郑慧海
广东粤建设计研究院有限公司
摘要：空调水蕾冷是众多空调蕾冷形式中的一种，它适合常规制冷机组运行，不需要更改已有的空调设备，具有初投资和运行费用低、操作简单等特点。本文介绍几种水蓄冷方式，着重介绍了南宁某酒店的自然分层的水蓄冷空调的构成及运行情况，并进行了经济性分析。
关键词：水蓄冷 意义 节能 性能评价 实际工程
1．前言
近年来，随着我国国民经济的高速发展，城市建筑物空调用量猛增'现代化建筑中空调用电量巨大，占建筑物总用电量的50％以上，在夏季尖峰时间，北方城市(如北京)空调用电量占城市总电量的16％-18％，华南经济发达城市(如广州、深圳)已超过30％。空调不仅耗电巨大，而且其冷负荷高峰时间与城市用电尖峰相吻合，加剧了电力峰谷的不干衡，使尖峰供电不足的矛盾更加严峻。解决峰谷电力不平衡的一个重要策略是采用蓄冷式空调系统．也称"热能贮存系统"(Thermal EnerRy Storage System即TES系统)，即在夜间电网低谷时间同时也是空调负荷很低的时间，制冷系统开机制冷并将冷能储存起来，待白天电网高峰时间同时也是空调负荷高峰时间将冷量释放出来满足空调负荷的需要。为了解决我国电力季节缺电及峰谷差加大的局势，近年来对蓄冷空调技术的开发和应用越来越重视，发展也较快，发展蔷冷空调技术已成为不可逆转的趋势。
2．水蓄冷空调系统简介
水蓄冷是利用价格低廉、使用方便的水作为蓄冷介质，利用水的显热进行冷量储存。它具有初投资少、系统简便、维修方便、技术要求低、可以同时使用常规空调制冷系统，以及在冬季可以用于蓄热等特点。水蓄冷技术适用于对现有常规制冷系统的扩容或改造，可以实现在不增加制冷机组容量的情况下，提高供冷能力。另外，水蓄冷系统可以利用消防水池、蓄水设施或建筑物地下室作为蓄冷容器，这样可以降低水蓄冷系统的初投资，进一步提高系统应用的经济性。简单的水蓄冷制冷系统是由制冷机组、蓄冷水槽、蓄冷水泵、板式换热器和放冷水泵组成。有的水蓄冷系统还可不配板式换热器。蓄冷水槽是水蓄冷系统的关键设备。为了提高蓄冷水槽的蓄冷能力并满足供冷时的负荷要求，提高水蓄冷系统蓄冷效率，应当维持尽可能大的蓄冷温差并防止储存冷水与回流热水的混合，为实现这一目的，研究者们进行了很多有益的尝试，概括起来主要有四种方式：（1）自然分层蓄冷（Natural Stratification）、（2）多蓄冷罐／空罐方法（MultipleTank／Empty Tank）、（3）迷宫法（Labyrinth and Baffle）和（4）隔膜法（Membrane／Diaphragm）。在这些技术中，又以自然分层蓄冷技术应用的最为普遍。
（1）自然分层蓄冷（Natural Stratification）
自然分层蓄冷就是依靠密度大的水自然会聚集在蓄冷罐的下部，形成高密度水层的趋势进行的。在分层蓄冷中使温度为4～6℃的冷水聚集在蓄冷罐的下部，而10～12℃的热水自然地聚集在蓄冷罐的上部，来实现冷热水的自然分层。
如图1然分层水蓄冷空调系统构成，它是在常规的制冷系统中加入蓄水罐。在蓄冷循环时，制冷设备送来的冷水由底部散流器进入蓄水罐，热水则从顶部排出，罐中水量保持不
变。在放冷循环中，水流动方向相反，冷水由底部送至负荷侧，回流热水从顶部散流器进入蓄水罐。自然分层蓄冷罐的蓄冷能力随储存冷水和负荷回流热水间的温差的增大而增加，温差越大，越有利于水的分层。大的温差也减小了通过蓄冷罐的水流量，进一步提高分层效果。
如图2所示为自然分层单蓄冷罐的结构形式。在蓄冷罐中设置了上下两个均匀分配水流散流器（Diffuser）。为了实现自然分层的目的，要求在蓄冷和释冷过程中，热水始终是从上部散流器流入或流出，而冷水是从下部散流器流入或流出，应尽可能形成分层水的上下平移运动。
在自然分层水蓄冷罐中，斜温层（Thermocline）是一个影响冷热分层和蓄冷罐蓄冷效果的重要因素，它是由于冷热水间自然的导热作用而形成的一个冷热温度过渡层，如图3所示。它会由于通过该水层的导热、水与蓄冷罐壁面和沿罐壁的导热，并随着储存时间的延长而增厚，从而减小实际可用蓄冷水的体积，减少可用蓄冷量。明确而稳定的斜温层能防止蓄冷罐下部冷水与上部热水的混合。蓄冷罐储存期内斜温层变化是衡量蓄冷罐蓄冷效果的主要指标。为了防止水的流入和流出对储存冷水的影响，在自然分层蓄冷罐中采用的散流器应使水流以较小的流速均匀地流入蓄冷罐，以减少对蓄冷罐水的扰动和对斜温层的破坏。因此，分配水流的散流器也是影响斜温层厚度变化的重要因素。
采用分层方法也可以形成蓄冷罐组的形式，称之为隔板式分层（BarrierStratification）蓄冷。该方法多用于建筑物地下室作为蓄冷罐的形式。将一个大蓄水槽用隔板分隔成几个相互连通的分格，形成蓄冷罐串联的形式。蓄冷时，冷水从右边第一个蓄冷罐的底部入口进入罐中，顶部溢流的热水送至第二个罐的底部入口。依此类推，最终所有的蓄冷罐中均为冷水。释冷时，回流热水由左边蓄冷罐下部进入，由隔板导流从上部进入蓄冷罐，冷水则从右边蓄冷罐上部流出供冷。
（2）多蓄冷罐／空罐方法（MultipleTank／Empty Tank）
在蓄冷系统中，设置多个蓄冷罐，将冷水和热水分别储存于不同的蓄冷罐中，并保证在蓄冷和释冷开始时有一个罐是空的。利用设置的空罐实现冷热水的分离，从而保证送至负荷的冷水温度维持不变。系统构成如图4所示。在蓄冷循环中．随着蓄冷进行，蓄冷罐由左至右逐个充满。进行蓄冷的蓄冷罐右侧罐中的热水由下部阀门控制将热水抽出，送至冷水机组冷却后进入蓄冷罐。当蓄冷结束时，右边第一罐是空的。在释冷循环中，方向相反。运行时，多罐系统中的个别蓄冷罐可以通过关闭进出阀门而与系统隔离进行检修维护。多罐蓄冷系统要求使用的阀门控制较多，故系统管路和控制较为复杂。
（3）迷宫法（Labyrinth and Baffle）
采用隔板将大蓄水槽分成很多个单元格，水流按照设计的路线依此流过每个单元格。迷宫法能较好地防止冷热水混合，但在蓄冷和放冷过程中，水交替地从顶部和底部进口进入单元格，每两个相邻的单元格中就有一个是热水从底部进口进入或冷水从顶部进口进入，这样易因浮力造成混合。另外，水的流速过高会导致扰动及冷热水的混合；流速过低会在单元格中形成死区，降低蓄冷系统的容量。
（4）隔膜法（Membrane／Diaphragm）
在蓄冷罐中部安装一个活动的柔性隔膜或一个可移动的刚性隔板，将蓄冷罐分成分别储存冷热水的两个空间，来实现冷热水的分离。为了减小热水对冷水的影响，一般冷水放在下部。通常隔膜是用橡胶布制成，布置方式主要是水平布置。这样的蓄冷罐可以不用特殊的散流器，但通过隔膜的导热同样会导致有效蓄冷量的减少。采用隔膜或隔板的初投资和运行维护费用与散流器相比并不占优势，因此，隔膜方法较少被应用。
与冰蓄冷空调系统相比，水蓄冷具有如下的优点：
1.可以使用常规的冷水机组，也可以使用吸收式制冷机组，并使其在经济状态下运行。
2.系统造价、运行电费比较水蓄冷系统造价低，冰蓄冷造价高。同等蓄冷量的水蓄冷系统造价约为冰蓄冷的一半或者更低，一般情况下，蓄冷空调造价高于常规空调造价。
3.适用于常规供冷系统的扩容和改造，可以通过不增加制冷机组容量而达到增加供冷容量的目的。
4.可以利用消防水池、原有的蓄水设施或建筑物地下室等作为蓄冷容器来降低初投资。
5.可以实现蓄热和蓄冷的双重用途。
6.运行及维护
<1>. 运行成本：冰蓄冷系统的蓄冷及放冷过程中都有相变过程，能耗和运行成本都有所增加；水蓄冷不存在相变，其运行成本很校
<2>. 运行状况与响应速度：水蓄冷运行简便，易于操作，放冷速度、大小可依需冷负荷而定；冰蓄冷因需溶冰，放冷速度、大小受到限制。一般而言，水蓄冷放冷可以即需即供，无需时间延迟，而冰蓄冷需要30分钟左右的时间延迟才能正常供冷。
<3>. 维护：相比较而言，水蓄冷易于维护，每年维护费用较低；冰蓄冷难维护，每年维护费用较高。平均而言，同等蓄冷量的冰蓄冷系统的维护费用是水蓄冷系统的2~3倍。
当然了水蓄冷系统与冰蓄冷空调相比也有其固有的缺点――蓄冷密度低。从冰蓄冷与水蓄冷的简介中知道：冰蓄冷槽的蓄冷密度为（40～50kW /m3），蓄冷水池的蓄冷密度为（7～11.6kW /m3）。冰蓄冷槽的蓄冷密度是蓄冷水池蓄冷密度的5倍左右。但是在实际案例中，由于冰蓄冷的蓄冷设备一般在多个蓄冷槽内实现，设备之间需留有检修通道及开盖距离，而且冰槽内有乙二醇及预留结冰时膨胀空间，冰蓄冷的蓄冰有效空间一般只是实际占用空间的一小部分；大温差水蓄冷系统在一个蓄冷槽内完成全部蓄冷和放冷过程，占用空间绝大部分是有效的蓄冷空间。具体已投运的项目表明，大温差水蓄冷的实际占用空间只略大于冰蓄冷的实际占用空间。
3．水蓄冷空调的使用条件
水蓄冷空调的使用条件的基本条件，首先要求空调系统的冷源是电制冷方式，并在该地区执行峰谷电价（峰谷电价差越大，蓄冷运行的费用节省越多）。此外在符合下列条件之一，并经对空调冷源系统进行技术经济比较，可采用水蓄冷系统。
（1）非全日制空调工程、昼夜负荷相差悬殊或空调负荷峰谷悬殊的工程（如有些工业性空调房间，白天的发热设备工作较多）。
（2）限制空调用电的空调工程。
（3）某一时段限制空调制冷用电的空调工程。
（4）获得电力补贴或通过技术经济比较，能获得经济效益的空调工程。
（5）对于全日空调，而且空调负荷峰谷相差不大的空调工程，如果该地区的峰谷电力差价大，经过技术经济比较，可设专用蓄冷制冷机组。
4．水蓄冷空调的好处和意义
从目前我国空调普及程度来看，通过蓄冷技术所能转移的尖峰用电负荷的潜力并不很大。但是，随着我国经济的发展与人民生活水平的不断提高，空调普及率也会逐步提高。如果全国大中城市空调普及率达到60～70%的水平时，还没有采取蓄冷手段和降低电耗水平，我国的电力建设与电力供应将承受不了空调用电的负担。因此，结合我国国情发展蓄冷技术，将会给国家带来诸多的好处。
（1）对国家、电力部门的好处
1.众所周知，商业用电，一般集中在9：00-23：00.随着商品经济的发展，城市用电峰谷负荷差必然日趋拉大。若按尖峰用电负荷建设发电设备与供电电网，那么在低谷时段，相当一部分发电设备与输配电设备不能充分发挥作用，折算到每千瓦时的平均供电成本也要上升；如果按平均用电负荷建设发电厂与输配电网，那么在夏季尖峰用电时段，用电负荷就会超过发电与输配电设备的供电能力，电网的周波（频率）就会下滑，当降到48.5赫兹以下时就不能安全供电，供电调度部门必须采取拉闸停电的办法，强制削减用电负荷。而采取了蓄冷技术之后，利用午夜后的富余电力进行蓄冷，尖峰时段不制冷或少制冷，即可均衡用电负荷，改善电网负载因素，有利于安全供电。
2.为了使供电能力适应用电负荷需要，发电机组根据用电负荷随时调节自己的出力。但是随着发电机组向着超高温超临界发展，其容量己从200MW发展到600M W ,而其调节负荷的能力却越来越小，故在电网中有时就必须配置燃油机组或燃气轮机发电机组，在尖峰用电时段可应急启动这些调峰机组，低谷时段则停机。而采用了蓄冷技术之后，由于在负荷侧进行了移峰填谷，故可减少对尖峰发电机的依赖，同时也就提高了那些大容量基本负荷发电机组的利用率。
3.单纯为了满足尖峰用电负荷需要，就必须根据尖峰用电负荷的大小来兴建更多的新电厂。在空调的社会普及率相当高以后，如果采用与推广蓄冷技术，就可有效的把空调用电的约40%左右的负荷转移到低谷时段，原计划兴建的新电厂或新的发电机组就可不建或缓建，从而提高了现有发电设备与输配电网的利用率与效率，改善电力建设的投资效益。
（2）对建筑业主与用户的好处
1.目前各地供电部门对空调用电限制较严，征收的额外费用名目繁多，建筑业主与用户的经济负担较重，还经常受到限电、拉闸停电种种束缚。若在空调制冷行业中发展蓄冷技术，就能较好的缓解空调用电与城市电力供应能力的矛盾，更好地满足城市居民改善生活与工作条件的愿望．
2.由于采用了蓄冷与低温大温差供冷送风相结合的技术，在初投资费用方面，既可减小空调处理设备、输配设备的大小，输送管网的粗细，还可减少机房管井的占用面积，压低建筑层高，从而不但可节省空调的一次投资费，而且还可降低建筑造价；在运行费用方面，由于风机、水泵的输配功率大幅度降低，不但可补偿蓄冷时所多耗的电能，而且还可提高制冷空调系统的整体能效，再加上分时电价的优惠，从而使建筑业主与用户支付比常规空调更少的运行费用。
3.由于采用了低温大温差供冷送风，使空调处理与输送过程均在较低温度下进行，有利于抑制细菌、病菌的繁殖，降低室内空气湿度，从而可进一步改善室内空气品质与热舒适水平。
（3）对社会环境保护事业的好处
1.因为可少建或缓建电厂，就可减少二氧化碳的排放量。若减少一座300MW燃煤发电厂的建设，一年就可减少300万吨二氧化碳的排放，减轻全球的温室效应。
2.因为采用蓄冷技术提高了空调制冷系统的整体效率，减少了钢材与有色金属消耗，提高了现有发电设备与供电电网的利用率，有利于提高全社会的能源利用系数，可更合理更经济地开发与使用我国的能源资源。
综上所述，发展蓄冷技术是一项一举三得的技术措施，对一个正在普及空调的发展中国家来说，加大此项技术的理论研究与工程应用开发力度，乃是利国利民的明智之举。
5．实际工程介绍
（1）工程概况
南宁某酒店总建筑面积为5万平方米，拥有豪华总统套房、商务套房、 标准间等各类客房共计318间（套），是集餐饮酒吧、商贸金融、健身娱乐、旅游渡假于一体，设施完备、功能超卓的五星级涉外酒店，。目前配置有开利离心式冷水机组350Rt×3台。该酒店要求要求24小时供冷，在夏季最大负荷时，白天需要开动2台主机供冷，夜间则只需开动1台主机供冷，其余季节夜间1般1台主机供冷。该酒店夜间有很大的富裕量这为在南宁国际大酒店建设水蓄冷系统奠定了最基本的前提条件。该酒店地处广西南宁市，全年平均气温比较高，空调使用时间超过250天。下表为原有空调设备：
名称规格数量功率
(kW)总功率
(kW)
1离心主机350RT3台243729
2冷却水泵200m3/h，30m4台3090
3冷冻水泵200m3/h，40m4台37111
4冷却塔200m3/h3台1133
（2）部分负荷水蓄冷方案
利用原有制冷站内的制冷设备，并新增蓄冷水池与蓄冷水泵、放冷水泵及板式换热器，构成水蓄冷制冷系统。运行方式为提前蓄冷的运行方式，。根据本项目空调负荷运行情况，经过制冷系统平衡计算，在停车坪下面设置950m3蓄冷水池，蓄冷能力760万kcal（2533RT）；此时水池蓄冷温差选用为8℃(4∽12℃)。下表为新增设备，其中蓄冷水槽建于停车坪地下（见图5）：
名称规格数量功率
(kW)总功率
(kW)
1蓄冷水槽950m31台00
2充冷水泵130m3/h，26m1台2222
3放冷水泵140m3/h，18m1台1515
4板式换热器100万kcal/h1台00
（3）运行模式
由于原有系统的制冷主机能够满足尖峰负荷，因此该系统设计了四种模式；主机直接供冷、主机供冷加蓄冷，主机和蓄冷槽联合供冷、蓄冷槽单独供冷。各运行方式见下表：
主机供冷
主机供冷＋蓄冷
主机供冷＋放冷
蓄冷槽单独放冷
由于系统运行模式多、模式转换要求严格，所以采用自动控制系统。利用计算机的逻辑判断能力按一定的顺序和条件开关水泵、阀门，在阀门不能达到预定阀位时给出故障信号。
（4）运行策略
由于空调的冷负荷是随室外气温的变化而变化的，也就是说，室外温度的变化，决定蓄冷量的多少，进而确定蓄冷冷水机组的运行数量。根据对南宁气象资料的分析，各个月份的蓄冷冷水机组的开启数量如下：
A. 设计日
设计日是夏天最热的时候，结合空调逐时冷负荷分布图及南宁市蓄冷空调的电价政策，蓄冷空调运行方式如图所示：
B. 非设计日
在天气发生变化,日负荷较小时，系统将依据实际的冷负荷需求，通过控制系统调节运行模式，自动调整每一时段内储冷装置融冷供冷及主机供冷的相对应比例，以实现分量储冷模式逐步向全量储冷模式的运行转化，按照储冷装置优先供冷的原则，最大限度地控制主机在电力高峰期间的运行，节省运行费用。
以上是全年部分负荷的基本运行模式，但在实际的运行过程中，由于气候在不断的变化，全天的空调负荷也在不断地变化，这时在放冷运行时，随时注意蓄冷水池各层水温的变化，直到蓄冷水池蓄存的冷量全部放完为止。
六．结论
在世界上，电制冷蓄冷技术已经成为改善电力供应状况，提高机组负荷率、充分利用现有发电资源的重要手段。在中国，经济的高速发展和人们物质生活水平的不断提高、已经对电力供应提出了挑战。改善电力供应紧张的局势和电力负荷环境已成为当务之急。充分利用现有发电设备来满足对电力的需求，在大城市空调负荷快速增长的储况下，研究、开发及推广应用电制冷蓄冷技术是非常必要的。
参考文献：
1．严德隆，张维均．空调蓄冷应用技术．北京：中国建筑工业出版社．1997．
2．胡兴邦，朱华等．蓄冷空调系统原理、工程设计及应用．杭州：浙江大学出版社．1997.
3．岳孝方，陈汝东．制冷技术与应用．上海：同济大学出版社．1992.
4．杨伟成．空调工程的蓄冷水池技术应用．暖通空调，1993，23（1）
5．吴喜平．冰蓄冷空调与空调实例分析．能源研究与信息，1999，15（2）
论文作者:郑慧海
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/27
标签：空调论文; 负荷论文; 系统论文; 冷水论文; 尖峰论文; 技术论文; 机组论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;