蓄冷空调系统设计

（D-空调蓄冰电能

难于储存，单靠供电机构本身的设备难以达到哨U峰填谷”的目标，无法尽量在电力低谷期

间使用电力；当然，有些电力公司由于电网调峰能力不足，建设抽水蓄能电站进行调峰，

但其初投资高、运行费用大，难以推广。因此，大多数国家的供电机构都采用各种行政和

经济手段，迫使用户各自将用电高峰削平，并尽量将用电时间转移到夜间，蓄冷系统就是

在这种情况下发展起来的。

蓄冷系统就是在不需冷量或需冷量少的时间（如夜间），利用制冷设备将蓄冷介质中

的热提移出，进行蓄冷，然后将此冷量用在空调用冷或工艺用冷高峰期。蓄冷介质可以是

水、冰或共晶盐。因此，蓄冷系统的特点是：转移制冷设备的运行时间；这样，一方面可

以利用夜间的廉价电，另一方面也就减少了白天的峰值电负荷，达到电力移峰填谷的目

的。

空调系统是现代公用建筑与商业用房不可缺少的设施，其耗电量很大，而且基本处于

电负荷峰值期。例如，饭店和办公楼每平米建筑面积的空调峰值耗电量约40~60瓦；以

北京为例，目前，公用与商用建筑的空调用电负荷约为60万千瓦，约为高峰电负荷的

16%,因此，空调负荷具有很大的削峰填谷潜力。

二、全负荷蓄冷与部分负荷蓄冷

除某些工业空调系统以外，商用建筑空调和一般工业建筑用空调均非全日空调，通

常空调系统每天只需运行10~14小时，而且几乎均在非满负荷下工作。图1-1中的A部

分为某建筑典型设计日空调冷负荷图。如果不采用蓄冷，制冷机组的制冷量应满足瞬时最

大负荷的需要，即qmax为应选制冷机组的容量。

蓄冷系统的设计思想通常有二种，即：全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷。

1.全负荷蓄冷

全负荷蓄冷或称负荷转移，其策略是将电高峰期的冷负荷全部转移到电力低谷期。如

图1-1,全天所需冷量A为由用电低谷或平峰时间所蓄存的冷量供给；即蓄冷量B+C等

于A,在用电高峰时间制冷机不运行。这样,全负荷蓄冷系统需设置较大的制冷机和蓄冷

装置。虽然，运行费用低，但设备投资高、蓄冷装置占地面积大，除峰值需冷量大且用冷

时间短的建筑以外，一般不宜采用。

2.部分负荷蓄冷

部分负荷蓄冷就是全天所需冷量部分由蓄冷装置供给.如图1-2所示，夜间用电低谷

期利用制冷机蓄存一定冷量，补充电高峰时间所需部分冷量；即蓄冷量B+C等于A1,

而全天需冷量为Al+A2,部分负荷蓄冷系统可以按典型设计日制冷机基本为24小时工

作设计，这样，制冷机容量最小，蓄冷系统比较经济合理,是目前常采用的方法称之谓负

荷均衡蓄冷。当然，有些城市地区对高峰用电最有所限制，这时就需要根据峰期可使用

的限制电量设计部分负荷蓄冷系统，此时，制冷机容量和蓄冷装置容量均需稍大。如图

1-3所示:要求蓄冷量B+C3A2+A3,而全天需冷量为A1+A2+A3。如杭州夏季每

天上午8:00~11:00有三个小时不允许一般企事业单位制冷机组开启运行。因此出现A3

部分的负荷必须由蓄冷系统提供。这种方式称之谓“限量用电部分负荷蓄冷法。

冷

无

07811182524

(k)

图1-3

(2)蓄冰设备

蓄冷设备的种类(上)

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。

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。

1.水

显热式蓄冷以水作为蓄冷介质，是利用水温变化可蓄存的显热量，水的比热为

4.184KJ/Kg.K(1.0Kcal/Kg-℃)o蓄冷槽的

体积和效率取决于供冷回水与蓄冷槽供水之间的温差，对于大多数建筑的空调系统来

说，此温差可为8-ll℃t水蓄冷的蓄冷温度为4~6℃,是空调常用冷水机组可适应的

温度。此外，空调水蓄冷系统的设计，应异于常规空调系统的设计，就是说应该尽可能提

二、水蓄冷装置：

为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,水蓄冷系统中水槽结构和配置时，通常有几种方案可供选择：隔膜或隔板式、复合水

槽式、迷宫式、水分层式。水槽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。

断面图

图2-1迷宫式蓄冷耀示意图

图2-2自然分层蓄冷耀原理图

眼

蜒

槃

父

腕

宓

5七1CC15(

图27斜温层的概念图2-4分层蓄冷耀蛆形式

、上部分配器

隔膜

(a)释冷结束时隔膜的位置(b)蓄冷中期时隔膜的位置

图2-5隔膜式水蓄冷罐示意图

三、蓄冰装置

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。在蓄冷过

程，载冷剂(一般为重量百分比为25%的乙烯乙二醇水溶液)或制冷剂在盘管内循环，

吸收水槽中水的热量，在盘管外表面形成冰层。取冷过程则有内融冰和外融冰两种方式，

各具特点。

外融冰方式。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，故称为外融冰方式。由于空调回水与冰直接接触，换热效

果好，取冷快，来自蓄冰槽的供水温度可低达1℃左右。止匕外，空调用冷水直接来自蓄冰

槽，故可不需要二次换热装置。但是，为了使外融冰系统能达到快速融冰放冷，蓄冰槽内

水的空间应占一半，也就是说蓄冰槽的蓄冰率(IPF)不大于50%,故蓄冰槽容积较大。

同时，由于盘管外表面冻结的冰层不均匀，易形成水流死角，而使冰槽局部形成永不融化

的冰层，故需采取搅拌措施，以促进冰的均匀融化。

内融冰方式。来自用户或二次换热装置的温度较高的载冷剂(或制冷剂)仍在盘管内

循环，通过盘管表面将热量传递给冰层，使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化进行取

冷，故称为内融冰方式。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，故融冰换热热阻较大，影响取冷速率。为了解决此

问题，目前多采用细管、薄冰层蓄冰。

1.盘管式蓄冰装置：

(1)蛇形盘管

此种形式的冰蓄冷盘管以美国B.A.C公司为代表，如图2-6。

103

图2—6

盘管为钢制、连续卷焊而成的立置蛇形盘管，外表面热镀锌，管外径1.05"

(26.67mm),冰层厚度约30mm,因此，盘管外表面积折合为0.62m2/RTH。盘管可

以制成不同长度，如图2-7所示盘管，长度为5.5m者，其潜冷量为238RTH(约

836KWH\

盘管放置在蓄冰水槽内,蓄冰槽体可为钢制、玻璃钢制或钢筋混凝土制，槽体壁面覆

有80~100mm厚保温层。止匕种冰盘管式蓄冷槽可为外融冰式，也可设计为内融冰式。

当采用外融冰方式时，为了融冰均匀，可在盘管下部设置压缩空气管，从管中泉送出空

气，起搅拌作用。当然,长期送入空气将使槽中水呈弱酸性，对盘管有腐蚀作用。为了保

证安装与维护，当采用钢制或玻璃钢制整体式蓄冰槽时，槽体距墙壁或槽体之间一般应保

450mm距离。。

ISOL1200ISO

图2-7

(2)图形盘管

此种形式的冰蓄冷盘管以美国Clamac公司和Dunham-Bush公司的Ice-Cel为代

表，如图2-8。

图2-8

盘管为聚乙烯管，Clamac公司的冰盘管管外径为16mm,Ice-Cel盘管的管外径为

19mm。该类型蓄冰装置为内融冰方式，并做成整体式蓄冰筒，筒体为高密度聚乙烯板，

外设保温层或采用双层玻璃纤维壁体，内夹保温材料，故耐腐蚀。

此种圆形冰盘管，由于管径较细，管间距离较小，设计的冰层厚度较薄，盘管的相对

换热表面积较大，故有利于融冰与蓄冰。但是，由于筒体为圆形，故占地面积较大。

Clamac公司典型蓄冰筒的型号为U90A型，直径2.26m,高度2.57m,潜冷蓄冷能力

为162RTH。Ice-Cel典型蓄冰罐的型号为TS240型，直径2.54m,高度2.48m,潜冷

蓄冷能力为圆形冰盘管与蛇形冰盘管由于单路管长达数十米，故流体流动阻

240RTHo

力较大，约8~10m水柱。

(3)U形盘管

此种形式的冰蓄冷盘管以美国Fafco公司的Fafco-Icestor为代表，如图2-9。该种

冰盘管由耐高温低温的Polyolefin石蜡脂喷射成型。每片盘管由200根外径为6.35mm

的中空管组成，管两端与直径50mm的集管相联。典型盘管型号为HXR-12型，每根管

全长为12英尺,每片潜冷蓄冷量为10.4RTH,重量18.9公斤,盘管换热面积为

15.14m2。为了适应不同的房高，管的全长分别做为8、10、12、18、24英尺,每片

潜冷蓄冷量分别为、、、此类型的冰盘管，由于管径很细，

6.9.8.610.415.817.6RTHO

故易堵塞。

U型蓄冰盘管为内融冰式，置于钢制或玻璃钢制槽体内构成整体式蓄冰槽；或以约

12片为一组,置于钢筋混凝土槽体或筏基内，其布置如图2-10.

13001300

图2—10

蓄冷设备的种类（下）

四、封装式蓄冰装置

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。如图运行时，载冷剂在球形或板形

2-110

小容器外流动，将其中蓄冷介质冻结、蓄冷，或使其融解，取

冷。图2—11

封装在容器内的蓄冷介质有二种，即冰和其他相变材料，现分述如下：

1.冰

此种类型的封装容器目前有三种形式，即冰球、冰板和蕊芯摺囊式冰球。此种蓄冷装

置运行可靠，流动阻力小，但载冷剂充注量比较大。以冰球式蓄冰罐为例，乙二醇需要量

约27.6Kg/RTH,冰/水重量约37.8Kg/RTH,蓄冰罐本体重量约8.3Kg/RTH，但是，载

冷剂的流动阻力仅约

2.0mH2Oe

⑴冰球

冰球封装式蓄冰装置以法国CIAT公司和深圳中亚特公司为代表。封装球为硬质塑料

制空心球，壁厚1.5mm，外径95mm或77mm,封装球内充注水,予留约9%的膨胀空

间，水在其中冻结蓄冷。外径95mm冰球,换热表面约2.8m2/RTH,每立方米罐体空

间容纳①95mm冰球1300个，①77mm冰球2550个，总蓄冷量约16.2RTH,潜冷蓄冷

量约13.8RTH。值得注意的是，不论采用开放式槽体还是封密罐，均需注意冰球要密集

堆放，防止载冷剂从自由水面或无球空间旁通流过。

(2)冰板

冰板封装式蓄冰装置以美国Reaction公司为代表，如图2-12。中空冰板的外形尺寸

为812x304x44.5mm,由高密度聚乙烯制成，板中充注去离子水,其换热表面积为

2.32m2/RTHo

图2-12

冰板有次序地放置在卧式圆形密封罐内，冰板约占罐体积的80%,罐中载冷剂的流

程可为L2和4流程。密封蓄冰罐尺寸小至直径1.5m、长度2.4m,大至直径3.6m、

长度21m,其潜冷蓄冷能力从76RTH至3600RTH。茎冰罐可置于室内，室外或地下。

(3)蕊芯摺囊式冰球

蕊芯蓄冰摺囊为台湾产品，如图2-13.蕊芯摺囊由高弹性高强度聚乙烯制成，摺皱

有利于适应冻结和融冰时内部冰/水体积变化而产生的膨胀与收缩。同时，两侧设有中空

金属蕊芯,一方面可增强热交换，另一方面起配重作用，在开放式槽体内放置时冻结后不

会浮起。

图2-13

蕊芯摺囊式冰球直径为130mm,长度242mm，球内充注95%的水和5%添力脐IJ,

以促进冻结。每1000个摺囊球的潜冷蓄冷量为58.85RTH。

2.其他相变材料

当前采用的其他相变材料主要是共晶盐,可以美国Transphase公司为代表，其蓄冷

介质以五水硫酸纳化合物为主，充注在高密度聚乙烯板式容器内。

高温相变蓄冷介质材料的关键有二点：

Q)不过冷。蓄冷介质应具有准确的冻结点，以保冻结完全以及取冷时供冷水温不致

过高。

(2)不层化。通常共晶盐在过饱和状态融解时，一部分无机盐可能沉在容器的底

部，而使部分液体浮在容器上部，此种现象称为"层化层化现象可使共晶盐在反复冻结

与融解以后，融解潜热大幅度降低，这样将大大降低蓄冷装置的蓄冷能力。影响层化的因

素很多,主要是共晶盐种类，核化方法，以及封装容器的厚度。

目前高温相变蓄冷的缺点是造价较高，而且，冻结融解温度为5~6工的相变材料尚

待进一步开发研究。

五、动态制冰装置：

1.片冰滑落式

上述两种蓄冰装置其蓄冰层或冰球系一次冻结完成，故称为静态蓄冰。蓄冰时,冰层

冻结的越厚，制冷机的蒸发温度越低，性能系数也越低。如果控制冻结冰层的厚度，每次

仅冻结薄层片冰，而进行高运转率地反复快速制冷，则可提高制冷机的蒸发温度(约-4~

，比采用冰盘管时提高片冰滑落式蓄冰装置就是在制冷机的板式蒸发器表

-8℃)2~3℃e

面上不断冻结薄片冰，然后滑落至蓄冰水槽内，进行蓄冷，此种方法又称为动态制冰。该

种类型的蓄冰装置的代表性厂家有Turbo.Mueller和Morris等公司。图2-14为片冰

滑落式蓄冰装置的典型示意图。

制冰机

—L

h

用

尸u用

p

I

I

(a)(b)

图2—14

蓄冰过程。图2・14⑻为片冰冻结及蓄冷过程。通过水泵将蓄冰水槽的水自上向下喷

洒在制冷机的板状蒸发器表面，使其冻

结成薄冰层。当冰层厚度达到3~6mm时，通过制冰机上的四通阀，将高温气态制

冷剂通入蒸发器，使与蒸发器板面接触的冰融

化,则片冰靠自重滑落至蓄冰水槽内，如此反复进行"冻结"和"取冰"过程。蓄冰水槽

的蓄冰率为40~50%。

取冷过程。图2・14(b)为融冰取冷过程。空调回水仍可自上向下地喷洒在制冷机的板

状蒸发器表面，或向蓄冰水槽均匀送入

空调回水，使槽内片冰不断融化，而送出温度颇低的空调用水。为了满足全日供冷需

要，取冷过程制冷机可同时运行，以降低

流经板状蒸发器表面的空调回水，使其降温后流入蓄冰水槽，这样，可以延缓融冰过

程，以保证供冷要求。片冰滑落式蓄冰

装置，取冷供水温度低，融冰放冷速率极快，特别适合尖峰用冷。但是，该种蓄冰装

置初投资较高，而且需要层高较高的机房。

2.冰晶式蓄冰装置

冰晶式蓄冰装置也属于动态制冰，它是通过冰晶制冷机将低浓度的乙烯乙二醇水溶液

冷却至低于0℃,然后，将此状态的过冷水溶液送入蓄冰水槽，溶液中即可分解出0℃的

冰晶。这种过程犹如自然界降过冷态的雨，着地立即形成“雨冰"；又如冬季凌晨过冷状态

的雾与树木接触，在其上形成冰层,即所谓“树挂"。如果过冷温度为-2。（：，即可产生

2.5%的直径约100微米的冰晶。

由于单颗粒冰晶十分纽小，冰晶在蓄冰水槽中分布十分均匀，水槽蓄冰率约50%。

结晶化的溶液可用泵直接输送。冰晶制冷制冷机产品以加拿大Sunwell公司和美国

Mueller公司为代表，单台最大制冷能力不超过100冷吨。以TS-30型为例，其制冰能

力为30冷吨，配有半封闭活塞式制冷机，水冷壳管式冷凝器，吸气分液蓄液器，气液回

热器等。其特殊之处在于蒸发器部分，该机配有6个长度为1.83m的套筒式蒸发器，内

管直径约300mm。制冷剂R-22从内外管之间的夹层内通过；冰/水双相液为8%的乙二

醇水溶液，在内管中过冷。为了保持内管内壁表面温度均一,配有三台电动擦拭机,每台

负责二个套筒蒸发器。该机外型尺寸为2.36m长、1.75m宽、2.16m高，可以制造冰

晶,也可像普通冷水机组一样备制冷水。

3、气体水合物相变材料蓄冰

这是一种新型的蓄冷技术，自80年代以来，人们提出利用一种称为气体水合物的包

络状水结晶体，作为蓄冷的高温相变材料，主要是利用那些常规制冷剂形式的气体水合

物。致冷剂气体水合物具有适合空调蓄冷的理想性质,其形成结晶的温度在8-12℃,结

晶形成时释放的反应热较大，(330~380KJ/Kg)传热性能也比较好，此外，这种高温相

变蓄冷材料具有很好的化学稳定性，腐蚀性低、安全性好。1994年以来，已受到我国国

家自然科学基金委员会支持，目前已建成实验台，并从中测试，提示了气体水合物形成的

一些基本规律，并获得了构造这类高性能空调蓄冷材料的基础数据和方法，相信不久的将

来会将之使用在工程实践中去。目前在广州能源所主持下进行进一步的研究开发。

(3)水蓄冷系统

水蓄冷系统投资较低，首先因为一般用于空调的冷水机，均可直接用于水蓄冷，因而

即使在蓄冷阶段也可保持较高的制冷效

率，其次蓄冷用水池往往可以和消防水池等共同使用，因而可以节省水池结构部分的

单独投资。

但是，水蓄冷利用的是水的显热变化，由于水的比热远远小于其相变热量(水比热

为：l.OKcal/kg^C,水冰相变热为：80Kcal/kg-℃),因此,即使将利用的水温差加大到

10℃(5℃/15℃),其单位容积蓄冷量也要比冰蓄冷小10倍之多。而且其可利用温差影

响因素很多，因为水蓄冷技术主要是利用水的物理特性，随着水温的降低其密度也在不断

加大，如果不受到外力扰动，一般容易形成冷水在下，热水在上的自然分层状态，但水在

4（以下时物性却出现明显的非规律性变化，即4（水温时其密度最大（冰下鱼儿的生存

条件也是利用了这个条件），因而水蓄冷水温可利用的下限为

4℃e

影响水蓄冷效率的主要因素是如何尽量减少水池内冷热水（进出水）之间的直接渗

混。而影响渗混的关键是进出水口处的水流扰动和不可避免的水流与池壁之间摩擦引起的

扰动。当然制冷机是否能提供稳定的较低水温的冷源是前提条件。我们可以初步规纳为如

下几个因素来分别研究：冷机可提供的最低水温,空调系统设计中允许采用的最高水温

（例如常用为7℃/12℃）,水池结构形式，进出水口的分布器构造，水池允许的水位多

少，水池保温条件等等。目前，认为蓄冷效率最高的是分层蓄冷水池。所谓"分层,就是仅

只利用密度的影响将热水与冷水分隔开。为了使蓄冷水池达到分层，就要在上部热区和下

部冷区之间创造和保持一个温度剧变层，依靠稳定的温度剧变层阻止下部的冷水与上部的

热水相互混合。如图3-1,在水池3米深度处形成温度剧变层，该层将4。（:的冷水和

13＜的热水分开，温度剧变层的厚度越薄越好，一般不希望超过0.5m。

蓄冷水池应通过水流分布器从池中取水和向池中送水，水流分布器可使水缓慢地流入

水池和从水池流出，以尽量减少紊流和扰乱温度剧变层。这样,才能如图3-2所示，当蓄

冷时，随着冷水不断从下部送入水池和热水不断从上部被抽出，温度剧变层稳步上升。反

之，当取冷时,随着热水不断从上部流入和冷水不断从下部被抽出，温度剧变层逐渐下

降。好的分层的蓄冷水池所蓄存能量的90%可以有效地用于供冷。水温在槽内的分布情

况，可参见图3-1,3・2。

12.2

678910II12131415

温度（P）

图3-1典型分层化贮槽的温度分布图3-2分层型贮槽在充冷期间的温度分布

一、蓄冷水池

蓄冷水池可为钢制或钢筋混凝土制，形状可为园形或矩形。蓄冷水池最好的形状是平

底立式圆柱形，圆柱形水池外表面与体积之比小于同体积的矩形水池。再者，对圆柱形蓄

冷水池的高径比有一定限制，因为，增加高径比可以减少温度剧变层所占据的水池容积，

提高蓄冷效率，但是，水池造价将有所增加，所以，钢筋混凝土蓄冷水池的高径比一般为

0.25~0.5。地面以上钢槽，高径比可采用0.5~1.2。

其他形状的蓄冷水池也可采用，但必须注意避免由于水流垂直运动，造成冷热水混

掺。不希望采用卧式圆柱形蓄冷水罐，它难以解决分层问题。蓄冷水池的体积可按下式

计算：

ESC.P

1163・M&

式中：ESU设计日所需蓄冷量KWh0

P-容积率与贮槽结构、形式等因素有关,一般为1.08~1.3,对分层蓄冷型水槽可

取低限，对多槽混合型及容量小者可取高限。

h-蓄冷效率与蓄槽结构、形式、保温情况等有关，一般取为0.8~0.90.

Dt-水蓄冷槽可利用的进出水温差，一般为6~10℃e当然，实际蓄冷水池的体积

应大于上述计算值，因为要考虑水面距池顶的空间。

二、水流分布器

水流分布器放置于蓄冷水池的上部（热水）和底部（冷水）。它的作用是使水以重力

流或活塞流平稳地流入或引出水槽，以便使水按不同温度相应的密度差异依次分层，形成

并维持一个稳定的斜温层，以确保水流在贮槽内均匀分布，扰动小。此斜温层流体力学特

性可用弗兰德（Frande）准数决定，同时也受雷诺（Renolds）准数及系统运行合理与

否的影响。

Fr准数的流体力学物理意义是作用于流体的惯性力与浮升力之比，无量纲。它是确立

形成斜温层的必要条件，流体状态与Fr准数值之间的关系，经大量研究可以用下列数值

作简单判别：

当F”1时，在进出匚水流中,浮力大于惯性力，则流型为重力流；

当Fr>1时，重力流仍将维持;

当F「，2时，惯性流为主、水流混合明显出现。所以为了使取冷时从上部进入的热水

和蓄冷时从下部进入的冷水，主要依靠密度差而不是依靠惯性力横向流动，设计水流分布

器时应保证Fr数约为1,而绝不大于2。

Fr（弗诺德）数为惯性力与浮力之比，由下式计算：

______业______

[gMkg-q）/〃产

式中：G--最大流量,m3/s;

L--分布器有效管长,m;

G--重力加速度，m/s2;

hi--最小入口高度（分布器管底距池底的距离）m;

pi一进水密度,Kg/m3;

pa--周围水的密度，Kg/m3。

再者，为了尽量减少温度剧变层上下部分水的混合，应保证蓄冷水进水流的Re数不

超过一定范围。Re（雷诺）数为惯性力与粘性力之比，可用下式计算：

GIL

Re

式中：V--水的运动粘滞系数，⑴2/工

对于很小的水池，希望Re小于200;一般来说，建议Re不超过850。对于高度超

过12m的水槽Re数可适当稍大些。至于分布器孔口的水出流速度，希望限制在0.3〜

0.6m/s;孔口之间的距离小于2hi。布水器孔口应根据不同水池形式选用，一般有花管孔

口形、连续缝隙形、蜗壳渐扩形等等，为使水流均匀，相应布管形状也很多。如慢3-3、

3-4所示的八角形、树枝形等。

三、蓄冷水系统

蓄冷水池为开式水池，而空调冷水系统一般均采用闭式系统，两者如何相联是蓄冷水

系统必须解决的问题。图3-5给出一种具有蓄冷水池的管道系统联接图。该系统设有四个

电动蝶阀（VI~V4）用于启闭某管段，一个电动调节阀V5,一个阀前压力调节阀V6。

系统共设三台水泵，水泵P1为冷冻机供冷用水泵；水泵P2为蓄冷用水泵，该泵流量不

要大于P1,以增大进出水温差,有利蓄冷；水泵P3为取冷用水泵。

该系统可以有四种运行模式，即蓄冷工况、冷冻机供冷工况、蓄冷水池供冷工况以

及冷冻机与蓄冷水池同时供冷工况。值得强调的是，只要采用蓄冷水池供冷，必须依靠

V6保证阀前压力为膨胀水箱维持的系统静水压力，这样，可保证系统全部充满水，以便

实现可靠的运行。

由于水池为开式状态，依靠压力传感器可以适当控制系统中水的倒流，但若空调水

系统压力过高，楼层高静压过大，受压力传感器控制的阀门承压过高，操作灵敏度很受限

制，会造成系统运行中的失误。所以建议采用水蓄冷的系统，不要供应超过6层的建筑。

若必须供高层时，可在出口加板式换热器，将水力系统隔开，当然水温最少要损失

l℃o

第二节冰蓄冷系统设计

冰蓄冷系统形式应随选用的蓄冰设备不同而不同。最常用的蓄冰设备是内融冰式蓄

冰装置（如各种冰盘管和封装式冰球板X下面首先针对该类冰装置，谈谈蓄冷系统的组

成形式。冰蓄冷系统的制冷主机和蓄冰装置所组成的管道系统可以是各种形式，但

是，基本可分为并联系统和串联系统。不过，对于冰蓄冷系统来说，必须考虑一个问

题，就是夜间（即电力低谷期）需要不需要供冷？所需供冷量占所需最大供冷量的百分

比？

有许多建筑，特别是宾馆、饭店等商用建筑，夏季夜间仍需要一定数量的供冷量，以

保证整个建筑维持一定的空气温度。由于夜间是蓄冷时间，制冷机需要产生用于蓄冰的

0℃以下的低温水，如果同时有空调供冷要求，则需将0℃以下的载冷液经换热器供出约

7丁的空调用冷水，这样，制冷系统运行效率低。为了提高运行经济性，应设基载冷水机

组,直接供应7工左右的冷水,以保证夜间或蓄冰时期空调所需冷量。对于夜间供冷负荷

比较少的建筑，此基载冷水机组主要夜间使用；如果夜间供冷负荷较大，此基载冷水机组

可全天使用，以减少初投资。当然,如果夜间建筑所需供冷量很少，也不宜设置基载冷水

机组，可由蓄冰用低温载冷液负责承担。

一、并联系统

图3-6为并联系统。全系统由两部分组成,一部分为空调用冷水系统，介质为水；另

一部分为乙二醇水溶液系统（图中点画线框内部分）可进行蓄冷或供冷。

□

—©HH

P】冷水机蛆

乙二醇水溶液系统则由制冷主机、蓄冰槽、板式换热器（与空调用冷水系统的分界

面）和泵、阀门等组成。

注：表中水温值仅为示例。

空调用冷水共有三个回路，一路为基载冷水机组回路，可昼夜供给空调用冷水；一路

为通过板式换热器1被来自乙二醇水溶液制冷机的低温溶液冷却的空调水回路；还有一路

为通过板式换热器2被来自蓄冰槽的低温乙二醇水溶液冷却的空调水回路。

蓄冰时，阀门VI、V2、V4关闭，开启阀门V3、V5,制冷机向蓄冰槽供应低温乙烯

乙二醇水溶液，使蓄冰槽中蓄冷介质冻结。蓄冷过程乙二醇水溶液温度不断降低。

供冷时可以有三种运行模式：

⑴制冷主机单独供冷。除阀门VI开启以外，其余阀门全部关闭，将来自制冷主机的

温度较低的乙二醇水溶液供至板式换热器1,以产生空调用冷水。为了提高运行效率，应

尽量减少板式换热器的传热温差，一般取本示例空调供回水温度为乙和

1~2℃o7

所以,制冷主机供回水温度取当空调冷负荷减少时，可采用台数控

12℃,5.6/10.6℃e

制，或调节制冷主机的供冷能力。

(2)蓄冰槽单独供冷。关闭阀门VI和V3,将阀门V2、V4、V5开启，并启动蓄冰槽

泵P2,从蓄冰槽融冰取冷，通过板式换热器2,冷却空调用水。根据空调供水或回水温

度，调节阀门V4和V5,控制蓄冰槽融冰取冷量。

⑶制冷主机与蓄冰槽联合供冷。启动泵P1和P2,关闭阀门V3,即可实现制冷主机

与蓄冰槽联合供冷。至于联合供冷时是以制冷主机为主，还是以蓄冰槽为主，则需根据最

优控制策略决定。如果以主机为主，当制冷主机满载运行仍不能满足用户所需冷量，则调

节阀门V4和V5,从蓄冰槽取出一定冷量，以保证需要。如果以蓄冰槽取冷为主，则应

关闭阀门V4、开启阀门V5,使蓄冰槽融冰取冷量为最大，同时，调节制冷主机供冷能力

以补不足。

图7

图

3-7是另一种型式的并联系统，适用于采用封装式蓄冰罐的冰蓄冷系统。该系统为二次泵

系统，由于封装式蓄冰罐的流动阻力比较小，所以，不另设蓄冰罐泵。再者，如图3-

7(d),利用二次泵P2,夜间蓄冷期可同时供冷，但需调节阀门VI、V3以保证板式换热

器乙二醇水溶液的供水温度大于0℃o如果夜间需要供冷，而需用量很小，可如图3-7(b)

所示，另设夜间供冷泵P3和阀门V5、V6e开启泵3,调节阀门V5和V6,一则控制所

需冷量，再则，不使供至板式换热器的乙二醇水溶液温度低于0℃,以防冻结。

二、串联系统

图3-8为串联系统。图中点画线框内部分为乙二醇水溶液系统，由乙二醇水溶液制冷

主机、蓄冰槽、板式换热器以及泵、阀门等串联组成,利用温度比较低的乙二醇水溶液通

过板式换热器冷却空调用水。对于串联系统来说，制冷主机可位于蓄冰槽上游，此时，制

冷主机出水温度较高，蓄冰槽进出水温度较低，因此，制冷主机效率高、电耗较小，故一

般多采用"主机上游”布置。但对冰槽来说由于融冰温差小，取冰效率较低，常会.造成万

年冰1冷量不能充分释放，尤其对融冰特性不理想的冰槽缺点更明显，常造成提供出的

冷水温度过高，可供应的负荷量减少不能满足用户要求。如果制冷主机位于蓄冰槽下游，

则情况正好相反。

冷水机期

回水

板式

换热器

供水

图3-8

串联系统与并联系统一样，除蓄冰工况以外，也可以制冷主机单独供冷、蓄冰槽单独

供冷、或制冷主机与蓄冰槽联合供冷。

设计串联系统时，应注意乙二醇水溶液泵的容量与系统水温分布的确定。蓄冰工况

和制冷主机单独供冷工况，泵流量应按制冷主机空调负荷确定。但是，当制冷主机与蓄冰

槽联合供冷时，由于负荷增大,系统供回水温差必然大于5℃,而达到7~8℃,制冷主

机或蓄冰槽的供水温度较低，影响系统供冷能力，为此应适当提高空调用水的供回水温

差。再者,蓄冰工况和制冷主机单独供冷工况下，系统阻力较小；而制冷主机与蓄冰槽联

合供冷时,需依次克服制冷主机蒸发器、蓄冰槽和板式换热器的阻力，因此，按最不利工

况确定泵扬程，在绝大数运行工况下势必要增加泵的电耗。采用串联泵，如图3-9,可以

解决此问题；开启泵P1和P2,调节阀门VI和V2,该系统在夜间蓄冰期可以同时供

冷。

三、冰晶或冰泥式蓄冰系统

冰晶式冰蓄冷空调系统，是一种将低浓度载冷剂（如乙二醇水溶液）经特殊设计的制

冷机组（称之为超冰机）冷却至冻结点温度以下，使之产生非常细小而均匀的冰晶,它们

的直径约为100微米。与载冷剂形成泥浆状的物质，经泵输送蓄冰槽储存，以提供尖峰

负荷的需求。

系

统

泵

换

热

器

融

冰

泵

（a）制冰过程（b）融冰过程

图3—10曲型冰晶式冰雪冷空调系统流程

超冰机可连续不断产生冰泥而不需要热气脱冰装置，蓄冰槽内也无需特殊的储冰元

件。这种系统的主要设备费用在制冷机上，蓄冰槽构造简单，只需足够空间，作适当防水

保温即可。此类系统目前还较适合于小容量制冰机长期连续运转，平时可储存下的冰晶可

以在负荷高峰使用。如图3-10所示。故常应用于一周式分量冰蓄冷运转模式。而且冰晶

式生产的冰晶较均匀，不会像具它冰蓄冷方式那样容易产生冰桥及死角，因为冰晶生产过

程是在制冷机组的蒸发器内完成。由于冰晶直径极小，因此总的换热面积大，融冰速率

快。目前大规模约为176KW,尚不适于大型系统。

四、外融冰系统

外融冰蓄冷系统为开式流程，所以系统的设计关键与水蓄冷系统相似，如图3-11所

示，管内可以像一般内融冰一样走二次冷

媒，也可以用直接蒸发制冰，典型产品有美国BAC公司和Evapco公司的产品。这

样的冰蓄冷系统效率高，冰盘管较粗、蓄冰快，融冰速率大。最主要的特点是释冷温度能

稳定地维持在甚至。（：之间，因此它可方便地用于工业的冷水供应系统。也

2~3℃o1~2

可为室内选用低温空调系统很好地创造先决条件。

图3-11外融冰蓄冷系统流程图

五、气体水合物蓄冷系统

前面已简单介绍过，它是一种高温（4~8工）相变系统，系统中的气体水合物蓄冰

槽中，装有蓄冷介质，包括水和致水合介质（是某几种制冷剂的混合物，如R11/R22.

蓄冷介质在促晶器中形成水合物晶核，主要的水合物生成相变反应和换热过程都在蓄冷槽

中进行。

蓄冰槽中无须设置机械搅拌装置，而是利用浮升力和流体的流动造成一定的搅动，使

水合物晶体和部分致水合物介质悬浮于水中，由于其中RU、R22的比重大于水，在重力

作用下，会自然集于蓄冷槽下部，而部分水则集于蓄冷槽上部。

图3—12内置换热/外置促晶式气体水合物签冷装置示意图

气体水合物的密度介于水和致水合介质之间，则悬浮于中部水中（二区X下降管

（4）由三区的水域引出，下降管（3）由三区的致水合介质区域引出，由管（4）、（3）

引出的水和致水合介质会合后进入促晶器（5）,在促晶器中造成充分混合，在低于水合物

临界分解温度的条件下,形成微小水合物晶体，然后经回流管（6）回到蓄冷槽，由喷嘴

（7）喷入一、二、三区。回流管及喷嘴成对称分布，喷出液体的动能形成力矩使槽中介

质造成旋转运动，达到进一步混合的效果。

当下降管（4）及（3）的混合液温度高于相变结晶温度时，经过促晶器的回流液由

管（6）回到蓄冷槽中，与换热器（1）中的载冷介质进行热交换，温度持续下降，当混

合液温度低于结晶相变温度时，进入结晶器后在结晶器中形成水合物晶体。含有结晶体的

回流液经过回流管（6）回到蓄冷槽中，吸收冷量进一步生长结晶。

随着相变结晶过程的进行，蓄冷槽中气体水合物（晶体）越来越多,流动性越来越

差。这时靠槽中的扰动促使致水合介质和水充分接触和充分混合已较困难，这时内置式换

热/结晶式蓄冷装置就难以进一步结晶蓄冷.本装置所采用的内置式换热/外置式促晶反应

方式就能克服这个难题。因为这时即使整个槽中介质的扰性差，但只要蓄冷槽中的水合反

应没彻底完成，就有致水合介质（液体）和水分别存在于蓄冷槽的上部和下部，它们能分

别经下降管（41（3）到促晶器进行充分混合,形成晶体，回到槽中进一步反应结晶。

同时结晶热也可通过内置式换热器有效地传给载冷介质，保证结晶不断进行下去。

水合物和水按一定比例共存于蓄冷系统中，冷量的储存主要靠水合物的生成和分解，

冷水空调设备

机组

冷量的输送完全由水承载。图3—13直接接触气体水合蓄冷空调系统

（4）

第一节典型设计日冷负荷

日负荷图是每日24小时的逐时冷负荷。常规空调系统是依据峰值冷负荷选定冷水机

组和空调设备；而空调蓄冰系统则需要根据典型设计日的总冷负荷（单位可为百万焦

MJ、千瓦时KWH或冷吨小时RTH）和运行策略（即全负荷蓄冷还是部分负荷蓄冷，以

及每天的控制策略）设计。因此，设计空调蓄冰时，应能比较准确地提供典型设计日的日

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、内部设备

以及运行制度，采用动态负荷计算法计

算。关键在于人流、内部设备、新风量等随机负荷的确定，这常常需要大量统计数

据。至于典型日室外逐时干球温度可按以下公式计算：

t=twp+pAtr

式中：t-夏季典型设计日的逐时室外干球温度,℃;

twp-夏季典型设计日室外平均干球温度，℃;

△tr-夏季典型设计日的平均日较

差，℃;

twp-夏季空气调节室外计算干球温度，℃；P-室外温度逐时变化系

时刻123456789101112

P-0.35-0.38-0.42-0.45-0.47-0.41-0.280.120.030.160.290.40

时刻13K15161718192021222324

0480.520.510430390280.14000-010-0.17-023-029

逐时室外空气湿球温度可按等露点温度近似计算。

工程初步设计中，可以借鉴于一些统计资料作为计算指标，如表4-1。

有关建筑空调房间单位面积冷负荷指标表4-

室内建筑方负人体为负照明及设小计新风泠负总冷负荷

人致荷酒备泠负再荷

a?/人m'/b•A•3/h•f/»2»/«：V/n＞：f/«2t/m：

客席102S2.5607208727114

0吧咖晡22512.53570151201362S6

中餐厅1.52517.53611620no190360

西餐厅22512.54084171411®277

宴会厅1.252S203013430194216410

中庭81822590176016724191

%4^2

325856034014392235

漕大会议室1.52517.5408840168190358

笈理发■谷穴

42S625504150Ml67208

箍身店56012358720142130272

弹子的5306354830Ui65178

根牌宣22512.53563