%，而1999年电网负荷率在95%以上的只有12天，而实际每天达到最高负荷的仅持续1~2小时。国家计委、国家经贸委协同国
家电力公司历经数次研究，先后出台了一系列指令性或指导性的计划下达至各地方经委和电力公司，要以经济手段推动电力“削峰填谷”的实现。目前绝大多数地方电力公司均推出了峰谷分时电价政策，特别是制订了针对蓄能空调技术推广使用的各种优惠政策，为蓄能空调的广泛推广带来了契机。
  4.2 用户收益
  蓄能系统在带来巨大的社会效益的同时，也具有良好的经济效益，如推迟或减少发电装机容量，减少环境污染治理费用，减少电网调峰次数、降低发电成本等。对用户来说，实实在在的经济效益和运行管理的优点主要体现在以下方面：
  首先，利用分时电价政策，可以大幅节省运行费用。就象炒股票一样，蓄能系统的用电策略也是“高抛低吸”，即在电价高时少用或不用电，把蓄存的能量释放出来使用，而在电价低时多用电，把制得的冷或热量储存起来。一般情况下，峰谷时段的电价比可达3:1或4:1，因此每年节省的运行电费是相当可观的。
  其次，可以减少制冷主机装机容量和功率达30~50%，相应地，减少冷却塔和水泵等的装机容量和功率。由于在空调负荷高峰时，可以依靠融冰来供冷，因此主机的装机制冷容量可以减少，而不必象常规空调系统那样按高峰负荷配备设备。相应地，设备满负荷运行比
例增大，可充分提高设备利用率，而且设备运行效率也较高。
  第三，减少一次电力初投资费用。由于制冷系统设备装机功率下降，电贴费、变压器和高低压配电柜等费用均可减少。另外，由于电力系统的优惠政策，蓄能系统可以争取到电贴费减免的额外优惠。
  另外，蓄冷系统可作为应急冷源，停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷；蓄热系统减少了粉尘烟尘的污染，减少或免除了消防措施等。因此，蓄能系统在运行管理上具有更大的灵活性和更广的适应性。
  以某地建筑面积22000m2的办公大楼为例，夏天设计日空调的尖峰负荷2616kW，空调使用时间为8:00~18:00，年使用时间为135天，冰蓄冷空调与常规电制冷空调系统的经济性分析如表1所示。
  　表1 冰蓄冷空调系统与常规电制冷空调系统经济分析表
研究生自我鉴定
序号
名称 大连社保
  冰蓄冷空调系统
  常规电制冷空调系统
规格
电功率(kW)
价格
(万元)
规格
组名大全电功率
(kW)
价格
(万元)
1
螺杆式冷水机组
810kW
2x160
2x65
870kW
3x175
3x70
2
制冷辅助设备
168
65
207
75
3
冰蓄冷专用设备
44
160
4
配电设施
532
43
初投资费用总计
  398万元
  344万元
年运行电费
  30.6万元
  49.3万元


   可以看出，冰蓄冷空调系统比常规电制冷空调系统初投资增加16%，而年运行费用减少38%，初投资增加费用的投资回收周期约为3年。因此，冰蓄冷空调系统具有良好的推广意义。
  4.3 系统设计
  蓄能系统的方案设计需要依据当地电力政策、建筑物实际使用情况和蓄能设备的性能进行系统形式和设备容量的优化设计。一般情况下，商业、民用和工业建筑用空调均为非全日空调，即每天空调系统只需运行10~14小时，而且几乎都在非满负荷下工作。下图中A部分为某建筑典型设计日空调冷负荷：







  
图1                                    图2           
若不采用蓄冷，即采用常规空调形式：制冷机组的容量应满足瞬时最大负荷，制冷机组在有供冷需要的时间都运行，运行费用最高；
  若采用全负荷蓄冷即图1形式：制冷机组在白天用电高峰期不运行，运行费用最省，但冷机和蓄冷装置的容量均较高，初投资高、占地面积大；
  必然存在一个最优的部分负荷蓄冰系统如图2所示：夜间用电低谷期利用冷机和蓄冷装置蓄存一定冷量，补充用电高峰时间所需的部分冷量；投资回收期限最短，或整个空调系统
寿命期内的初投资和运行费用总和最省。
  蓄能系统与常规空调系统的根本不同点在于：常规空调只需考虑满足最大小时的负荷，其他时段冷机部分负荷运行就可以。而蓄能系统必须对一个运行周期内的逐时冷负荷进行均衡分配，通常以日为周期，作出典型设计日的运行周期负荷表：确定冷机和冰槽的容量和各个时段的开启情况。
蓄冰系统需要增加的特殊装置有：蓄冰设备，乙二醇管路和水泵，板式换热器(绝大多数系统选用，乙二醇和水管路分隔并换热)。
  详细的系统设计过程可以参考《冰蓄冷系统设计》等专著，需要注意的是：因为乙二醇的物性与水不同，因此乙二醇管路的水泵、膨胀水箱等设备的选型均须做修正。
五 ．研究动态与方向
  蓄冷方面的研究焦点主要集中在：减少蓄冷系统的初投资和尽量避免蓄冷过程的冷机效率下降。
  5.1 蓄冷介质
  针对空调系统使用的共晶盐和气体水合物的研究开发工作一直在进行。主要技术要求有：相变温度在5~8℃，采用常规的空调冷水机组不会降低COP；相变潜热尽可能大，达到或
接近冰；容易融解和生成；传热效果好；性能稳定；价格低廉等。
  已有些新介质开始在工程中应用，但稳定性还需进一步检验。并需要进一步设备形式与性能和系统应用方面的研究。
  5.2 蓄冷设备
  设备性能方面分为实验研究和数值模拟研究两方面，针对介质有冰和相变材料等。
  可见的蓄冰设备形式有球形、盘管型、板式、套管式等，在材质上又分为金属与塑料等多种。采用不同的设备形式适用于不同的介质，并需要采用不同的系统形式。例如日本已经研究并在工程中应用了一种新的相变材料，采用微囊(直径在几μm)进行封装，并开发了专用的配套换热器等设备。
  对蓄冷过程、放冷过程的水温、流量等性能的研究是进一步优化设备、提高性能的基础。由于试验的工作量较大，采用适当的数学模型进行简化与模拟也是一个研究热点。针对不同形式的设备，目前只有结冰过程的数学模拟比较成功、精度可以满足工程应用；对于相变材料，由于结晶过程体积收缩与冰相反；冰或其他介质的融化过程由于浮升力的影响，有些不规则的运动，因此模拟十分困难。
  5.3 蓄冷系统
  针对蓄冰设备和介质的特点，可以采用冷机与蓄冰槽串联、并联的不同系统形式。
  目前与冰蓄冷相结合的大温差供水和低温送风技术已经成为一个热点。传统的空调系统冷冻水为7℃/12℃，而冰蓄冷系统的最大优势是可以提供1~3℃的低温冷冻水，伴随着低温供水的实现，又出现大温差供水如3℃/13℃以及4~10℃的低温送风，一般常规的空调送风温度在14~16℃。可以明显看出：在冷站内虽然减少了制冷主机的容量，但由于增加了冰槽，造价和占地面积会有少量增加；在整个空调系统中，由于供、回水温差可增大一倍，因此水流量将减少一半，水泵的功耗和水管路的投资将大大减少，同时，由于送风温差也增大约一倍，送风量也减少一半，送风道也随之减少，不但功耗减少，占地面积等初投资又会相应降低。综合比较，冰蓄冷低温送风系统比常规空调系统只会有节省，而不会增加多少投资。另外，低温送风系统的除湿能力大大增强，室内环境舒适，对潮湿的南方地区尤其如此，可减少空调病的发生。
  目前国外已经把冰蓄冷技术应用于大规模的集中冷站进行区域供冷，同时建筑内使用低温送风系统，我国也开始了这方面的工程实践。
  蓄热方面的研究焦点主要集中在：减少蓄热系统的初投资和尽量避免占用体积过大。类似地，也在介质、设备和系统等方面开展。值得一提的是，日本在水蓄冷和蓄热方面的工程
应用较多，在建筑的基础设计时经常有所考虑，因此已经做到水蓄冷和蓄热系统与常规冷热站相比基本不增加占地的程度。

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