【原】暖通|冰晶式动态冰蓄冷技术分析

机电人脉 2022-01-14

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目录

一、概况

二、目前市场蓄冰形式介绍

三、冰晶式动态冰蓄冷技术分析

四、与静态（盘管式）蓄冰的综合对比

五、市场案例及分析

六、结论及建议

一、概况

因项目开发中业主方有对冰晶式动态冰蓄冷系统应用的需求，我司整理本报告。但本系统市场案例较少，对于系统在项目中运用的经济型、可靠性和稳定性没有一定的参考，业主希望我司顾问方能对本系统情况进行了解分析，并给出专业性的建议。

本报告通过对冰晶式动态冰蓄冷系统的了解，并结合目前市场主流的盘管式静态冰蓄冷系统，从技术、成本、运营维护及稳定可靠性上进行综合对比分析，为本项目业主方决策做参考。

二、目前市场蓄冰形式介绍

冰蓄冷系统应用的原理是：通过增设蓄冰装置，对具有峰谷电价的城市（一般白天电价高，晚上电价低），夏季利用晚上的低谷电进行蓄冷，并在白天高峰电价时将储存的冷量释放出来，从而为项目节省电费。蓄冰系统的系统组成基本相同，主机、冷却塔、输送设备、蓄冰槽及管路等，主要区别在蓄冰形式上。

蓄冰形式主要可以分为：静态蓄冰和动态蓄冰，静态蓄冰系统主要是早期的冰球蓄冰方式和目前主流的盘管蓄冰方式；动态蓄冰系统主要有冰片滑落式、过冷水蓄冰方式以及本报告要讨论分析的冰晶式蓄冰方式，以下简单介绍几种形式的原理。

2.1、静态蓄冰系统

静态冰蓄冷系统的原理图，如下：

2.1.1冰球式蓄冰系统

原理：利用内充有可相变介质的小圆球（为增大热交换面积，一些厂家在球体上会再设有若干个小的凹陷，后统称冰球）来蓄冷，并将冰球储存于专门的罐体中，通过循环于主机与罐体间的低温载冷剂，将冰球内的介质完成相变，从而储存冷量；释冷时，通过循环于换热器（二次侧为空调末端）和罐体间的载冷剂，将冷量释放到空调末端，从而形成一个完整的蓄冷、释冷的过程。

属于中国最早引进的系统，因各种缺陷，如冰球破损多，新建项目已应用较少。

2.1.2 盘管式蓄冰系统

原理：利用设于蓄冰槽内的盘管（浸在水中），将设于盘管外的水相变成冰。盘管和主机间循环的介质为低温载冷剂，盘管外所结的冰沿着圆管逐渐加厚，最终达到设计值为止；释冷时，通过盘管内与板换间循环的载冷剂（二次侧为空调末端），将冷量释放到空调末端，从而形成一个完整的蓄冷、释冷的过程，有內融冰与外融冰两种系统。

因技术较为成熟，在目前广泛应用于冰蓄冷系统项目中。

2.2 、动态冰蓄冷系统

2.2.1冰片滑落式

原理：通过水泵将蓄冰槽的水自上向下喷洒在制冰机的板状蒸发器表面上，使其冻结成冰。当冰层厚度达到5～9㎜时，通过制冰机的四通阀换向，将高温气态制冷剂通入蒸发器放热，使与蒸发器板面接触的冰融化，板冰靠自重滑落至蓄冰槽内，形式如下图。

该系统四通阀切换频繁，热气脱冰效率低、噪音大，民用使用较少。

2.2.2过冷水蓄冰

原理：通过把普通淡水冷却到低于0℃的液态过冷状态，再经超声波促晶生成流态化冰浆的技术，乙二醇溶液是处于亚稳定状态，溶液进出制冰换热器时温差很小，当达到一定的过冷时会自发出现成核现象。其核心是让水在换热器中降温到0℃以下的状态而不发生相变，在过冷却解除器中消除过冷状态，低于0℃的水通过相变成为0℃的冰，也有归纳到冰晶式蓄冷方式的。系统原理图如下：

该系统冷却速度要快，水流高，易堵塞板换等缺点，应用较少。

2.2.3冰晶式蓄冰

原理：通过将融入水中的抗冻剂（一般为乙二醇或丙二醇）设定在合适的比例，将此流体通过制冰主机的蒸发器，直接在流体内形成小的冰晶（-1℃左右），然后再进入储冰槽内，利用冰较水密度小，冰晶留在罐体上部，通过多次循环，来实现蓄冰；释冰时载冷剂从蓄冰罐体上部淋下，下部将水抽出，通过循环于换热器（二次侧为空调末端）和槽内的载冷剂，将冷量释放到空调末端，从而形成一个完整的蓄冷、释冷的过程。

该系统技术较为先进，但控制复杂，存在隐患，技术品牌少，应用案例少。

三、冰晶式动态冰蓄冷的技术分析

以上对冰晶式动态冰蓄冷的原理做了简单概述，针对本次业主方提供的中机能源的冰晶式蓄冰系统主要特点是集制冷水、制冰晶及热泵三功能与一体，区别于常规的双工况(制冷、制冰工况)机组。

3.1 、系统各功能工况的概述

该主机采用的是立式满液式蒸发器，该蒸发器配有旋浮式搅拌装置强化换热，蓄冰时促进冰晶生成，设备外形如下：

据厂家了解，大型离心机的机头采用的是日本三菱品牌，小型螺杆机机头采用国内知名的汉钟品牌，整体机组为中机能源的专利产品。以下对本机组的三个功能工况做简单的介绍，系统原理图如下：

3.1.1制冷水工况

可同常规机组制取供空调末端直接使用的空调工况的冷冻水，本报告不再详述。

3.1.2制冰晶工况

同上述原理，本系统采用的是以约3.5%溶度改性抑制性乙二醇水溶液或丙二醇水溶液替代水作为供冷（蓄冷）介质，溶液集载冷、蓄冷、供冷于一体，蓄冰时溶液在蒸发器（换热器或冰晶生成器）中降温析出冰晶，溶液析出冰晶后成为流态冰，此时流态冰平均质量溶度2.5～3.5%，在蓄冰槽内冰晶与溶液自然分离，溶液在下部，冰晶在上部。

3.1.3热泵工况

热泵原理同能源塔的系统原理，是从蓄冰槽内吸收水的热量进行制热，可通过冷却水、土壤、河湖水等进行释冷。供热时，即时或分时向大气或其它热源全部或部分放冷。当放冷速率跟不上时，冷量就以冰晶的形式蓄存，供热放冷可以不同时，如10小时供热可以24小时错时放冷；条件允许时，可用低谷电化冰间接蓄热。

3.2 该系统相对于静态蓄冰的优势

3.2.1主机能效高。初始的冰点温度约为-1℃，蒸发温度约为-4.5℃，每个循环约形成2%的冰晶，每个循环后溶液会有增加，一般设计为50%的蓄冰量，蓄冰完成后，溶液浓度会增加到6%，这时对应的冰点是-2.5℃，蒸发温度约为-5.5℃，主机能效有所下降，主机COP在4.5以上。而双工况盘管蓄冰，乙二醇为-5.6℃，蒸发温度为-7℃的，主机的COP在3.5以下，且同样静态冰制取过程中，由于随着冰层厚度的增加，传热也逐渐有所减少，主机需要卸载，从而会延长制冰时间，增加能耗。注：对于系统，须考虑综合能耗。

（对于大于1200RT,同样需要用双工况冷水机组经制冰换热器实现。）

3.2.2系统耗材少。当蓄冰量为65%蓄冰槽与盘管蓄冰槽体积相当，但无需盘管，且在蓄冰槽内不需要预留检修空间。

3.2.3可供热。通过吸收蓄冰槽内水的热量进行制热，经冷却塔或其它方式散冷，若为四管制系统，可同时利用此冷对空调末端进行供冷，达到使用热回收的节能目的。

3.2.4可随时蓄冰。

3.2.5增加蓄冰量代价小。加大蓄冰池和蓄冰时间即可。

3.3 系统存在的问题及潜在的风险

从技术原理上来看，冰晶式动态蓄冰相对于静态蓄冰有一定的技术先进性，但之所以该系统未成为目前市场的主流蓄冰形式，主要是在系统的稳定性及可靠性上也存在潜在的风险，甚至有因为冰晶堵塞导致系统不能使用的失败案例。以下对该系统存在的潜在问题分析如下：

3.3.1温度传感的延迟性可能造成结冰误差

因为温度传感的延迟性，当传感器检测的温度＜实际温度时，溶液不会结冰；当传感器检测的温度＞实际温度时，溶液结冰过多，溶液发生蒸发器冰堵、管道、阀门、水泵叶轮磨损的问题,甚至堵塞。

3.3.2离心机进出水温差小，可能发生喘振，甚至停机

制冰开始后，蓄冰槽溶液的温度不断下降，经过约2h后为0℃～-2℃，这个温度的溶液再次进入制冰器制冰时，温度又不能高于-3℃，以防止结冰晶过多，温差很小，离心主机会发生喘振或停机。

3.3.3主机温度设置要不断随溶液温度变化而变化，控制难度大