摘 "要：從東北地區(qū)獨(dú)特的寒冷氣候以及對冰雪的使用方面對常規(guī)制冷空調(diào)與天然冰蓄冷空調(diào)相比在能源利用方面的差異，分別從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)三個(gè)方面對天然冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行效益分析，并對地下儲(chǔ)冰技術(shù)與今后系統(tǒng)的研發(fā)和安裝改造方面進(jìn)行簡述。

關(guān)鍵詞：天然冰蓄冷 "效益 "常規(guī)空調(diào)

基金項(xiàng)目：哈爾濱商業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃省級(jí)一般項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201310240025。

東北地區(qū)在北緯450以上，每年至少有5-6個(gè)月平均氣溫在0℃或0℃以下，有些地區(qū)最低氣溫能夠達(dá)到-30℃以下。年積冰雪日數(shù)在120-140天，最大冰層厚度達(dá)1.27米[1]。以哈爾濱天氣為例，冬季全市平均降雪量為23.6mm。得天獨(dú)厚的地理位置和氣候條件使得東北地區(qū)冰雪資源豐富，假想利用天然冰蓄冷，將冬季的廢冰或者專門凍結(jié)的冰貯存起來，夏天高溫的時(shí)候集中用作空調(diào)的冷源，代替常規(guī)或蓄冷空調(diào)中耗電制冷設(shè)備，在當(dāng)今世界能源消耗逐年增加、環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)、大城市空調(diào)負(fù)荷又快速增長的情況下，不僅具有經(jīng)濟(jì)效益，還有生態(tài)效益和社會(huì)效益。天然冰蓄冷系統(tǒng)充分利用了自然資源，使天然冰雪融化產(chǎn)生的冷量釋放到所需制冷的空間，以滿足該空間的冷負(fù)荷。

1、系統(tǒng)的特性和工作原理

1.1 天然冰的可利用性分析

冰的融化溫度為 0℃，1Kg 冰在 0℃融化成同溫度的水，可以吸收 335kJ 的熱量，即融化熱為 335kJ/Kg[2]。1000Kg 冰可使面積為 108.81m2，冷負(fù)荷為 6700.3W 的空調(diào)實(shí)驗(yàn)室保持溫度在 25.0℃-28.0℃ 59 小時(shí)[3]。例如一個(gè)建筑物建筑面積約 25000㎡，按冷負(fù)荷150W/m2左右計(jì)算，總冷負(fù)荷約為3750kW。按空調(diào)使用 6、7、8 三個(gè)月，每天使用 8 小時(shí)計(jì)算，冰雪大世界總量約為 3000 噸（ 3600m3）的冰雪完全可以滿足需要。

1.2 天然冰的儲(chǔ)存

據(jù)測算，深2m的類似于半球形的地下坑儲(chǔ)存15噸的冰雪，保存期從三月到六月，冰雪的損失率為15%。因此可以建造地下儲(chǔ)冰場所，在冬天利用熱交換管將地下窖或山洞式貯藏庫周圍的土層凍成一層很厚的“永久凍土”以維持春暖后貯藏室的低溫。

1.3 天然冰制冷系統(tǒng)的元件

試驗(yàn)階段是在正?？照{(diào)系統(tǒng)外并聯(lián)天然冰蓄冰槽裝置，在測試階段系統(tǒng)還包括壓力、溫度傳感器，壓力控制器，開通閥門等設(shè)備。對蓄冰槽測試得到相關(guān)點(diǎn)的壓力和溫度，找出效率最高的融冰方式，并通過對比測試得出盤管的接觸面積與蓄冰槽體積的關(guān)系以及盤管的厚度與傳熱效率的關(guān)系，以此對蓄冰槽進(jìn)行性能改進(jìn)。最終采用盤管式蓄冰槽，利用靜態(tài)內(nèi)融冰的方法，它具有蓄冷速度快，取冷過程中出口溫度保持恒定等優(yōu)良特性。試驗(yàn)的最終目的是達(dá)到天然冰系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行即可滿足整個(gè)房間的冷負(fù)荷。經(jīng)觀察和測算，掌握了蓄冰槽的特殊制作工藝，槽內(nèi)的換熱器（即換熱蛇形盤管）采用尺寸為DN16的紫銅管連續(xù)卷焊（或無縫鋼管焊接）焊接而成，為橫置蛇形盤管，不僅換熱面積大，同時(shí)防止內(nèi)外腐蝕。蓄冰槽外部用20mm厚的保溫板進(jìn)行保溫，確保冷量損失降到最低。

1.4 系統(tǒng)工作原理

在天然冰蓄冷系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)混合進(jìn)行工作時(shí)，蓄冰槽中的盤管中通制冷劑R22。在蓄冰槽的兩端設(shè)有閥門，以控制天然冰系統(tǒng)的開關(guān)。蓄冰槽設(shè)在風(fēng)冷器與節(jié)流閥之間，當(dāng)溫度較高的制冷劑在盤管中流動(dòng)時(shí)，盤管周圍的冰將于制冷劑發(fā)生熱量傳遞，制冷劑的熱量被冰吸收，使制冷劑的溫度大幅度下降，溫度降低的制冷劑進(jìn)入到蒸發(fā)器中，在風(fēng)機(jī)的作用下，使盤管中制冷劑的冷量釋放到房間中，達(dá)到降低室溫的效果。

圖3 "天然冰蓄冷系統(tǒng)的流程圖

2、天然冰系統(tǒng)的運(yùn)用實(shí)例分析

以在哈爾濱居住的某家庭為例：客廳使用面積為20㎡，日空調(diào)使用時(shí)間為5小時(shí)。

已知哈爾濱地區(qū)平均電費(fèi)為0.51元/（kW/h），利用天然冰蓄冷系統(tǒng)對客廳空間進(jìn)行降溫

已知每平方米所需要的制冷量為150W/㎡

20㎡的房間需要制冷量為：150W/㎡×20㎡=3000W

20㎡的房間一天需要制冷量為：3000W×5h×3600s=54000000J

已知1m3的純冰釋放的冷量為417180000J

因此一間20㎡的空間需要純冰的體積為：54000000J/417180000J=0.123m3

可制成長*寬*高分別為：0.5m*0.45m*0.6m的蓄冰槽。

注：科研階段的槽體體積比理想化模型體積略大。今后的科研過程中，力求在盤管的形狀，布局，以及槽體的保溫方面對蓄冰槽進(jìn)行改進(jìn)，使其逐漸接近理想化模型的體積大小。

3、價(jià)值評估

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

天然冰是一種資源節(jié)約、環(huán)境友好的能源。用天然冰蓄能供冷設(shè)備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冰的冬貯夏用，節(jié)省電能;不用制冷設(shè)備，節(jié)省銅、鋼材料;不破壞臭氧層;年運(yùn)行費(fèi)用低;維修簡便;使用壽命長。最大限度的降低了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的初投資。1千噸（約1100m3）-10℃的冰變成16℃的水能吸收117161kWh電量（相當(dāng)于44.52噸標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)電量）的熱能，按1度電0.5元計(jì)算，價(jià)值5.585萬元[4]，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

3.2 生態(tài)效益

天然冰蓄冷系統(tǒng)減少了火力發(fā)電等引起的環(huán)境污染，減少了CO2排放、減輕溫室效應(yīng)、熱島效應(yīng)、酸雨造成的災(zāi)害，在節(jié)約不可再生資源、保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，發(fā)展天然冰蓄冷對建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展十分有利。季節(jié)性冰雪蓄冷系統(tǒng)的COP值可達(dá)到50～100[5]。天然冰蓄冷已成為一項(xiàng)促進(jìn)能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的實(shí)用系統(tǒng)節(jié)能技術(shù).

3.3 社會(huì)效益

天然冰蓄冷系統(tǒng)減少能源使用（特別是對于火力發(fā)電）引起的環(huán)境污染，充分利用不可再生資源，有利于生態(tài)平衡。減輕了國家電力事業(yè)的供應(yīng)負(fù)擔(dān)，緩解了用電緊張的現(xiàn)狀。近年來人們