9 冷热源工程 第九章 蓄冷蓄热技术

冷热源工程（第4版）普通高等教育建筑环境与能源应用工程系列教材重庆大学出版社主编：龙恩深

蒋星池

第九章蓄冷蓄热技术心系人间冷暖、服务国家战略9.1背景1、生产侧的时空特性我国可再生能源发展迅速，蓄能技术可缓解供给侧可再生能源发电随机性给电力系统带来的冲击。1）蓄能需求的由来我国电源生产侧主要是火电机组，蓄能对于生产侧的主要作用是降低系统的运行成本，提高清洁能源消纳。2）生产侧蓄能的作用1）需求侧蓄能技术可再生能源发电出力的波动和随机性给电网安全运行带来了挑战，2）需求侧蓄能的价值需求侧蓄能可促进电力系统能效提升，并提高可再生能源的吸纳能力。9.1背景2、需求侧的时空特性

3）需求侧蓄能的作用（1）移峰填谷的作用（2）缓解尖峰期电力紧缺（3）改善电网的负荷特性（4）节约社会资源因此，有必要提倡蓄能技术的应用，包括在建筑领域的蓄热蓄冷技术。1）显热蓄热常用的介质有水，水蒸气，砂石等。2）潜热蓄热相变材料，结晶水和盐，熔融盐类，金属或合金。3）化学反应蓄热利用可逆化学反应通过热能与化学能的转换蓄热。如CaO与H2O等的反应。9.2蓄热技术1、常用的蓄热方式（1）蓄热水箱9.2蓄热技术2、跨时段蓄热1）水箱蓄热技术通常作为太阳能供暖系统的关键部件，连接集热器与供暖末端。为确定合理的水箱容积多采用多水箱法，为保证多水箱的动态变化，提出了变出口位置的蓄热水箱。（2）相变蓄热水箱相变材料储能密度高，可减少蓄热介质的体积。9.2蓄热技术蓄热式电锅炉在夜间利用低谷时段将产生的热量储存在保温水箱中，白天用电高峰时段供热。2）电锅炉蓄热技术合理地选择使用蓄能围护结构，有助于维持室内温湿度环境，均衡或减少空调负荷。3）相变蓄能围护结构跨季节蓄热是指将非供暖季收集的热量用来满足整个冬季用热需求的部分或全部。设施成本高能源收集段投资较小经常采用的方式是地下蓄热。9.2蓄热技术3、跨季节蓄热1）地下埋管蓄热系统2）地下水箱热水蓄热系统3）地下含水层蓄热系统又称人造含水层储热，在地下设置坑槽，并将一定密度的砾石与水的混合物作为蓄热介质放入槽内，槽内敷设防水塑料材料，周围保温。9.2蓄热技术3、跨季节蓄热4）砾石-水蓄热系统所谓蓄冷技术，就是利用某些工程材料（工作介质）的蓄冷特性，贮藏冷能并加以合理使用的一种实用贮能技术。从原理上将全部蓄热（冷）介质广义地划分为显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热三大类型。9.3蓄冷技术最常用作蓄冷介质的是水、冰和其他一些相变材料（如共晶盐）。一种具有蓄冷能力的冷热源系统。工程实践中，蓄冷系统主要借助制冷设备提供冷量；各种型式的蓄冷装置通常既承担充冷、贮冷功能，又是连接用户、向其供冷的中间设备。蓄冷技术应用不仅有利于平衡电网负荷，实现移峰填谷，缓解电力供需矛盾，又可节省运行费用，获得良好的环保社会效益。9.3蓄冷技术一般认为，蓄冷技术最宜应用于间歇使用、需冷量大且相对集中的用户，这主要包括大量公共、商用建筑空气调节和一部分工业生产过程。此外，蓄冷系统可为某些特殊工程提供应急备用冷源；对于现代化大都市的集中区域供热供冷，它也将成为其一种主要的冷源形式。9.3蓄冷技术目前，在空调工程中采用的蓄冷方式已有多种，按蓄冷原理主要分为显热蓄冷和潜热蓄冷；按蓄冷介质主要分为水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷；按设计与运行模式则有全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷之分。当然，不同的蓄冷方式都具有各自的应用特点，也有其不同的适用范围。9.3蓄冷技术蓄冷系统设计中，蓄冷装置容量大小是首先应予考虑的问题。通常蓄冷容量越大，初投资越大，而制冷机开机时间越短，运行电费则更节省。工程实践中，常用的蓄冷设计模式有全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷两种。1、常用的蓄冷设计模式与运行控制策略9.3蓄冷技术1）蓄冷设计模式（1）全负荷蓄冷全负荷蓄冷即将建筑物典型设计日（或周）白天用电高峰时段的冷负荷全部转移到电力低谷时段，启动制冷机进行蓄冷；在白天空调时制冷机组不运行，而由蓄冷装置释冷，承担空调所需的全部冷量。9.3蓄冷技术1）蓄冷设计模式（2）部分负荷蓄冷部分负荷蓄冷就是按建筑物典型设计日（或周）全天所需冷量部分由蓄冷装置供给，部分由制冷机供给，制冷机在全天蓄冷与用冷时段，基本上是24小时持续运行。全负荷蓄冷模式部分负荷蓄冷模式蓄冷空调系统在运行中的负荷管理或控制策略关系到最终能否确保蓄冷空调使用效果，并尽可能获取最大效益的问题。原则上应使蓄冷装置充分发挥其在电力非高峰期的蓄冷作用，并保证在高峰期内满足负荷需求，应尽可能保持制冷机长时间处在满负荷、高效率、低能耗的条件下运行。控制策略应按蓄冷模式分别考虑，不同的控制策略下的运行效果、效益将会各有不同。9.3蓄冷技术2）运行控制策略全负荷蓄冷中只存在制冷机蓄冷和蓄冷装置供冷两种运行工况，二者在时间上截然分开，运行中除设备安全运转、参数检测以及工况转换等常规控制外，无需特别的控制策略。（1）全负荷蓄冷（2）部分负荷蓄冷部分负荷蓄冷涉及制冷机蓄冷、制冷机供冷、蓄冷装置供冷或制冷机和蓄冷装置同时供冷等多种运行工况，在运行中需要合理分配制冷机直接供冷量和蓄冷装置释冷供冷量，使二者能最经济地满足用户的冷量需求。常用的控制策略有三种，即制冷机优先、蓄冷装置优先和优化控制。①制冷机优先：尽量使制冷机满负荷供冷，只有当用户需冷量超过制冷机的供冷能力时才启用蓄冷装置，使其承担不足部分。这种控制策略实施简便（尤其对串联流程中制冷机位于上游时），运行可靠，能耗较低，但蓄冷装置利用率不高，不能有效地削减峰值用电、节约运行费用，因而采用的不多。9.3蓄冷技术2）运行控制策略②蓄冷装置优先：尽量发挥蓄冷装置的释冷供冷能力，只有在其不能满足用户需冷量时才启动制冷机，以补充不足部分供冷量。这种控制策略利于节省电费，但能耗较高，在控制程序上比制冷机复杂优先。它需要在预测用户冷负荷的基础上，计算分配蓄冷装置的释冷量及制冷机的直接供冷量，以保证蓄冷量得以充分利用，又能满足用户的逐时冷负荷要求。③优化控制：根据电价政策，借助完善的参数检测与控制系统，在负荷预测、分析的基础上最大限度地发挥蓄冷装置的释冷供冷能力，使用户支付的电费最少，使系统实现最佳的综合经济性。根据国内一些分析数据，采用优化控制比制冷机优先控制可以节省运行电费25%以上。9.3蓄冷技术2）运行控制策略冰蓄冷是指利用水或一些有机盐溶液作为蓄冷介质，在电力非峰值期用以制成冰或冰晶（即一种冰水混合物），借助其凝固相变过程的放热作用将冷量蓄存起来。在电力峰值期内，利用冰或冰晶融解相变过程的潜热吸热作用，再将冷量释放出来，用以满足用户的冷量需求。2、冰蓄冷技术9.3蓄冷技术1）冰蓄冷的基本知识冰是一种廉价易得、使用安全、方便且热容量大的潜热蓄冷材料冰的融解潜热为335KJ/kg，在通常空调7/12℃的水温使用范围，其蓄冷量可达386KJ/kg，比水仅有的显热蓄冷量要高出大约17倍。在同样数量蓄冷量条件下，以冰水形式蓄存比单纯蓄存冷水所需容积要小得多。二者的相差程度取决于冰蓄冷容器的制冰率IPF（IcePackingFactor）——冰在冰蓄冷容器内介质中所占的容积比率。在上述使用温差下，这一关系如图7-4所示。IPF对蓄冷容积的影响9.3蓄冷技术1）冰蓄冷的基本知识由图可见，当IPF=10%时，冰蓄冷容积器V1约为水蓄冷容积VW的32%。IPF值一般控制在10%～40%范围。冰蓄冷容器所需容积大幅度减少，其冷量损失随之减少，通常仅为蓄冷量的1%～3%。它还导致设备投资和占用空间的节省。根据各国多年来的开发实践，可将各种制冰方法按成冰形态概括为固冰和液冰两种方式，也可按制冰过程归纳成静态与动态两种方式。9.3蓄冷技术1）冰蓄冷的基本知识9.3蓄冷技术1）冰蓄冷的基本知识冰蓄冷在制冰过程中，由于蒸发温度低（通常为-6～-10℃），导致制冷机耗电量增加和性能系数COP值降低，并限制了常规制冷机的使用，这构成了冰蓄冷技术应用的一大障碍。为此，冰蓄冷技术应用要求制冷设备具有更高的技术水平，必须精心地进行系统的设计与施工，采取最佳的运行与控制方式，借以求得系统总体COP值的提高。此外，采用蒸发式冷凝器，开发、利用高温相变材料等，也是提高系统COP值十分有效的途径。总而言之，冰蓄冷较之水蓄冷等方式，虽然存在着系统复杂、制冰蓄冷过程COP值降低等弊端，但具有蓄冷量大，蓄冷装置紧凑，介质输送系统能耗较低和占用建筑空间相对较少等优势。因而，无论国际与国内，无论在新建筑空调系统设计或旧建筑空调系统改造中，冰蓄冷都已成为蓄冷技术应用的一种主流形式。（1）冷媒盘管式冷媒盘管式蓄冷系统9.3蓄冷技术2）冰蓄冷系统的形式这种系统也称直接蒸发式蓄冷系统。它通常采用往复式或螺杆式制冷机，其制冷系统的蒸发器直接放入蓄冷槽内，系统原理如图所示。蓄冷时，制冷剂在蒸发器盘管内流过，使其外表面结冰厚25～90mm。在空调取冷过程中采用外融冰方式，从空调设备流回的冷冻水进入蓄冰槽，将蒸发器盘管表面的冰融化成温度较低的冷冻水，经换热设备将冷量送入空调用户，或直接供给低温送风空调系统。冰蓄冷槽一般做成开式，IPF值约为40%。采用特定型式的换热盘管沉浸在充满水的容器中构成冰蓄冷装置，蓄冷时，通常是由冷水机组制备低温的二次冷媒（一般用重量百分比为25%的乙烯乙二醇水溶液作载冷剂），送入蓄冷容器中的盘管内，使容器中的水在盘管外表面结冰，并可达到完全冻结。完全冻结式蓄冷系统（2）完全冻结式9.3蓄冷技术2）冰蓄冷系统的形式这种系统的融冰释冷过程可以采用如下两种方式：①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仍在盘管内循环，使蓄冷容器中的冰自管壁向外逐渐融化、释冷。由于盘管外壁处水层存在加大了融冰换热的热阻（水的导热系数仅为冰的25%左右），难免影响到取冷速率，目前多采用细管、薄冰层蓄冰措施加以解决。

②外融冰方式：来自用户的温度较高的载冷剂直接回到蓄冰容器中，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化。该方式下，空调用户可以直接从蓄冰容器中取用冷水，从而不必设置二次换热装置。此外，空调回水与冰直接接触，换热效果好，取冷迅速，供水温度可达1℃左右。其他一些应用特点与冷媒盘管式相近。（2）完全冻结式9.3蓄冷技术2）冰蓄冷系统的形式通常采用充满水或有机盐溶液的塑料密封胶囊（称封装件）作为蓄冰元件，将其密集地安置在密闭的金属贮罐内或堆放在开敞的贮槽中组成冰蓄冷装置。蓄冷时，由制冷机组提供的低温二次冷媒（乙二醇水溶液）进入蓄冷容器，使封装件内的蓄冷介质结冰。用冷时，仍以乙二醇溶液作为载冷剂，将封装件的融冰释冷量取出，直接或间接（通过热交换装置）地向用户供冷。（3）封装式9.3蓄冷技术2）冰蓄冷系统的形式蓄冷装置主要由制冰成套设备（或称制冰机）和蓄冰贮槽所组成。制冰机则包括制冷压缩机、冷凝器和蒸发器等部件，单机规格容量为35～530kW，现场组装的带水冷冷凝器的装置蓄冷容量可达1400kW。（4）片冰滑落式9.3蓄冷技术2）冰蓄冷系统的形式片冰滑落式蓄冷系统按需在冰蓄冷和水蓄冷两种蓄冷模式下运行。当其制冰蓄冷运行时，制冰阶段由制冷系统向平行板状（或管状）蒸发器内直接供入低温制冷剂（蒸发温度约-4～-8℃），使喷洒到蒸发器外表面的水冻结成冰，并控制冰厚在3～6mm；收冰阶段则以不低于32.5℃的制冷工质通入蒸发器内，使其表面片冰剥离并落入下方贮槽之中，贮槽内的IPF保持在40%～50%。当取冷供冷运行时，来自用户的回水仍可继续向蒸发器表面喷洒，或通过喷射集管使其部分均匀返回贮槽，经融冰释冷即可将低温冷水直接或间接地提供给用户。9.3蓄冷技术（4）片冰滑落式2）冰蓄冷系统的形式片冰滑落式蓄冷系统与其他系统相比较，由于片状冰具有更大的表面积，当其在槽内均匀分布时可以获得更低（约1～2℃）的释冷温度和较高的释冷速率，从而特别适合于尖峰用冷，或者用于大温差低温空调系统，以利进一步节省投资。当然，这种系统蓄冷装置初投资较高，设备用房对层高也会有不利的要求。9.3蓄冷技术（4）片冰滑落式2）冰蓄冷系统的形式液冰储冷量大。冰晶式蓄冷系统9.3蓄冷技术（5）冰晶式2）冰蓄冷系统的形式制冷主机上游的串联冰蓄冷流程（双工况主机与基载主机）9.3蓄冷技术2）冰蓄冷系统的形式3、水蓄冷技术9.3蓄冷技术1）水蓄冷的基本知识水是廉价易得、热容量大且无公害的蓄冷（热）介质。在常温下，水的比热是4.187KJ/（kg.℃）。当水蓄冷技术应用于建筑物空气调节时，也就是使用水作为蓄冷介质，利用水温变化进行显热蓄冷。制冷机尽量在用电低谷期间运转，制备出5～7℃的冷冻水，将冷量蓄存起来。待到电力高峰时段建筑物空调负荷出现时，即将冷水抽出，提供给空调用户使用。水蓄冷系统通常是以普通冷水机组作冷源，以保温槽（池、罐）为蓄冷装置，加上其他附属设备、管路与控制器件所构成。它基本上是在常规空调系统基础上，增加必要的蓄冷槽（池、罐）及其附属构件，因而是一种最为简单的蓄冷系统形式。随工程的具体条件与采用蓄冷装置类型的不同，水蓄冷空调系统也可采用各种流程配置与系统形式。工程实践中，采用的基本流程有开式流程和开闭式混合流程。通常蓄冷槽（池）为开式，而空调冷水系统为闭路循环，两者如何相连应予妥善处理。为了提高水蓄冷空调系统的蓄冷效率，设计与运行中应注意：①原则上应当采用全负荷蓄冷模式；②适当加大冷水利用温差；③让冷源出口温度保持恒定；④尽可能保持负荷侧回水温度恒定。9.3蓄冷技术1）水蓄冷的基本知识水蓄冷空调系统与冰蓄冷空调系统相比较，应用方面具有如下特点：①制冷设备：与常规空调制冷机组相同，COP值（约4.17～5.9）高，运行能耗低；②蓄冷设备：显热蓄冷所需蓄冷容器体积大（通常为冰蓄冷的3～5倍），冷量损耗随之增加，亦难以适应旧建筑改造；③介质输送系统：只使用水作载冷介质，但因冷水利用温差相对较低且多为开式系统，输水能耗增大；④初投资：较小。尚可通过充分利用消防水池或高层建筑地下基础梁空间构筑蓄冷水槽（池），进一步减少初投资；⑤技术要求：系统不如冰蓄冷复杂，设计与运行方面技术要求不高；⑥兼顾蓄热：尤其对于纬度适中地区，适宜利用较大的蓄水装置容积同时兼顾冬季蓄热供热，以利简化热源并提高蓄冷装置的利用率。9.3蓄冷技术1）水蓄冷的基本知识用于水蓄冷系统的蓄冷容器包括各种蓄水池（槽、罐）。它通常可以分为矩形与圆形、开敞式与密闭式、单槽式（多为温度分层型）与复槽式或地下式与地面式等不同类型。地面式多用钢板制作，地下式则多以钢筋混凝土浇筑而成。9.3蓄冷技术2）水蓄冷系统（1）水蓄冷装置减少蓄冷水槽内供回水相互混合的技术措施带伸缩软管与水口的分格蓄水池图中为在池内分格基础上加以改进的方法，即蓄冷池各分格之间采用带浮漂水口和伸缩软管的连通方式。它保持了池内分隔方式中水流行程距离大的优点，同时又能充分利用水温自然分层作用来加大水池的有效蓄冷量。由于上部水口可由浮漂自动控制在水位线上，蓄冷、取冷运行中对使用容积和水位均能方便地进行调整。9.3蓄冷技术2）水蓄冷系统（1）水蓄冷装置对于大型蓄冷系统，通常将蓄冷水槽分隔成多个单元槽，各单元间有序地加以串联或并联，或采取复合流动方式，从而构成所谓多槽混合型（亦称迷宫型）蓄水贮槽。串联混合型蓄水槽按连接方式分为堰式和连通管式，前者结构简单，节省空间；后者在单元槽间采用S型连通管连接，在管端设计成圆盘或条形并带一用于稳定水流的浮子，与堰式相比保冷、防水施工较为方便。串联混合型和温度分层型一样，都属于最简单、有效的蓄冷水槽型式。9.3蓄冷技术2）水蓄冷系统（2）热力分层与水流分布器在温度分层型蓄冷水槽的设计中，为使载冷介质水以重力流或活塞流缓慢地平稳地导入或导出贮槽，关键是要在贮槽内正确配置水流分布器（亦称稳流器），这样才能保证供回水在其相应温度的密度差下实现依次分层，在上部温冷水区和下部冷水区之间创造并保持一个稳定的温度剧变层（或称斜温层），并借以阻止上下部介质的相互混合。这种温度剧变层的厚度越薄越好，一般不希望超过0.5m。水流分布器由开孔圆管按对称自平衡格局组合成型。它布置于贮槽上方时，用于从顶部孔口供入或取出温冷水；布置于贮槽下部时，用于从底部孔口供入或取出冷水。适用于圆形贮槽的有八角形和辐射圆盘形；适用于矩形贮槽的则有连续水平缝隙形、树枝形、条形及H形。9.3蓄冷技术（3）水蓄冷系统的流程配置①

开式流程：开式流程以使用开式蓄冷水槽（池）并直接向用户供冷为特征。②开闭式混合流程：开闭式混合流程根据用户的不同特点，可以采取如下几种组合形式：供冷回路与用户间采用间接连接高层供冷采用闭式回路，低层采用开式回路闭式制冷回路与开式辅助蓄冷回路结合水蓄冷系统远距离供冷流程2）水蓄冷系统9.3蓄冷技术高层建筑分区开、闭式回路混合流程（a）高区有空调负荷场合；（b）高区无空调负荷场合闭式制冷回路与开式辅助蓄冷回路结合流程（3）水蓄冷系统的流程配置作为一种理想的相变蓄冷材料，它应满足这样一些要求：融解或冻结温度高，融解潜热大，导热系数高，比重大，无毒，无腐蚀，成本低，寿命长。这样一来，蓄冷系统所需蓄冷装置体积减小，制冷设备可选用常规机组且能源利用效率提高，能耗降低，从而可以在节省建设投资和运行费用等方面获得更大的综合效益。共晶盐正是迄今尚能较好满足这些要求的一种相变蓄冷材料。4、共晶盐蓄冷技术9.3蓄冷技术1）共晶盐蓄冷技术的基本知识

共晶盐（EutecticSalts）俗称“优态盐”，是由水、无机盐和若干起成核作用和稳定作用的添加剂调配而成的混合物。它作为无机物，无毒，不燃烧，不会发生生物降解，在固——液相变过程中不会膨胀和收缩。利用共晶盐的相变潜热蓄存冷量，并用以满足用户用冷需求的一种实用技术，就是所谓----共晶盐蓄冷。共晶盐蓄冷系统在蓄冷原理方面与冰蓄冷基本相同，从系统构成上则与水蓄冷相当接近。这种系统中使用的蓄冷材料相变温度较高，因而常规制冷、空调设备均能与之配合使用。这从根本上克服了冰蓄冷制冰过程中制冷机COP值低、能耗高的缺点，也从一个方面体现了类似于水蓄冷的一大优势。此外，它所需蓄冷容器体积较小（约为水蓄冷的1/3），从设备投资与占用建筑空间方面评价，它也是介于冰蓄冷和水蓄冷之间。因此，无论对新建项目还是改建项目，它都具有相当的适应性。9.3蓄冷技术1）共晶盐蓄冷技术的基本知识

共晶盐系由多种原料配制而成，通过适当改变添加剂及其配方，可以获得所需的某种溶液冻结或融解温度。对空调蓄冷而言，5～8℃的冻结温度是最为适宜的。蓄冷空调工程中，通常将共晶盐封装于塑料容器内，并整齐堆放在充满空调循环水的贮槽（罐）中，构成共晶盐蓄冷装置。随着循环水温度的变化，共晶盐相变结水或融解，其蓄冷、释冷过程与封装件冰