關(guān)鍵詞： 蓄冰 外融冰 蓄冷
冰蓄冷技術(shù)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(xiàn)對電網(wǎng)的“削峰填谷”，冰蓄冷技術(shù)的推廣和應(yīng)用，有利于促進能源、經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，能取得良好社會效益和經(jīng)濟效益。隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，電力供應(yīng)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(shù)給予了極高的關(guān)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(shù)、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(shù)逐漸邁向了一個飛速發(fā)展的時代，其所帶來的巨大經(jīng)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(diào)系統(tǒng)存在的問題
對于目前應(yīng)用最為廣泛的冰盤管蓄冰設(shè)備，根據(jù)取冷過程的不同又可分為內(nèi)融冰和外融冰兩種方式。在內(nèi)融冰蓄冷系統(tǒng)中，取冷時，依靠蓄冰盤管內(nèi)循環(huán)流動的載冷劑從冰槽內(nèi)取冷，再通過板式換熱器與空調(diào)水進行熱交換，將冷量釋放給空調(diào)水，內(nèi)融冰系統(tǒng)具有安全、可靠、高效、技術(shù)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(nèi)融冰取冷時實現(xiàn)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(diào)水，無法實現(xiàn)低溫送風和降低系統(tǒng)造價的目標。
而外融冰方式與內(nèi)融冰相比，由于外融冰系統(tǒng)中的空調(diào)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(diào)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(yīng)用中要謹防系統(tǒng)水倒灌，如圖1 “串聯(lián)開式外融冰空調(diào)系統(tǒng)[4]”。
可以直接從蓄冰槽內(nèi)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(nèi)末端的水流倒灌問題；若用電動調(diào)節(jié)閥控制，也會因閥門承受水靜壓大，而造成開啟與調(diào)節(jié)困難。為克服上述“串聯(lián)開式外融冰空調(diào)系統(tǒng)”存在的缺陷，有些工程將設(shè)備間設(shè)置在建筑頂層，但又導(dǎo)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(diào)系統(tǒng)中 “并聯(lián)開式外融冰空調(diào)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(diào)系統(tǒng)”的主要區(qū)別是利用板式換熱器將蓄冰槽與空調(diào)水回路分離，使空調(diào)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(xiàn)室內(nèi)末端的水流倒灌問題。由于空調(diào)水回路形成閉式循環(huán)，開式水箱內(nèi)的水容易解決倒空問題，調(diào)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(xiàn)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(diào)系統(tǒng)[5]（如圖3）”，將取冷肋片盤管直接放置在蓄冰槽內(nèi)部上方，此系統(tǒng)實質(zhì)上與圖2所示的“并聯(lián)開式外融冰空調(diào)系統(tǒng)”形式?jīng)]有本質(zhì)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(nèi)末端的水流倒灌、水流換向電磁閥和水量調(diào)節(jié)電動閥承受水靜壓大，開啟與調(diào)節(jié)困難等缺陷，如果在實際冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中以采取增加冰槽空調(diào)水和系統(tǒng)空調(diào)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(xiàn)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(shè)備結(jié)構(gòu)與性能
為了解決傳統(tǒng)開式外融冰空調(diào)系統(tǒng)在工程應(yīng)用中存在的缺陷，清華同方人環(huán)工程公司與清華大學(xué)合作共同研制開發(fā)了專利技術(shù)產(chǎn)品“閉式外融冰盤管蓄冰設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)兩端所設(shè)具有通孔的管板固定在殼體內(nèi)，空調(diào)水通道中徑向設(shè)有多個交錯放置的水折流板。另外，該設(shè)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(shù)設(shè)備進行大量蓄冰工況實驗表明，閉式外融冰蓄冰設(shè)備完全保留了一般開式外融冰蓄冰槽冰盤管外結(jié)冰的特征，盤管不承受相變時應(yīng)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(shè)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(jīng)常采用的冰球和內(nèi)融冰盤管等蓄冰設(shè)備相比，閉式外融冰蓄冰設(shè)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(diào)水能夠快速、直接、充分地與冰槽中的冰水混合物進行熱質(zhì)交換，快速放冷、釋冷。圖6為該設(shè)備典型取冰過程的特性曲線。
實驗結(jié)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(guān)，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(dǎo)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(yīng)該根據(jù)實際需要具體進行系統(tǒng)設(shè)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(diào)系統(tǒng)
在外融冰系統(tǒng)中以閉式蓄冰設(shè)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(diào)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(shè)備的蓄冰、融冰特性，以達到向空調(diào)系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的低溫空調(diào)水、可實現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)取冷速率為目的，并為進一步實現(xiàn)大溫差供水與低溫送風、減小空調(diào)水系統(tǒng)水泵、管徑和末端設(shè)備規(guī)格，降低整個空調(diào)系統(tǒng)的總造價打下堅實的基礎(chǔ)，典型的閉式外融冰空調(diào)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(diào)水；同時有效解決了空調(diào)水倒灌、泵體閥體承受靜水壓大或管內(nèi)出現(xiàn)真空現(xiàn)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(diào)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(diào)系統(tǒng)（圖8）。
4. 結(jié)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(diào)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(shù)基礎(chǔ)，具有很好的經(jīng)濟和社會效益。