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蓄冰蓄水分析及应用

蓄冷空调技术是在夜间电网低峰期开启制冷主机，以冰的形式储存建筑物空调所需冷量的空调系统，白天电网高峰期融冰降温。

储能空调的必要性：

气候的季节变化和空调的使用特点决定了不采用储能技术的空调用电负荷必然存在较大的峰谷差。 储能空调系统技术是调峰用电、开发低峰用电、优化资源配置、提高综合能源效率、保护生态环境的重要技术措施，符合国家发展战略和政策。

冷库空调的典型分类：

冰蓄冷系统分类：

冰盘类型：

冰滑梯型、冰晶型：

卷类型：

融冰机理：

过冷水动态冰浆储存技术：

动态制冰的基本工艺流程：

水的过冷特性：

水的冰点在标准大气压下为0℃，但当温度下降到0℃时，并不会立即结冰，而是在0℃以下的某一温度开始结冰，0℃以下相差冷过了。 过冷度取决于水的初始条件和外部环境。

促晶技术（解除过冷、生成冰浆）：

冰核传播原理——一旦过冷水中局部形成冰晶，冰晶就会有很强的向四面八方迅速扩散到整个过冷水域的趋势。

冰核的反传播方法：

动态冰蓄冷融冰率高，易于实现负荷高峰期融冰独立制冷方式。

传统的静态盘管冰在负荷高峰期往往无法单独融冰降温（即冷量无法释放），因此不得不采用双工况主机串联等系统设计方式来满足供冷高峰期供冷问题，系统设计复杂，能耗水平高，运行经济性大打折扣。

动态冰蓄冷的高冷却速率，可以实现随时融冰的独立冷却模式，无需采用与主机串联等复杂耗能的系统设计。

其他可方便灵活实现的系统运行模式：

冰蓄冷系统流程的一般形式：

串口主机上游系统进程特点：

乙二醇系统供水温度低，可根据需要提供2～4℃的低温乙二醇。

制冷主机效率高，比并联工艺提高3-4.5%，比主机下游串联工艺提高9%。

乙二醇侧大温差设计，与并联工艺相比，减少了乙二醇泵、管路及附件的规格。

系统乙二醇填充量约为圆盘或平板系统的 1/4。

系统控制简单，可轻松切换各种工况，根据负载情况选择主机优先或融冰优先的控制方式。

该系统以低能耗运行。

系统流程更简单，布局紧凑，简化施工和维护管理。

并行系统流程：

串联单级泵系统流程：

串联二级泵系统流程：

串并联系统流程：

外部融冰系统流程：

系统控制策略及特点：

组件式冷库系统的控制较为复杂。 除了保证冷库工况与供冷工况的切换运行和空调供水的温度控制外，主要需要解决制冷主机与冷源之间的冷负荷分配问题。储装置，充分利用冷库系统节约运行成本。 常用的控制策略有3种，即：宿主优先、融冰优先和最优控制。

散热主机优先级：

制冷主机优先控制特点：

主机满负荷运行，制冷量不足通过融冰补充；

部分负荷时，主机出口水温下降，效率下降；

随着建筑物负荷的降低，冷库设备的利用率也会降低，无法有效降低峰值用电量，节约运营成本；

控制简单，运行可靠。

熔化优先级：

融冰优先控制特点：

蓄冰装置按需提供冷量，冷量不足由主机补充，主机常在部分负荷下运行。

主机出水温度设定更高，效率更高；

随着建筑物负荷的降低，冷库设备的利用率得到保证，可有效降低峰值用电量，节省运营成本；

控制比主机复杂。 如果不能很好地解决制冷量的时间分配问题，可能会导致某些时间段的总制冷量不足。

蓄冰设计与计算：

1、项目概况：建筑性质、规模（面积、层高）、机房、变配电室位置、冷却塔位置、设备层承重、端管材质、端部恒压方式等。

高峰负荷、使用时间、电价时段、供回水温度等。

2、负荷确定：软件计算； 每小时负载系数； 类似项目； 甲方提供的设计院计算数据。

3、系统流程选择（典型形式）

蓄冰工艺：冰球并联工艺，蓄冰盘管串联工艺。

设备选型配置：

一、设备品牌：

A。 制冷机组：York、Trane、Dunham Bush、McQuay、Clement；

b. 水泵（乙二醇泵、冷冻水泵、冷却水泵、蓄热泵、供热泵、生活热水循环泵）：南方泵业、格兰富（PACO）、ITT、威乐；

C。 钢板更换：SWEP、APV、ALFALAVAL；

e. 蓄冰器：元牌产品、BAC钢卷、伊美高钢卷、FACO塑料卷、高岭冰缸、西特冰球；

F。 储热装置（方形水箱、圆形水箱）；

G。 冷却塔：上海良机、上海金日、上虞联丰、广州马利；

H。 恒压装置（乙二醇、冷冻水）；

我。 管道、分配器和集水器。

2、设备容量：

A。 为解决夜间储能时终端负荷设定的基荷，其容量按夜间最大负荷确定；

b. 白天末端负荷较大，受储能空调容量限制，大部分负荷由常规基荷系统提供，基荷容量为高峰负荷减去储能空调最大容量可以提供;

C。 板交换热是峰值负载减去基本负载容量。 当系统未配备基本负荷时，为峰值负荷；

d. 储能水泵应满足板式换热和主机容量要求，冷热水循环泵应满足末端负荷要求；

e. 储能主机应满足储能容量要求和联合电源承担的负载；

F。 储能装置应满足峰谷单独供电或联合供电承担的负荷。

G。 冷却水塔和冷却水泵应满足进出口温差5℃时当地室外湿球温度下冷水机散热所需的冷却水量。 （散热量是主机名义上的散热量和电机功率低温水槽厂家，实际包括冷却水泵的输入功率）

H。 乙二醇恒压装置应根据系统体积的25%乙二醇溶液在16℃和-10℃不同温度下的密度计算膨胀量，确定储气罐中水箱的容积或开放系统。

我。 终端管路扩容冷冻水约0.1L/kW，热水约0.3L/kW。

j. 冰球系统储冰罐容积估算为0.072m3/RTH储冰容量，纯乙二醇用量估算为0.9~1T/100RTH。

k. 线圈系统纯乙二醇用量：品牌线圈0.2T/100RTH，BAC线圈0.247T/100RTH。

湖。 常规空调给回水温度为7/12℃，暖气给回水温度为60/50℃。

米。 制冰温度：盘管系统-5.5℃，冰球系统-6.7℃。

名词板交换乙二醇侧进出口温度：盘管3.5℃/10.5～11℃，冰球系统5℃/10℃。

3、设备数量：

A。 配置螺杆式冷水机组时，最多考虑三到四台机组。 对于制冷规模大的系统，可考虑制冷量大的离心式冷水机组。

b. 水泵与主机一对一设置（大型主机可以考虑两泵一对应）

C。 储能装置的储能容量由主机（低功率期）的出力、场地大小和初期投资决定。

d. 板块交换基本上是与宿主一对一或者少于宿主数量。 当单台机组换热大于4000kW时，视为一分为二，成为两台机组。 从运行安全可靠的角度考虑，最好选择多台互为备份，但投资会增加。

e. 冷却塔与主机一对一设置。

4、泵头的估算

A。 乙二醇回路、主机蒸发器、盘管、板片更换（乙二醇侧）压降根据样品或厂家提供的计算书，管道估算8米，余量2米，总计头高在32米到45米之间。

主泵系统的乙二醇泵头承受蒸发器、盘管、换板器（乙二醇侧）和所有乙二醇管路的压降。

二次泵系统的一次泵负责蒸发器、盘管和部分乙二醇管路； 二次泵系统负责换板和部分乙二醇管路

b. 冷冻水回路、换板（水侧）压降、基本负荷蒸发器压降按样品或厂家提供的计算书，管道（机房、末端管网）估算22米，总水头在32米到38米之间。

C。 冷却水回路、主机凝汽器压降、冷却塔扬程按厂家提供的样品或计算书计算。 管线预估6米，余量2米，总扬程22-28米

上述乙二醇管路和冷冻水管路为封闭系统，管路系统泵头的计算与管路垂直距离无关，而冷却水管路大多为开式系统，低高低水位（冷却塔接水盘）需要考虑）到管路系统最高点的高差，一般厂家样品中都有冷却塔头。

设计图：

1. 现场或建筑测量

A。 知道冷藏室和锅炉的位置。

b. 机房层高（本层层间高度），扣除梁高后的净高。

C。 设备挂孔或运输通道。

d. 冷热水管的走向。

e. 建筑物的总高度。

F。 冷却塔放置。

G。 配电室的位置，低配电电缆到机房的方向。

H。 排水井的位置和大小。

2、设备布置

A。 控制室靠近大楼的配电室。 控制室主要设备为电气专业电源柜、系统柜和上位机操作台，面积约18m2。

b. 冷水机和电锅炉应靠近控制室，以减少电力电缆的长度。

C。 冷水机组在一侧考虑检修抽水空间（纵向），卧式电锅炉两端留有900mm以上的电热管更换空间，立式电锅炉在锅炉上方留有。

d. 如果制冷和制热系统在同一机房，则应分块，将制热和制冷系统分块布置，有利于管线设计和运行管理。

e. 蓄冰装置和蓄热装置应尽量远离控制室，靠近墙角布置。

F。 若系统配备燃气锅炉，应单独设置锅炉房，与冷藏室用隔墙隔开。

G。 水泵宜集中布置，乙二醇泵和冷却水泵应靠近主机，冷冻水泵应靠近换板器和集水器，减少管路交叉。

H。 分离器和集水器应靠近管道出机房至管井位置

我。 设备间距：在机房面积允许的情况下，应尽可能增加设备之间的距离（见规范要求），以保证设备检查和维护的通道。 一般情况下（通常储能机房比较小），保证泵基础间距700mm，电机端基础距墙400mm，≥1200mm通道泵端与吸入管相连后留下。 冷水机组前后地基距离≥1500mm，距墙面距离≥1000mm。 控制面板前应留有足够的检查空间。 电锅炉前后基础距离≥1200mm，后墙距离≥600mm。 电源系统柜前应留有足够的检修空间。 方形冷热水储水箱侧面远离墙壁。

尽量靠近墙面，留100mm的泡沫保温空间，但要注意左右管道水箱要有足够的连接空间。 蓄冰装置之间留有100-150mm的间隙，便于现场安装。 带液位显示器的盘管末端应保证有足够的检查空间。 分水器和集水器应尽可能并排布置，沿垂直墙布置。

j. 冷却塔宜设在裙楼屋顶，周围开阔，通风条件好。

3.管道接管

A。 严格按照工艺和设计要求连接管道。

b. 管线图采用双线图表示，管线连接按实际尺寸进行，尽可能考虑到现场安装细节。

C。 受高度空间限制，管道应垂直布置两层，最多不超过三层。

d. 当多个设备（如水泵、冷水机组、电热水锅炉、冰蓄冷盘管等）蓄热蓄冷水箱、常压锅炉等）连接时不需要特意按相同方式连接并联管道，会适得其反。

e. 高度不同、方向相同的管道，尽量布置在同一水平管位，可省去管道支吊架。

F。 管道应尽可能沿建筑物的墙、柱、梁布置，以利于支吊架的安装。

G。 储冰罐内的管路（配水管）可沿罐体纵向两端左右流向布置，也可上下布置。 储热罐采用上下分布管。

相关规范及图集：

JGJ158-2008《冷库空调工程技术规程》

06K610《蓄冰系统设计施工图集》

冰蓄冷相关项目示例：

系统流程：

管道平面：

储水式空调原理：

水的显热用于储存制冷量。 水经冷水机组冷却后，储存在蓄冷罐中，供次日冷负荷供应，即夜间产生4℃左右的低温水。

当白天空调负荷较高时，自动控制系统决定制冷主机和冷库的制冷组合。 白天用电高峰期尽量利用蓄冷箱供冷，不要开启或少开启制冷主机，以减少空调系统的运行。 成本。

与冰蓄冷技术相比，蓄水技术在一些方面有其优势：

采用标准冷水机组，运行效率高；

运营成本低；

与原冷站兼容性好；

还具有火池功能；

初始投资费​​用具有竞争力，甚至低于传统空调系统。

冷却装置形式：

目前的储水技术：

在实际水冷系统工程中，常采用以下三种技术方案。

首先是直接冷库和间接冷却系统。 如图1所示，制冷机和蓄冷箱都在一次侧，二次侧为冷水循环系统。 冰箱和蓄冷水箱均通过板式换热器与用户二次侧隔开。 一次侧为冷库水箱水位恒压的开式系统，二次侧为闭式系统。 其优点是板式换热器两侧形成循环系统，运行稳定可靠； 缺点是板式换热器占地面积大，投资高，制冷机只供水时需要经过板式换热器，造成换热损失，所以制冷机的工作效率比较低，系统的经济性相对较差。 但由于其运行安全稳定，在国内外仍有不少应用实例。

图1 直冷蓄冷与间接冷蓄水系统示意图

二是无板换热系统，即整个储水系统是一个开放系统。 这种系统冷库和制冷温差最大，冷量利用率最高，没有热交换损失，而且管路比较简单，投资也小，经济性高。 图2是其中一种系统形式。 但由于冷库水箱一般处于系统的低位，系统必须依靠阀门V6来保证阀门前的压力为层高的静水压力，从而保证末端系统完全充满水。 当供水高度较大时，阀门两侧的压力差会过大，这将极大地限制阀门的操作和灵敏度，特别是在阀门开启和关闭的瞬间。 严重时甚至会损坏阀门的电动执行器。

另外低温水槽厂家，停机时，如果阀门V4、V5、V6关闭不严，系统中的水会在重力作用下漏入冷库，再从溢流管漏入机房。的冷库。 因此，该系统具有较大的操作风险。 因此，这种系统通常只在一些低楼层的建筑中使用，而在中高层建筑中几乎不使用，因为楼层越高，阀门两侧的压差越大，风险越大.

图2 无板式换热器储水系统示意图

第三种是半开放式半封闭系统，由冰箱提供直接制冷，直接冷藏。 如图3所示，制冷机和蓄冷箱通过电动阀V1、V2、V3、V4与二次侧系统隔开。 冰箱只供时，关闭电动阀V3、V4，打开电动阀V1、V2，使主机处于二次用户侧； 冰箱冷藏时，关闭电动阀V1、V2，打开电动阀V3、V4，主机在一次侧； 而蓄冷罐则通过板式换热器间接排放到二次用户侧。 该系统的优点是冰箱、冷库单供时没有板式换热器的损耗，效率非常高； 但是由于二次侧和一次侧的分界线是随着工况而变化的，工况的变化完全取决于这几个电动阀的转换，所以当某些工况切换时，阀的一端是一个开放系统，另一端是封闭系统，两边会有很大的压差。 图 3 中的阀门 V1、V2、V3 和 V4 第二个系统也存在问题。 因此，在中高层建筑上使用该系统也存在一定的风险。

图3 直冷式直冷蓄水系统示意图

间接冷库与直接冷却水冷库系统的工作原理：

针对上述三种常用储水系统的不足，开发了冰箱直接供冷和间接储冷的储水空调系统（见图4，以下简称第四种储水系统）。 该系统由两个独立的系统组成，一个是板式换热器二次侧的蓄冷和排放回路，一个是一次侧的常规空调系统。 这两个系统由板式换热器分开。 ，冰箱不仅可以直接向末端系统供冷水，还可以通过板式换热器蓄冷，不仅避免了二、三水冷库阀门两侧压差大的问题系统，同时也解决了冰箱在水冷蓄冷系统中仅供热时的换热损失问题，运行非常稳定安全。

图4 间接蓄冷直冷蓄水系统示意图

以上摘录自许启月、王林、曾飞雄、范鑫的《间接冷库与直冷水冷库系统》。

影响蓄水性能的主要因素：

冷库温差：

冷库容量随着温差的增大而增大。

随着温差的增大，温水和冷水的密度差也增大，水更容易分层。

大的温差减少了通过冷水箱的流量并加强了分层。

大的温差降低了输送泵的能耗。

温跃层的厚度，温跃层的厚度取决于布水器的设计和温跃层的老化情况。

温跃层通过罐壁传导热量，并且温跃层膨胀或后退。 如果冷藏水箱闲置，温跃层最终会退化到水箱中的水达到无法使用的温度的程度。

开启过程增加了泵的能耗：

冷冻水从蓄冷罐直接输送到大楼空调端，回水管处于泄压状态。 不能利用静压，导致水泵扬程增大，能耗增加。

封闭过程导致水温下降1~2℃：

使用热交换器是一种解决方案。 而冷冻水温度升高了1~2℃，即水库温差损失了1~2℃，这样水冷库可用的温差只有6~ 7°C。 冷库容积加大。

水在被泵送时在热交换器两侧吸收的热量成为系统的额外负载。

水冷蓄冷核心技术（一）：分水器

布水器常用的型式有：八角型、H型、放射盘型和连续槽型等。八角型适用于圆柱形储水罐。 H型适用于方形储水罐。

采用自然分层冷库形式，一般预计跃温层厚度在0.3-1.0m之间。 为防止水的流入和流出影响冷水的储存，自然分层水冷库采用的布水器应使水流以较小的流速均匀流入冷库，减少扰动冷库内的水和跃层层的损坏。 因此，分配水流的布水器也是影响温跃层厚度变化的重要因素。

(2)：冷库保温

混凝土水池示例，外保温大样本。

外绝缘对分层的影响：

常用的冷库储罐有钢制储罐或混凝土储罐。 钢制水箱的壁很薄，无法储存大量热量。 罐壁传递的热量通过温跃层并随着储存时间的延长而变厚。 从而减少实际可用冷库​​水量，减少可用冷库容量。

钢制储罐材料的高导热性会影响冷库效率。 如果保温不好，从底部和侧壁引入的热量可能会引起水温分布的逆转，从而诱发对流，破坏分层效果。

混凝土储罐具有良好的隔热性能，但会储存大量热量，导致温跃层腐烂。

Comparison of water storage and ice storage: