动态冰蓄冷技术的研究进展

引言

国电力需求量越来越大，电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾也日益突出，严重影响了经济的发展与人们的正常生活。究其原因，很大程度上是由于大量空调装置的运行。据统计，空调耗电占建筑物总能耗的60%～70%，大中城市空调用电占城市总供电的30%以上。因此，蓄冷空调技术作为平衡电网负荷、移峰填谷的重要手段受到了人们的日益重视[1]。由于水蓄冷技术已经过时、共晶盐蓄冷对蓄冷介质的要求很高[2~3]、气体水合物蓄冷受制冷剂条件的限制[4]，冰蓄冷技术的应用研究占据了主导地位，2004年国家节能政策文件《能源中长期规划》中也明确提出：大力发展冰蓄冷技术。相对于成熟的静态冰蓄冷技术，动态冰蓄冷技术在实用方面较少，有待进一步研究与开发。

1.动态冰蓄冷系统

1.1片冰机

片冰机蓄冷和释冷速度快，受冰层厚度影响较小（小状片冰效果更好），片冰的制取主要有两种方法：机械刮落式与热融滑落式。热融滑落式是指蓄冷时通过水泵将蓄冰槽的水自上向下喷洒在板状蒸发器表面，并在其上面冻结成薄冰层。当冰层厚度达到5～10ｍｍ时，通过阀门换向，将压缩机排出的高温气态制冷剂通入蒸发板放热，使与蒸发板表面接触的冰融化，片冰靠自重滑落至蓄冰槽内，高温气态制冷剂经放热后变为液体或气液混合物流到冷凝器。放冷时可通过泵将空调回水喷洒蒸发器上，然后再与冰接触，或者直接引入到蓄冷槽与冰换热。如此反复进行“冻结”和“释冰”过程[5]。该方式蒸发温度较冰盘管蓄冷系统可提高3℃，放冷速率快，特别适用于体育馆、会堂、餐厅等短时间需要大量冷量的场合。目前国内仅有浙江嘉兴华庭街、上海东华大学、北京中关村软件园等四座片冰蓄冷工程，还有一批正在建造中。该方式的缺点是制冰落冰需要较大的空间，含冰率过大还可能造成管路或播水器堵塞，故蓄冰槽的填充率不高。与热融滑落式系统不同的是，机械刮落式系统是用机械刮板代替高温气态制冷剂来脱冰，因此无需采用阀门控制。但是增加了运动部件，维护管理要求更高，初投资与能耗均较大。其他与热融滑落式系统基本相同

1.2冰晶机

冰晶是极细小的冰粒与水的混合物，其形成过程类似于雪花，自结晶核以三维空间向外生长而成，生成后成为一种淤浆状的液冰，可以用泵输送，所以又可称作流体冰、二元冰或冰浆。它的显著优点是冷却速度快，流动性好，可在一处制冰，另一处蓄冰；制冰过程中传热系数大，压缩机性能系数COP值可比制取块冰大幅度提高；制冰与融冰速率快。因此冰晶是空调蓄冷的一种有效介质[6]。

1.2.1乙二醇溶液过冷制冰系统

该系统是指将低浓度的乙二醇溶液过冷至冷冻点以下，然后送入蓄冷槽，溶液中可析出冰晶。如果过冷温度为2℃，可产生2.5%直径约100μm的冰晶[5]。放冷时，冰晶直接送到空调负荷端使用。该系统需要专门的制冰机与特殊设计的蒸发器（冰晶发生器），冰晶的含冰率过高会造成输送阻力增加，因此不适合于大型系统。目前，北京低温设备厂生产该设备。

1.2.2过冷水动态制冰系统

系统是利用水的过冷现象来制冰。蓄冷时，由制冷压缩机组制出的低温二次冷媒在过冷器中将水过冷，在过冷器出口将过冷状态解除，使之析出冰晶。该系统的核心部件是过冷却器。日本研究该技术已有近20年，也有工程应用的实例，但目前尚未成熟。主要问题是过冷水是一种很不稳定的状态，在过冷器里容易频繁结冰，造成系统效率下降甚至堵塞管路[7]。因此，如何控制过冷水在过冷器内不发生结冰是该技术需解决的关键问题。目前的办法上在水中加入一些添加剂来抑制水在过冷器中结冰[8]。

2.新型动态冰蓄冷方式

2.1水与非相溶液体直接接触换热制冰蓄冷

东南大学热能工程研究所提出了一种制取流体冰的新概念[9]：将水在低温非相溶液体中雾化成细小水滴，通过水与非相溶液体直接接触换热结冰来取代以往水与固体壁面换热结冰。非相溶液体被称为载冷介质，需具备以下性能：1、与水不相溶并冻结点0℃以下；2、在制冰工作温度下具有良好的流动性。该方法是指载冷介质流过蒸发器被冷却到O℃以下，在通道中，通过浸没于载冷介质中的喷头将淡水雾化成细小水滴并顺流喷入，水滴与周围低温载冷介质直接接触换热，在流动过程中被冻成冰颗粒。该方式很适合于空调蓄冷，系统的热力效率高。但需加强水在非相溶液体中的雾化特性、凝固特性以及多相混合流的传热特性研究。

2.2油水乳化动态制冰蓄冷

如图2所示，该系统蓄冷时首先将油和水在容器内混合，加入添加剂，搅拌形成稳定的乳状液，然后进入制冰热交换器冷却形成乳化液与冰晶的混合物，通过过滤器过滤出冰晶，过滤液进入原来容器完成循环。

油水乳化制冰国内尚未见有关报道。日本有关学者近来研究得较多。SaitO等[10]与Grandum等[11]通过扫描隧道显微镜观察了乳化液中冰晶形成过程，发现双硅烷在冰晶表面具有吸附作用，能够有效抑制冰晶的过大生长，是油水制冰技术中良好的乳化剂。

Oshinarida等[12]实验研究了带有搅拌器的容器内乳化液冷却生成冰晶的过程，发现添加双硅烷与降低容器表面的临界表面张力能够抑制冰粘结在容器表面，这对于保持油水冰混合物的流动性和防止管路堵塞是非常重要的。

KazutakaChibana等[13]研究了螺旋型聚氯乙烯塑料（PVC）盘管制冰热交换器中的冰晶形成过程，螺旋型盘管浸没在二次冷媒中。试验中测量了冰晶的形成量、制冰热交换器的进出口温度，对螺旋型盘管热交换器换热效率进行了计算。并且对盘管厚度、乳化油的流量、二次冷媒的温度对结冰量和结冰速度的影响做了分析。研究发现，减小盘管厚度可以相应提高不冻液的温度，有利于提高制冷机组的COP值，但乳化油的流量也必须减小，否则制冰速率减小。

YoshinariOda和MasashiOkada[14]进一步以90%水、10%油和γ-氨丙基-三乙基硅烷形成的乳化混合物为研究对象，制冰换热器采用PVC用作外管、PTFE用作内管的圆环形换热器，二次冷媒通过外管与内管形成圆环形管道，乳化混合物流经内管。实验发现PVC用作外管、PTFE用作内管的圆环热交换器具有良好的传热性能，能够实现稳定连续动态制冰，无管路堵塞现象。相对于乙二醇溶液过冷制冰，油水乳化动态制冰效率更高，可进一步缩小装机容量。

该技术使冰晶表面均匀覆盖了一层油膜，增加了冰晶的流动性，有效防止了冰粘结管壁形成管道堵塞，并且冰晶在储存过程中不会相互粘结成冰团，释冷时换热效率很高，释冷速率很快，是一项值得关注的技术。但是乳化液的状态对制冰过程影响较大，如果乳化效果不好或出现相互分离，将会发生管道堵塞。因此要保证乳化油的稳定性以及良好的乳化效果。另外寻找价格更便宜、性能更好的乳化剂来取代硅烷、降低系统成本是研究的方向[15]。

3.展望

目前，动态冰蓄冷技术的实用工程还比较少见，把动态冰蓄冷技术更多地推向实用化是今后的努力方向，同时开发更加实用高效的动态制冰方式。在滑落式片冰机中，如何缩短制冰落冰空间、提高冰的填充率（IPF）是值得研究的课题。由于冰晶能够用泵输送，同时换热量大，是区域供冷中良好的介质，因此发展冰晶蓄冷技术是大有前途的。关于冰晶的传热特性和输送特性将会得到更加深入的研究。