摘" 要：基于運(yùn)行可控且系統(tǒng)可以模塊化建設(shè)，盤管式冰蓄冷技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)峰和改善用能經(jīng)濟(jì)性方面已獲得規(guī)?；瘧?yīng)用。該文首先對(duì)現(xiàn)有內(nèi)融冰系統(tǒng)和外融冰系統(tǒng)的融冰過程特點(diǎn)展開分析對(duì)比，指出各自在取冷速率和蓄冷密度方面存在的不足；隨后提出一種較為詳細(xì)的內(nèi)外融冰結(jié)合的盤管式冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的4種典型運(yùn)行模式進(jìn)行詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)可以克服內(nèi)融冰系統(tǒng)和外融冰系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，同時(shí)獲得蓄冷密度和取冷速率的提升，具有顯著發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：蓄冷空調(diào)；冰蓄冷；運(yùn)行策略；內(nèi)融冰；外融冰

中圖分類號(hào)：TB657" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0150-04

Abstract： Based on the controllable operation and the modular construction of the system， ice-on-coil cold storage technology has been widely used in power grid peak regulation and improving the economy of cooling. Firstly， the characteristics of the melting process of the internal melt ice-on-coil and external melt ice-on-coil systems are analyzed and compared. Then， a more detailed design of coil ice storage system with internal and external melting is proposed， and four typical operation modes of the system are introduced in detail. The system can overcome the technical bottleneck of the internal and external melt ice-on-coil systems， and improve the cold storage density and cooling rate at same time， which has significant development advantages.

Keywords： cold storage air conditioning; ice storage; operation strategy; internal melt ice-on-coil; external melt ice-on-coil

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高，社會(huì)電力消費(fèi)量逐年上漲，城市建筑能耗逐漸成為用電大戶，部分大中城市的供熱供冷用電量已超過其高峰用電量的40%以上。對(duì)于辦公、商場(chǎng)等建筑，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間主要集中在9：00—20：00，而對(duì)于居民用戶，用戶較多，負(fù)荷相對(duì)較大，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間主要集中在14：00—21：00。集中用熱用冷負(fù)荷成為電網(wǎng)產(chǎn)能面臨的重要問題，加劇了電網(wǎng)的峰谷荷差。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受限于運(yùn)行時(shí)段的電價(jià)政策。蓄冷空調(diào)技術(shù)可以在夜間谷電時(shí)段，通過制冰蓄冰儲(chǔ)存冷量；在日間尖峰電價(jià)時(shí)段將儲(chǔ)存的冰融化，為空調(diào)系統(tǒng)供冷，擺脫電價(jià)限制，獲得更好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以有效轉(zhuǎn)移夏季空調(diào)負(fù)荷，抑制其在高峰負(fù)荷上的疊加，有效緩解電網(wǎng)高峰期供應(yīng)緊缺的矛盾。冰蓄冷就是將水制成冰， 利用冰的相變潛熱進(jìn)行冷量的儲(chǔ)存。相比于水蓄冷、共晶鹽蓄冷和氣體水合物蓄冷技術(shù)，冰蓄冷系統(tǒng)由于具有蓄冷密度高、技術(shù)成熟度好和可以模塊化組裝的優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的研究關(guān)注和推廣應(yīng)用。

1" 內(nèi)融冰與外融冰技術(shù)

典型的盤管式冰蓄冷系統(tǒng)由制冷主機(jī)、制冷劑循環(huán)泵、蓄冰槽、換熱器、冷水循環(huán)泵及相應(yīng)的閥門組成，冰盤管浸沒于蓄冰槽中，蓄冰和融冰過程均在蓄冰槽內(nèi)完成。對(duì)于內(nèi)融冰系統(tǒng)和外融冰系統(tǒng)，蓄冰過程是一致的。夜間的谷電時(shí)段，制冷主機(jī)以制冰模式運(yùn)行。溫度約為-6 ℃的制冷劑在制冷劑循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)下，流入蓄冰槽內(nèi)的冰盤管，將冰盤管外部、蓄冰槽內(nèi)部溫度約10 ℃左右的冷水逐步冷卻，冰盤管外側(cè)的水逐漸形成冰層，冰層逐漸增厚，直至將蓄冰槽內(nèi)的水完全凍結(jié)或不完全凍結(jié)。

內(nèi)融冰與外融冰的融冰供冷運(yùn)行原理不同。內(nèi)融冰系統(tǒng)日間融冰供冷時(shí)，制冷主機(jī)停止運(yùn)行，制冷劑循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)約10 ℃的高溫制冷劑流入蓄冰槽內(nèi)的冰盤管，將盤管外側(cè)的冰層，由近及遠(yuǎn)逐步融化，制冷劑被冷卻為約2 ℃。來自用戶側(cè)約10 ℃的回流冷水由冷水循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，經(jīng)換熱器與2 ℃的低溫制冷劑間接換熱，冷卻后溫度約5 ℃的冷水為用戶提供冷量，內(nèi)融冰過程原理如圖1所示。

外融冰系統(tǒng)日間融冰供冷時(shí)，制冷主機(jī)和制冷劑循環(huán)泵均停止運(yùn)行。冷水循環(huán)泵啟動(dòng)，來自用戶側(cè)約10 ℃的回流冷水由冷水循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，直接流入蓄冰槽，與蓄冰槽中冰盤管外側(cè)0 ℃的冰層直接接觸換熱。由于冷水在蓄冰槽內(nèi)需要流動(dòng)，因此冰盤管外側(cè)的冰層之間需要留有間隙，不可連成冰橋。冷卻后溫度約1 ℃的冷水為用戶提供冷量，外融冰過程原理如圖2所示。 對(duì)比圖1和圖2可知，內(nèi)融冰的制冷劑與冰盤管外側(cè)的冰換熱時(shí)，盤管外側(cè)熱阻很大，原因在于盤管外側(cè)低溫冷水的導(dǎo)熱系數(shù)極低且自然對(duì)流微弱，取冷速率很低且不可控。外融冰雖然融冰最快且速率可控，但由于冷水流動(dòng)需要，必須在冰盤管外側(cè)的冰層之間留出足夠間隙，因此只能不完全凍結(jié)，蓄冷密度較低。

2" 內(nèi)外融冰結(jié)合系統(tǒng)

2.1" 系統(tǒng)組成

鑒于上述內(nèi)融冰取冷速率低且不可控、外融冰蓄冷密度低的現(xiàn)狀，本文提出一種內(nèi)外融冰結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

系統(tǒng)由基載主機(jī)、基載主機(jī)冷卻水泵、雙工況主機(jī)、雙工況主機(jī)冷卻水泵、板式換熱器、蓄冰槽、冷卻塔、乙二醇泵、冷水循環(huán)泵及相關(guān)的閥門組成。依據(jù)用冷負(fù)荷變化，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基載主機(jī)單獨(dú)供冷、蓄冰槽單獨(dú)供冷、基載主機(jī)與蓄冰槽聯(lián)合供冷以及基載主機(jī)聯(lián)合雙工況主機(jī)加蓄冰槽3級(jí)供冷等幾種典型供冷模式。夜間谷電時(shí)段執(zhí)行蓄冷運(yùn)行時(shí)，雙工況主機(jī)以制冰模式運(yùn)行。閥門E1、E2、E4和E5開啟，閥門E3、E6、E7和E8關(guān)閉。乙二醇水溶液經(jīng)雙工況主機(jī)冷卻后，流經(jīng)冰盤管，供回溫度分別為-6 ℃和-2 ℃，與蓄冰槽內(nèi)溫度為10 ℃的冷水間接換熱，可將蓄冰槽中的水完全凍結(jié)。該系統(tǒng)融冰模式結(jié)合供冷運(yùn)行模式在下文詳細(xì)介紹。

2.2" 運(yùn)行模式

2.2.1" 基載主機(jī)單獨(dú)供冷

當(dāng)夜間谷電時(shí)段仍有用冷需求，且用冷需求小于基載主機(jī)負(fù)荷，可選擇啟動(dòng)基載主機(jī)單獨(dú)供冷模式。與基載主機(jī)回路相關(guān)的閥門W1、W3開啟，W2、W4、W5、W6、W7、W8、W9和W10關(guān)閉。用戶回水直接經(jīng)過基載主機(jī)降溫，輸送至集中用戶。該模式的優(yōu)點(diǎn)是可以讓基載主機(jī)在低谷電價(jià)時(shí)段以較高的制冷效率運(yùn)行，獲得最佳經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2" 蓄冰槽單獨(dú)供冷模式

當(dāng)夜間仍有用冷需求，但尚未處于低谷電力時(shí)段，或日間尖峰電價(jià)時(shí)段用冷需求較小，可選擇啟動(dòng)蓄冰槽單獨(dú)供冷模式。供冷側(cè)冷水回路的閥門W2、W7、W8、W9和W10開啟，W1、W3、W4、W5、W6和W7關(guān)閉。乙二醇回路的閥門E3、E4、E6和E8開啟，E1、E2和E7關(guān)閉。乙二醇水溶液被乙二醇泵驅(qū)動(dòng)，經(jīng)閥門E3進(jìn)入蓄冰槽內(nèi)的冰盤管，以內(nèi)融冰的方式與冰盤管外側(cè)的冰層換熱，被冷卻后的低溫乙二醇水溶液經(jīng)閥門E6進(jìn)入板式換熱器，與來自用戶回水的冷水發(fā)生熱量交換，將冷水進(jìn)一步冷卻至5 ℃以下，返回用戶。與此同時(shí)，另一路用戶回水經(jīng)閥門W9進(jìn)入蓄冰槽，以外融冰的方式，與冰盤管外側(cè)的冰進(jìn)行熱量交換，然后經(jīng)閥門W10回到用戶。該模式運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)用冷負(fù)荷大小，以及蓄冰槽內(nèi)冰層凍結(jié)情況，采取內(nèi)融冰優(yōu)先、外融冰優(yōu)先或內(nèi)外融冰結(jié)合的模式。

2.2.3" 基載主機(jī)與蓄冰槽聯(lián)合供冷模式

當(dāng)夜間或日間用冷需求較大，單獨(dú)依靠基載主機(jī)或蓄冰槽無法滿足的情況下，可以選擇基載主機(jī)與蓄冰槽聯(lián)合供冷模式。該模式下，供冷側(cè)冷水回路的閥門W1、W2、W3、W7、W8、W9和W10開啟， W4、W5和W6關(guān)閉。乙二醇回路的閥門E3、E4、E6和E8開啟，E1、E2和E7關(guān)閉。一部分用戶回水直接經(jīng)過基載主機(jī)降溫，輸送至集中用戶。另一部分用戶回水參與蓄冰槽融冰，其運(yùn)行操作流程同蓄冰槽單獨(dú)供冷的融冰過程。

2.2.4" 基載主機(jī)聯(lián)合雙工況主機(jī)加蓄冰槽3級(jí)供冷模式

當(dāng)用戶冷負(fù)荷增加劇增，日間用冷需求極大，單獨(dú)依靠基載主機(jī)或蓄冰槽，以及二者聯(lián)合供冷均無法滿足用冷的情況下，可以選擇基載主機(jī)聯(lián)合雙工況主機(jī)加蓄冰槽3級(jí)供冷模式。該模式下，供冷側(cè)冷水回路的閥門W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8、W9和W10開啟，W3關(guān)閉。乙二醇回路的閥門E1、E2、E7和E8開啟，E3、E4、E5和E6關(guān)閉。雙工況主機(jī)以制冷模式運(yùn)行，約10 ℃的用戶回水經(jīng)基載主機(jī)冷卻至6 ℃，再經(jīng)閥門W4、W5、W8進(jìn)入板式換熱器，與來自雙工況主機(jī)的3 ℃低溫乙二醇換熱，冷水被冷卻至4 ℃，經(jīng)閥門W6、W9進(jìn)入蓄冰槽，以外融冰的方式與冰盤管外側(cè)的冰層換熱，降溫至2 ℃以下，返回用戶。該模式可以提供最大冷量和最低供冷溫度，但是運(yùn)行能耗較高。

3" "結(jié)束語(yǔ)

1）內(nèi)外融冰結(jié)合的盤管式冰蓄冷系統(tǒng)可以有效克服傳統(tǒng)內(nèi)融冰系統(tǒng)的取冷速率低下和外融冰系統(tǒng)蓄冷密度低的不足，將蓄冰系統(tǒng)的蓄冷密度和供冷能力方面達(dá)到最大，一定程度上可以緩解由于用戶冷量需求激增導(dǎo)致的設(shè)備擴(kuò)容壓力，節(jié)約設(shè)備投資。

2）內(nèi)外融冰結(jié)合的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略需要綜合用冷負(fù)荷大小，以及峰谷電價(jià)等因素做出優(yōu)化，合理選擇供冷模式，確保經(jīng)濟(jì)性最佳。

3）取冷速率和投資成本是制約冰蓄冷空調(diào)發(fā)展的主導(dǎo)因素。通過內(nèi)外融冰結(jié)合的方式可以極大地解決取冷速率提升的“瓶頸”。后續(xù)可以進(jìn)一步通過研發(fā)新型高分子盤管材料降低成本，解決腐蝕性問題，進(jìn)一步優(yōu)化蓄冰槽結(jié)構(gòu)和傳輸管路減小系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

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