蓄冷系统简介
 
 
 
 
        水蓄冷系统简介          北京佩尔优科技有限公司                   BEI JING POWERU TECHNOLOGY Co., Ltd    
      目      录   1.  前        言 2.  水  蓄   冷  与  冰  蓄  冷  比  较 3.  蓄  冷  制  冷  机  安  装  形  式（  二  级  联  ）说  明 4.  水  蓄  冷  管  路  设  计  注  意  事  项 5. 水  蓄  冷  系  统  的  用  电  情  况 6. 水  蓄  冷  系  统  经  济  性  分  析     1. 前  言 1.1概况 能源短缺是当今社会的一大难题，如何合理利用能源，提高能源的利用率已经成为当今社会的共识，并成为各行各业的共同目标。空调行业的蓄冷系统的应用就是在这种形势下产生的，它的应用给社会带来了巨大的经济效益与社会效益。蓄冷空调即是利用蓄冷设备，在用电低谷时段（电费较低的时段）将空调系统的能量储存起来，在用电高峰时段（电费较高的时段）将空调系统的能量释放出来的热力过程。因此蓄冷空调意义从宏观上来讲，能平衡电网的负荷，充分发挥电站的发电效率；从空调用户的角度来讲，能充分利用不同用电时段的电费差价，节省大量的运行电费。北京佩尔优科技有限公司多年来潜心研究水蓄冷空调技术，并独立开发了具有自立知识产权的“大温差水蓄冷节能中央空调蓄冷系统”。该系统目前是世界上最先进的水蓄冷系统，所有指标都超过了美国、日本等发达国家类似系统的技术水平。 1.2 蓄冷（热）空调简介 1.2.1 蓄冷（热）空调的类型 目前空调蓄冷（热）通常采用的有水蓄冷（热）与冰蓄冷。 （1） 水蓄冷（热）：水蓄冷（热）是利用水的温度的变化，将空调系统的冷（热）量储存起来。水蓄冷的原理是利用水的温度的变化完成的，通常称这种热力过程为显热蓄能。蓄冷（热）系统中每千克水温度变化1℃，则该系统的蓄冷（热）量为1千卡（4.18kJ/kg℃）。 （2） 冰蓄冷：冰蓄冷是将空调系统的冷量用冰的形式储存起来。冰蓄冷的原理是利用水在0℃温度下，可以发生相变的性质完成能量的储存与释放的。冰蓄冷系统中每千克0℃的水完全凝固需要的冷量为80千卡（335kJ/kg）。   1.2.2 蓄冷空调的使用条件蓄冷空调的使用条件的基本条件，首先要求空调系统的冷源是电制冷方式，并在该地区执行峰谷电价（峰谷电价差越大，蓄冷运行的费用节省越多）。此外在符合下列条件之一，并经对空调冷源系统进行技术经济比较，可采用蓄冷系统。（1）非全日制空调工程、昼夜负荷相差悬殊或空调负荷峰谷悬殊的工程（如有些工业性空调房间，白天的发热设备工作较多）。（2）限制空调用电的空调工程。（3）某一时段限制空调制冷用电的空调工程。（4）获得电力补贴或通过技术经济比较，能获得经济效益的空调工程。（5）对于全日空调，而且空调负荷峰谷相差不大的空调工程，如果该地区的峰谷电力差价大，经过技术经济比较，可设专用蓄冷制冷机组。   2. 冰  蓄  冷  与  水  蓄  冷  （ 热 ）性  能  比  较 不论是水蓄冷（热）还是冰蓄冷，蓄冷介质均为水。水蓄冷用的是水的液态温度变化的显热，而冰蓄冷用的是水的相态变化的潜热。这二种蓄冷方式的特点（优越性能比较）均由此产生。 2.1冰蓄冷 2.1.1 冰蓄冷制冷系统的组成 简单的冰蓄冷制冷系统是由双工况制冷机组、蓄冰装置、乙二醇溶液泵、板式换热器（蓄冷板式换热器、放冷板式换热器）和放冷泵组成。有的冰蓄冷系统还配备基载制冷机组，供蓄冷空调系统中特殊时段或特殊用户使用。冰蓄冷系统双工况制冷机组与蓄冰装置的连接方式，可采用并联方式和串联方式；在串联连接方式中，可采用主机上游串联方式与主机下游串联方式（见附图1～附图3）。               

2.1.2 冰蓄冷装置的蓄冷密度 我们知道，每千克0℃的水完全凝固需要的冷量为80千卡（335kJ/kg），但在冰蓄冷运行过程中，冰蓄冷槽中的水不可能完全凝固，一般在冰蓄冷槽中，冰所占的容积比例为20～30%，故“全国民用建筑工程设计技术措施中”推荐蓄冷密度为（40～50kW /m3），制冷机的制冰温度（-4～-8℃）。 2.1.3 主要设备容量的确定 i. 制冷机                                        日空调总冷量×1.1         制冷机总容量（Q）＝   n1＋Cf × n2        式中：n1—白天制冷机组空调工况的工作时间，小时；                       n2—夜间制冷机组蓄冷工况的工作时间，小时；               Cf—制冷机组蓄冷工况下的制冷能力系数：制冰温度为-6℃时，Cf为0.6～0.65。 ii. 蓄冰槽        蓄冰槽容积：Qs=Q×n2 /Cb 式中：Qs－蓄冰槽的容积；m3。 Cb－为蓄冰槽的蓄冷密度；Cb=（40～50 kW /m3）。             n2—夜间制冷机组蓄冷工况的工作时间，小时。 Q—充冷制冷机的制冷能力，kW/h。   2.2 水蓄冷 2.2.1水蓄冷制冷系统的组成 简单的水蓄冷制冷系统是由制冷机组、蓄冷水槽、蓄冷水泵、板式换热器和放冷水泵组成。有的水蓄冷系统还可不配板式换热器。
水蓄冷系统制冷机组与蓄冷装置的连接方式，可采用并联方式和串联方式；在串联连接方式中，可采用主机上游串联方式与主机下游串联方式（见附图4～附图7）。这里要说明的是，串联连接在水蓄冷系统中基本不用。
     
2.2.2 水蓄冷装置的蓄冷密度 我们知道，每千克水温度变化1℃，则冷量变化为1千卡。在冰蓄冷运行过程中，蓄冷水池的进、出水温差为6～10℃，故“全国民用建筑工程设计技术措施中”推荐为（7～11.6kW /m3），制冷机的出水温度为（4～6℃）。 2.2.3 主要设备容量的确定 i. 冷水机组容量计算（a）完全蓄冷型                        日空调总冷量×1.1         制冷机总容量＝   蓄冷运行时间（b）提前蓄冷型（不考虑削峰）                        （日空调总冷量－蓄冷量）         制冷机总容量＝  蓄冷后制冷机的运行时间如果考虑蓄冷因素，则制冷机的容量应根据实际计算进行确定。 ii. 蓄冷水池       蓄冷水池的容积：Qs=1.1Q/Cb 式中：Qs－蓄冷水池的容积；m3。 Q—蓄冷冷量；kW。 Cb－为蓄冷水池的蓄冷密度；Cb=（7～11.6kW /m3）。 2.3 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题。（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。   3. 水  蓄  冷  制  冷  机  安  装  形  式 （  二  级  串  联  ）说  明 蓄冷制冷机的安装形式（采用一级还是采用二级串联）与蓄冷水池的蓄冷温差有关，如果温差为5℃以下（包括5℃），可采用一级。但如果温差超过了5℃以下，而且蓄冷温度较低，则可采用二级。主要原因为：（1）制冷负荷大在流量相同的条件下，温差越大，则表示制冷机需要提供的制冷量越多，而对于组合式制冷机组，制冷量的变化满足冷媒温度的变化，是有困难的。（2）提高制冷机的制冷能力制冷机的制冷能力与工质的蒸发温度有密件关系。在冷凝温度相同的条件下，蒸发温度每降低1℃，制冷机组的制冷量减少约2.6～3.0%。采用二级，第一级制冷机的制冷能力可维持不变，仅第二级制冷机的制冷能力变小。如果采用一级，则二台制冷机的制冷能力都要变小。 4.水  蓄  冷  管  路  设  计  注  意  事  项      水蓄冷在开式流程在空调水蓄冷系统中应用较为普遍，主要特点是采用直接向用户供冷，具有系统简单、一次投资低、温度梯度损失小等优点，但由于该系统的制冷及供冷回路均为开式流程，存在如下的问题：     （1）水蓄冷贮槽（蓄冷水池）与大气相通，水质易受环境污染，水中含氧量高，且易生长菌藻类植物。为防止系统管路、设施的腐蚀及有机物的繁殖，故需设置相应的水处理装置（一般用物理水处理方式与在管道上加过滤器即可）。     （2）为了保证蓄冷与放冷的正常运行，应在设计中注意两个回路中的压力变化，并采取相应的措施。（3）蓄制冷及供冷回路中，至水蓄冷贮槽的回水管均处泄压状态，无法利用静压，致使水泵扬程提高，能耗相对要高（如果用板式换热器将蓄冷与放冷分开，则不存在次问题）。 5.水  蓄  冷  系  统  的  用  电  情  况 水蓄冷系统是在常规制冷系统的基础上，增加蓄冷水池及其相关设备（水泵与换热器）组成的。详见附图1～附图4。从这些图中可以看出，与常规制冷系统相比，水蓄冷系统在用电量方面，没有什麽优势，有些系统还要增加一点用电设备。但是：（1）采用水蓄冷系统后，因使用的温度条件的改善，能改善制冷系统的运行条件。因为蓄冷工作运行时间安排在晚上（一般谷峰用电时段为0～7时），这段时间室外空气湿球温度相对较低，这对提高制冷设备的COP值有利。对于空调工况运行的制冷机组，冷却水温度每降低1℃，制冷机组的制冷量可增加1.3%左右。（2）采用水蓄冷系统后，因蓄冷运行为满负荷运行，能提高制冷系统的运行效率。根据水蓄冷工程的实际运行记录，采用水蓄冷后，比原有制冷系统的用电量能节省10%左右。   6.水  蓄  冷  系  统  的  经  济  性  分  析 （ 本  技  术  经  济  分  析  是  对  一  个  大  型  常  规  制  冷  进  行  蓄  冷  改  造  作  为  例  子  ） 6.1 水蓄冷系统的经济性比较 常规制冷系统、完全蓄冷系统（方案2）和完全削峰（方案1）的技术经济性能比较详见表1。从表1可以看出：蓄冷系统和常规制冷系统相比，蓄冷系统的经济性能较好；完全削峰（方案1）与完全同时削高峰及平峰用电（方案2）相比，完全同时削高峰及平峰用电的完全同时削高峰及平峰用电方案（方案2）又比完全削峰完全同时削高峰及平峰用电方案（方案1）经济性能好。特别是采用水蓄冷供冷的设计方案把部分制冷用电时间移到晚上，减少了电网的峰值负荷，这是对电力资源充分利用的社会贡献（通常人们所说的社会效益）。 水蓄冷制冷站与常规制冷站经济性能比较表      表1 序号 比较项目 对  比  数  据
常规制冷系统 水蓄冷供冷系统（蓄冷方案1） 水蓄冷供冷系统（蓄冷方案2）
1 经济比较      
a 基建建设费用 — 万元 万元
  制冷站管路投资 — 190万元 190万元
  蓄冷水池投资 — 400万元（17800m3） 800万元（39600m3）
  土建费用 — 45万元 45万元
b 年运行费用 10289231元 6420811元 4234295元
  其中：年用电量 高峰：6542264 平峰：6383426 低谷：574790 合计：13500480度 高峰：109270 平峰：5453955 低谷：7588463 合计：14135119度 高峰：840786 平峰：755536 低谷：11386390 合计：12982694度
      电年运行费用 高峰：6143186 平峰：3996025 低谷：150020 高峰：102605 平峰：3414176 低谷：1980589 高峰：789481 平峰：472966 低谷：2971848
  表中内容的有关说明： 1.夏季空调制冷机运行时间180天，每天运行24小时，空调运行时间为5—10月间。 2.电价：峰波电价按0.939元/ kW，平波电价按0.626元/ kW，谷波电价按0.261元/kW计。 3.制冷站新增建设费用包括制冷站内新增的设备费、安装费和其它费用。
6.2水蓄冷的经济效益描述如下： （1）可减少制冷设备的装机容量和用电容量，根据蓄冷方式的不同，其容量可节省30～50%。（2）把部分制冷用电时间移至晚上，减少了电网的峰值负荷，也减少了用电费用。（3）由于减少了制冷设备的总装机电容量和电力负荷，从而减少了一次电力投资费用（包括电力补贴费和变压器、配电柜等电力设施）。（4）水蓄冷运行在晚上，改善了制冷机的运行条件，有利提高制冷效率。（5）蓄冷时间制冷设备满负荷运行，有利提高制冷效率。（6）制冷系统蓄冷运行，增加了制冷机的运行时间，从而提高了制冷设备的利用率。（7）可作为应急冷源，在停电时可利用备用自备电源启动水泵进行供冷。（8）蓄冷水容积较大（大于建筑物的消防水池），故可减少消防水池的建设费用。 6.3 社会效益 （1）转移电力高峰用电量，平衡电网峰谷差。（2）减少新建电厂投资。（3）减少环境污染，有利于生态平衡。（4）充分利用不可再生资源。