冷热双蓄技术应用

电力“移峰填谷”：

城市用电负荷波动明显：

空调采暖用电是城市用电的重要组成部分：

空调采暖负荷昼夜变化剧烈：

城市电网用电负荷波动明显；

空调采暖负荷是城市用电负荷的重要组成部分；

空调采暖负荷昼夜大幅变化是城市用电负荷变化的影响因素之一。

用电负荷波动的危害：

如果发电装备容量调节性能差或快速性不足，则可能导致电网电压和频率的变化，影响电网的安全运行；

增加发电装备的装机容量；

发电设备装机容量需要按照尖峰用电需求设计，投资大；降低发电装备的平均效率；

非用电高峰时，发电设备需要降载运行；

部分载荷时发电设备效率降低。

用电负荷波动的应对：

供电侧管理：

主机调峰：

复合电网结构：使用调节特性好的当地发电机组：水电机组：负荷调节速度快；燃气轮机：调节速度较快，能满足日负荷变化调节。

蓄能调峰：

抽水电站：快速，但建设周期长，效率60%~70%；

压缩空气：与天然气混合进入燃气轮机发电；

超级电容、蓄电池：蓄存效率高；价格昂贵；多用于风电、光伏电力性能改善。

典型城市电网结构：

需求侧管理（DSM）技术：

对于直接使用电力的生产过程，通过电价等手段鼓励其错峰用电；

对于需要将电力转化为其他能源使用的生产和过程，则要考虑转化能源的储存；

基于空调用电在推高城市尖峰用电，拉大峰谷用电量差中的重要影响，发展空调用冷/热蓄存是降低电网峰谷差的有效手段！

蓄冷/蓄热技术：

在不需冷量时间利用制冷/热设备将蓄冷介质中的热量移出/充入，进行蓄冷/蓄热，然后将此冷量/热量用在空调用冷/热高峰期。

冷能/热能的季节转移：

建筑室内需求温度介于冬夏室外温度之间：

通过季节性蓄冷/蓄热，冬/夏季的室外自然冷/热能可用于建筑的供冷和供热。

减小制冷/热主机装机容量：

通过长周期（数天）蓄冷/蓄热，减小建筑的制冷制热设备的装机和电力增容容量，提高室内环境保障质量。

利国：通过蓄冷、蓄热，建筑用能可在短周期内实现“移峰填谷”，降低电网用电负荷波动，从而降低发电设备装机容量，提高发电设备发电效率，保证电网安全；

利民：（1）分时电价和设备补贴政策的实施能有效降低用户带蓄冷、蓄热空调系统的运行费用和初投资；（2）季节性蓄冷和蓄热能实现冬夏自然冷热能的利用，是建筑节能的技术手段之一；（3）降低制冷及电力设备容量，提高保障质量。

热能蓄存（TES）装置分类：

蓄存机理：

蓄热介质：

显热蓄热材料：水、岩石、土壤等；潜热。

蓄热热源：

与蓄冷不同，周围环境中存在大量的免费热源，所以蓄热热量除来自自身产热，也可来自环境热源。因此，蓄热热源包括：

电热：电力直接产热；

热泵：通过高品位电力和热力输入，从环境总获取热量，最终实现热量增量供给；

太阳能：通过太阳能集热器产热；

工业余热：工业生产过程产生。

蓄热装置：

固体蓄热电锅炉：

利用低谷电时间进行蓄热，所蓄的热量白天采暖及生活热水使用。蓄热材料MgO（氧化镁）等，蓄热温度达到800℃左右。

蒸汽蓄热电锅炉：采用高温水或者蒸汽进行蓄热。

太阳能集热器：蓄存太阳能用于供暖或生活热水。

带相变蓄热的地板辐射采暖：

通过热水或者直接电热在电力低谷或者热水生产高峰时蓄存热量，用于电力高峰供暖。

蓄热可通过利用低谷电时间（电锅炉或热泵）进行蓄热，满足白天采暖及生活热水需求，可实现电力的“移峰填谷”。

蓄热如采用太阳能或工业余热等免费热源，可实现建筑的有效节能。

一般，蓄热设备与原热源并列使用，因此系统设计和运行方法简单或与蓄冷相同，后续不再单独讨论。

蓄冷装置：

蓄冷装置特指实现冷量存入与放出的部件。譬如：蓄冰槽、蓄冷水罐。

蓄冷装置的特性直接决定蓄冷系统的性能。关键的蓄冷装置特性包括：

蓄冷密度：单位体积蓄冷量。

蓄冷速率：单位时间能蓄存冷量与总蓄冷量的百分数。

取冷速率：单位时间能取出剩余冷量的百分数。

蓄冷冷源：除季节性蓄冷外，环境中缺少可免费获取的自然冷源，因此，蓄冷冷量一般需要通过人工制冷设备（冷水机组、制冰机）获得。

蓄冷装置构成：

蓄冷介质：

要求：单位体积蓄冷量大、换热能力强、过冷度小、腐蚀性毒性小、性质稳定；

常用：水、冰、共晶盐、气体水合物等；

载冷介质：

要求：凝固点低于蓄冷介质、性质稳定、粘度低、腐蚀性毒性小；

常用：乙二醇溶液、丙三醇溶液、水等；

蓄冷介质与载冷介质分隔；

要求：高导热、抗腐蚀、能形变；

常用：金属、塑料、高分子材料或者没有。

常用蓄冷装置分类：

冰蓄冷特征：

利用冰的融解潜热，335KJ/Kg；

蓄冷密度：0.02～0.025 m3/kWh；

制冷机应提供-3～-7℃的温度，它低于常规空调用制冷设备所提供的温度（这意味着需要选用专用制冰机组或者双工况（制冷 制冰）机组）。

封装冰蓄冷：

将蓄冷介质封装在球形或板形小容器内，并将许多此种小蓄冷容器密集地放置在密封罐或开式槽体内，从而形成封装式蓄冰装置。

封装冰冰槽结构：

蓄冷时：低温载冷剂从罐底流入，高温载冷剂从罐顶流出；释冷时：高温载冷剂从灌顶流入，低温载冷剂从罐底流出。

封装冰蓄冷及释冷特点：

蓄冷：

蓄冷速度慢：冰的热阻及内部自然对流热阻大；载冷剂平均水温影响大。

释冷：

出水温度高，释冷速率低；需要载冷剂释冷，出水温度>5~7℃，一般替代常规冷源（而非低温冷源）。

盘管冰蓄冷：

冰盘管式蓄冷装置是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冰设备，蓄冷时载冷剂通过管内，冰在管外冻结。

主要冰槽形式：

盘管式冰蓄冷：

蓄冷特点：

管内流速高（处于过渡流或者湍流），换热系数大；

冰的热阻大，后期蓄冷效率低；

管外自然对流，换热系数小，非完全冻结式可采用空气搅拌；末期管材导热系数对蓄冷性能影响不大。

盘管式外融冰系统简化原理图：

外融冰释冷特点：

温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化；换热效果好，取冷快，供水温度低（1~2℃）。

理论上不需要二次换热装置；不可搭接（non ice-bridging），蓄冰率(IPF)不大于50%，故蓄冰槽容积较大。

内融冰释冷特点：

来自用户或二次换热装置的温度较高的载冷剂在盘管内循环，使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化进行取冷；

冰层自内向外融化时，由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层，其导热系统仅为冰的25%左右，导致取冷速率低，水温高。

盘管式内融冰系统简化原理图：

盘管式冰蓄冷：取冷速率

圆型及U型盘管冰蓄冷：

蓄冷特点：

管材导热系数对蓄冷性能影响不大；管内流速低，阻力大；管外自然对流，换热系数小。

完全冻结式：

释冷特点：残冰量大；取冷温度高；不能搅拌。

主要盘管蓄冰槽：

过冷水制冰：

板冰机：

水蓄冷特征：

利用水温变化可蓄存的显热量，比热4.184 kJ/kg.K

蓄冷温差可为8～11℃；最低蓄冷温度为4～6℃；

蓄冷密度：

蓄冷温差为8℃：0.118m3/kWh；

蓄冷温差为11℃：0.086m3/kWh；

取冷速率：不受限。

水槽结构：单槽（分层）式、双槽式、多槽式、隔膜或隔板式、复合水槽式、迷宫式。

重点：防止和减少蓄冷水槽内因温度较高的水流和温度较低的水流发生混合，引起能量损失；

分层式水蓄冷槽的设计关键：布水器设计；

槽体可用钢筋混凝土或钢板制作，也可单建蓄冷水槽或利用消防水池等。

影响水蓄冷性能的关键因素：

高径比：最佳高径比应该介于2.0~2.5；

蓄冷温差：蓄冷/取冷效率随着温差增加而上升；

布水器：

反向安装；均匀出口流速设计；

Froude 数=1设计原则；

低Re雷洛数设计，喷口Re应介于200~850。

蓄冷系统：

蓄冷系统通过整合核心蓄冷装置（譬如：蓄冷罐）、冷机与其他辅助配套（譬如：换热器、溶液泵等），通过阀门的开启/关闭，循环泵的启动/停止，控制蓄冷系统运行于多种模式。

蓄冷系统常见的运行模式包括：

蓄冷模式；蓄冷槽单独供冷模式；

冷机单独供冷模式；蓄冷槽 冷机联合供冷模式；

边蓄边供模式（可取消基载冷机）。

内融冰/封装冰串联系统：

串联冷机上游/下游比较：

串联，冷机上游：冷机效率高；需要冰槽取冷速率稳定。盘管冰常用！

串联，冷机下游：可实现大取冷速率；冷机效率低；出水温度易控；适宜冰槽出水温度变化大的系统。

外融冰系统：

水蓄冷系统：

水蓄冷最常用系统形式：

设计与运行：

确定蓄冷周期及蓄冷模式；

确定设计周期的空调逐时冷负荷；

计算制冷主机和蓄冷装置的容量；

选择蓄冷装置的型式；

确定蓄冷系统的型式和运行策略；

选择其他配套设备；

编制蓄冷周期逐时运行图；经济分析。

蓄冷周期和蓄冷模式：

日：

普通建筑中最常用；

常用建筑：办公建筑，公共建筑；

常用蓄冷模式：分量蓄冷（冷机尽可能全时发挥作用，追求初投资最少）。

周/多日：

常用建筑：体育场所，大型演出场所；

常用蓄冷模式：全蓄冷（供冷时制冷机组停机，全部负荷由蓄冷装置提供）。

年（季节性蓄冷）：常用于自然冷能的利用。

装置容量的确定：

（如果夜间有一定制冷负荷）先选择基载冷机满足夜间需求，最小双工况冷机容量：

示例：典型设计日逐时负荷分布

第一步：分离基载负荷

第二步：分离冷机空调工况负荷

第三步：尖峰负荷转移

蓄冷装置选择：

水蓄冷：与消防水池结合可能性；是否有蓄热要求？

盘管冰；动态冰；封装冰。

配套设备选择：

载冷剂浓度；

载冷剂泵：流体粘度变化的影响，不同工况承担不同部件的阻力；

换热器：粘度增加对换热性能的影响，防腐。

工程案例：

案例（1）：北京，办公建筑；

温湿度独立控制系统，采用冰蓄冷系统处理新风负荷；

新风机组：5/13℃，室内风机盘管水温：13/18℃；

蓄冷设备：蛇型盘管，内融冰；

系统形式：串联，冷机上游。

工程案例（2）：

上海，24小时供冷，非高层建筑；

夜间负荷是白天尖峰负荷的1/6；

蓄冷设备：水蓄冷；系统形式：并联直供。

蓄冷系统的运行控制方法：

负荷的准确预测是蓄冷系统安全高效运行的关键；

如果能较为准确预测第二天的负荷，则蓄冷系统可按照以下原则分配逐时取冷量和冷机制冷量：

应最大程度利用蓄冷槽，以实现最大程度运行费用降低；蓄存冷量的第一要务是“削峰”，保证满足空调供冷需求；

除“削峰”外的多余蓄冷量，应优先用于尖峰和高峰时段供冷，其次考虑平峰时段供冷；

除非供冷安全性考虑，不应将蓄冷用于谷电时段供冷。

如不能较为准确预测第二天的负荷，则蓄冷系统可按照“冷机优先”或者“蓄冷槽优先”方式运行：

“冷机优先”供冷时优先使用冷机，不足部分由蓄冷槽补充：蓄冷利用不充分，运行费用降低不明显；可能剩冷。

“蓄冷槽优先”供冷时优先使用蓄冷槽，不足部分由冷机补充：

蓄冷利用充分，运行费用降低明显；

存在后期无蓄冷可用的可能，存在无法完全保证供冷风险。

能源蓄存是缓解能量供求双方在时间、空间和强度上不匹配的有效方式：

合理使用蓄冷蓄热技术能实现电力需求的“移峰填谷”，降低用户运行费用；并有可能实现建筑节能；

冰蓄冷系统的出水温度低，冷能品味高，应注意蓄冷系统与其他空调形式的结合：

大温差供回水；低温送风；

冰蓄冷 温湿度独立控制系统。

蓄热云

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