冰蓄冷中央空调系统

冰蓄冷中央空调系统冰蓄冷中央空调系统 摘摘 要要 本文在分析了目前为解决峰谷用电量差应运而生的冰蓄冷中央空调系统 对其原 理 分类 优缺点 效益等方面做了简要介绍 并在此基础上 说明了评价冰蓄冷系统的 一系列指标 如冰蓄冷系统的蒸发温度 制冷率与融冰率 热损失 安全性与可靠性等 此外 介绍了国外的冰蓄冷系统的技术发展趋势及特点 另外 对于国内冰蓄冷系统发展 面临的问题也做了总结以及一些可行的建议 关键词关键词 冰蓄冷 移峰填谷 蓄能 Ice Thermal Storage Center Air Conditioning System Abstract This paper analyses the ice thermal storage center air conditioning system for solving the problem of the peak and valley of electricity and introduces the the principle advantages and disadvantages classification benefits and so on Furthermore the paper also explains a series of index that evaluate the ice thermal storage center air conditioning system such as the evaporation temperature the refrigeration rate and thaw rate the heat loss the security and reliability and so on In addition it shows the technology trends and characteristics of the ice thermal storage center air conditioning system abroad and puts forward some suggestions of how to do in our country when we popularize the ice thermal storage center air conditioning system Key words The ice storage technology Peak load shaving Energy storage 引言引言 众所周知 夏季用电紧张 时常导致拉闸限电的事情发生 到了夏季 随着空调用电 的加大 让城市电力系统峰谷差急剧放大 电网负荷明显加大 中科院广州能源研究所博 士冯自平称 电力紧张有很大一部分是由峰谷差造成的 峰谷差造成浪费几乎是 天文数 字 在我国电力结构中 空调是造成电力负荷峰谷差的主要因素之一 综合全天的电量供应 其实电力紧张只出现在用电高峰时段 用电低谷期发电能力富 裕的电量却往往因得不到有效利用而被白白消耗掉 造成巨大的能源浪费 特别在夏季高 温期间 电力供需矛盾突出 重点是空调负荷呈现出 爆发性 增长 这种增长与气温密 切相关 夏天电力出现缺口的时段主要集中在上午 9 时至 11 时 下午 1 时至 3 时和晚上 6 时 30 分至 8 时 30 分 夜间及凌晨为用电低谷期 在用电高峰期 由于负荷增加较大 与 低谷形成峰谷差 据有关报道 去年广东空调的负荷绝对值就已超过 1000 万千瓦 而空调 开启带来的负荷占总用电负荷已经达到 35 以上 空调用电不仅增加了高峰负荷 而且加 大了电网的峰谷差 我国的电力工业发展很快 96 年发电装机容量已达到世界第 2 位 到 97 年底全国发 电装机容量达 2 5 亿千瓦 2004 年装机容量达到 4 4 亿千瓦 预计 2005 年要突破 5 亿千 瓦 仅比美国装机容量少 3 亿千瓦左右 但是 尽管如此 我国的电力供应仍日益紧缺 尤其是高峰不足与低谷过剩的矛盾日益突出 如果全靠新建电厂来满足尖峰需求 则势必 造成电厂及输配电设备投资的浪费 使国家经济遭受损失 如 1997 年每千瓦装机容量所产 生的国民经济总产值为 28800 元 而到 2004 年则降为 27300 元 随着未来几年新建电厂的 陆续投产 此现象将更加突出 这样不能充分利用廉价环保能源 与建设节约型社会的要 求不相符合 如果采用需求侧调控的方法 如空调的冰蓄冷等可以将用电时间移至非高峰 期 起到 移峰填谷 的作用 以上海市为例 历史最高用电负荷为 1668 2 万千瓦 而同 日的最低用电负荷为 1050 万千瓦 其中空调用电约占 45 同使用常规空调相比 冰蓄冷 空调有 25 左右的移峰能力 理论上可转移 11 的高峰负荷到低谷 冰蓄冷中央空调技术是转移高峰电力 开发低谷用电 优化资源配置 保护生态环境 的一项重要技术措施 符合中国的长期国策 1 1 冰蓄冷空调简介冰蓄冷空调简介 1 11 1 冰蓄冷空调的原理冰蓄冷空调的原理 冰蓄冷空调技术的原理即是在电力负荷很低的离峰时段或称用电低谷期启动压缩机运 转 采用制冷机冷却冰水制冰 利用制冷介质的显热或潜热特性 用一定方式将冷量存储 起来 在电力负荷较高的白天 也就是用电高峰期 需要使用空调 而又不适宜运转冷气 机组的时间 即可让夜间所储存的冰溶化 吸收空调冰水的热量 把储存的冷量释放出来 达到冰水冷却的效果 如此即可将白天尖峰时段的冷气用电需量 转移至夜间离峰时段 以满足建筑物空调或工艺技术的需要 冰蓄冷实际上是对能源的一种储备 在用电低谷 电价较低 或中央空调不需要工 作 时开始制冰 蓄存冷量 而在用电高峰 电价较高 中央空调需要工作 时停止制冰 同时依靠冰的融化来制冷 从而完成能源利用在时间上的转移 节省运行费用 降低运行 成本 1 21 2 冰蓄冷空调的系统构成图冰蓄冷空调的系统构成图 图 1 冰蓄冷系统构成图 冰蓄冷空调系统一般由制冷机组 蓄冷设备 或蓄水池 辅助设备以及调节控制装 置等组成 冰蓄冷空调系统设计种类多种多样 无论采用哪种形式 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的冰蓄冷空调系统 1 31 3 冰蓄冷空调系统的分类冰蓄冷空调系统的分类 按冷源分类 冷媒液 盐水等 循环 制冷剂直接膨胀式 按制冰形态分类 静态型 在换热器上结冰与融冰 最常用的为浸水盘管式外制冰 内融方式 动态型 将生成的冰连续或间断地剥离 最常用的是在若干平行板内通以冷 媒 在板面上喷水并使其结冰 待冰层达到适当厚度 再加热板面 使冰片剥离 提高了 蒸发温度和制冷机性能系数 按冷水输送方式分类 二次侧冷水输送方式为冰蓄冷槽与二次侧热媒相通 一 次侧与二次侧相通的盐水输送方式 按装置组成分类 现场安装型 适用于大型建筑物 机组型 将制冷机与冰蓄 冷槽等组合成机组 由工厂生产 适用于中小型建筑物 1 41 4 冰蓄冷空调的优缺点冰蓄冷空调的优缺点 1 4 1 冰蓄冷空调的优点 可以转移制冷机组的用电时间 起到了转移用电高峰期用电负荷的作用 空调蓄冷系统的制冷设备容量和装置的功率小于常规空调系统 一般可减少 30 50 断电时利用一般功率发电机仍可保持室内空调的运行 可以快速达到制冷效果 降低噪乱冷水流量与循环风减少 即减少空调机组运行时运转振动及噪音的降低 实用寿命比普通空调长 空调蓄冷系统中制冷设备满负荷运行的比例增大 状态稳定 提高可设备利用率 1 4 2 冰蓄冷空调的缺点 对于冰蓄冷系统 其运行效率将降低 增加了蓄冷设备费用及其占用的空间 增加水管和风管的保温费用 冰蓄冷空调系统的制冷主机性能系数 COP 要下降 1 51 5 蓄冰流程选择蓄冰流程选择 蓄冰空调系统在运行过程中制冷机可有两种运行工况 即蓄冰工况和放冷工况 在蓄 冰工况时 经制冷机冷却的低温乙二醇溶液进入蓄冰槽的蓄冰换热器内 将蓄冰槽内静止 的水冷却并冻结成冰 当蓄冰过程完成时 整个蓄冰设备的水将基本完全冻结 融冰时 经板式换热器换热后的系统回流温热乙二醇溶液进入蓄冰换热器 将乙二醇溶液温度降低 再送回负荷端满足空调冷负荷的需要 乙二醇溶液系统的流程有两种 并联流程和串联流程 参见图 2 并联流程 这种流程中制冷机与蓄冰罐在系统中处于并联位置 当最大负荷时 可以 联合供冷 同时该流程可以蓄冷 蓄冷并供冷 单溶冰供冷 冷机直接供冷等 串联流程 即制冷机与蓄冰罐在流程中处于串联位置 以一套循环泵维持系统内的流 量与压力 供应空调所需的基本负荷 串联流程配置适当自控 也可实现各种工况的 切换 a 并联流程 b 串联流程 图 2 蓄冷流程图 一般来说 串联系统中多采用 制冷机上游 的方式 此时 制冷机的进水温度较高 有利于制冷机的高效率与节电运行 制冷机下游 的方式冰蓄冷贮槽可以按照较高的释 冷温度来确定容量 冰蓄冷贮槽的体积要小 制冷机的出水温度低 制冷机的效率相应较 低 但制冷机与冰蓄冷贮槽的费用较 制冷机上游 要低 并联系统则是最常见的系统 系统操作运行简单方便 在发挥制冷机与蓄冰罐的放冷能力方面均衡性较好 夜间蓄冷时 只需开启功率较小的初级泵运行 蓄冷时更节能 运行灵活 串联流程系统较简单 放冷 恒定 适合于较小的工程和大温差供冷系统 1 6 1 6 冰蓄冷空调的效益冰蓄冷空调的效益 1 6 1 宏观效益 转移电力高峰用电量 平衡电网峰谷差 减少新建电厂投资 减少环境污染 有利于生态平衡 充分利用有限的不可再生资源 1 6 2 微观效益 减少主机装机容量和功率可达 30 50 相应减少冷却塔的装机容量和功率 设备满负荷运行比例增大 可充分提高设备利用率 减少一次电力投资费用 包括电贴费 变压器 配电柜等 利用分时电价 可节省大量的运行费用 可作为应急冷源 停电时可利用自备电力启动 水泵融冰供冷 2 2 评价冰蓄冷系统的几个指标评价冰蓄冷系统的几个指标 2 1 制冷系统的蒸发温度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 2 名义蓄冷量与净可利用蓄冷量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 2 3 制冰率与融冰率制冰率与融冰率 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 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 2 4 冷特性与释冷特性冷特性与释冷特性 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 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 2 5 占用空间 安装灵活占用空间 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 2 6 热损失热损失 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 l 5 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 0 58 1 9W M2 K 槽体材料可选用钢结构 混凝土 玻璃钢 或塑料 2 7 安全性 可靠性安全性 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 2 8 使用寿命使用寿命 通常常规空调系统的使用寿命 15 25 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 2 9 经济性经济性 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 3 3 国际冰蓄冷技术发展趋势及特点国际冰蓄冷技术发展趋势及特点 冰蓄冷技术是上世纪 80 年代从国外首先发展起来的高效节能技术 由于全球性能源危 机 再加之美国 日本和欧洲一些工业发达国家夏季的电负荷增长和峰谷差拉大的速度惊 人 发电站夜间低负荷下低效率运转 1979 年美国率先编写并出版了 建筑物非峰值期降 温导则 当时 工程技术人员开始试验性地把冰蓄冷技术引入集中式空调系统 其后开始 大面积推广应用冰蓄冷技术 到上世纪 90 年代美国已有 40 多家电力公司制定了分时计费 电价 从事蓄冷系统开发及冰蓄冷专用制冷机开发的公司多达数十家 欧洲 日本等经济 发达国家以及我国的台湾地区也在上世纪 80 年代开始了蓄冷技术的应用研究 目前 实际 用于工程项目的冰蓄冷空调系统愈来愈多 根据国外冰蓄冷系统的发展 综合起来有以下几个特点 发展速度快 就拿日本为例 在 1990 年只有 200 个左右的冰蓄冷系统 到 2002 年已多达 1 万多个 大型蓄冷空调系统 而与商用空调相结合的小型冰蓄冷系统已超过 10 万多个 电网低谷电 约有 45 被加以利用 形成区域性蓄冷和供冷 蓄冷空调系统发展迅速 规模愈未愈大 形成了区域性蓄冷和供冷系统 如美国芝加 哥市的一个冰蓄冷系统 蓄冰槽宽 35 m 长 28 m 高 10 m 共分 6 层设置 容积达 9 800 m3 采用美国 BAC 公司的冰盘管式 管子总长达 700 多 km 蓄冷能力 125 000 RT h 移 峰能力 29762 kW 按 6 h 高峰用电 另一个例子是日本横滨市 MINATO MIRAI1 区域冰蓄装 置 蓄冰槽是 2 个直径为 7 3 m 高为 28 15 m 的园桶组成 容积 2 472 m3 里面装有直 径为 77 mm 的冰球 1188 万个 蓄冷量达 79000 RT h 对电网移峰能力为 17556 kW 按每 天 6 h 高峰用电 详见图 3 图 3 日本横浜市区域冰蓄冷装置 多方投资 多方受益 国际上一些发达国家的蓄冷空调系统 或区域性蓄冷装置 一般都由当地政府 电力 部门 投资方 设备生产商共同投资 这样可使多方得益 如电力部门可把低谷电卖出去 减少政府对新建电厂的投资 减小环境污染 合理充分利用能源 使电厂能在高效率条件 下运行 其他投资商还可以从中得到投资后的回报 以日本横滨市 MM21 区域蓄冷装置为例 可以详细看出各单位的投资情况 详见表 1 日本横滨市政府投资 4 为 120 百万日元 而东京电力部门投资 19 5 共 585 百万日 元 三菱地所投资 29 22 共 876 3 百万日元 打破了由独家公司投资的情况 值得 借鉴 4 4 国内冰蓄冷系统发展面临的问题国内冰蓄冷系统发展面临的问题 冰蓄冷空调在国外发展的不错 但是在我国的发展速度却非常缓慢 其实 我国早在 十几年前就引入冰蓄冷系统 主要应用于较大规模的工厂 商场 酒店 医院 办公楼等 深圳电子科技大厦在 1993 年率先在全国安装使用起冰蓄冷空调 3 台主机主要对电子科技 大厦 A 座近 4 万平方米面积供冷 白天用电每千瓦时是 0 8 元 冰蓄冷空调晚上用电每千 瓦时仅 0 2 元 一年仅电费就节约 100 多万元 但在长达 13 年的时间里 如上海市已建成 的蓄冷工程仅十余家 广东省也只有十多家 如此并没有发挥出应有的 移峰填谷 作用 去年全国也只安了 120 套左右 这一技术在国内目前显然有点 叫好不叫座 为何既节能 又环保的冰蓄冷空调会受到如此冷遇 首先 这与峰谷差电价缺乏政策扶持有很大关系 使用冰蓄冷空调 峰谷电价差越大 越合算 但目前国内只有上海和杭州等少数城市推行了较大的峰谷电价差 大部分地区仍 未拉开峰谷差价 在国内一些率先实行峰谷价差的城市中 工业 非工业经营行业的峰谷 电价比为 1 3 5 夏季为 1 4 5 与美国 日本等发达国家高达 1 10 的费率比有很大差 异 另一只 拦路虎 是技术缺陷 目前我国采用的主要是盘管和冰球这两种传统的冰蓄 冷技术 它们虽能满足 移峰削谷 的需要 但价格比普通中央空调高出 20 30 左右 设备营运起来后大约四五年才能收回投资 对用户吸引力不大 另外 其冰室有如 庞然 大物 在一些安装了这一系统的大楼里 光蓄冰槽就放了 10 多个 一个个近似集装箱 那么大 而且 为了保温 每个蓄冰槽的外壁厚达 12 厘米 在寸土寸金的大城市 许多发 展商自然不舍得用那么大的空间来安装这种 庞然大物 要想把蓄冷技术推向一个新阶段 必须加强宣传力度 认识到蓄能技术在电网供电中 的移峰填谷作用 是利用利民 造福子孙后代的大好事 打破独家投资蓄冷空调系统的局 面 应由政府部门和电力部门牵头组织投资方 地产公司 产品生产商 工程施工单位 银行 环保部门等共同投资区域性蓄冷装置 电力部门牵头组织专家学者 产品生产厂家 工程安装单位共同研制开发 引进国外 先进技术 形成课题组 不断进行产品的研制开发 经常组织对现有蓄冷工程的测试 调 研 总结 交流工作 总结经验和教训不断提高蓄冷技术的发展 组织制定蓄冷产品标准 进行规范化设计和操作 以及评定和运行验收标准 电力部门应和环保部门 建设部委或各省市建委系统 联合起来 积极推动环保型 节能型的冰蓄冷技术 参考文献 1 邓沪秋 谢安生 蓄冷系统经济性的优化分析 J 基建优化 1999 10 4 4 6 2 谷波 田树波 孙涛 魏跃文