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蓄冷空调系统基本原理
n 蓄冷空调系统是在非空调使用时间或利用用电低谷时的电力运转制冷机，将冷能以显热或潜热方式蓄存起来，在用电高峰且需要空调时将蓄存的冷气放出，以达到转移尖峰电力、节省电费、减轻电力负荷和降低设备容量的目的。
蓄冷空调系统的应用对象主要是建筑物空调、食品冷冻冷藏和工业过程冷却三个方面。建筑物空调如办公大楼、旅馆饭店、医院、车站、餐厅、会议厅、展览馆、学校等室内空调以及纺织厂、电子仪器厂、制药厂等厂房空调；食品冷冻冷藏方面如鱼、虾、肉类的冷冻，蔬菜、水果、饮料的冷藏以及食物快速冻结前的预冷过程等；工业过程冷却如鲜乳生产中的速冷、塑料成型、润滑油冷却、化纤厂聚酯生产中的纯水冷却；等等。
图8-7 建筑物电力负荷分布
n 建筑物空调采用蓄冷系统的目的
n 主要是转移空调电力的高峰负荷，如图8-7所示，建筑物的电力需求主要包括空调用电和照明、电器设备、电梯、通风、排污水泵等非空调用电两部分。在夏季，若高峰电力负荷为1000kW，则其中的48％是空调负荷，约占总电力负荷的一半。如果采用蓄冷空调系统，将空调压缩机（主机）的运行时间转移到用电低谷时，在用电高峰期只运行供应冷气的辅助设备，则高峰电力负荷可降低到650kW，降低了35％，如图8-8所示。这样不但可以降低电力容量、减少基本电费，而且还可以享受到低峰时的优惠电价。
n 在冷冻、冷藏及制造过程冷却方面，由于生产过程常常是按批冷却，对冷量的瞬间需求量较大，而且时间很短，次数不多，如图8-9所示，其瞬间负荷为100Rt（≈352kW），每天5次，每次约5小时，总计全天冷负荷是500Rth（≈1760kWh）。如果采用常规制冷系统，为了满足瞬间负荷的需要，就要装备100Rt制冷量的主机，而且每天仅工作5个小时，这样是很不经济的。
n 如果采用蓄冷系统，则将负荷平均分配在全天24小时内，如图8-10所示，只需要配备21Rt制冷量的冷水机组就够了，这样不但大幅度降低了设备的容量，节省了大量的投资，而且充裕的蓄冷量可以提供迅速而稳定的冷流，提高了产品的质量。
n 由此可见，蓄冷空调系统对于建筑物空调、l冷冻冷藏以及生产过程冷却都有很大的作用。
图8-8 采用蓄冷空调系统后建筑物电力负荷分布
图8-9生产过程中的冷负荷分布
图8-10采用蓄冷系统后主机的冷负荷分布
3.1蓄冷介质及蓄冷系统分类
n 3.1.1 蓄冷介质
n 在一个蓄冷系统中，选择什么物质作为蓄冷介质是非常重要的。一般来说，很多物质都可以作为蓄冷介质，如水、油、冷冻液、金属、石块、冰等，但从工作性能、经济性、安全性等方面考虑，理想的蓄冷介质应具备下列特性：
n ①较大的热容量（比重大，比热高） ⑥无腐蚀性
n ②较高的潜热，合适的相变温度 ⑦不污染环境
n ③良好的导热性能 ⑧使用寿命长
n ④化学性能稳定 ⑨使用寿命长⑤无毒 ⑩价格便宜，容易获得
常用的蓄冷介质
n 有冷冻水，冰和低温共融盐类。
n 冷冻水和冰是同物质的蓄冷介质，区别只是冷冻水温度较高，在0℃以上，而冰是通过相变使水从液态变为固态的潜热型蓄冷介质。低温共融盐也是潜热型蓄冷介质，与冰一样是通过相变蓄冷的物质（简称PCMs或Phase Change Materials），差别只是低温共融盐类是由几种物质混合而成的化合物，相变温度依据混合物的成分和比例的不同而不同，在蓄冷系统中常用的相变温度在4～10℃之间。
3.1.2蓄冷系统
n 按蓄冷介质分类，蓄冷系统可分为水蓄冷式、冰蓄冷式和低温共融盐蓄冷式三类。
①水蓄冷式
n 采用冷冻水蓄冷是一种显热蓄冷方式。蓄冷时，温度一般由12℃降至7℃，温差为5℃。以每公斤的水温度下降1℃可蓄冷4.19kJ计算，则1m3冷冻水可蓄冷20.9×103kJ。
n 最基本的冷冻水蓄冷系统包括冷水机组、冷却塔、冷却水泵和冷冻水泵及空调箱等传统空调系统设备加上冷冻水蓄槽，如图8-11所示。
图8-11 水蓄冷空调系统
当夜间电网处于低峰时期，冷水机组起动将冷冻水蓄槽中的12℃冷冻水全部降至7℃，完成蓄冷。到了白天，在电力高峰时期，将所有的7℃冷冻水泵送到空调箱以提供冷气，升温后的冷冻水仍回流至冷冻水蓄槽，直到槽内温度升至12℃。如此昼夜循环，利用冷冻水的温差蓄存冷量，以达到转移高峰负荷的目的。冷冻水蓄冷介质空调系统的原理非常简单，与传统空调系统很相似。
它的优点是只需要增加一个蓄水槽，投资费用增加很有限，并且各种冷水机组包括离心式均可使用。它的缺点是回流的冷冻水与所蓄存从冷冻水容易混合，减少了可资利用的蓄冷量，所以系统设计上必需在这方面加以考虑，以减少混合，有关这方面的内容将在第3章中介绍。水蓄冷系统的另一个缺点是冷冻水蓄存需要一个比较大的空间，在应用上受到了一定的限制。
②冰蓄冷式
n 冰蓄冷式是一种显热与潜热同时利用的蓄冷方式。首先将冷冻水由12℃降至0℃，每公斤冷冻水可蓄存显热50kJ，再继续使0℃的水结成0℃的冰，可得到334kJ的相变潜热，合起来每公斤水大约可蓄存384kJ的冷量。若有1 m3的冰（约为932kg），则可蓄存335×103kJ的冷量，其蓄冷能力大约是水蓄冷系统的7.7倍。
冰蓄冷系统除了具有蓄冷密度大的优点外，由于向冷风系统供应的冷冻水温度低，在相同的空调负荷下可以减少，也节省了空调风扇的耗功，相应地由于空调送风温度的降低使空调送风量减少，也节省了空调风扇的耗功，而且由于水量合风量的减少使得水管和风管房间里的相对湿度下降，更具有舒适感。
n 当然，蓄冰系统也有它的缺点，如蓄冰温度低于零度，需要增加管路的保温厚度，以避免结露现象。同时，由于冰蓄冷系统的运行温度降低，也使压缩机的额定容量升高，即其单位冷吨的用电量相应提高，在效率上不如水蓄冷式。目前常用的冰蓄冷压缩机以往复式和螺杆式为主，一般传统空调上使用的离心式不适用于冰蓄冷系统。今年来，有几家制造厂开发出了冰蓄冷用离心式压缩机，在订货时必须在规格上详细注明，以免用错。
冰蓄冷系统的种类很多，分类也相当复杂（详细可参阅第4章的内容）。简单地可以分为制冷剂直接蒸发式及载冷剂循环式两大类。
制冷剂直接蒸发式冰蓄冷式系统
n 如图8-12所示，制冷剂经压缩机压缩成高压气体，进入冷凝器，用冷却水将压缩机热量带到冷却水塔，冷凝后的高压液态制冷剂经膨胀装置流入蓄冰槽的蒸发盘管。当蒸发的制冷剂温度低于0℃时，蓄蓄槽中的冷冻水逐渐在盘管的管壁外结冰，蒸发的制冷剂则通过盘管流回至压缩机，直到结冰达到预定厚度时停止，完成蓄冰蓄冷过程。
当空调起动时，将蓄冷槽内的冰溶化为1～3℃的冷冻水，泵送到空调箱由风扇向外界提供冷风，升温后的冷冻水再回流到蓄冰槽溶化盘管管壁外面的冰，这个循环不断进行直到蓄存的冰完全溶化。蓄冰槽中的空气引入槽内产生气泡，气泡搅动水流增强了传热鲜果，使溶冰过程进行得更快、更均匀。
图8-12 制冷剂直接蒸发式冰蓄冷空调系统
图8-13是载冷剂蓄冷空调系统的基本流程。在蓄冰阶段，载冷剂经制冷机蒸法器降温后由泵送入蓄冰槽内的盘管中，通过温度控制阀TV和冷冻水混合阀MV流回制冷机。当载冷剂温度低于0℃时蓄冰槽内蓄存的水逐渐在管壁上结冰。随着蓄冰过程的进行，所结的冰越来越厚，载冷剂的温度也逐渐降低，当载冷剂离开蓄冰槽的温度约为-3℃时，蓄冰槽内的水已完成冻结，完成了蓄冰蓄冷过程。
当需要空调时，起动冷冻水泵，并且控制TV、MV的开度，使供应的冷冻水温度在1～5℃之间，送到空调箱提供冷气，回流的12℃冷冻水先经过制冷机预冷至7℃后，再进入蓄冰槽溶冰。随着空调负荷的增加，最后蓄冰槽内的冰完全溶化，结束了溶冰放冷过程。
图8-13 载冷剂循环式冰蓄冷空调系统
在载冷剂循环式冰蓄冷系统中，载冷剂是含25％～30％的乙二醇水溶液，这种工质在0℃下运行时不会结冰。由于载冷剂需要先与主机的制冷剂蒸发器进行热交换降温后，再进入蓄冰槽盘管与槽内蓄存水进行热交换使其结冰，因此比制冷剂直接蒸发式冰蓄冷系统多了一次热交换过程，从理论上讲载冷剂循环式冰蓄冷系统中的主机制冷剂蒸发温度较低，在蓄冰压缩机效率不如直接蒸发式，但在实际应用上，近年来载冷剂循环式冰蓄冷系统都通过增加蓄冰介质的热交换面积、减少结冰厚度等手段，在一定程度上提高制冷剂的蒸发温度，以此来提高蓄冰效率。
③低温共融盐蓄冰式
低温共融盐最早于70年代（1970年）应用到蓄冷系统。美国的玛丽娅·台尔克斯女士（Dr. Maria Telkes）在德拉瓦州立大学太阳能实验室，采用以Na2SO4·10H2O(俗称芒硝)为主要原料的盐水化合物，装在片状金属容器中，作为建筑物的蓄冷介质，其相变温度为12.7℃。到1982年美国的低温共融盐类系统工程研究所开发出将低温共融盐蓄冷介质应用到商业大厦的蓄冷系统，其蓄冷的相变温度为8.3℃，其主要原料仍是芒硝及一些成核剂、悬浮剂等添加物，装在片状高密度PE（聚合烯烃材料）容器中。
低温共融盐蓄冷系统的工作原理同冰蓄冷系统相似，
n 靠相变潜热蓄存冷能。虽然每公斤低温共融盐的蓄冷潜热仅为96kJ，不如冰（334kJ），但由于其相变温度较高，为8.3℃，适合采用往复式、螺杆式、离心式冷水机组，因此可以将已有的采用高效离心式冷水机组的常规空调系统立刻改装为低温共融盐蓄冷系统，而不必更换主机，只需加装蓄冷槽就可以用。在蓄冷过程中受到冷水机组的容量影响较小，并且能保持原有效率，这是这种系统的最大优点。缺点是这种系统所用的蓄冷介质价格较高，而且使用上受到相变次数的限制，一般在2000～4000次之间（次数上各种观点差别很大），当超过这个限度，其蓄冷容量就会很快衰退以至完全失效。
低温共融盐蓄冷系统简图如图8-14所示，
n 其操作流程和水蓄冷式极为相似，所不同之处只是槽中整齐地排列着许多装有蓄冷介质的容器。
图8-14 低温共融盐蓄冷空调系统
3.1.3 几种蓄冷介质的比较
n 自从蓄冷空调系统逐渐受到重视以来，新的蓄冷介质和蓄冷系统被不断地开发出来，虽然都属于水蓄冷式、冰蓄蓄冷式和低温共融盐类蓄冷式三大类，每一类中也出现了许多不同的型式，这方面的内容将在以后的章节中详细介绍。表2-1及图8-15对这三种基本介质的重要特性进行了比较。
表2-1 蓄冷介质比较
n 项目 冷冻水 冰 低温共融盐
n 蓄冷方式 显热蓄冷 显热＋潜热 潜热
n 相变温度 ――― 0℃ 4～10℃
n 蓄冷容量 12℃水→7℃水 12℃水→0℃冰 8℃液体→8℃固体
n 单位重量蓄冷容量（kJ/kg）20.9 384 96
n 单位体积蓄冷容量（MJ/m3)20.9 355 153
图8-15 几种蓄冷介质的蓄冷容量比较
3.2 蓄冷模式
n 大部分建筑物的中央空调系统使用电力作为设备的运转动力，全年中电力使用高峰期几乎都发生在夏季的下午时分，这时的空调需求量最大，集中在每天的某几个时辰。若能依靠蓄冷技术将空调负荷高峰转移到电力的非高峰时间，则每年可节省一笔可观的容量费和电费。
蓄冷空调系统将转移多少高峰负荷、应蓄存多少空调容量才具有经济效益，首先取决于决定采用哪个种蓄冷模式。这里所要考虑的因素很多，主要有建筑物空调负荷分布、电力负荷分布、电费计价结构、设备容量及蓄存空间，具体以实际情况为依据。这里以典型的办公大楼为例，解释各种蓄冷模式。办公大楼的空调负荷分布如图8-16所示。夏季每天空调高峰负荷为1000Rt，空调使用为上午8时至下午5时，全天空调总负荷为7500Rht。
图8-16 办公楼空调负荷分布
3.2.1 全部蓄冷
全部蓄冷是利用非空调使用时间（17：00～8:：00）的15个小时运转压缩机蓄存足够的冷量，供应高峰时全部的空调负荷需求，在空调使用时间压缩机停止运转，冷负荷完全由蓄冷系统供给，系统中只要运转必要的泵和风扇即可。这样，压缩机的容量可减至500Rt，为原来的50％，其负荷分布图如图8-17所示。
图8-17全部蓄冷（非空调时间蓄冷运行）负荷分布
采用全部蓄冷模式对减少高峰时期的用电量效果十分显著。若将全部蓄冷的主机运行时间限定在电力部门规定的低峰期，如22：30～7：30的9个小时内，这期间的电价最优惠，则能节省更多的费用，只是压缩机的容量必需提高到833Rt（为原容量的83.3％），如图8-18所示。
图8-18 全部蓄冷（电力低谷时间蓄冷运行）负荷分布
3.2.2 部分蓄冷
n 部分蓄冷的概念时利用非空调时间运转压缩机蓄冷，当需要空调时，将蓄存的冷量放出，同时压缩机仍然工作，两者共同分担空调负荷。部分蓄冷模式由于压缩机的运行时间延长使得主机及蓄冷容量显著降低，与传统空调系统和全部蓄冷模式相比，具有压缩机容量小、所需附属设备（泵等）减少、蓄存空间减小、投资费用低、经济效益好等特点，一般舒适性建筑空调均能采用此方案，特别是全天均开空调且负荷变化较大的建筑物空调只能采用这种模式，如医院、宾馆、某些工厂的生产工程冷却及空调等。部分蓄冷模式由负荷均衡和负载限制两种方式。
①负荷均衡
n 选择适当的空调系统设备及蓄冷容量，压缩机连续24小时运转，进行蓄冷或直接供应空调系统，将空调负荷和电力负荷平均分配，以满足全天空调负荷设计总需求量。要求其蓄冷容量足够并且能在高负荷时迅速及时地放冷，以避免增加压缩机的负荷。在空调负荷低时，压缩机除直接供冷外，多余的部分用于蓄冷。
n 这种部分蓄冷方式的总体效果是将空调负荷均匀分配，以达到削减建筑物中央空调电力负载的作用。这类蓄冷空调系统所需的压缩机容量最小，需要的蓄冷容量也最少。其空调负荷分布如图8-19所示，压缩机容量为312.5Rt，为原来容量的31.25％。
图8-19 部分蓄冷（负荷均衡）负荷分布
②负荷限制
n 这种部分蓄冷方式是采用某种技术控制压缩机的运行时间，避开电力高峰时段而在另外时间运行，其空调负荷分布如图8-20所示。由于压缩机的精微调控使得建筑物的非空调及空调电力负荷都被限制在某个规定范围之内。
图8-20 部分蓄冷（负载限制）负荷分布
负载限制方式对建筑物电力负荷的影响是除少数泵、风扇等必要的空调用电外，在高峰期的空调用电量已减少到极点，接近了非空调负荷。这类蓄冷方式适合于非空调载荷大而使用时间短的建筑物，和将空调负载全部转移到非高峰时间的全部蓄冷方式不同的是将部分空调负载填补到高峰负载的波谷区内，并随着非空调负载的起伏而改变，以避免超过电力负载限度。系统操作中需要安装负载监视控制器，随时调配空调负载，并预测当日非空调高峰负载量。实际上，这是不容易达到的，常常需要经过一段时间的运行经验积累，而且要全部利用电力负载波谷也比较难以实现。
负载限制方式可说是将高峰电力负载管制潜力发挥得淋漓尽致了。其所需的压缩机容量及蓄冷容量介于负荷均衡与全部蓄冷之间，而转移尖峰负载的效果则与全部蓄冷相同。表2-2说明部分蓄冷与全部蓄冷方式和传统空调系统的比较。由表可知，利用非电力高峰时间作全部蓄冷所需的蓄冷量最大，投资费用最高，但节省电费也最多；不风蓄冷中又以负荷均衡方式的蓄冷容量最小，压缩机容量也最小，所需投资费用较其他方式省，但在降低尖峰电力及节省电费方面则不如全部蓄冷模式。就经济效益而言，很难说哪一个方式最好，还需要参考空调负荷分布比例、时间、高峰电价结构、蓄冷容量、蓄冷介质价格及电力补助政策等。
表2-2 全部与部分蓄冷模式比较
传统 全部蓄冷 部分蓄冷
n 非空调时间 非高峰电力时间 负荷均衡 负载限制
n 高峰负荷（Rt | |
