關鍵詞： 蓄冰 外融冰 蓄冷
冰蓄冷技術是指在用電低谷時用電制冰并暫時儲存在蓄冰裝置中，在需要時（如用電高峰）把冷量取出來進行利用，由此實現對電網的“削峰填谷”，冰蓄冷技術的推廣和應用，有利于促進能源、經濟和環(huán)境的協(xié)調發(fā)展，能取得良好社會效益和經濟效益。隨著我國經濟和社會的發(fā)展，電力供應日益緊張，高峰不足而低谷過剩，為此，我國電力部門對蓄冷技術給予了極高的關注，各地電力部門紛紛出臺優(yōu)惠政策以鼓勵用戶采用節(jié)電技術、多用低谷電[1]，在政府優(yōu)惠政策的支持下，我國的冰蓄冷技術逐漸邁向了一個飛速發(fā)展的時代，其所帶來的巨大經濟、社會效益已成為不容爭辯的事實。
1. 傳統(tǒng)外融冰蓄冰空調系統(tǒng)存在的問題
對于目前應用最為廣泛的冰盤管蓄冰設備，根據取冷過程的不同又可分為內融冰和外融冰兩種方式。在內融冰蓄冷系統(tǒng)中，取冷時，依靠蓄冰盤管內循環(huán)流動的載冷劑從冰槽內取冷，再通過板式換熱器與空調水進行熱交換，將冷量釋放給空調水，內融冰系統(tǒng)具有安全、可靠、高效、技術成熟等諸多優(yōu)點，是目前工程中普遍采用的蓄冰系統(tǒng)形式[2]，然而，雖然內融冰取冷時實現了閉式循環(huán)，但是，由于采用了二次換熱方式，其取冷溫度上升，不能提供低溫空調水，無法實現低溫送風和降低系統(tǒng)造價的目標。
而外融冰方式與內融冰相比，由于外融冰系統(tǒng)中的空調水可以與冰直接接觸進行取冷，其取冷效率更高，取冷溫度更低，同時取冷過程更加平穩(wěn)，使大溫差低溫送風成為可能[3]，但常規(guī)外融冰空調系統(tǒng)所采用的蓄冰槽一般為上部與大氣相通的開放式蓄冰槽，在工程應用中要謹防系統(tǒng)水倒灌，如圖1 “串聯(lián)開式外融冰空調系統(tǒng)[4]”。
可以直接從蓄冰槽內低溫水中取冷，但需要取冷泵的揚程大。而且停機后不能克服室內末端的水流倒灌問題；若用電動調節(jié)閥控制，也會因閥門承受水靜壓大，而造成開啟與調節(jié)困難。為克服上述“串聯(lián)開式外融冰空調系統(tǒng)”存在的缺陷，有些工程將設備間設置在建筑頂層，但又導致了建筑負荷增加、振動增加以及蓄冰槽的冷橋絕緣不能很好解決等問題。因此，在外融冰空調系統(tǒng)中 “并聯(lián)開式外融冰空調系統(tǒng)[4]（如圖2）”被廣泛采用。
該系統(tǒng)與“串聯(lián)開式外融冰空調系統(tǒng)”的主要區(qū)別是利用板式換熱器將蓄冰槽與空調水回路分離，使空調水回路形成一個閉式循環(huán)，該系統(tǒng)形式降低了取冷泵的揚程，停機后不會出現室內末端的水流倒灌問題。由于空調水回路形成閉式循環(huán)，開式水箱內的水容易解決倒空問題，調節(jié)靈活，運行可靠。但與前面系統(tǒng)相比，又增加了板式換熱器，難以實現低溫水的直接利用。為解決水流倒灌問題，美國BAC公司提出 “肋片盤管取冷外融冰空調系統(tǒng)[5]（如圖3）”，將取冷肋片盤管直接放置在蓄冰槽內部上方，此系統(tǒng)實質上與圖2所示的“并聯(lián)開式外融冰空調系統(tǒng)”形式沒有本質區(qū)別，只不過是用取冷肋片盤管取代板式換熱器。所以該系統(tǒng)仍為開式系統(tǒng)，并且多用了一臺取冷肋片盤管，使蓄冷槽高度加大，增加了系統(tǒng)成本和安裝尺寸。再者蓄冰槽下部附加空氣攪拌器，會加速取冷肋片盤管的腐蝕，縮短使用壽命。
綜上，采用上述開式外融冰蓄冰槽的系統(tǒng)，決定了冰槽水系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，需要獨立的取冷泵從冰水混合物中取冷。因此開式外融冰系統(tǒng)普遍存在取冷泵揚程大，泵停機后不可避免室內末端的水流倒灌、水流換向電磁閥和水量調節(jié)電動閥承受水靜壓大，開啟與調節(jié)困難等缺陷，如果在實際冰蓄冷空調系統(tǒng)中以采取增加冰槽空調水和系統(tǒng)空調水二次換熱方式來克服上述缺陷，勢必增加二次換熱環(huán)節(jié)，造成取水溫度升高，難以實現大溫差供水和低溫送風系統(tǒng)，進一步降低系統(tǒng)總造價目標。
2. 閉式外融冰蓄冰設備結構與性能
為了解決傳統(tǒng)開式外融冰空調系統(tǒng)在工程應用中存在的缺陷，清華同方人環(huán)工程公司與清華大學合作共同研制開發(fā)了專利技術產品“閉式外融冰盤管蓄冰設備[6]（見圖4）”。
它包括殼體、冰盤管、載冷劑分液管和載冷劑集液管等，其結構特點是，冰槽殼體的兩端分別與封頭封閉連接，冰盤管由彎管和直管形成多管程載冷劑通道，由殼體內兩端所設具有通孔的管板固定在殼體內，空調水通道中徑向設有多個交錯放置的水折流板。另外，該設備還有強度高，不易變形，安裝條件簡單、節(jié)省空間等特點。
對該專利技術設備進行大量蓄冰工況實驗表明，閉式外融冰蓄冰設備完全保留了一般開式外融冰蓄冰槽冰盤管外結冰的特征，盤管不承受相變時應力的影響，使用壽命延長。在整個潛冷蓄冷過程中，蓄冷速率大致維持恒定，蓄冰過程穩(wěn)定、高效、快速。圖5為該設備典型蓄冰的特性曲線。
同樣，大量融冰工況試驗表明，與工程中經常采用的冰球和內融冰盤管等蓄冰設備相比，閉式外融冰蓄冰設備整個取冷過程中取冷速率大，取冷快，而且能維持恒定的取冷速率和持續(xù)穩(wěn)定的低溫水，即取冷速率幾乎是條直線，逐時取冷量大致保持不變，取冷水溫更能長時間保持在0～2℃，由于直接從冰水混合物中取冷，進口空調水能夠快速、直接、充分地與冰槽中的冰水混合物進行熱質交換，快速放冷、釋冷。圖6為該設備典型取冰過程的特性曲線。
實驗結果同時表明，取冷速率的大小不僅取決于流量，而且還跟取冷進口水溫有關，取冷進口水溫越高、取冷流量越大，取冷速率就越大，取冷越快；但是，在取冷過程的后期，為了獲取低溫水，必須降低取冷進口水溫、減小取冷流量，這樣又導致取冷速率下降，總之，在取冷過程后期，取冷速率和取冷水溫二者是相互牽制的，應該根據實際需要具體進行系統(tǒng)設計與配置，使冰槽的出力達到最優(yōu)，滿足全過程要求。
3. 閉式外融冰蓄冰空調系統(tǒng)
在外融冰系統(tǒng)中以閉式蓄冰設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開式蓄冰槽，同時去除二次換熱熱交換器，將外融冰系統(tǒng)的開式水系統(tǒng)改為承壓的閉式系統(tǒng)[7]，避免空調水系統(tǒng)二次換熱環(huán)節(jié)的引入，同時綜合考慮閉式外融冰蓄冰設備的蓄冰、融冰特性，以達到向空調系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的低溫空調水、可實現大范圍調節(jié)取冷速率為目的，并為進一步實現大溫差供水與低溫送風、減小空調水系統(tǒng)水泵、管徑和末端設備規(guī)格，降低整個空調系統(tǒng)的總造價打下堅實的基礎，典型的閉式外融冰空調系統(tǒng)形式有兩種：典型閉式外融冰系統(tǒng)（圖7）和無板熱閉式外融冰系統(tǒng)（圖8）。
典型閉式外融冰系統(tǒng)與常規(guī)外融冰系統(tǒng)相比，省去了約1/2容量的板式換熱器；可以提供大溫差供、回水，可持續(xù)提供0～2℃的低溫空調水；同時有效解決了空調水倒灌、泵體閥體承受靜水壓大或管內出現真空現象，使水系統(tǒng)更加簡捷、安全、可靠；對于夜間仍需要進行供冷的建筑物，系統(tǒng)還可以在夜間進行邊蓄冰邊供冷。該系統(tǒng)比較適合在大中型空調系統(tǒng)中采用。
無板熱閉式外融冰系統(tǒng)則省去了所有的板式換熱器，系統(tǒng)更加簡單，大大降低了系統(tǒng)初投資，比較適合注重初投資的較小的空調系統(tǒng)（圖8）。
4. 結論
綜上，閉式外融冰系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)開式外融冰系統(tǒng)存在的不足之處，能有效地降低蓄冰空調系統(tǒng)的總體價格和裝機配電容量，為大溫差供水和低溫送風提供了堅實的技術基礎，具有很好的經濟和社會效益。