廖小亮 曾智勇 董华佳

摘要：指出了自“十二五”规划以来，可持续发展和能源结构转型成为我国政府工作的重中之重，合理利用能源为人类社会创造更加美好的现代生活已经成为社会的共识。蓄冷技术能够按需实现能量的存储和释放，从宏观上起到“移峰填谷”平衡电网的作用;我国电力系统实行分时计价政策，从微观上可以利用峰谷电价差为用户节省制冷系统的运行费用。8℃相变蓄冷技术兼备了传统水蓄冷和冰蓄冷的优点，具有蓄冷密度大、系统简单的突出优点，是当前蓄冷技术研究和应用的前沿方向，市场前景十分广阔。

关键词：能源;蓄冷;移峰填谷;8℃相变

中图分类号：TP392 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）04-0125-04

1 引言

自20世纪80年代以来，我国民众的生活质量水平逐步提高。尤其进入21世纪，人们对居住、办公环境不再局限于单一的功能性要求，舒适性制冷已经成为人们日常生活和办公的刚需。随着我国城市化进程不断推进，大中型建筑采用中央空调集中供冷越来越普遍。中央空调集中供冷主要应用于工业生产（恒温恒湿洁净室、互联网大数据中心、药物生产车间等），商业场所（高端酒店、城市综合体、办公楼、购物中心和商场等）以及市政建筑（机场、学校、博物馆、轨道交通车站等）。根据应用场景和工艺需求的差异，中央空调产品主要划分3大类：多联机（VRV）、单元机以及冷水机组。暖通行业前瞻研究数据表明，2018年我国中央空调供冷行业市场规模首次突破千亿元，未来几年可能仍将保持10%左右的增速（图1）。

中央空调集中供冷为人们提供了舒适的环境的同时，也加剧了我国电网峰谷负荷不平衡的矛盾。据统计，城市高峰时用电负荷20%-40%是工商业建筑空调制冷消耗的，导致电网负荷率低，系统峰谷差加大，高峰时段电力不足，低谷时段电力得不到有效利用[1]。蓄冷技术作为平衡电网负荷、移峰填谷的一种重要手段，受到了人们的日益重视，在我国正得到推广使用。2017年，国家能源局发布1701号文件《关于促进我国储能技术和产业发展的指导意见》，明确提到支持和鼓励中央空调蓄冷技术的发展。

2 蓄冷技术概述

蓄冷是通过制冷设备在夜间电网低谷时段将冷量储存到蓄冷介质中，在电力负荷较高的白天也就是用电高峰期，再把储存的冷量释放出来，以满足用户侧冷负荷的需求。蓄冷技术日益受到政府和工程技术界的重视，不仅因为它能够缓解电网峰谷负荷不平衡的矛盾，而且可以通过蓄冷提高中央空调集中供冷系统的可靠性，同时降低中央空调系统的运行费用。蓄冷技术具有特点如下。

（1）削峰填谷，减少能源浪费，提高电网能源效率。

（2）分布式蓄能，减少蓄能电站建设数量和投资。

（3）降低制冷系统电功率配置，减少输配电基础设施投资。

（4）利用峰谷电价差，节省中央空调用制冷系统的运行电费。

目前，比较成熟的蓄冷技术主要有2种：水蓄冷和冰蓄冷。其中，水蓄冷属于显热蓄冷;冰蓄冷在蓄冷过程中，蓄冷介质发生了液一固相变，被归纳为相变潜热蓄冷。2种蓄冷技术在工商业领域都有了工程应用，但是都有各自的局限性。

水蓄冷系统利用常规冷水机组作为蓄冷的冷源，水管路与常规中央空调系统具有良好的兼容性，是最简单的蓄冷技术，具有初投资小，技术成熟，系统简单的优势。但是，由于水蓄冷是显热蓄冷，蓄冷温差只有5-7℃，蓄冷密度小，约为25MJ/m³，因而水蓄冷系统的占地面积往往很大。基于上述技术特点，水蓄冷技术一般在用地相对宽裕的工业园区应用较多。

冰蓄冷技术具有蓄冷密度大，占地面积小的突出优势，目前其研究和应用占据了市场的主导地位。结合国外的经验，冰蓄冷技术的发展历程已经有了50多年的历史，出现了冰球蓄冷、盘管蓄冷、动态冰浆蓄冷等多种形式。根据制冰工艺的区别，冰蓄冷技术又可以分为静态制冰和动态制冰两种。

（1）静态制冰：即冰在冷却管外或封闭容器内凝结，冰本身处于相对静止状态。在静态制冰过程中，随着制冰量的增加，水与冷源之间的热阻逐渐增大，能量损失增加[2]。尽管静态制冰系统简单，运行稳定，易于实现，目前已成为冰蓄冷系统应用中的主流，但是冰的静态形成过程换热效率低，融冰过程负荷跟随性差，而且换热管道布置复杂，不便于检修。

（2）动态制冰：制冰过程中有冰晶、冰浆生成，且冰晶、冰浆处于运动状态[3]。动态制冰换热表面不会形成冰层，水与冷源之间热阻在制冰过程基本保持不变，因而能够一直保持较高的热交换效率;由于冰晶、冰浆换热面积大，容易快速消融，动态制冰技术在放冷过程中的负荷跟随性比较好。然而，动态制冰装置系统复杂，运行不够稳定，容易出现冰堵状况，需要进一步完善。

此外，由于冰的凝固点温度是0℃，冰蓄冷技术需要利用双工况制冰机组作为蓄冷的冷源，以乙二醇作为中间换热介质，蓄冷效率相对于水蓄冷降低30%一40%（图2）。

3 8℃相变蓄冷材料

冷水机组中央空调系统的供回水温度一般设计为7～12℃，在一些大温差系统中可以设计为5～13℃。对于中央空调蓄冷系统，7～8℃的相变蓄冷材料是最为适宜的。

本文中涉及的8℃相变蓄冷材料的凝固点温度为8℃，相变焓为143kJ/kg（223 MJ/m³），导热系数为0.5W/（m·K），无污染，不腐蚀，具有优异的环境友好性（图3）。

8℃相变材料的潜热虽然不及冰，但远比水的显热蓄冷大。此外，8℃相变蓄冷系统可以利用常规冷水机组作为蓄冷的冷源，蓄冷材料模块化封装，同时具备了水蓄冷和冰蓄冷2種技术的优点，解决了冰蓄冷技术在蓄冷工况制冷机组能效比（COP）低，水蓄冷技术设备占地面积大的瓶颈问题（图4）。

与冰蓄冷技术相比，8℃相变蓄冷系统制冷冷水机组在蓄冷工况冷媒蒸发温度提高了9～11℃。研究表明，制冷冷水机组冷媒的蒸发温度每提高1℃，其COP值提高3%～4%[8]。此外，8℃蓄冷系统没有类似乙二醇的中间换热过程，中央空调系统的冷冻水和蓄冷材料直接换热，换热损失减少。综上，8℃相变蓄冷系统的蓄冷效率提高了30%～40%。

与水蓄冷技术相比，在设备和系统形式一样的基础上，8℃相变材料的蓄冷密度是水蓄冷的8～9倍，极大地降低了蓄冷系统的占地面积。

目前主流蓄冷方案分为全蓄冷与部分蓄冷，全蓄冷方案运行成本最低，但投资最高，部分蓄冷方案能够兼顾投资与运营成本的平衡点。与水蓄冷和冰蓄冷一样，8℃相变蓄冷系统运行模式包括蓄冷模式、冷水机组单供冷模式、蓄冷放冷单供模式、冷水机组直供+蓄冷槽放冷联合供冷4种模式，冷量吸收一储存一释放通过阀门启闭进行工况切换（图5）。

4 应用前景

改革开放以来，随着国民经济不断发展和居民收入不断增长，城镇化率逐年提高（图6），采用集中供冷的建筑面积实现了连续稳定增长。目前在全国400亿m²既有建筑中，可用到集中供冷的工业和公共大型建筑总量达到80亿m²以上，而且每年增量约4亿m²。根据全面建设小康社会的目标，2020年我国城市化率达到50%以上，人均GDP超过3000美元[4]。人们生活水平提高，国家城镇化进程加速，这些都为中央空调集中供冷的发展提供了广阔的空间。

下面以一个4.8万m²供冷面积的大型综合办公写字楼为例，进一步阐述8℃相变蓄冷技术在中央空调集中供冷领域的应用优势。假定大型综合办公写字楼单位面积冷负荷185W/m²，年供冷时长为4～11月，月供冷共计26d，日供冷时长为08：00～22：00。为了直观比较常规中央空调系统和8℃相变蓄冷系统的优劣，本文主要通过制冷系统主要设备以及制冷系统的运行能耗和运行电费进行详细分析。

根据冷负荷逐时系数模拟计算，该大型综合办公写字楼最不利工况日总冷负荷为78370.5kW·h/d，为了充分“移峰填谷”，最大化利用峰谷电价差，8℃相变蓄冷系统的设计蓄冷量为26648.0kW·h/d，占最不利工况日总冷负荷34%。

从表2中数据可以看出，增加8℃蓄冷模块之后，虽然存在换热损失，但是由于夜晚环境温度比白天低，蓄冷工况冷水机组的能效比提高，制冷系统运行总能耗基本保持不变;蓄冷模块通过在谷电时段蓄冷，峰电时段放冷，通过移峰填谷节省系统运行电费，年运行电费节省132.25万元，降低39.43%。

在保证实现功能需求的前提下，8℃相变蓄冷技术不仅能够通过蓄冷实现“移峰填谷”，有利于调节当地电力供应负荷平衡、提高能源利用效率，具有很好的节能减排作用，符合国家“十三五”建设资源节约型和环境友好型社会的规划，而且能够为用户节省制冷系统运行费用，具有较好的经济效益。

5 结语

8℃相变蓄冷技术原理论证可行，具有蓄冷密度.大，系统简单的突出优点，具有良好的社会效益和经济效益，发展前景广阔。目前，8℃相变蓄冷实验性示范项目运行可靠，大规模工程应用需要进一步完善和改进。任何創新技术的成果转化和商业推广离不开国家政策及有关职能部门的支持、鼓励，我国政府部门应该抓住契机，加快推进8℃相变蓄冷技术的商业应用以及市场推广。

参考文献：

[1]晏旺，唐中华.靳俊杰.冰蓄冷技术在空调系统中的应用及发展方向[J].建筑行业节能，2013（5）.

[2]曲凯阳，江忆.过冷水动态制冰的研究[J].暖通空调，2001（2）.

[3]曹勤.动态冰蓄冷蓄冰装置综合性能分析[J].洁净与空调技术，2013（4）.

[4]国家发展和改革委员会发展规划司.进程（2016-2020）十三五年度报告[R].北京：国家发展和改革委员会发展规划司，2019.

收稿日期：2020-02-10

作者简介：廖小亮（1981-），男，助理工程师，主要从事新型储能材料的制备与应用，储热技术在可再生能源利用、建筑节能等领域的应用工作。