一、    蓄冷空调原理与使用条件

1.1    蓄冷空调技术基本原理

介质在吸热或放热过程中，会引起介质的温度或物理状态发生变化；蓄冷就是利用工质状态变化过程中所具有的显热、潜热或化学反应中的反应热来进行冷量的储存。蓄冷空调技术，即在不需要冷量或蓄冷量很少的时段，利用制冷设备将蓄冷介质中的热量移出，进行冷量储存，以便空调用冷高峰期使用。

当能源的生产与使用不能完全匹配时，就产生了能量空间转移和时间转移的需求，即能源输配和能源存储的需求。在空调系统中，建筑物冷热负荷出现的高峰往往和电力需求的高峰重叠，导致电力系统峰谷负荷差加大、装机容量上升、全年平均负荷率偏低等问题。蓄冷技术则通过在电力负荷低的夜间制取冷量，利用蓄冷介质的显热或潜热特性，将冷量储存起来、在负荷高峰期使用，使这些问题得以解决。因而发展空调用蓄冷技术有其显著的社会效益和经济意义。

蓄冷系统的经济效益体现在以下三个层面：从电能制备来看，能够通过转移制冷设备的运行时间，实现电力负荷的移峰填谷，减小电厂装机容量、设备启停和调节损耗，令发电机组工持续工作在稳定的高负荷率状态；从电能的使用来说，用户可以在减小制冷设备的装机容量的同时，享受夜间谷电时的低电价，大量节省运行成本；从冷量的需求和制备角度，用户可通过蓄冷装置调节冷量需求侧与供应侧，实现冷机的高效运行，节省运行费用。因此，蓄冷空调系统是一个涉及多方面的综合系统，应从多方面进行考虑和评价。

1.2    蓄冷空调的使用条件

蓄冷空调的使用主要应以下两个条件：具有间歇性冷热负荷需求，以及具有较大峰谷电价差。此外，还要考虑一些其他影响因素，如供冷季长短（或全年总冷量需求）、建筑结构要求（蓄冷体与建筑结构特别是地基构造如能协调设置，则起到降低成本、减少占地面积的效果）等，视具体项目情况而有所不同。目前，我国大部分地区、大多数类型公共建筑都满足以上条件，因此蓄冷空调系统在我国的应用前景非常广阔。

1.2.1    间歇性负荷需求

空调系统的存在是为了满足建筑的冷热需求，因此“需求”才是空调系统选择和设计的基本。现在的设计水平足以为新建建筑提供详细、准确的全年逐时负荷需求计算，在设计阶段应提出该要求，为蓄冷空调系统的容量选型及运行模式设计等奠定基础。

蓄冷空调的出现是为了将白天的高峰冷负荷转移至夜间低谷期进行制备，以降低设备和运行成本；因此蓄冷技术应用的首要条件是：建筑物具有间歇性负荷特征。一般的公共建筑，如商场、办公楼、会议中心、交通枢纽等都具有明显的冷热负荷峰谷分布现象，白天营业和工作期间负荷需求高，夜间基本无负荷或只有很小的设备、加班负荷，因而这类建筑非常适合采用蓄冷空调系统。

对于需要昼夜24小时运行的建筑，如不含会议系统的酒店、信息中心等，夜间负荷低谷期较短、白天电价高峰期并非负荷高峰期，蓄冷空调并不适用。

蓄冷技术诞生之初，电力市场上还未出现峰谷电价，该技术主要用于降低冷机设备投资费用。但随着能源价格上涨，峰谷电价的出现使得蓄冷空调系统具备了明显的经济优势，开始大量进入商业项目中。

目前国内的峰谷电价比在2~4左右（即尖峰电价是谷电价的2至4倍），有部分城市峰值电价与谷电价绝对差距接近1元/kWh（如北京、深圳），使得蓄冷空调系统的运行费用显著低于常规空调系统成为可能。根据一般经验，峰电价与谷电价的差值大于1元、比值大于3倍的情况下，即可采用蓄冷空调系统；但由于各地具体情况不同，还应在设计时详细计算经济指标，再做分析决策。表1-1为北京市2012年执行的电价表。

除降低运行期间消耗电费外，蓄冷空调系统还可以降低配电系统装机容量，从而降低初次安装时的费用和每月固定收取的变压器容量费用（元/kVA/月，与装机容量有关）。综合来看，采用蓄冷空调系统可降低运行电费是毋庸置疑的。

1.2.3    其他影响因素

除了电价这一明显考虑因素外，蓄冷系统还受限于建筑规模、建筑结构等多项因素。

选用蓄冷空调系统，对建筑土建来说，增加的成本主要是设备成本，以及满足设备承重需求时建筑结构上增加的投入（水池、冰池等对建筑结构的影响）。仅用所占车位面积计算蓄冷系统的建筑成本是不合理的，因为公共建筑的车位数量已经由相关标准规定，必须达到；同时该机房面积也可认为是占用了其他后勤区域，并非占用的全是车位面积。

建造蓄冷体需要占用一定建筑空间，尤其显热蓄冷（水蓄冷），在同样蓄冷量要求下，水池体积远大于冰池体积，使得国内很多工程在方案设计阶段因占地太大而放弃了水蓄冷。实际上，在日本这样土地资源紧张的国家，大型公共建筑仍然更加青睐水蓄冷系统。日本的冰蓄冷项目比例虽然也高达86.9%，但其中多数是小型家庭冰蓄冷系统；集中空调系统中，冰蓄冷只占44.5%，剩余55.5%基本都是水蓄冷。这是因为他们将水蓄冷与大型公共建筑的结构设计紧密结合起来，如利用消防水池作为水蓄冷池，或将水池与建筑地基结合、作为配重等，就不会多占用额外建筑面积，也不会增加太多投资。这需要在建筑设计初期，各专业的紧密配合才能实现。

此外，供冷季长短也对蓄冷空调设计有影响。在我国各个地区，蓄冷空调设备和建造的费用不会相差太多，但南方地区供冷季长、供冷量大，因此建设蓄冷空调系统可以节省更多运行费用，更容易被广泛采纳。根据经验，我国华北地区往南皆可使用蓄冷空调系统，都有可能有效实现节省空调费用的目标。

商业项目中，需要综合考虑建造蓄冷系统带来的影响，将设备成本、供冷季长度等均列入经济性分析，结合冷负荷特征、峰谷电价等，计算各种方案的优劣。无论是大型公共建筑，还是小型个体商户，在设计正确、运行良好的前提下，均可使用蓄冷空调系统来节约投资和能耗费用。

1.3   常见蓄冷形式

蓄冷空调技术有很多分类方法，按照蓄冷工作原理可分为显热蓄冷、潜热蓄冷和热化学蓄冷；按照蓄冷周期时间可分为昼夜蓄冷和季节性蓄冷；按照介质可以分为冰蓄冷、水蓄冷、共晶盐蓄冷等等等，详见表格 12。商业建筑中，一般采用的是昼夜蓄冷。

表格 12  蓄冷技术分类

蓄冷空调系统中，最重要的部分是冷机和蓄冷装置。蓄冷装置的分类主要有冰蓄冷、水蓄冷、共晶盐蓄冷，按照装置形式、冰与装置的位置关系等还可以进一步细分，详见图 12。在商业项目中，最为常见的是水蓄冷系统和盘管内融冰系统，早期项目中有一些冰球冰蓄冷系统，在远距离输配（如超大型集中冷站）的项目中可能采用盘管外融冰系统。

图 12  蓄冷体形式分类

赵庆珠，《蓄冷技术与系统设计》. 中国建筑工业出版社，2012.

1.3.1    盘管冰蓄冷技术

目前全世界的蓄冷空调系统中，水蓄冷系统和冰蓄冷系统最为普遍。冰蓄冷是最早发展的蓄冷空调系统，由于其蓄冷密度高、技术成熟，目前在蓄冷项目中市场份额最大。在美国约有86.7%的蓄冷项目是冰蓄冷，我国冰蓄冷项目则达到了91.2%，是蓄冷市场中的主力。

在冰盘管系统中，载冷剂走在盘管内，管外为冰池。蓄冰时，冰层逐渐附着在盘管外壁；内融冰系统融冰时，较高温度的载冷剂在管内流动，冰层从内表面开始融化，将冷量传给管内的载冷剂带走；若是外融冰系统，则融冰时冰槽内的水流动，促使盘管外层的冰从外向里融化供冷。目前国内外商业项目中，应用最广泛的是盘管内融冰蓄冷技术。

盘管冰蓄冷系统有以下特点：

1.       蓄冷密度大

与水蓄冷方式比，冰蓄冷具有相变蓄冷密度高的优势，即同样体积的蓄冷体，蓄冷量约为显热水蓄冷的6倍；而由于球体排布等原因，盘管冰蓄冷的蓄冷能力也略高于冰球冰蓄冷系统。一般大型商业建筑都位于土地资源稀缺的市中心区域，不便于建造大型水蓄冷系统，所以选用盘管冰蓄冷的项目非常多。对于小型项目（如个体户店铺等），由于建筑限制无法建造大型水罐，因此几乎都会采用盘管冰蓄冷系统。

外融冰系统由于水不可完全冻结，所以蓄冷密度比内融冰系统低一些。

2.   蓄放冷速率不稳定

盘管冰蓄冷系统中，由于蓄放冷过程中冰层的变厚、变薄，导致冰池的传热能力在不断地变化。

蓄冰时，随着蓄冷量增加，往往出现蓄冷速率逐渐降低的现象。冷机制出低温载冷剂送入蓄冷体，由于冷机控制、载冷剂流量、蓄冷盘管或冰球换热能力（换热面积和系数）等问题综合作用，导致逐时冷量逐渐下降。

内融冰系统在放冷过程中，由于冰层由内向外融化，冰融化一点后会上浮，此时仍与盘管有接触，但接触面积减小，换热速率略有下降；外融冰系统的冰与水接触范围变化不大，因此可以持续保持较高的接触面积，并且融冰速率高、供水温度低。

图 13  盘管冰蓄冷系统融冰过程图示

怎样使冰蓄冷系统能够实现稳定的蓄放冷过程，从而提高蓄冷期制冷机的效率，是冰蓄冷系统能否实现节能的关键之一，也是目前冰蓄冷装置改进、完善的主要方向。

3. 蓄放冷温度低，冷机COP下降；但可以利用低温制作大温差系统

常规空调系统设计供水温度为7℃，因此常规冷机的制冷剂蒸发温度为5~6℃左右，两器温差为32℃。而对于冰蓄冷系统，常压下水的相变温度为0℃，蓄冰时随着冰层加厚，载冷剂温度必须降至更低才能增大传热温差、蓄入冷量，所以冰蓄冷系统的蒸发温度一般在-6~-10℃不等（和蓄冷体具体设计有关，常见为-8℃）。与常规系统相比，冰蓄冷的两器温差增大至40℃左右（考虑了夜间冷凝温度下降），冷机COP只有常规冷机的75%。

但冰蓄冷的供水温度低，内融冰蓄冷可以低至3~4℃，适合结合建筑内低温送风等系统；外融冰系统供水温度低至1~2℃，适合结合大温差输配系统等。这需要设计时综合考虑。

1.3.2   封装冰蓄冷技术

封装式蓄冷装置是最早研究和使用的蓄冷设备，其原理为：将水（或其他相变材料）装在一个密闭腔体内，通过外界载冷剂流动、与水进行换热，使水发生凝固或熔解，实现冷量的蓄存和释放。

图 14  实际运行中的冰球冰蓄冷系统

最常见封装冰蓄冷是冰球系统，其特点如下。

1.       蓄冷密度高于水蓄冷，低于内融冰盘管系统

2.       蓄放冷温度低，冷机COP下降；但可以利用低温制作大温差系统

这两点和盘管冰蓄冷系统相同，不再赘述。

3.       蓄融冰速率不稳定，融冰开始时放冷速率大，1~2小时后速率明显降低

冰球的蓄冰过程与盘管冰蓄冷相似，但融冰过程略有不同。冰球在融冰时，球内最外层的水先融化，然后剩余的冰从壁面脱落，只有顶部与外壁相切的地方能够接触到，其余位置都会隔着一层水。随着融冰过程继续，水层会越来越厚，最后剩下的冰体积很小时，很难融尽。因此冰球系统在放冷最初阶段供冷量非常大，后期则衰减严重，最后一点冷量很难完全释放。

4.       乙二醇充灌量大

冰球需要浸泡在乙二醇溶液中，整个冰池都是乙二醇溶液，因而乙二醇的需求量远大于盘管冰蓄冷系统。并且，在乙二醇溶液与空气的直接接触中，易被污染、氧化，造成腐蚀，导致冰池渗漏、水泵和冷机损坏、阀门脏堵等，因此日常维护的补液量也很大、防腐工作很多，成本高。

1.3.3    水蓄冷技术

随着水蓄冷技术的发展，人们逐渐发现其具有能效高、问题少等诸多优势，是集中空调蓄冷系统下一个发展方向。目前限制水蓄冷空调发展的主要瓶颈是蓄冷密度低，但也可以通过合理方式解决，例如与消防水池结合，利用现有消防水池和冷源系统改造或与建筑地基结合等等。

水蓄冷有以下几个特点：

1.     蓄冷设备能效高

水蓄冷空调不需要低温的双工况冷机，采用常规冷机即可。由于蒸发温度高，水蓄冷冷机额定COP约为冰蓄冷的1.5倍，制备同样冷量可节能33%。

2.     蓄冷、放冷速率高

蓄冷期间，水蓄冷冷机制冷量一般能保持在满负荷运行，而冰蓄冷冷机会随着冰量增加，制冷量降低。主要原因是分层良好或形成活塞流的水池蓄冷速率明显优于包裹了冰层的盘管或表面结冰的冰球。同样，水蓄冷放冷时速率也比一般冰蓄冷高，和外融冰盘管系统持平。

3.     系统简单，能量品位损失小

冰蓄冷在制冷时需要-7~-10℃的低蒸发温度，但供冷温度与常规系统几乎相同（7℃），期间经过蓄冷时乙二醇与冷机换热、乙二醇与冰池换热，放冷时乙二醇与冰池换热、与冷冻水换热共4个步骤，温差损失超过15℃。牺牲设备效率制取高品位低温冷水，再高温利用，浪费了冷机能耗。而水蓄冷的蓄冷温度和供冷温度非常接近，即使经过一层池水与冷冻水换热，温差也只损失1℃，总损失不超过5℃，能量品位损失很小。

4.     冬季可以蓄热（利用消防水池时不允许兼做蓄热）

这是水蓄冷和冰蓄冷相比，非常显著的优势。冬季水池可以兼具蓄热功能，当配合热泵、热电冷联供系统运行时，能够发挥协调作用，储存部分热量，解耦热能的使用和制备。冰蓄冷系统由于设备限制，无法实现。

做好水蓄冷系统，最重要的一点是做好温度分层，控制斜温层厚度。

在水蓄冷的蓄水池中，各处水温并不相等，一般采用供水处温度4℃，回水处11℃。若水池内不同温度的水出现掺混，则会出现能量品位损失，使得放冷时供水温度会持续上升、供冷能力下降，蓄冷时回水温度降低、蓄冷速率下降。因此水蓄冷系统最重要的问题是做好温度分层控制，让不同温度冷水尽量不要掺混。

温度分层的效果可以用图 15的形式表示。纵坐标为测点层数，横坐标为水温，每条线表示某个时刻的温度分布情况。理想的蓄满状态用左边蓝色虚线表示，放空状态是右边红色虚线，而理想的蓄放冷过程是在其间平行移动的温度分布线。温度发生突变的区域称为“斜温层“，当斜温层到达供水口时，供水温度会上升，水箱中剩余冷量将无法使用。按照规定，水蓄冷的取冷效率应达到85%，即蓄入冷量至少能取出85%（在额定供水温度的前提下）。

图 15为南宁某水蓄冷项目的典型日实际测试结果，(a)蓄冷过程中左上角第一条线与蓝色虚线之间的面积为未蓄满的冷量，由于顶层水温降低而提前结束了蓄冷；(b)放冷过程最下面一条线与红色虚线之间的差为未放尽的冷量，由于供水温度上升结束了放冷。该差距是由于存在掺混、水池死区等原因造成的，应尽量在设计和施工时避免。

实现温度分层的方法很多，例如多个水槽并联、依次使用，或增加水槽高度、自然形成温度分层等。图 16列举了几种常见的分层做法（引自2005年清华大学节能论坛，中原信生先生的报告）。