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ICE STORAGE，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COOL STORAGE（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）STORAGE AIR CONDITIONING SYSTEM （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（ICE PACKING FACTOR），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IPF120-50%50-70%40-50%45%左右50-60%蓄冰率IPF230-60%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-Void Ratio.六、融冰能力   DISCHARGE CAPACITY        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  DISCHARGE EFFICIENCY        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  SUPER COOLING         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-0oC4-12oC温度变化范围12oC-7oC12oC水-0oC冰8oC液体-8oC固体单位重量蓄冷容量 （KJ/KG）20.938496单位体积蓄冷容量 （MJ/M3）（KWH/M3）（RTH/M3） 20.95.811.65 35598.6128.08 15342.512.10每1000RTH需蓄冷介质多少体积606M335.3M382.6M3         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，t=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（REFRIGERANT ICE-ON COIL）    外融冰系统（EXTERNAL MELT ICE-ON COIL STORAGE SYSTEMS）    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（TOTAL FREEZE-UP）        卤水静态储冰（GLYCOL STATIC ICE）            内融冰式（INTERNAL MELT ICE-ON-COIL STORAGE）         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mmDH无小时充水时1082A978215380.61.0188020833873773136037313551650501098A1159817380.61.0226117274824518112544594101650651170A17014525380.61.0226123666777021175067966211650652150A18615927380.61.0226125667647614189872127741650651190A19016228380.61.022612566705761418983771673165065  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67891067891067891015.6°C10°C8.9°C7.8°C1051029810610310010610410110610410110610410214914714414914814514914814614914914614914914616716416116716516216716516316716616316716616310.0°C7.2°C6.7°C5.6°C939084969389999592100979410098961371321241411381301451411351471431401471451411531481381581541451621581511641601561641621587.2°C4.4°C3.3°C2.2°C756860817567847972878376898580110102881181099812411610612812211313112411712311298132122110138130118143136126146139131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）600447298149潜热容量（冷吨时） 500375250125有效浸泡（换热）面积（平方米）728.7546.5363.4182.2总水量（估算值）（公升）19.53014.8959.4454.770总卤水量（估算值）（公升）1.060795530265最高运行温度（°C）38383838最大运行压力（kg/CM2）6.36.36.36.3保温断热效果（M2h°C/kcal）29.4829.4829.4829.48换热器盘管外径（cm）0.640.640.640.64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-24HXR-22HXR-20HXR-18HXR-16HXR-14HXR-12HXR-10盘管高度（米）3.663.363.052.752.442.141.831.53潜热容量（冷吨时）21.119.317.615.814.012.210.48.6有效浸泡（换热）面积（平方米）30.828.225.723.120.517.815.212.6总卤水量（估算值）（公升）4541383430262218每片重量（公斤）3834.931.829.126.322.618.915.7最高运行温度（°C）3838383838383838最大运行压力 (kg/CM2)6.36.36.36.36.36.36.36.3换热器盘管外径（cm）0.640.640.640.640.640.640.640.64槽内净高（含配管空间）（米）4.54.343.73.32.82.32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1202.5HXR-14非标换热器1402.8280型标准槽1202.5HXR-16非标换热器1203.3420型标准槽1202.5HXR-18非标换热器1103.7590型标准槽1202.5HXR-20非标换热器1004HXR-10非标换热器2002HXR-22非标换热器954.3HXR-12非标换热器1702.3HXR-24非标换热器904.55、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冰。此间，制冷机的工作状况受到监控，当离开制冷机的乙二醇达到最低出口温度时，制冷机即关闭。图2-8描述了制冷机在制冰周期分别为8、10、12小时制冷机口的乙二醇温度。对于一个典型的10小时制冰周期而言，乙二醇出口温度绝不低于22°F（-5.6°C）。如图所示，若制冰周期超过10小时，乙二醇极限温度要高于22°F；如果制冰期短于10小时，乙二醇极限温度将在制冰循环终点时低于22°F。这一性能是建立在5°F温差的制冷机流量基础上的，当所选制冷机温差更大时，其乙二醇出口温度将比图2-8所示要低。           图2-8   制冷机出口温度表2-7  BAC内融冰式蓄冰槽性能表型号TSU-237MTSU-476MTSU-594MTSU-761M蓄冰潜热容量（RTH）237476594761净重（KG）44207590915010990工作重量（KG）17730335304220051610冰槽水容量（L）11320221102825034640盘管内乙二醇容量（L）985187523203600接管尺寸（mm）50757575尺寸（mm）W2400240029803600L3240605060506050A220248248248B540540685689C298298350600D7247249101022我国中央电视台、上海浦东国际儿童医疗中心、杭州市建设银行办公大楼等蓄冰空调工程中采用。6、北京清华人工环境工程公司生产RH-ICU系列盘管式冰蓄冷设备。我国唐山市百货大楼、杭州虹桥饭店、清华智能楼等蓄冰空调工程中采用。四、制冰滑落式（DYNAMIC ICE-MAKER）    制冰机（ICE HARVESTER）系统    动态制冰机（DYNAMIC ICE MAKER）系统（DYNAMIC ICE-HARVESTER）图2-9   制冰滑落式系统原理图       该系统的基本组成是以制冰机作为制冷设备，以保温的槽体作为蓄冷设备，制冰机安装在蓄冰槽的上方，在若干块平行板内通入制冷剂作为蒸发器。循环水泵不断将蓄冰槽中的水抽出至蒸发器的上方喷洒而下，而冰冷的板状蒸发器表面，结成一层薄冰，待冰达到一定厚度（一般在3-6. 5mm 之间）时，制冰设备中的四通阀切换，压缩机的排气直接进入蒸发器而加热板面，使冰脱落。“结冰”，“取冰”反复进行，蓄冰槽的蓄冰率为40-50%。不适合于大、中型系统。其系统原理图见图2-9。    代表性厂家有美国的Turbo.Morris和Paul Mueller。五、冰球式（Ice Ball）    容器式（Encapsulated Ice）    此种类型目前有多种形式，即冰球，冰板和蕊心褶囊冰球。冰球又分为园形冰球，表面有多处凹涡冰球和齿形冰球。    （1）冰球式以法国CRISTOPIA为代表，蓄冰球外壳有高密度聚合烯烃材料制成，内注以具高凝固-融化潜热的蓄能溶液。其相变温度为0°C，分为直径77mm（S型）和95mm（C型）两种。以外径95mm冰球为例，其换热表面积为28.2ft2/RTH(0.75m2/KWH），每立方米空间可堆放1300个冰球；外径77mm冰球每立方米空间可堆放2550个冰球。冰球结构图见图2-10。冰球的性能参数见表2-8。图2-10   冰球结构图表2-8   冰球的性能参数表冰球类型相变温度°C潜热QLkwh/m3显热固体Qsskwh/°C.m3显热液体Qslkwh/°C.m3储冷液凝点Kverkw/°C.m3储冷液融点Kvfukw/°C.m3冰球重量KgLD50毒性值mg/kga工作温度范围°Csn.33-3344.60.71.081.62.27242.600sn.29-28.939.30.81.151.62.26811.200sn.26-26.247.60.851.21.62.27041.200sn.21-21.339.40.71.091.62.26531.300sn.18-18.347.50.91.241.62.27062.700-40°Csn.15-15.446.40.71.121.62.26028.400sn.12-11.747.70.751.091.62.26205.000asn.10-10.449.90.71.071.62.261711.000sn.06-5.544.60.751.11.62.262518.000+60°Csn.03-2.648.30.81.21.62.259258.000s.00048.40.71.11.62.255885.000°C048.40.71.11.151.8556085.000s.27+2744.50.861.041.62.28672.500  注：(1)表内以蓄冷罐体积为1m3；(2)a：符合1991年5月12日O.E.C.D（经济合作和发展组织）会议的标准； (3)LD50：为一种口服毒性物质。根据实验，当给不同的动物口服按其体重所调配而得的不同剂量的LD50，约50%的动物死亡。     我国杭州市交通银行金融大厦、天津电力医院、武汉邮电宾馆、北京海淀新科技大厦等蓄冰空调工程中采用。     法国西亚特热力应用工业公司与浙江杭佳制冷设备安装有限公司合资建立杭州西亚特制冷设备有限公司（中法合资）生产0°C相变蓄冰球，于1999年3月18日正式开工生产，第一期工程生产能力为2000m3/年。    （2）表面存在多处凹涡的冰球以美国CRYOGEL为代表，当结冰体积膨胀时凹处外凸成平滑园球型，使用时自然堆垒方式安装于一园桶型密闭式压力钢桶槽内，以避免结冰后体积膨胀，比重降低而漂浮，以防止二次冷媒形成短路。    （3）冰板式以美国 Reaction 公司为代表，冰板的大小为812*304*44.5mm，由高密度聚乙烯制成，板中充注入去离子水。其换热表面积为25ft2/RTH(0.66m2/KWH）。    （4）浙江吉佳机电设备有限公司研制生产板状蓄冰块。    （5）北京西冷工程公司生产的齿球式冰球，其外径有100mm和70mm两种，内装95%的去离子水和5%的添加剂。     我国北京日报社、北京和平里医院等蓄就空调工程中采用。    （6）蕊心冰球为台湾产品，蕊心褶囊由高弹性高强度聚乙烯制成，褶皱利于冻结和融冰时内部水体积变化而产生的膨胀和收缩，同时两侧设有中空金属蕊心。一方面增强热交换，另一方面起配重作用，在槽体内结冰后不会浮起。杭州华源人工环境工程公司改进和生产的双金属芯冰球结构图见图2-11。图2-11    双金属芯冰球结构图我国杭州景福百货大楼、北京国际会议中心等蓄冰空调工程中采用。       （7）杭州三泰能源工程有限公司生产Ø94mm，CTI-58型蓄冷球。       （8）日本富士机电工事株式会社生产表面有14处凹涡的冰球。六、优态盐（Eutectic Salt）    Eutectic Salt 亦称为Salt  Hydrates，一般认作共晶盐，取其译音为优态盐。优态盐以美国Transphanse公司为代表，优态盐是一种由无机盐（Inorganic Salts），即硫酸钠无化合物（Sodium Sulfate Decahydrate）为主要成份，以及水和添加剂调配而成的混合物，充注在高密度聚乙烯板式容器内。    优态盐具有以下特点：   （1）不过冷（Supercool），即准确地在冻结点结晶。   （2）不层化（Separte），通常优态盐在过饱和状态溶解时，一部分的无机盐会沉淀在容器底部，而相对的使一部分液体浮在容器的上方，此称谓“层化现象”。层化现象若不予抑止，将公使优态盐在经过最初的几千次相态变化之后，损失近40%的溶解热亦即其储冷容量仅剩下60%左右。影响层化的因素很多，例如，盛装优态盐所用容器的厚度，优态盐的种类以及核化的方法等。Transphase优态盐采用特殊的浓化方法（Thickening）与独特的优态盐容器设计，完全防止层化现象发生。    优态盐（或称谓高温相变材料）以其理论上可以在任何温度进行相态变化的特点，非常适合蓄冷式中央空调系统之应用。但是，实际上常面临极高的技术层面，以及其可靠性、稳定性、经济性、耐久性等要求时，适合空调应用的优态盐配方及设备并不多见。虽然如此，高温相变材料的蓄冷式中央空调系统是值得我们重视的。    空调用优态盐设备按其使用条件，必须附和以下要求：（1）没有毒性；（2）具有不可燃性；（3）完全为无机物，不产生气体；（4）相态变化过程中优态盐比容不变，不使其盛装容器因为反复涨缩而材质衰退破裂；（5）潜热蓄存量不衰减。     北京台佳机构推出的高温相变蓄冷器，有球式和板式两种。七、冰晶或冰泥（Crystal  Ice  or  Ice   Slurry）    该系统是将低浓度卤水溶液（通常是水和乙二醇）经冷却至冻结点温度产生千千万万个非常细小均匀的冰晶，其直径约为100µm的冰粒与水的混合物，类似一种泥浆状的液冰，可以用泵输送。   （1）美国Paul Mueller公司的Maxim ICE 液冰蓄冷系统是由Mueller专利设计的行星转杆壳管式蒸发器、冷凝机组和贮冰槽组成。其系统组成见图2-12。图2-12  MaximICE   系统组成我国北京嘉里中心的蓄冰空调工程中采用     （2）德国INTEGRAL ENERGIETECHNIK GMBH亦生产BINARY-ICE （亦称二元冰机组-即液冰机组）。     （3）加拿大SUNWELL公司生产冰晶式蓄冷装置。     （4）北京低温设备厂亦研制出冰晶机。八、评价蓄冷设备的几点看法        1、制冷系统的蒸发温度        蓄冷空调系统特别是冰蓄冷式空调系统在蓄冷过程中，一般会造成制冷机组的蒸发温度的降低。理论上说蒸发温度每降低 l，制冷机组的平均耗电率增加 3。因此在配置系统，选择蓄冷设备时应尽可能地提高制冷机组的蒸发温度。    对于冰蓄冷系统，影响制冷机组的蒸发温度的主要因素是结冰厚度，制冰厚度越薄，蓄冷时所需制冷机组的蒸发温度较高，耗电量较少；但是制冰厚度太薄，则蓄冰设备盘管换热面积增加，槽体体积加大，因此一般应考虑经济厚度来控制制冷系统的蒸发温度。        2、名义蓄冷量与净可利用蓄冷量    名义蓄冷量是指由蓄冷设备生产厂商所定义的蓄冷设备的理论蓄冷量（一般比净可用蓄冷量大）。    净可利用蓄冷量是指在一给定的蓄冷和释冷循环过程中，蓄冷设备在等于或小于可用供冷温度时所能提供的最大实际蓄冷量。    净可利用蓄冷量占名义蓄冷量的百分比例值是衡量蓄冷设备的一个重要指标，此比例值越大，则蓄冷设备的使用率越高，当然此数值受蓄冷系统很多因素的影响，如蓄冷系统的配置，设备的进出口温度等。对于冰蓄冷系统此数值可近似为融冰率     例如水蓄冷式系统，其净可利用蓄冷量占名义蓄冷量的百分比例值的大小，即蓄存效率，主要取决于槽体分布管的设计、操作流程、内部传热损失及楷体四周外表面的传热损失等。一般对于设计良好的系统，尤其糟体表面积与体积比值低的大型蓄冷水槽（如分层式），其蓄存损失不大，其净可利用蓄冷量占名义蓄冷量的百分比值主要取决于布水器的设计和系统的运转方式。很多系统可以在最多高于平均蓄冷温度比时将90的冷水抽出利用，为了能达到这一目的，布水器的设计必须满足释冷和蓄冷过程中，特别是释冷过程，调整整个槽体温度的梯度的高度，以降低温水与冷水的混合，减少可利用蓄冷量的损失。通常将蓄冷水槽作成迷宫式、隔膜式、多槽式、分层式四种方法来避免死水空间及混水现象，提高蓄存效率。    3、制冰率与融冰率    目前制冰率（IPF）有两种定义，一是指对于冰蓄冷式系统中，当完成一个蓄冷循环时，蓄冰容器内水量中冰所占的比例另一个是指蓄冰槽内制冰容积与蓄冰槽容积之比。    而融冰率是指在完成一个融冰释冷循环后，蓄冰容器内融化的冰占总结冰量的百分比。    制冰率与融冰率这两个概念是冰蓄冷式系统中评价蓄冰设备的两个非常重要数值。对于优态盐式系统中也存在这两个概念，只是蓄冷介质不同而已。通常对于同种蓄冷设备在相同条件下，其制冰率和融冰率越高越好。    融冰率与系统的配置有关，对于串联式制冷机组下游的系统，蓄冷设备的融冰率较高；反之，则较低。而并联系统的融冰率界于两者之间。    4、蓄冷特性与释冷特性    通常蓄冷系统的蓄冷温度取决于蓄冷速率和这一时间蓄冷槽体的状态特性，对于外融冰式系统是指内管壁的结冰量。对于蓄冷时间短的蓄冰系统，一般需要较高的蓄冷速率，即指较低的（平均）蓄冷温度蓄冷；反之，蓄冷速率慢，蓄冷温度较高。一般情况下蓄冷设备生产厂商都可以提供各种蓄冷速率下最低蓄冷温度值。    对于蓄冷设备如容器式、优态盐式，在蓄冷过程的初期会产生过冷现象，过冷现象仅发生在蓄冷设备已完成释冷，内无一点余冰时，其结果是降低了蓄冷开始阶段的换热速率。过冷现象可以通过添加起成核作用的试剂来削减其过冷度值。据国外资料介绍，某种专利成核剂可限制过冷度在-3-2之间。    对于蓄冰式系统，在释冷循环过程中，若释冷温度保持不变，则释冷量会逐渐减少；或当释冷速率保持恒定时，释冷温度会逐渐上升。这对于完全冻结式，容器式蓄冷设备表现特别明显，这是由于盘管外和冰球内的冰在大部分是隔着一层水进行热交换融冰，同时换热面积是在动态变化；而对于制冰滑落式，冷媒盘管式蓄冷设备，温水与冰直接接触融冰，释冷温度相对保持稳定。    实际上，蓄冷设备很少保持释冷速率恒定不变，实际释冷速率取决于空调负荷曲线图，特别是最后几个小时的空调负荷值最为重要，这决定了释冷循最高释冷温度值。    因此，对于同种类型的蓄冷设备，哪一种在实际释冷速率条件下，保持恒定释冷温度的时间越长，哪一种设备的性能越好。    由此可见，提高蓄冷设备（蓄冷水式除外）性能的最主要的项目是换热效果，即整个蓄冷和释冷循环过程中的换热效果。    制冷机组，蓄冷设备与末端装置三者之间的输人输出特性是相互影响的，确定制冷机组，蓄冷设备和末端装置的大小主要取决于最低蓄冷温度，最高释冷温度与最高使用温度（冷冻水）的大小最低蓄冷温度值越低则制冷系统的蒸发温度也越低，不利于制冷机组的运行，机组的耗电率较高。最高释冷温度越高，蓄冷设备容量越小，但使用温度（冷冻水）越高，所需末端装置的换热效果越差；反之，最高释冷温度越低，蓄冷设备容量越大，但使用温度（冷冻水）越低，所需末端装置的换热效果越好。因此，应合理地选择蓄冷设备的蓄冷温度和释冷温度，特别最低蓄冷温度和最高释冷温度。    5、占用空间小，安装灵活    蓄冷设备的占用空间是业主与设计者应重点考虑的项目，特别是高楼林立的都市地区，寸士即寸金，有时为增加停车位，而放弃采用蓄冷空调系统，因此蓄冷设备的单位可利用蓄冷量所占用体积或面积是衡量蓄冷设备的一项重要指标，应优先考虑占用空间少，布置位置灵活的蓄冷设备。    国外很多蓄冷设备生产厂如 CALMAC、 FAFCO、 BAC等均有自己标准蓄冰装置，以利于运输、吊装及安装，在空间受限制时，可并排或上下重叠紧密设置，安装位置不受限制，室内室外均可，根据不同情况，可以将蓄冰设备安装在屋顶，机房内，必要时也可埋地设置。如 FAFCO设有多种非标型蓄冰设备，可适应不同高度的要求，如将蓄冰盘管设在建筑物的筏基或混凝土槽内，还可现场组装，增大了使用的灵活性    通常槽体一般设计成矩形或圆柱形。对于制冰滑落式蓄冰槽体尺寸大小影响着蓄冷量，设计时应特别引起注意。    另外，蓄冷设备所需的辅助设备（如泵、换热器等）占用空间也是应考虑的，整个蓄冷系统占用空间越少，越有利    6、热损失    在设计蓄冷槽体时应注意：槽体必须有足够的强度克服水，冰水混合物或其它冷媒体的静压，槽体应作防腐防水处理，同时应防止水的蒸发。对于埋地式蓄冷槽，槽体还须承受泥土和地表水对槽体四周的压力。    蓄冷槽体一般每天有l5的能量损失，其数值大小取决于槽体的面积、传热系数和槽体内外温差。对于埋地式蓄冷槽设计时必须考虑其冷损失，通常换热系数取05819W M2K。槽体材料可选用钢结构、混凝土、玻璃钢或塑料。    而对于设置于室外或屋顶上的蓄冷设备，受太阳辐射热的影响较大，应详细计算其冷损失，建议蓄冷设备外表面为白色或加反射覆盖物，以减少太阳辐射热的影响。    7、安全性，可靠性    蓄冷空调系统，主要应用于商用大楼，特别是都市人口稠密的地区，其系统首先应考虑安全性。    通常蓄冷设备的维修量很小，如内融冰式、容器式、优态盐式等但对于冷媒盘管式系统，由于制冷剂在蓄冷设备内直接蒸发，蒸发面积很大，制冷剂需求量也很多，蓄冷设备的安全性与可靠性是十分重要的。而对于制冰滑落式，冰晶式蓄冷设备的机构维修问题应予以重视。    对于冷媒盘管式蓄冷设备应增设结冰厚度控制器来避免冰桥现象    8、使用寿命    通常常规空调系统的使用寿命 1525年，同样对于蓄冷设备的使用寿命也应加以限制，一般最少应有15年以上的使用寿命，以保证设备的可靠性。    例如，对于优态盐式系统，其使用寿命周期应在相变次数3000次以上仍保持系统原有的名义蓄冷量和净可利用蓄冷量。    9、经济性    蓄冷空调系统无论是采用部分蓄冷还是全部蓄冷，其初期投资通常均比常规空调系统高，这就要求设计者应正确掌握建筑物空调负荷的时间变化特性，确定合理的蓄冷设备及其系统配置，制定系统的运转策略，准确地作出经济分析，以便投资者可以在短时间里以节省电费的形式收回多出的投资一般情况下，在一个已设计好的蓄冷系统中可以以单位可利用蓄冷量所需的费用来衡量蓄冷设备。另外，蓄冷系统的配置也影响蓄冷设备的大小。    例如制冰滑落式系统，其制冰设备较贵，而蓄冰设备的造价较低，因此为了降低初投资，采用大蓄冷量小制冷量的配比是合适的。对于每周一次的蓄冷循环的场所，特别适用于制冰滑落式系统。  第三讲  蓄冷式空调系统设计一、蓄冷系统设计的一般原则1、蓄冷空调系统一般由制冷设备，蓄冷设备(或蓄水池),辅助设备及设备之间的连接,调节控制等部件组成,由此可见,蓄冷设备只是蓄冷空调系统的一部分,制冷机组也不过是对等的一部分,单有优良的蓄冷设备和制冷设备并不足以构成一个成功的蓄冷空调系统,蓄冷系统设计种类多种多样,无论采用哪一种形式,其最终的目的是为建筑物提供一个舒适的环境,另外系统还应达到能源最佳使用效率,节省运转电费,为用户提供一个安全可靠耐用的蓄冷空调系统。2、蓄冷空调系统应根据设计日空调负荷及所选择蓄冷设备的特性进行设计。无论哪一种系统都应满足以下四过程，即系统四个基本运转模式：（1）制冷机组蓄冷过程（有时需同时供冷）。（2）制冷机组供冷过程。（3）蓄冷设备释冷过程。（4）制冷机组与蓄冷设备同时供冷释冷过程。很多建筑物，在夜间仍需少量供冷，此时系统可采用加基载主机法或“分流法”。加基载主机为在冷冻水系统中增设常规空调冷水机组；“分流法”是指在蓄冷过程中将一部分低温二次冷媒分流到换热器所得的冷水供到空调末端使用。3、为便于操作管理，系统流程应尽可能简单，电动控制阀门不宜过多。对于大、中型蓄冷空调、系统宜采用二次冷媒系统即卤水系统。由于卤水的物理特性，卤水系统应设计紧凑，且系统管路不宜过长。4、通过运行策略的控制，系统应充分利用低价的夜间电，充分发挥系统的运行效益。5、蓄冷空调系统设计可按以下步骤进行（1）设计者需掌握的基本资料：当地电价政策、建筑物的类型及使用功能、可利用空间（设置蓄水设备）等。（2）确定建筑物设计日的空调逐时冷负荷（3）选择蓄水设备的形式（4）确定蓄冷系统模式和运行控制策略（5）确定制冷机组和蓄冷设备的容量（6）选择其它配套设备（7）编制蓄冷周期逐时运行图（8）经济分析与常规空调相比只算（计算）出投资回收期6、通常蓄冷系统是采用全部蓄冷还是部分蓄冷可根据建筑物设计日空调负荷分布曲线图来确定。原则上说，对于设计日尖峰负荷远大于平均负荷，则系统宜采用全部蓄冷；反之，对于设计日尖峰负荷与平均负荷相差不大时，宜采用部分蓄冷。全部蓄冷式系统的投资较高，占地面积较大，除个别建筑物外，一般不宜采用；而部分蓄冷式系统的初期投资与常规空调系统相差不大。7、蓄冷循环周期可分为每日，每周或其它等几种，应根据建筑物和使用特性和设计日空调负荷分布图来确定。一般的蓄冷系统循环周期为每日循环。二、确定设计日的空调冷负荷设计日负荷是指每日24小时的逐时冷负荷。常规空调系统是依据峰值冷负荷选择冷水机组和空调设备；而蓄冷空调系统则是需要根据建筑物设计日的总冷负荷（单位为：千瓦时KWH或冷吨小时RTH）、蓄冷模式（全部蓄冷或部分蓄冷）和运行控制策略（主机优先或蓄冷优先）设计。因此，设计蓄冷空调系统时，应能比较准确地提供建筑物设计日的逐时负荷图。典型设计日的逐时负荷应根据典型日逐时气象数据、建筑围护结构、人流、内部热源设备以及运行制度，采用动态负荷计算法计算。其中关键是人流、内部设备、新风量等随机负荷的计算需要大量的统计数据。空调负荷计算可见其它暖通空调设计手册。本章仅介绍系数法。表3-1时间写字楼宾馆商场餐厅咖啡厅夜总会保龄球10.1620.1630.2540.2550.2560.5070.310.5980.430.670.400.340.3290.700.670.500.400.37100.890.750.760.540.480.30110.910.850.800.720.700.38120.860.900.880.910.860.400.48130.861.000.941.000.970.400.62140.891.000.960.981.000.400.76151.000.921.000.861.000.410.80161.000.840.960.720.960.470.84170.900.840.850.620.870.600.84180.570.740.800.610.810.76