冰蓄冷中央空调技术原理及经济性分析

冰蓄冷中央空调技术原理及经济性分析

江苏安厦工程项目管理有限公司 □ 卢义生

摘 要：由于冰蓄冷中央空调系统具有节能环保等诸多优点，近几年在我国得到了迅速发展。以滁州第一人民医院为例，通过冰蓄冷中央空调系统与常规中央空调系统的经济性分析对比，可以看出冰蓄冷中央空调系统在实际应用中的优势。

关键词：冰蓄冷空调系统 常规空调系统 经济性分析

国外利用机械制冷机的蓄能空调最早出现在二十世纪三十年代，但随着机械制造业的进步，蓄能技术的发展很快停滞下来。直到二十世纪八十年代初期，蓄能空调在美国、日本等发达国家再次得到研究推广。到九十年代中后期，美国、日本、欧洲等国家和我国台湾地区的蓄能空调系统已得到广泛的应用，并取得了良好的经济效益。我国于九十年代中期正式引入冰蓄冷空调系统，近年来国家及地方电力部门相继制定了峰谷电价政策及优惠措施以促进冰蓄冷空调的发展。2000年，国家电力公司国电财[2000]114号文件明确要求加大峰谷电价推广力度，为此，全国多个省市纷纷出台了分时电价政策，一般低谷电价只相当于高峰电价的1/2甚至1/5，而且有取消电力增容费、电贴费等不同程度的优惠，在政策上支持冰蓄冷空调的发展。近两年来，随着我国节能减排政策的不断推广，冰蓄冷空调技术得到了迅猛发展。中国建筑设计研究院机电专业设计研究院总工程师、北京制冷学会常务理事宋孝春表示：“冰蓄冷空调系统是人类在面对能源危机时优化资源配置、保护生态环境的一项技术革新，能产生良好的社会效应和经济效益„„。我国冰蓄冷空调市场已走向成熟，全国范围内，近两年的工程几乎等于前十年的总和。未来一段时间内，这个数字仍以几何级数字向上递增„„”

1冰蓄冷技术介绍

1.1冰蓄冷系统原理

冰蓄冷中央空调是在夜间利用制冷主机制冰，将冷量以冰的形式蓄存起来，然后在白天根据空调负荷要求释放这些冷量，这样在电力低谷段蓄冰，在用电高峰时期就可以少开甚至不开主机。这样就可以将电网高峰时间的空调用电量转移至电网低谷时使用，从而利用峰谷电价政策，达到为用户节约电费的目的。

在一般大楼中，空调系统用电量占总耗电量的35%~65%，而制冷主机的电耗在空调系统耗电量中又占65%~75%。在常规空调设计中，冷水主机及辅助设备容量均按尖峰负荷来选配，这不仅使空调系统的电力容量增大，而且使得主机等空调设备在大部分情况下都处于低效率的部分负荷状态运行，设备利用率也低，投资效益低。

另外由于空调负荷的分布在一年之内极不均衡，尖峰负荷约占总运行时间的6%~8%，空调主机的利用率低，且浪费配电设施及其他相关投资。采用冰蓄冷中央空调后，可以选择相对较小的主机，在夜间主机蓄冰，白天主机与蓄冰装置一起工作满足空调负荷，这样全日主机利用率将极大提高，用电负荷将非常平均，相应的配电设施及其他投资效益大幅度提高。

冰蓄冷从系统构成上来说只是在常规空调系统的基础上增加了一套蓄冰装置、板式换热器、和一套乙二醇溶液泵，其它各部分在结构上与常规空调并无不同（见图1），它在遵循的技术规范方面也与常规空调基本一致。

图1 冰蓄冷中央空调示意图 1.2冰蓄冷系统特点

冰蓄冷空调技术之所以得到各国政府以及工程技术界的重视，重要原因之一是冰蓄冷技术具有卓越的移峰填谷功能，是电力需求侧管理的重要技术手段。

冰蓄冷空调技术具有以下特点：

（1） 平衡电网昼夜峰谷电力负荷，减缓电厂建设，提高火电厂发电效率。 （2） 减少制冷主机容量，减少空调系统电力工程贴费及配电设施费用。 （3） 合理利用峰谷电价差价，显著降低空调系统运行费用。

（4） 空调系统使用更加灵活，节假日、休息日等小负荷状态下，可融冰供冷，无需开启制

冷主机，避免制冷主机低效运行，节能效果明显。

（5） 蓄冰装置的蓄冷量可作为应急冷源，在停电时只需开启水泵即可供冷，提高了空调系

统的可靠性。

（6） 冷冻水温度可降至2～4℃, 可实现冷冻水大温差或低温送风，降低水管、风管的口径，

降低建筑层高。低温送风技术可降低室内相对湿度，提高空调舒适性。

（7） 使空调冷水机组更平稳地运行，更多时间处于满负荷工作状态，提高冷水机组的利用

率和使用寿命。

（8） 供冷启动时间短，只需15-20分钟即可达到所需温度，常规系统约需1小时。

1.3冰蓄冷系统设计原则 （1）经济性

蓄冰系统设计须依据影响初期投资及运行成本的各种因素综合考虑而确定，蓄冰空调系统中的蓄冰容量越大，初期投资越高，但可节约更多的运行成本，因而在方案设计时，须详尽研究系统的电力增容投资、峰谷电价结构及设备初投资等资料，以期达到最佳的经济效益。在降低初期投资的同时节约更多的运行成本，转移更多的高峰用电量。 （2）完整可靠

评价蓄冰系统品质的最重要的依据是系统的整体效能及运行稳定性。进行系统设计时，须结合蓄冰系统的运行特点，优选各种设备，以使系统配合完美，符合整体运行要求。同时各种配套设备也要求能经受长期稳定工作的考验，减少对系统的维护，满足寿命要求。 （3）有效利用空间

与常规空调系统相比，蓄冰装置需占用较大的空间，由于CRYOGEL 蓄冰盘管可用于开式与闭式系统，故可以放置于冰槽、冰罐或地坑、阀基等各种可能的空间里，而冰槽、冰罐可放置于地面、屋顶或汽车道绿化带下面，从而不占用有效空间。

1.4蓄冰模式选择 （1）全量蓄冰模式

主机在电力低谷期全负荷运行, 制得所需要的全部冷量。在电力高峰与平峰期, 主机不需要运行，所需冷负荷全部由融冰来满足。

优点：

①最大限度的转移了电力高峰期的用电量，白天系统的用电容量小。 ②白天全天通过融冰供冷，运行成本低。 缺点：

①系统的蓄冰容量、制冷主机及及相应设备容量较大。 ②系统的占地面积较大。 ③系统的初期投资较高。 （2）分量蓄冰模式

主机在设计日均以满负荷运行, 在设计负荷日, 当主机制冷量小于冷负荷量时, 不足部分由融冰补充；主机在电力低谷期全负荷运行，制得所需要的冷量。

优点：

①系统的蓄冰容量、制冷主机及相应设备容量较小。 ②系统的占地面积较小。 ③初期投资最小，回收周期短。 缺点：

①仅转移了电力高峰期的部分用电量，白天系统还需较大的配电容量。

②运行费用较全量蓄冰高。

冰蓄冷相对于其它空调方式，各有优缺点，就具体某一建筑物来说，是否适宜采用蓄冰空调，要根据实际情况来决定。一般我们可按实际情况统计出一天甚至一年的空调冷负荷，并按常规空调及蓄冰空调的设计要求确定不同的设备容量，而后根据当地电力部门颁布的峰谷差价与实际运行能耗，计算这两种系统一次性综合投资值与各自的运行费用，只要冰蓄冷系统多产生的一次性投资在3-5年内能予以回收，采用冰蓄冷系统就是适宜的。而对于一些大型、超大型的建筑物，由于制冷设备综合投资的减少要大于蓄冰装置设备费，冰蓄冷就更能显示其优越性了。 1.5蓄冰装置选择

常见的蓄冰装置主要有蓄冰球和蓄冰盘管。其特点如下： （1）蓄冰球（见图2）

图2 冰蓄球构造图

（1）冰球表面设计有16个已成型的凹坑，凹坑的直径约25.4mm, 当水结成冰体积 膨胀后，凹坑向外运动而容纳膨胀的量；当冰融化时，每个球又恢复到原来的形状，相对于传统的圆球单位体积蓄冷量有所提高，单位立方米堆放体积的蓄冷量可达到17.8冷吨时。

（2）在冰球去离子水中添加AgI 胶体成核剂，降低结冰过冷度，加快结冰和融冰速度，提高结冰时的温度。

（3）冰球中几乎不含空气，有效换热面积大，换热效率高，在蓄冰初始阶段及融冰后期大部分时间内冰球在槽内处于悬浮状态，可加速球内水的扰动，加快融冰。

（4）冰球设计可承受5000万次的凹凸膨胀，在美国使用超过20年，在洛杉矶、迈阿密、旧金山、亚特兰大、纽约等超过15个国际机场中应用。

（5）具备冰球蓄冰系统的普遍优点：融冰速度快，平均融冰速率可达到30％，可实现高峰段完全融冰；可采用卧式、立式、长方体、圆柱体等任何形状的蓄冰槽，适应建筑物结构，蓄冰槽可埋地，从而不占用机房空间。 （2）蓄冰盘管

——具有内循环的动态蓄冰盘管技术（见图3）

图3 蓄冰盘管构造图 （3）蓄冰盘管主要特点

①冰盘管为外融冰，乙二醇溶液从管内流，冰在管外生成，融化时，乙二醇溶液 从管内流动，将管外的冰融化，融冰速度稳定。

②在蓄冰过程中，通过内循环泵，使盘管外的水循环流动，提高了传热效率，也使得盘管外的冰结得更均匀；

③盘管与主钢管为弹性连接，使用寿命长，故障率低。

2 滁州第一人民医院冰蓄冷中央空调经济性分析

2.1工程概况

滁州第一人民医院新建病房大楼，地下一层，地上二十层，建筑高度为76.90m ，建筑总面积32594.13㎡，其中空调面积29990㎡，夏季空调尖峰冷负荷：3300 kW ，冬季空调峰值热负荷2600kW ，空调使用时间为0:00~24:00，共计24小时使用。

大楼夏季冷源采用冰蓄冷系统，选用制冷机组位于蓄冰装置上游的串联流程方式。冰蓄冷系统通过不同阀门的开、关或调节可以实现以下4种工作模式运行： （1）双工况主机以制冰工况运行蓄冰装置蓄冰模式 （2）双工况主机以空调工况运行单独供冷模式

（3）双工况主机以空调工况运行与蓄冰装置融冰联合供冷模式 （4）蓄冰装置融冰单独供冷模式

2.2空调冷负荷情况

该项目夏季设计日尖峰冷负荷为3300kW ，夏季空调采用瞬时系数法估算逐时冷负荷如图4。

夏季空调逐时冷负荷分布图

冷负荷（K W ）

[**************]0

● 图4 夏季空调逐时冷负荷分布图

● 设计日全日总冷负荷31515kWh ；空调尖峰负荷3300kW ，出现在14:00-15:00时段。

2.3安徽省现行电价见表1

安徽省现行电价表 表1

2.4冰蓄冷系统设计日运行策略见表2

2

2.5冰蓄冷空调系统与常规空调系统设备概况（见表3、表4）

（1）冰蓄冷系统设备概况（现有系统设备） 表3

（2）常规电制冷空调系统设备概况（模拟常规空调系统设备） 表4

2.6 相关费用计算

（1）冰蓄冷空调系统与常规空调系统初投资概算

本项目冰蓄冷空调系统初投资约为340万元（按施工单位投标报价）。据相关资料分析，冰蓄冷空调系统比常规空调系统初投资增加约3成，即常规空调系统初投资约为238万元。 （2）冰蓄冷空调系统与常规空调系统机房电力增容费（万元）

根据国家有关规定，冰蓄冷空调系统减免电力增费，即冰蓄冷空调系统机房电力增容费为：

0万元。常规空调系统机房电力增容费为：826 KWH/0.85×440元／KVA =42.8万元。 注：a. 功率因素取0.85

b. 电力增容费：440元／KVA

冰蓄冷系统免征。

（3）冰蓄冷空调系统与常规空调系统机房配电设施费（万元）

冰蓄冷空调系统机房配电设施费为：697 KW.h /0.85×600元／KVA=49.2万元。常规空调系统机房配电设施费为：826 KW.h /0.85×600元／KVA=58.3万元 注：a. 配电设施费：600元／KVA

（4）冰蓄冷空调系统与常规空调系统夏季空调运行费用计算 ①冰蓄冷空调夏季运行费用计算

基载主机直供电费：408KW×（8h×0.8166元/KW.h＋7h×0.5200元／KW.h ＋9h×0. 3273

元／KW.h ）×0.7＝3746元

（1台基载主机直供＋融冰供冷24h ）

双工况主机夜间制冰电费：326KW×9h×0.3273元／KW.h ＝960元 （1台双工况主机制冰9h ）

全天电费：3746元＋960元＝4706元／天

全年电费：4706元／天×120天×0.6＝33.9万元／年 注：年负荷系数0.6

②常规空调夏季运行费用计算

全天电费：826KW×（8h×1.3104元/KW.h＋7h×0.8247元／KW.h ＋9h×0.5086元／

KW.h ）×0.5＝8604元／天

（2台主机运行24h ）

全年电费：8604元／天×120天×0.7＝72.3万元／年

注：年负荷系数0.7

（5）冰蓄冷空调系统与常规空调系统经济性分析比较（见表5）

2.7 结语

（1）采用冰蓄冷空调系统相对常规电制冷空调系统综合初投资增加50.1万元，年运行费用节省38.4万元，投资回收年限约为1.3年。1.3年之后运行费用的节约均为纯利润，按制冷主机使用寿命15年计算，投资收益为38.4万元×（15年-1.3年）=526万元。

（2）冰蓄冷中央空调节能环保，能明显改善和缓解电力供需矛盾，并对平抑电网峰谷差起到积极作用，有着明显的社会效益，代表着当今世界中央空调的先进水平，必将成为今后大中型中央空调发展的方向。

参考文献

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