新一代过冷水动态冰浆蓄冷系统

(深圳力合节能技术有限公司)

0  引言

我国现有的蓄冰技术主要有盘管、冰球、片冰和冰浆等几种,目前应用最广的是盘管蓄冰,由金属或导热塑料制成的盘管置于蓄冰槽中,盘管之间充满着蓄冷介质--水,盘管内流经载冷剂--乙二醇,盘管蓄冰和融冰的过程中,蓄冷介质“水及冰”始终处于静止状态,因此盘管蓄冰又被称为静态蓄冰。动态蓄冰通常指的是蓄冷介质“水及冰”在蓄冷时处于运动过程中,目前已经得到产业化普及的动态冰蓄冷有三种技术形式:片冰滑落式、盐水冰浆和过冷水淡水冰浆。其显著特点是提高了结冰效率,降低了能耗,融冰便捷。片冰式和盐水冰浆式都无法使用常规主机、附属设备较多,盐水冰浆单机功率较小,片冰式对机房净高要求较高,这两种动态蓄冰技术在蓄冰空调系统领域的应用都较少。

力合iSlurryTM新一代过冷水动态蓄冰系统,利用板式换热器制冰,系统结构简单,载冷剂回路大大缩短,乙二醇用量相应的也大为减少,更环保;另外,采用单独的蓄冰罐储存制出的冰,融冰时,高温回水直接与0℃冰浆接触,融冰速度极快,没有“千年冰”现象;系统设计简单,设备可靠,运行策略丰富,最大限度地降低了成本和运行费用。

过冷水冰浆蓄冷系统是于20世纪90年代首先在日本开始发展起来的,到本世纪初开始产业化应用。深圳力合节能技术有限公司是深圳清华研究院孵化的高新技术企业,公司团队人员从2005年底开始,历经无数次的失败和总结,研制出iSlurryTM动态冰浆蓄冷系统,力合节能已经形成了多项在制冰板换、冰浆发生器和系统结构设计等方面的主要技术专利,填补了国内空白并达到了国际先进水平。

1  过冷水动态蓄冰的原理

过冷水冰浆系统是利用水的过冷却原理,即水在0℃以下时并不一定会结冰,只要控制好温度、材料、结构、流速、压力等参数,防止凝结核的形成,就能保证稳定地产生过冷水。见下面冰浆原理图:

 

 

 

 

 

 

夜间低谷电时,蓄冰罐中的水被输送至制冰板换的一侧,板换另一侧流经不断被双工况制冷主机降温的20%浓度乙二醇溶液,水在制冰板换和蓄冰罐之间循环、降温,直至0℃。0℃的水继续通过制冰板换降温至-2℃,这时主机乙二醇出水温度为-3.5℃左右并保持恒定,-2℃的过冷水流经板换出口侧的冰浆发生器,冰浆发生器的主要作用是提供凝结核,使得过冷水冷量释放产生冰浆,冰浆进入蓄冰罐中储存,经过过滤后,水继续循环降温、过冷、过冷释放、产生冰浆,最终整个蓄冰罐中充满了固体形态的冰浆--“雪”。

白天高峰负荷时,蓄冰罐中少量的0℃水被输送到融冰板换,换热后的高温水回到蓄冰罐中直接融化冰雪,只要罐中有雪或冰浆,就可以长久地保持出水温度在01℃,融冰板换的另一侧提供57℃的冷冻水给空调供冷系统,由于冰浆的表面积极大,融冰极快,高峰负荷时,可以实现完全融冰供冷,使得冰浆系统的融冰供冷变得非常简单,而且由于供回水温差大,高温水与冰浆直接接触融冰,融冰泵耗较小。

 过冷水动态蓄冰系统的结构特点

2.1 3出水的双工况主机

常规双工况主机蓄冰工况下蒸发器出水温度为-6℃,过冷水冰浆系统主机出水温度为-3.5℃。众所周知,主机蒸发温度每降低1℃,空调冷水机组效率降低约3%~4%,而且由于没有冰阻影响传热,所以过冷水冰浆系统的输出效率较高。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                   螺杆机和离心机在不同出水温度时的COP

2.2 冰浆核心设备

iSlurryTM冰浆系统采用特殊结构的板式换热器为核心制冰部件,替代了传统的蓄冰盘管和冰球,板换的换热效率高达95%以上。iSlurryTM冰浆系统采用板式换热器产生稳定的过冷水从而制得冰浆,不仅实现了制冰和蓄冰的分离、维护更加简单、安全可靠、而且实现了更高效率、更少材料和更低投资回收期。

2.3 循环水路及管道

iSlurryTM冰浆系统为防止冰晶或杂质进入板换造成冰堵,在循环水路、蓄冰罐及管道中应避免采用铁器,以免铁锈影响过冷水的稳定产生。冰浆系统通常选择PEPVC塑胶管道,施工便捷,周期短,且管道清洗方便。另外,PE塑料管道传热系数0.35W/m·K,而普通空调循环水路铁管的传热系数46.52W/m·KPE管路的热损失更小,在区域供冷、远距离制冷站输送时优势明显。

2.4 独立分开的储冰罐

iSlurryTM冰浆系统与常规冰蓄冷相比,特点是将制冰和蓄冰分离。制得的冰单独储存在蓄冷罐中。冰浆系统的蓄冰罐通常可以根据场地灵活设计,可以采用水泥、钢、玻璃钢等材料建筑,形状、高度没有要求,只要做好保温,考虑美观度即可。蓄冰罐的体积取决于蓄冷量的多少,计算蓄冰罐容量时,建议取12.5RTh/m³。为了节能和保证过冷水的稳定产生,通常会将蓄冰罐设计成两个,两个罐子的体积比约201,制冷时,先将大罐中的水降到0℃,开始出冰时,将小罐中的高温水与大罐中的0℃水混合,以确保进入制冰板换中的水温不低于0.3℃,防止细小的冰晶进入板换造成冰堵。制冰时,大罐中蓄满冰浆后,再蓄在小罐中,融冰时,蓄冰罐内顶部置有洒水器,使得融冰高温回水均匀撒播在冰雪上,确保融冰供冷的温度恒定在01优先融化小罐中的冰,再融大罐中的冰雪。

3  动态蓄冰的设计思路

典型的过冷水冰浆系统设计见下图。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

冰浆蓄冷的原则是在投资回收期最短的情况下,最大限度的为客户节约运行费用,以下是iSlurryTM冰浆系统设计的侧重点:

1)设备选型参数:由于全国各地区的气象参数不同,冰浆蓄冷设备选型宜根据各项目空调负荷的实际参数进行选型。常规系统的选型出于供冷安全的角度往往选型偏大,而冰浆蓄冷由于有主机加蓄冰联合供冷,弹性大,因此,经济效益比最优的设备选型是考虑的重点。

2)系统融冰策略:iSlurryTM冰浆系统设计通常会设置融冰供冷板换和主机供冷板换,其中融冰板换需满足设计日负荷的换热量,以确保在高峰负荷时,可以完全融冰供冷,负荷平段时,主机供冷,最大限度的利用电价差节省运行费用。

3)优化控制系统:蓄冰系统的融冰策略是逐日负荷不同,相应的融冰量也不同。iSlurryTM冰浆系统的乙二醇泵和融冰泵配备了变频系统,控制系统设计有模糊控制,会对用户的用冷负荷作出预测、计算,同时保证用冷安全,为用户节约更多电费。

4  经典案例

国内第一个大型冰浆蓄冷项目清华紫光南方产业化基地于201010月正式完工,现在处于运行阶段。清华紫光信息港位于深圳市南山区科技园北区,总建筑面积约83299.77㎡,本建筑的空调夏季峰值冷负荷约1854RT,空调设计日总冷负荷21611 RTh。系统采用500RT螺杆双工况主机3台,夜间3台全部进行冰浆蓄冰,蓄冰工况制冷量370RT/台,8小时冰浆潜热蓄冷量达到8800RTh

2011314,受深圳市科技工贸和信息化委员会委托,深圳市节能专家联合会组织专家对由深圳力合节能技术有限公司研发、设计、施工的清华紫光信息港动态冰浆蓄冷系统节能项目进行节能贴息验收,与会专家听取了有关方面的项目汇报,进行了现场考察并审查了项目验收资料,经讨论,专家验收意见如下:

该项目是目前国内最大的动态冰浆蓄冷节能项目,与其他的蓄冰系统相比具有投资省、蓄冰装置寿命长、运行维护简单等特点。项目完全达到设计要求,移峰填谷效果明显,用户反映良好,具有较好的示范作用。予以通过验收。 

项目完工后相比常规空调年节约运行费用达到140万,冰浆蓄冷空调系统全年消耗高峰电量只有27.4 KW.h,而常规制冷空调系统年消耗高峰电量达到162 KW.h,年削减电力高峰用电134 KW.h,年削峰率为82%。削减平段电量月68 KW.h,但增加夜间低谷用电量264 KW.h。清华紫光南方产业化基地空调系统采用冰浆蓄冰之后,年节约一次燃煤约19.7T。即为企业节省了运行费用,也达到了为社会节能的目的!

5  基础知识问答:

5.1 过冷水冰浆制冰的原理是什么?

答:一般我们会认为水的凝固点为 0℃,也就是水在 0℃以下会冻结,但实际上,水

 0℃以下仍会以过冷水的型态存在,这是因为由液态水转变成冰的过程存在有一个能量状态,水需要克服这个能量障碍才能结冰。

结冰过程需要两个关键因素:凝结核和低温。普通的自来水最低可以形成-5℃~-6℃的过冷水,所以只要控制好温度、材料、结构、流速、压力等参数,就可以确保稳定地产生-2℃的过冷水,过冷水进入冰浆发生器中,冰浆发生器提供凝结核,过冷水即成为冰浆(冰水混合物),储存在蓄冰罐中。

5.2 冰浆是否会在蓄冰罐中结块?

答:不会。因为过冷水在冰浆发生器中已经完全释放冷量,成为冰水混合物,

冰水混合物进入蓄冰罐,冰留在罐中,水经过过滤,进入二次循环,降温、过冷,变为冰浆。蓄冰罐中的冰浆最终随着水的减少,冰的增多,成为固态的雪花,雪花在蓄冰罐中由于没有冷量的提供,是不会结块的,只要保温妥当,会以雪的状态长久保持。

5.3 过冷水冰浆系统的常见的故障是什么?如何解决?

答:过冷水冰浆最常见的故障是冰堵。iSlurryTM冰浆系统在设计时,已经考虑了冰堵的可能性,设计了容错量。由于冰水分离器或其它原因引起冰堵的概率极低,一般一年只有若干次。冰堵偶然发生时,系统会自动检测温度、压力和流量,自动关阀、融冰、恢复正常,整个过程不超过15分钟。如果在一小时内冰堵两次以上,系统会报警,制冷主机停机,这时需要请专业人员维护检修。

冰浆机组为不锈钢非运动部件组成,没有致命故障发生的可能,设备的使用寿命极长,不存在老化现象,相比其它蓄冰设备,性价比更高。

5.4  冰浆蓄冷与水蓄冷相比的优缺点

答:主要优点:体积小,同样的蓄冷量,冰浆蓄冷是水蓄冷的16;无需像水蓄冷那样密置布水器,不存在回温水对冷水的混合及热损。

主要缺点:制冰系统比水蓄冷复杂。

6  冰浆蓄冷与盘管蓄冰相比的优缺点

答:主要优点:

1)      效率高a、换热条件好。冰浆是液液(水和乙二醇)交换,换热的两侧都是传热最佳的紊流状态。而盘管是液固液(乙二醇、冰和水)交换,有冰的热阻,而且水侧是静止的,所以盘管蓄冰没有很好的换热条件。b、蒸发温度高。制取冰浆时,主机乙二醇的温度只需-3.5℃,而盘管需要-5℃~-7℃,效率高10%以上。综合比较,冰浆系统效率至少高20%以上。例如,冰浆系统可以选用432RT的主机,而蓄冰量却比盘管蓄冰所选500RT的主机更多。

2)  环保:冰浆系统乙二醇用量只有盘管用量的十分之一或更少。

3)      融冰速率高冰浆表面积是盘管结冰的百倍,放冷速率几乎没有限制。而盘管结冰放冷的最高速率只有总蓄冷量的15%,盘管蓄冷受到自身放冷速率的影响只能在空调时间内平均供冷,一半以上冷量用在电力平段,这是非常不划算的。同样的蓄冰量,冰浆融冰可以集中在高峰时段,节钱更多。紫光项目如果采用盘管,每年节约电费约80万,采用冰浆每年节约120万~130万,多1/3

4)      成本低:冰浆蓄冷的核心是以板式换热器取代盘管蓄冰的盘管。就盘管材质而言,现在应用最多、更可靠的是美国进口的BAC钢盘管、FAFCOCALMAC塑料盘管,国内盘管的质量还不让人放心,很多案例出现了泄漏问题。而冰浆蓄冷的板式换热器是非常成熟的产品,成本上有一定优势。

5)      维护简单a制冰与融冰分离。冰浆系统的主要部件是可拆式板换,不会出现致命故障,出现故障后易检修,每年只需定期保养即可。而盘管蓄冰、融冰全都需要经过盘管,而且盘管全部放置在1000立方的蓄冷罐中,一旦出现乙二醇泄漏,几乎无法修复,只能更换。b、换热器维护容易。换热器长时间运行后,换热表面会结垢,大大降低换热性能,需要进行定期维护,一般是12/次。冰浆蓄冷系统乙二醇很少,容易对制冷机组蒸发器、供冷板式换热器等进行维护,而盘管有几十吨的乙二醇溶液,冰球的乙二醇用量更大,占整个蓄冷罐的40%,达到数百吨,深圳电子科技大厦是中国第一个采用冰球蓄冷的项目,十多年了,换热器无法清洗检修,因为乙二醇根本无处存放。

6)      调试量少冰浆系统主要部件、控制系统,模块化设计,安装简单,现场调试量少。而盘管为了保证制冰的顺利,对融冰控制的要求高很多,融冰控制不仅影响节钱量,还影响第二天的制冰。冰浆系统的融冰控制则要简单的多。

主要缺点:

系统复杂冰浆制冰系统比盘管、冰球蓄冰更复杂,多了冰浆机组以及保证制冰安全的辅助机。

 冰浆的广泛用途

1、  牛奶、啤酒生产过程冷却和冷藏

2、  水、海产品保鲜

3、  鱼虾禽肉加工冷藏

4、  蔬菜、水果、花卉保鲜

5、  人造滑雪场

6、  矿井降温冷却

7、  石油、化工、染料、钢铁、医药等各种生产过程的冷却

8、  地铁、超市、办公楼空调系统

综合来讲冰浆蓄冷适用于几乎所有的具有31以上分时电价差的用冷大户项目。

 项目是否适合冰浆蓄冷需要满足以下几个核心条件:

1、  主机是否能改造为双工况,或者是否可以新增双工况主机;

2、  蓄冰池和冰浆机组是否有场地置放;

3、  是否有31以上的蓄冰电价,或者需要“移峰填谷”的用冷需求。

当以上三个条件具备,项目才基本具备了蓄冰实施的可能。

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