摘 要 本文介绍了蓄冷技术在国内外的发展及不同蓄冷方式的特点，分析了蓄冷技术的优势及在我国的应用前景，指出了国内在蓄冷技术上与国际方面的差距，并提出推广蓄冷技术的建议。
Ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｏｌｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
by Su Bin* Qian Xinghua
Ａｂｓｔｒａｃｔ The paper discusses the development of ice storage and present the main characters of various type, and analyses the advantages of this technology and it's prospect in our country. Points out the difference between our country and the developed country, base on which we suggest that we popularize the technology hardly.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ cold storage air- conditioning system application
*Beijing Jiaotong University
0 引言
随着现代工业发展和人民生活水平的提高，空调的应用已越来越广泛，一些大中城市的空调用电量已占其高峰用电量20%[1]以上，致使电力系统峰谷负荷差加大，电网负荷率下降。有的电网峰谷负荷差达40%，不仅影响人们正常用电，而且造成了发电资源很大闲置。表现在电网低谷时，要停掉很多机组，机组频繁启停不仅增加能耗，而且影响机组寿命。应用蓄冷技术是解决该问题的有效办法之一，将空调用电从白天高峰期转移到夜间低谷期，来均衡城市电网负荷，达到削峰填谷的目的。
因此，我国政府和电力部门推行新的能源政策和电价政策，利用峰谷电价差值鼓励应用空调蓄冷技术减少或转移高峰电力需求。蓄冷技术的推广将有效平衡我国电能消耗，引导新的用电模式，合理利用电力资源。
1 蓄冷际跸肿?br>
空调蓄冷技术现已是一项成熟的技术，欧洲和日本等经济发达国家在80年代初期即开始对蓄冷技术应用进行研究，在家用蓄冷、蓄热式空调产品和成套蓄冷设备方面取得很大进展。近几年，蓄冷技术发展迅速，规模愈来愈大，已形成了区域性蓄冷、供冷系统。有效地缓解了高峰用电需求，合理充分地利用能源，提高了电厂效率。
随着我国经济发展，工业用电和居民用电大幅增加，用电模式已和发达国家相近，国外蓄冷技术的成功应用值得借鉴。由于我国过去单一制电价政策使该技术的发展受到限制。近年来，我国出台了峰谷电价政策以及各项鼓励性措施，奠定了推广蓄冷技术的基础，但发展仍旧缓慢。除北京、上海等一些大城市，其余地区蓄冷系统应用非常有限。
2 蓄冷技术简介
蓄冷技术原理，简而言之，是利用夜间电网多余的谷荷电力继续运转制冷机制冷，并通过介质将冷量储存起来，在白天用电高峰时释放该冷量提供空调服务，从而缓解空调争用高峰电力的矛盾。目前较为流行的蓄冷方式有三种，即水蓄冷、冰蓄冷、优态盐蓄冷[2]。
2.1 水蓄冷
以水作为蓄冷介质的水蓄冷系统是空调蓄冷重要方式之一，也是能源利用，开源节流的形式之一。水蓄冷可利用室内外蓄水池或消防水池，用普通冷水机组制冷，夜间制取2~5℃的冷水蓄存起来供白天使用。为了提高蓄冷罐的蓄冷能力并满足供冷负荷需求，应提高水蓄冷系统蓄冷效率，维持较大的蓄冷温差，并防止储存冷水与回流热水的混合以减少能量损失。通常水蓄冷系统贮槽结构设计有四种方式：自然分层蓄冷、复合贮槽蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷。其中自然分层蓄冷系统简单，蓄冷效率较高、经济效益好，目前广为应用。
自然分层蓄冷利用水的物理特性（水的密度与温度相关，水温大于4℃时，温度升高密度减小，在0~4℃范围内，温度升高密度增大，3.98℃时水的密度最大），使温度为4~6℃的冷水聚集在蓄冷罐下部，而10~18℃的热水自然地聚集在蓄冷罐上部，从而实现冷热水自然分层。
概括地讲，水蓄冷技术具有以下特点：
1）可使用常规的冷水机组，也可使用吸收式制冷机组，使其在经济状态下运行。
2）适用于常规供冷系统的扩容改造，无需增加制冷机组容量。
3）利用消防水池、既有蓄水设施或建筑物地下室等作为蓄冷容器，可降低初投资。
4）可实现蓄热和蓄冷双重用途。
5）技术要求低，维修方便，无需特殊技术培训。
6）水蓄冷方式是一种较为经济且储冷量较大的一种蓄冷方式。蓄冷罐体积越大，单位蓄冷量投资越低。蓄冷量大于7 000kW·h或蓄冷容积大于760m3时，以水蓄冷为经济。
2.2 冰蓄冷
冷的制冰方式主要有两种[3]：1.静态制冰方式。即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态，这类制冰方式包括冰盘管式、冰球式等多种形式；2.动态制冰方式。该方式中有冰晶冰浆生成，且冰晶冰浆处于运动状态。
制冰系统简单，现是冰蓄冷系统的主流。目前，动态制冰方式国内外应用较多的是冰盘管式、冰球式蓄冷系统，其他少用。
式蓄冷分为内融冰式和外融冰式，内融冰式设备是由沉浸在充满水的贮槽中的盘管构成结冰载体的一种蓄冷装置。充冷时，低温载冷剂在盘管内循环，将盘管外表面的水逐渐冷却至结冰。释冷时，经空调负荷加热的高温载冷剂在盘管内循环，将盘管外表面的冰逐渐融化，使载冷剂降温，供用户需要。外融冰式相反，在管内结冰，载冷剂在管外流动。沉浸在贮槽中的盘管形状通常有三种，即蛇形盘管、圆筒形盘管和U形立式盘管。
蛇形盘管蓄冷装置以美国BAC公司产品为代表，该装置一般使用25%（质量比）的乙烯乙二醇水溶液。充冷时进液温度一般为-5~-6℃，释冷时出口温度为0~1℃。圆筒形盘管蓄冷系统以美国calmac公司和Dunham-bush公司产品为代表。该装置载冷剂逆向流动，有利于改善和提高传热效率，并使贮槽内温度均匀，在充冷末期贮槽内的水基本可全部冻结成冰，因此，又称为完全冻结式蓄冷装置。U形盘管蓄冷装置以美国Fafco系列产品为代表。
上述盘管作为换热器分别与相应的不同种类贮槽组合为成套的各标准型号制冷设备。同时，这些盘管亦可以根据实际需要制作成非标尺寸，以适于各种建筑物布置，组成非标蓄冷装置，满足用户不同需求。
冰球式蓄冷属于封装冰式，蓄冰球的外壳一般由高密度聚合烯烃材料制成，球内装有有机盐溶液，蓄冰时低温载冷剂使冰球内的盐溶液结冰，放冷时高温载冷剂与冰球内的冰进行热交换达到降温目的。
静态制冰有自身缺点：冰层厚度使热阻增大，导致冷冻机性能系数COP降低。一些静态系统中印冰块的相互粘连易导致水路堵塞。
所以，冰蓄冷研究的主要方向是动态制冰技术，动态制冰技术将成为冰蓄冷主要形式。
2.3 优态盐变相蓄冷
其原理类似冰蓄冷，利用材料相变蓄存冷量，但一般都在高温下相变，故冷机及系统类似于水蓄冷。优态盐是由无机盐，即硫酸钠的水化合物为主要成份，与水和添加剂调配而成的混合物。将其充注在高密度聚乙烯板式容器内，其相变温度应在空调适应的范围之内，通常以2~7℃为宜，冷机可采用普通冷水机组，运行效率高，但这种方式造价较高，且单位体积蓄冷量低，蓄冷槽体积大，是冰槽的2~3倍，重量也大，是冰槽的3~4倍。且该材料变相次数有限，一般在2 000～4 000次，超过之后便失效。
优态盐以其理论上可以在任何温度下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。但实际上常面临某些技术问题，再加上有可靠性、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。尽管如此，随着技术的进步，高温相变材料的蓄冷式中央空调系统也是值得重视的。
3 冰蓄冷与水蓄冷的比较
冰蓄冷系统与水蓄冷系统在蓄冷原理上是不同的，冰蓄冷是利用水的相变将水降温后冻结蓄存，在用电高峰时取出使用。而水蓄冷不存在相变，是显热式蓄冷，故蓄冷能力低。冰蓄冷时蓄冷密度DSTL（每立方米储存的能量）为：
DSTL=Q1+Qs1×(T3-Tst)+Qss× (Tst-Tm) （1）
式中：
Q1 -蓄冷球的相变潜热；
Qs1 -蓄冷球的液态显热；
Qss -蓄冷球的固态显热；
T3 -放冷阶段蓄冷系统的出液温度，5℃；
Tst -蓄冷球的相变温度，0℃；
Tm -蓄冷期结束时冷媒平均温度，取蓄冷末期温度范围上下限的平均值。
水蓄冷时，去掉（1）式中涉及潜热和固体显热的部分。因此，与水蓄冷相比，1m3冰的蓄冷能力相当于同体积水的17倍。即在相同蓄冷量的情况下，水蓄冷所需蓄冷槽的体积是冰的17倍，其占地面积不容忽视，这在一定程度上制约水蓄冷的发展。
但与冰蓄冷相比，水蓄冷无需增加制冷机组容量，如果有条件利用消防水池、既有蓄水设施作为蓄冷容器，选择水蓄冷系统可以大大节约投资。
与水蓄冷相比，冰蓄冷的优点是：蓄冷密度高，蓄冷槽体积较小，温度稳定，便于控制，设计灵活性强。故冰蓄冷的优势比较明显，它是目前空调蓄冷的主要方式，其发展空间较大。
4 空调蓄冷系统的应用
80年代末以来，蓄冷空调技术已开始在国内一些工程中应用，如北京首都体育馆空调系统被改造为水蓄冷空调系统，深圳科技大厦引进国外技术采用冰球蓄冷装置的冰蓄冷技术等。为加速蓄冷空调技术在我国的推广应用，1995年4月我国成立了“全国蓄冷空调研究中心”，1996年5月组建了“全国蓄冷空调节能技术工程中心”。目前，除台湾省以外其他省市投入运行和在建的蓄冷空调项目已有100多个[4]，使用较多的有冰球式和冰盘管式两种，目前蓄冰系统应用状况如表1所示。
以上海为例，上海锦都大厦在上海市区第一个采用冰蓄冷中央空调。该商务大厦原建筑面积为16650m2，夏季尖峰冷负荷为2 323kW，配置了两台制冷量为1163kW(即1.0×106kcal/h )的螺杆制冷机组作为常规空调系统。后来扩建，增加辅楼(餐厅和舞厅)1 500m2，尖峰冷负荷为384kW；宾馆2 000m2，尖峰冷负荷为279kW;总计冷负荷为663kW。如果要满足新建楼的供冷要求，需增加一台制冷量为663kW的常规空调制冷机组，这样势必进一步抢占高峰用电，加剧用电状况的恶化。为了解决夏季高峰用电矛盾，用户选用了冰蓄冷中央空调。根据计算，只需增加一台制冷量为460kW的双工况螺杆制冷机组，用于白天制冷和夜间制冰，配置2 800kWh的储冰装置，转移高峰用电负荷220kW，在白天的高峰用电时段每小时释冷700kW，可持续4h。
蓄冷系统的推广是在宏观的社会经济效益和用户的经济效益相一致的前提下实现的，若没有供电方面的优惠政策，空调蓄冷技术是将难以推行的。表2是各地区分时电价的典型情况。
由表2可以看出，蓄冷系统的推行，是具有一定的经济性的。其投资费用相对于非蓄冷系统也具有优势，尽管蓄冷系统和非蓄冷系统本身的投资费用都因具体情况而异，但是在满足相同的供冷负荷要求下，对比两者的投资费用，结合国内外的实践经验分析[5]，可看出：
1）冰蓄冷系统本身投资较相应的非蓄冷系统一般高20%～60%.
2）当采用低温送风系统时，低温空调系统初投资低于常温系统10%～20%，故一定规模的低温空调系统与非蓄冷系统的投资可能持平。
3）结合国内情况，大容量水蓄冷系统的投资，通常比非蓄冷系统低。
5 结束语
空调蓄冷系统并不一定节电，而是合理利用峰谷电能，削峰填谷。在电力结构峰谷差距不断加大的今天，蓄冷系统将会带来空调系统的革命，在平衡电力消耗方面将起到不可估量的作用。
我国蓄冷技术近10年发展很快，取得了一定成绩，基本接近国际水平，个别产品优于国际同类产品，国产设备和控制系统已基本可以替代进口系统，但在系统可靠性、技术完善性上距国际水平还有一定差距。总体来讲，蓄冷技术在我国应用还不广泛，必须加大宣传力度，大力推广。
蓄冷空调的发展离不开政策的支持和电价的倾斜，建议政府有关职能部门给予转移高峰电力的用户、单位以奖励，如供电贴费减免、贴息贷款、租赁等；采取有效措施降低供配电设施成本。联合职能部门如建委、环保、经委，制定相关政策影响企业、设计等单位，促使用户选用蓄冷系统。
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