冰蓄冷系统技术总结.docx
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冰蓄冷系统技术总结
第一讲 应用概念
一、冰蓄冷空调
“冰蓄冷空调”一词大家都一目了解，英文为‘ICESTORAGE’，日文为[冰蓄热]，狭义的定义为[制冰蓄冷]的冷气系统。
早期称谓[COOLSTORAGE（蓄冷）]，此包含了[制冷水蓄冷]的冷气系统。
但在寒带国家降了[蓄冷]外，还要[蓄热]，因此，广义的用语为[THERMAL（ENERGY）STORAGEAIRCONDITIONINGSYSTEM（缩写为TES）]，可译为[蓄能式空调系统]。
对于南方地区仅有夏季（冷气）电力过载的困扰，仅需[蓄冰空调]。
二、关于蓄冷系统的计量
在常规的空调系统设计时，冷负荷是按照计算出建筑物所需要的多少“冷吨”、“千瓦”、“大卡/时”来计量，但是蓄冰系统是用“冷吨·小时”、“千瓦·小时”、“大卡”来计量。
图1-1代表100冷吨维持10小时冷却的一个理论上的冷负荷，也就是一个1000“冷吨·小时”的冷负荷。
图上100个方格中的每一格是代表10“冷吨·小时”。
事实上，建筑物的空调系统在全日的制冷周期中是不可能都以100%的容量运行的。
空调负荷的高峰出现多数是在下午2：
00--4：
00之间，此时室外环境温度最高。
图1-2代表了一幢典型大楼空调系统一个设计工作日中的负荷曲线。
如图可知，100冷吨冷水机组的全部制冷能力在10个小时的“制冷周期”中只有2个小时，在其它8个小时中，冷水机组只在“部分负荷”里操作，如果你数一数小方格的话，你会得到总数为75个方格，每一格代表10“冷吨·小时”，所以此建筑物的实际冷负荷为750“冷吨·小时”，但是常规的空调系统必须选用100冷吨的冷水机组来应付100冷吨的“峰值冷负荷”。
三、冷水机组的“参差率”
定义的“参差率”为实际“冷负荷”与“冷水机组的总制冷潜力”之比，即：
参差率（%）=（实际冷吨·小时数/总的冷吨·小时潜力）*100%=750/1000*100
因此该冷水机组的“参差率”为75%，也就是冷水机组能提供1000“冷吨·小时”，而空调系统只要用750“冷吨·小时”。
低的“参差率”，则系统的投资亦低。
将建筑物总的“冷吨·小时”被“制冷机工作小时”数除而得到的商，即为大楼在整个“制冷周期”中平均负荷。
如果可以将空调负荷转移到峰值以外的时间去，或者与平均负荷相平衡，则只需选用较小制冷能力的冷水机组即可达到100%的参差率，而导致较好的投资效率。
四、全部蓄能与部分蓄能
采用蓄冷系统时，有两种负荷管理策略可考虑。
当电费价格在不同时间里有差别时，我们可以将全部负荷转移到廉价电费的时间里运行。
可选用一台能蓄存足够能量的传统冷水机组，将整个负荷转移到高峰以外的时间去，这称之为“全部蓄能系统”。
图1-3表示了同一建筑物空调负荷的曲线，是采用了将全部冷负荷转移到“峰值时间”以外的14个小时中，冷水机组在夜间在蓄冷装置中进行制冷蓄冰。
然后在白天将蓄存在0oC冰中的能量作为所要求的750“冷吨·小时”的制冷量用。
平均负荷已进一步减少到53.6冷吨（750冷吨·小时/14=53.6冷吨），这导致大大地减少耗电量费用。
这种方式常常用于改建工程中利用原有的冷水机组，只需加设蓄冷设备和有关的辅助装置，但需注意原有冷水机组是否适用于冰蓄冷系统。
这种方式也适用于特殊建筑物，需要瞬时大量释冷，如体育馆建筑物。
在新建的建筑中，部分蓄能系统是最实用的，也是一种投资有效的负荷管理策略。
在这种负荷均衡的方法中，冷水机组连续运行，它在夜间用来制冷蓄存，在白天利用蓄存的制冷量为建筑物提供制冷。
将运行时数从14小时扩展到24小时，可以得到最低的平均负荷（750冷吨·小时/24=31.25冷吨），如图1-4所示。
需电量费用大大地减少，而是冷水机组的制冷能力也可减少50-60%或者更多一些。
五、蓄冰率
蓄冰率一般英文简写为IPF（ICEPACKINGFACTOR），即蓄冰槽内制冰容积与蓄冰槽容积之比值。
IPF=蓄冰槽内制冰容积M3/蓄冰槽容积M3*100% （日本冷冻协会）
一般用它来决定蓄冰槽的大小。
目前各种蓄冰设备，其IPF约在20-70%范围内。
另一称之为制冰率，其英文简写也为IPF，即蓄冰槽中水的最大制冰量与全水量（槽中充水的容积）之比值。
IPF=槽中水的最大制冰量kg/全水量kg*100% （日本电力空调研究会）
通过它可了解结冰多少，有的蓄冰设备，此值可达90%以上。
应注意，国外两个定义都用IPF表示。
各种冰蓄冷设备的两种蓄冰率数据见表1-1。
表1-1 冰蓄冷设备的蓄冰率
类型
冷媒盘管式
完全冻结式
制水滑落式
冰晶或冰泥
冰球式
蓄冰率IPF1
20-50%
50-70%
40-50%
45%左右
50-60%
蓄冰率IPF2
30-60%
70-90%
-
-
90%以上
美国多以Void（Space）Ratio[无效（空间）比]来表示，故蓄冰率
IPF=1-VoidRatio.
六、融冰能力 DISCHARGECAPACITY
蓄冰槽中之冰，实际可溶解而用于空调的蓄冷量。
七、融冰效率 DISCHARGEEFFICIENCY
实际可用于应付空调负荷之[融冰能量]除以[总蓄冰能量]之值。
八、蓄冷效率 STORAGE（THERMAL）EFFICIENCY
指实际可用于应付空负荷之[融冰能量]除以[用以制冰蓄冷的能量]之值。
此值与融冰效率不同，但有时蓄冷效率也定义为融冰效率。
九、过冷现象 SUPERCOOLING
指超过流体的冻结点而仍不冻结的现象。
例如：
纯水的冻结点为0oC，但水温需先降至-7oC左右，才会形成[冰核]再冻结成冰，（一般水之过冷现象约为-5oC，此现象将增加制冰初期的耗能量。
）如图1-5所示。
如要设法提高成核温度，减少过冷度，就要添加成核剂，但使用不同的成核剂配方，效果也各不相同。
有些单位在研究和试验。
十、蓄冷介质比较
表1-2
项目
水
冰
低温共融盐
蓄冷方式
显热蓄冷
显热+潜热
潜热
相变温度
-
0oC
4-12oC
温度变化范围
12oC-7oC
12oC水-0oC冰
8oC液体-8oC固体
单位重量蓄冷容量
（KJ/KG）
20.9
384
96
单位体积蓄冷容量
（MJ/M3）
（KWH/M3）
（RTH/M3）
20.9
5.81
1.65
355
98.61
28.08
153
42.5
12.10
每1000RTH需蓄冷介质多少体积
606M3
35.3M3
82.6M3
注：
1RTH=12670KJ=3.516KWH=3024Kcal。
对于水蓄冷来说，如果加大蓄冷温度（如12oC-4oC水，Δt=8oC）,就提高了蓄冷密度，则蓄冷水池的体积就可减少（这时第1000RTH需360M3）。
对于冰蓄冷来说，占有空间的大小，与蓄冰设备的构造和蓄冰率（IPF）的大小有密切关系，考虑桶和热交换设备占有的空间，每1000RTH需占有空间体积比全部是冰占有35.3M3的体积要大得多。
第二讲 冰蓄冷设备
一、分类
美国制冷工业协会（ARI）1994年出版的《蓄冷设备热性能指南》将蓄冷设备广义地分为显热式蓄冷和潜热式蓄冷，见表2-1。
表2-1
分类
类型
蓄冷介质
蓄冷流体
取冷流体
显热式
水蓄冷
水
水
水
潜热式
冰盘管（外融冰）
冰或其他共晶盐
制冷剂
水或载冷剂
载冷剂
冰盘管（内融冰）
冰或其他共晶盐
载冷剂
载冷剂
制冷剂
制冷剂
封装式
冰或其他共晶盐
水
水
载冷剂
载冷剂
片冰滑落式
冰
制冷剂
水
冰晶式
冰
制冷剂
载冷剂
载冷剂
*注：
载冷剂一般为乙烯乙二醇水溶液。
最常用的蓄冷介质是水、冰和其他相变材料，不同蓄冷介质具有不同的单位体积蓄冷能力和不同的蓄冷温度。
二、冰盘管式（ICE-ON-COIL）
冷媒盘管式（REFRIGERANTICE-ONCOIL）
外融冰系统（EXTERNALMELTICE-ONCOILSTORAGESYSTEMS）
该系统也称直接蒸发式蓄冷系统，其制冷系统的蒸发器直接放入蓄冷槽内，冰结在蒸发器盘管上。
此种形式的冰蓄冷盘管以美国BAC公司为代表。
盘管为钢制，连续卷焊而成，外表面为热镀锌。
管外径为1.05"（26.67mm），冰层最大厚度为1.4"（35.56mm），因此盘和换热表面积为5.2ft2/RTH（0.137m2/KWH），冰表面积为19.0ft2/RTH（0.502m2/KWH），制冰率IPF约为40-60%。
融冰过程中，冰由外向内融化，温度较高的冷冻水回水与冰直接接触，可以在较短的时间内制出大量的低温冷冻水，出水温度与要求的融冰时间长短有关（参见图2-1、2-2、2-3）。
这种系统特别适合于短时间内要求冷量大、温度低的场所，如一些工业加工过程及低温送风空调系统使用。
（1）10小时放热特性（图2-1）
该蓄冷方式是由食品冷冻行业中应用多年的乳品冷却设备改制发展而成。
由此在乳品行业中经常采用。
最近天津雀巢咖啡生产厂，工艺要求所供应的冷冻水温在全过程中要求保证稳定在+1°C，采用BAC外融冰装置，冰盘管表面冰层厚度大约为2-3MM，冷冻机24小时连续运行。
在使用冷媒盘管式蓄冷槽时，有几点需注意：
（1）当结冰厚度在1"-3.5"之间，若冷冻系统设计不当，制冰时冷冻蒸发温度较低，压缩机所需功率大，耗电率大，并且制冷时间长，用电量多；
（2）若贮存的冰设有完全用掉而制冷时间已到，需要开始制冰，则必需隔着一层冰来制冰，由于冰是一种优良热阻，这将使制冷设备耗电率与用电量增加；（3）蓄冰槽内应保持约50%以上的水不冻成冰，否则无法正常抽取冷水使用进行融冰，故最好使用厚度控制器或增加盘管中心距，以避免冰桥产出；（4）在开放式系统中，蓄冰槽的进出口处（即水系统进出口管路上）应加装止回阀和稳压阀等近期制设备，以免仃泵时系统中的水回流，使蓄冰槽中水外溢。
三、完全冻结式（TOTALFREEZE-UP）
卤水静态储冰（GLYCOLSTATICICE）
内融冰式（INTERNALMELTICE-ON-COILSTORAGE）
该系统是将冷水机组制出的低温乙二醇水溶液（二次冷媒）送入蓄冰槽（桶）中的塑料管或金属管内，使管外的水结成冰。
蓄冰槽可以将90%以上的水冻结成冰，融冰时从空调负荷端流回的温度较高的乙二醇水溶液进入蓄冰槽，流过塑料或金属盘管内，将管外的冰融化，乙二醇水溶液的温度下降，再被抽回到空调负荷端使用。
这种蓄冰槽是内融冰式，盘管外可以均匀冻结和融冰，无冻坏的危险。
这种方式的制冰率最高，可达IPF=90%以上（指槽中水90%以上冻结成冰）。
生产这种蓄冰设备的厂家较多。
1、美国CALMAC蓄冰桶采用外径为16mm（也有13mm）的聚乙烯管绕成螺旋形盘管热交换器。
盘管冰层厚度为12mm，盘管换热表面积12ft2/RTH（0.317m2/KWH）。
蓄冰筒数量的选择
设计步骤如下：
1、确定系统的“冷吨小时数”TH TH=设计负荷*OH*DF
2、确定冷水机组的“名义制冷量”CP CP=TH/[（CI*IH）+（CO*OH）]
3、确定冰筒的数量N N=[TH-（CO*OH）]/冰筒的冷吨小时
式中：
DF--参差系数、设计“日平均负荷”除以“峰值负荷”，一般为0.65-0.90；
TH--设计日系统的冷吨小时数； OH--制冷小时数；
CP--机组“名义制冷量”； CI--冷水机组在制冰温度时的制冷量与空调额下制冷量之比；
IH--制冷小时数； CO--冷水机组在“制冷工况下”的制冷量与额定制冷量之比，一般在1左右；
例题：
设计负荷200冷吨、OH=10小时、IH=12小时、DF=0.75、CI=0.65、CO=1。
图2-4
图2-5
采用1190蓄冰筒（190冷吨小时）。
冰筒入水温度为15.6°C，出水温度为8.9°C（日间），融冰放冷10小时，每个蓄冰筒可放冷166冷吨小时。
可查表2-3。
1、系统的冷吨小时数
TH=200*10*0.75=1500冷吨小时
2、冷水机组“名义制冷量”
CP=1500/[（0.65*12）+10]=84.3冷吨
3、冰筒数量
N=[1500-（84.3*10）]/166=4个
注：
若全部蓄冰，OH=0。
表2-2 蓄冰筒性能和尺寸
型号
总蓄冷能力冷吨时
潜蓄冷能力冷吨时
显蓄冷能力冷吨时
最高工作温度°C
工作压力Mpa
试验压力Mpa
尺寸mm
重量KG
楼板负荷KG/m2
水/冰体积L
乙二醇浓度25%容量L
管束管径mm
共通管管径mm
连接管管径mm
D
H
无小时
充水时
1082A
97
82
15
38
0.6
1.0
1880
2083
387
3773
1360
3731
355
16
50
50
1098A
115
98
17
38
0.6
1.0
2261
1727
482
4518
1125
4459
410
16
50
65
1170A
170
145
25
38
0.6
1.0
2261
2366
677
7021
1750
6796
621
16
50
65
2150A
186
159
27
38
0.6
1.0
2261
2566
764
7614
1898
7212
774
16
50
65
1190A
190
162
28
38
0.6
1.0
2261
2566
705
7614
1898
3771
673
16
50
65
注：
1、1320A型号（两筒组合）和1500型号（三筒组合），由于海运困难，未列入。
2、2150A型号适用于温度低和温差大一些的乙二醇溶液循环系统。
表2-3 每个冰筒的制冷容量（冷吨小时，1冷吨小时3.516Kwhr）
型号
制冰小时
出水温度
入水温度
1098型号
1170型号
1190型号
6
7
8
9
10
6
7
8
9
10
6
7
8
9
10
15.6°C
10°C
8.9°C
7.8°C
105
102
98
106
103
100
106
104
101
106
104
101
106
104
102
149
147
144
149
148
145
149
148
146
149
149
146
149
149
146
167
164
161
167
165
162
167
165
163
167
166
163
167
166
163
10.0°C
7.2°C
6.7°C
5.6°C
93
90
84
96
93
89
99
95
92
100
97
94
100
98
96
137
132
124
141
138
130
145
141
135
147
143
140
147
145
141
153
148
138
158
154
145
162
158
151
164
160
156
164
162
158
7.2°C
4.4°C
3.3°C
2.2°C
75
68
60
81
75
67
84
79
72
87
83
76
89
85
80
110
102
88
118
109
98
124
116
106
128
122
113
131
124
117
123
112
98
132
122
110
138
130
118
143
136
126
146
139
131
我国天津福星大厦、天津立达公寓等蓄冰空调工程中采用。
2、美国DUNHAM-BUSH的ICE-CEL蓄冰罐采用外径为19mm的聚乙烯管组成的蛇形盘管热交换器。
3、我国南京安纳特科技实业有限公司生产ET系列储冰桶亦采用聚乙烯管组成的蛇形盘管热交换器。
4、美国FAFCO蓄冰槽由外径为6.35mm的耐高低温石腊脂塑料管制成平行流换热盘管垂直放入保温槽内构成，平均冰层厚度为10mm，盘管换热表面积为13ft2/RTH（0.345m2/KWH）。
它置于钢制或玻璃钢制槽体内构成，其构造见图4-6，整体式蓄冰槽也可置于钢筋混凝土槽内或筏基内。
图2-6 FAFCO蓄冰槽构造图
发克（FAFCO）蓄冰设备分为标准槽及非标换热器。
（1）发克标准槽
a）材质：
蓄冰槽外壳为1.6mm镀锌钢板，内部一层29.48M2h°C/kcal保温断热层，槽体内表面有一层0.76mm的聚氯乙烯防水膜，槽体钢架结构皆经过热浸镀锌处理。
b）型式：
依其蓄冰容量分为 590型（600cm*244cm*208cm）
420型（462cm*244cm*208cm）
280型（305cm*244cm*208cm）
140型（168cm*244cm*208cm）
c）标准槽详细规范：
表2-4
规范
590型
420型
280型
140型
全热容量（冷吨时）
600
447
298
149
潜热容量（冷吨时）
500
375
250
125
有效浸泡（换热）面积（平方米）
728.7
546.5
363.4
182.2
总水量（估算值）（公升）
19.530
14.895
9.445
4.770
总卤水量（估算值）（公升）
1.060
795
530
265
最高运行温度（°C）
38
38
38
38
最大运行压力（kg/CM2）
6.3
6.3
6.3
6.3
保温断热效果（M2h°C/kcal）
29.48
29.48
29.48
29.48
换热器盘管外径（cm）
0.64
0.64
0.64
0.64
我国北京中央人民广播电台、深圳万德大厦等蓄冰空调工程中采用。
（2）发克（FAFCO）非标换热器
配合建筑物规划充分利用机房或建筑结构做为钢筋混凝土蓄冰槽使用。
槽内外均需做防水处理，槽内另做保温断热层，以减少换热损失，并配合槽内净高选用适当尺寸的发科非标蓄冰换热器。
a）材质：
由耐高、低温材料特殊石蜡脂制成。
b）型式：
依其平展总长度分为HXR-24、HXR-22、HXR-18、HXR-16、HXR-14、HXR-12、HXR-10八种型式。
c）非标换热器详细规范：
表2-5
规范
HXR-24
HXR-22
HXR-20
HXR-18
HXR-16
HXR-14
HXR-12
HXR-10
盘管高度（米）
3.66
3.36
3.05
2.75
2.44
2.14
1.83
1.53
潜热容量（冷吨时）
21.1
19.3
17.6
15.8
14.0
12.2
10.4
8.6
有效浸泡（换热）面积（平方米）
30.8
28.2
25.7
23.1
20.5
17.8
15.2
12.6
总卤水量（估算值）（公升）
45
41
38
34
30
26
22
18
每片重量（公斤）
38
34.9
31.8
29.1
26.3
22.6
18.9
15.7
最高运行温度（°C）
38
38
38
38
38
38
38
38
最大运行压力（kg/CM2）
6.3
6.3
6.3
6.3
6.3
6.3
6.3
6.3
换热器盘管外径（cm）
0.64
0.64
0.64
0.64
0.64
0.64
0.64
0.64
槽内净高（含配管空间）（米）
4.5
4.3
4
3.7
3.3
2.8
2.3
2
我国北京国际贸易中心二期蓄冰空调工程中采用。
表2-6即为采用各种不同发克蓄冰设备安装4000冷却小时对机房净高与平面面积的需求。
表2-6
发克蓄冰设备
蓄冰槽占地面积（平方米）
机房净高（米）
发克蓄冰设备
蓄冰槽占地面积（平方米）
机房净高（米）
140型标准槽
120
2.5
HXR-14非标换热器
140
2.8
280型标准槽
120
2.5
HXR-16非标换热器
120
3.3
420型标准槽
120
2.5
HXR-18非标换热器
110
3.7
590型标准槽
120
2.5
HXR-20非标换热器
100
4
HXR-10非标换热器
200
2
HXR-22非标换热器
95
4.3
HXR-12非标换热器
170
2.3
HXR-24非标换热器
90
4.5
5、美国BAC蓄冰槽里装有一个钢制的热交换器，其外径为1.05"（26.67m），结冰厚度控制在0.9"（23mm）左右，虽然是属于内融冰方式，但冰与冰之间仍有极小的间隙，以便在融冰过程中，结在盘管周置的冰存在少量的活动空间，使得钢管与冰始终存在有直接接触的部位，因此导热较好，在整个融冰过程中蓄冰槽的出口二次冷媒温度始终可保持在3°C左右，并使冰几乎全部被融化来供冷。
其盘管构造如图2-7。
图2-7 BAC盘管构造图
制冰是通过重量比为25%的工业抑制性乙烯乙二醇溶液的循环，在蓄冰装置中的盘管上制
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