蓄冷空调系统设计（2）蓄冰设备 蓄冷设备的种类（上） 一、分类 美国制冷工业协会（ARI）1994年出版的《蓄冷设备热性能指南》将蓄冷设备广义地分为显热式蓄冷和潜热式蓄冷。 最常用的蓄冷介质是水、冰和其他相变材料，不同蓄冷介质具有不同的单位体积蓄冷能力和不同的蓄冷温度。
蓄冷设备的种类（上）
一、分类
美国制冷工业协会（ARI）1994年出版的《蓄冷设备热性能指南》将蓄冷设备广义地分为显热式蓄冷和潜热式蓄冷。
最常用的蓄冷介质是水、冰和其他相变材料，不同蓄冷介质具有不同的单位体积蓄冷能力和不同的蓄冷温度。
1. 水显热式蓄冷以水作为蓄冷介质，是利用水温变化可蓄存的显热量，水的比热为4.184KJ/Kg.K(1.0Kcal/Kg·℃)。蓄冷槽的
体积和效率取决于供冷回水与蓄冷槽供水之间的温差，对于大多数建筑的空调系统来说，此温差可为8～11℃。水蓄冷的蓄冷温度为4～6℃，是空调常用冷水机组可适应的温度。此外，空调水蓄冷系统的设计，应异于常规空调系统的设计，就是说应该尽可能提高空调回水温度，以充分利用蓄冷水槽的体积。蓄冷水槽所需体积受蓄冷水和回水之间保持分层程度的影响。一般蓄冷温差为8℃，每蓄冷1冷吨时（符号为RTH，折合3024千卡）需0.417m3 （或0.118m3 /KWH）；如温差为11℃，则蓄冷水量可减为0.303m3 /RTH(0.086m3 /KWH）。
2. 冰
蓄冰则是利用冰的融解潜热335KJ/Kg(80Kcal/Kg)。蓄冷槽的体积取决于槽中冰水百分比，一般蓄冰槽的体积为0.068～0.085m3 /RTH(0.02～0.025m3/KWH)。 冰蓄冷的蓄存温度为水的凝固点-0℃。为了使水冻结，制冷机应提供-3～-7℃的温度，它低于常规空调用制冷设备所提供的温度。当然，蓄冰装置可以提供较低的空调供水温度，有利于提高空调供回水温差，以减小配管尺寸和水泵电耗。
3. 共晶盐（Eutectic Salt）
为了提高蓄冰温度，不改变冷水机的空调工况运行，可以采用除冰以外的其他相变材料。目前常用的相变材料为共晶盐，即无机盐与水的混合物。对于用作为蓄冷介质的共晶盐有如下要求：
a. 融解或凝固温度为5～8℃。
b. 融解潜热大，导热系数大。
c. 比重大。
d. 无毒、无腐蚀。
二、水蓄冷装置：
为防止和减少蓄冷水槽内因温度较高的水流和温度较低的水流发生混合，引起能量损失，水蓄冷系统中水槽结构和配置时，通常有几种方案可供选择：隔膜或隔板式、复合水槽式、迷宫式、水分层式。水槽可用钢筋混凝土或钢板制作，也可单建蓄冷水槽或利用消防水池等。
三、蓄冰装置
冰盘管式蓄冷装置是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冰设备。在蓄冷过程，载冷剂（一般为重量百分比为25%的乙烯乙二醇水溶液）或制冷剂在盘管内循环，吸收水槽中水的热量，在盘管外表面形成冰层。取冷过程则有内融冰和外融冰两种方式，各具特点。
外融冰方式。温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化，故称为外融冰方式。由于空调回水与冰直接接触，换热效果好，取冷快，来自蓄冰槽的供水温度可低达1℃左右。此外，空调用冷水直接来自蓄冰槽，故可不需要二次换热装置。但是，为了使外融冰系统能达到快速融冰放冷，蓄冰槽内水的空间应占一半，也就是说蓄冰槽的蓄冰率（IPF）不大于50%，故蓄冰槽容积较大。同时，由于盘管外表面冻结的冰层不均匀，易形成水流死角，而使冰槽局部形成永不融化的冰层，故需采取搅拌措施，以促进冰的均匀融化。
内融冰方式。来自用户或二次换热装置的温度较高的载冷剂（或制冷剂）仍在盘管内循环，通过盘管表面将热量传递给冰层，使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化进行取冷，故称为内融冰方式。冰层自内向外融化时，由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层，其导热系统仅为冰的25%左右，故融冰换热热阻较大，影响取冷速率。为了解决此问题，目前多采用细管、薄冰层蓄冰。
1.盘管式蓄冰装置：
冰盘管式蓄冷装置是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冰设备。在蓄冷过程，载冷剂（一般为重量百分比为25%的乙烯乙二醇水溶液）或制冷剂在盘管内循环，吸收水槽中水的热量，在盘管外表面形成冰层。取冷过程则有内融冰和外融冰两种方式，各具特点。
外融冰方式。温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化，故称为外融冰方式。由于空调回水与冰直接接触，换热效果好，取冷快，来自蓄冰槽的供水温度可低达1℃左右。此外，空调用冷水直接来自蓄冰槽，故可不需要二次换热装置。但是，为了使外融冰系统能达到快速融冰放冷，蓄冰槽内水的空间应占一半，也就是说蓄冰槽的蓄冰率（IPF）不大于50%，故蓄冰槽容积较大。同时，由于盘管外表面冻结的冰层不均匀，易形成水流死角，而使冰槽局部形成永不融化的冰层，故需采取搅拌措施，以促进冰的均匀融化。
内融冰方式。来自用户或二次换热装置的温度较高的载冷剂（或制冷剂）仍在盘管内循环，通过盘管表面将热量传递给冰层，使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化进行取冷，故称为内融冰方式。冰层自内向外融化时，由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层，其导热系统仅为冰的25%左右，故融冰换热热阻较大，影响取冷速率。为了解决此问题，目前多采用细管、薄冰层蓄冰。
1.盘管式蓄冰装置：
（1）蛇形盘管
此种形式的冰蓄冷盘管以美国B.A.C公司为代表，如图2-6。
此种形式的冰蓄冷盘管以美国B.A.C公司为代表，如图2-6。
盘管为钢制、连续卷焊而成的立置蛇形盘管，外表面热镀锌，管外径1.05"（26.67mm），冰层厚度约30mm，因此，盘管外表面积折合为0.62m2 /RTH。盘管可以制成不同长度，如图2-7所示盘管，长度为5.5m者，其潜冷量为238RTH（约836KWH）。
盘管放置在蓄冰水槽内，蓄冰槽体可为钢制、玻璃钢制或钢筋混凝土制，槽体壁面覆有80～100mm厚保温层。此种冰盘管式蓄冷槽可为外融冰式，也可设计为内融冰式。当采用外融冰方式时，为了融冰均匀，可在盘管下部设置压缩空气管，从管中泵送出空气，起搅拌作用。当然，长期送入空气将使槽中水呈弱酸性，对盘管有腐蚀作用。为了保证安装与维护，当采用钢制或玻璃钢制整体式蓄冰槽时，槽体距墙壁或槽体之间一般应保450mm距离。。
盘管放置在蓄冰水槽内，蓄冰槽体可为钢制、玻璃钢制或钢筋混凝土制，槽体壁面覆有80～100mm厚保温层。此种冰盘管式蓄冷槽可为外融冰式，也可设计为内融冰式。当采用外融冰方式时，为了融冰均匀，可在盘管下部设置压缩空气管，从管中泵送出空气，起搅拌作用。当然，长期送入空气将使槽中水呈弱酸性，对盘管有腐蚀作用。为了保证安装与维护，当采用钢制或玻璃钢制整体式蓄冰槽时，槽体距墙壁或槽体之间一般应保450mm距离。。
（2）图形盘管
此种形式的冰蓄冷盘管以美国Clamac公司和Dunham-Bush公司的Ice-Cel为代表，如图2-8。
此种形式的冰蓄冷盘管以美国Clamac公司和Dunham-Bush公司的Ice-Cel为代表，如图2-8。
盘管为聚乙烯管，Clamac公司的冰盘管管外径为16mm，Ice-Cel盘管的管外径为19mm。该类型蓄冰装置为内融冰方式，并做成整体式蓄冰筒，筒体为高密度聚乙烯板，外设保温层或采用双层玻璃纤维壁体，内夹保温材料，故耐腐蚀。
此种圆形冰盘管，由于管径较细，管间距离较小，设计的冰层厚度较薄，盘管的相对换热表面积较大，故有利于融冰与蓄冰。但是，由于筒体为圆形，故占地面积较大。Clamac公司典型蓄冰筒的型号为1190A型，直径2.26m，高度2.57m，潜冷蓄冷能力为162RTH。Ice-Cel典型蓄冰罐的型号为TS240型，直径2.54m，高度2.48m，潜冷蓄冷能力为240RTH。 圆形冰盘管与蛇形冰盘管由于单路管长达数十米，故流体流动阻力较大，约8～10m水柱。
（3）U形盘管
此种形式的冰蓄冷盘管以美国Fafco公司的Fafco-Icestor为代表，如图2-9。该种冰盘管由耐高温低温的Polyolefin石蜡脂喷射成型。每片盘管由200根外径为6.35mm的中空管组成，管两端与直径50mm的集管相联。典型盘管型号为HXR-12型，每根管全长为12英尺，每片潜冷蓄冷量为10.4RTH，重量18.9公斤，盘管换热面积为15.14m2 。为了适应不同的房高，管的全长分别做为8、10、12、18、24英尺，每片潜冷蓄冷量分别为6.9、8.6、10.4、15.8、17.6RTH。此类型的冰盘管，由于管径很细，故易堵塞。
此种圆形冰盘管，由于管径较细，管间距离较小，设计的冰层厚度较薄，盘管的相对换热表面积较大，故有利于融冰与蓄冰。但是，由于筒体为圆形，故占地面积较大。Clamac公司典型蓄冰筒的型号为1190A型，直径2.26m，高度2.57m，潜冷蓄冷能力为162RTH。Ice-Cel典型蓄冰罐的型号为TS240型，直径2.54m，高度2.48m，潜冷蓄冷能力为240RTH。 圆形冰盘管与蛇形冰盘管由于单路管长达数十米，故流体流动阻力较大，约8～10m水柱。
（3）U形盘管
此种形式的冰蓄冷盘管以美国Fafco公司的Fafco-Icestor为代表，如图2-9。该种冰盘管由耐高温低温的Polyolefin石蜡脂喷射成型。每片盘管由200根外径为6.35mm的中空管组成，管两端与直径50mm的集管相联。典型盘管型号为HXR-12型，每根管全长为12英尺，每片潜冷蓄冷量为10.4RTH，重量18.9公斤，盘管换热面积为15.14m2 。为了适应不同的房高，管的全长分别做为8、10、12、18、24英尺，每片潜冷蓄冷量分别为6.9、8.6、10.4、15.8、17.6RTH。此类型的冰盘管，由于管径很细，故易堵塞。
U型蓄冰盘管为内融冰式，置于钢制或玻璃钢制槽体内构成整体式蓄冰槽；或以约12片为一组，置于钢筋混凝土槽体或筏基内，其布置如图2-10。
蓄冷设备的种类（下）
四、封装式蓄冰装置
将蓄冷介质封装在球形或板形小容器内，并将许多此种小蓄冷容器密集地放置在密封罐或开式槽体内，从而形成封装式蓄冰装置。如图2-11。运行时，载冷剂在球形或板形小容器外流动，将其中蓄冷介质冻结、蓄冷，或使其融解，取冷。
将蓄冷介质封装在球形或板形小容器内，并将许多此种小蓄冷容器密集地放置在密封罐或开式槽体内，从而形成封装式蓄冰装置。如图2-11。运行时，载冷剂在球形或板形小容器外流动，将其中蓄冷介质冻结、蓄冷，或使其融解，取冷。
封装在容器内的蓄冷介质有二种，即冰和其他相变材料，现分述如下：
1. 冰
此种类型的封装容器目前有三种形式，即冰球、冰板和蕊芯摺囊式冰球。此种蓄冷装置运行可靠，流动阻力小，但载冷剂充注量比较大。以冰球式蓄冰罐为例，乙二醇需要量约27.6Kg/RTH，冰/水重量约37.8Kg/RTH，蓄冰罐本体重量约8.3Kg/RTH，但是，载冷剂的流动阻力仅约2.0mH2O。
(1)冰球
冰球封装式蓄冰装置以法国CIAT公司和深圳中亚特公司为代表。封装球为硬质塑料制空心球，壁厚1.5mm，外径95mm或77mm。封装球内充注水，予留约9%的膨胀空间，水在其中冻结蓄冷。外径95mm冰球，换热表面约2.8m2 /RTH，每立方米罐体空间容纳Φ95mm冰球1300个，Φ77mm冰球2550个，总蓄冷量约16.2RTH，潜冷蓄冷量约13.8RTH。 值得注意的是，不论采用开放式槽体还是封密罐，均需注意冰球要密集堆放，防止载冷剂从自由水面或无球空间旁通流过。
(2)冰板
冰板封装式蓄冰装置以美国Reaction公司为代表，如图2-12。中空冰板的外形尺寸为812×304×44.5mm，由高密度聚乙烯制成，板中充注去离子水，其换热表面积为2.32m2/RTH。
1. 冰
此种类型的封装容器目前有三种形式，即冰球、冰板和蕊芯摺囊式冰球。此种蓄冷装置运行可靠，流动阻力小，但载冷剂充注量比较大。以冰球式蓄冰罐为例，乙二醇需要量约27.6Kg/RTH，冰/水重量约37.8Kg/RTH，蓄冰罐本体重量约8.3Kg/RTH，但是，载冷剂的流动阻力仅约2.0mH2O。
(1)冰球
冰球封装式蓄冰装置以法国CIAT公司和深圳中亚特公司为代表。封装球为硬质塑料制空心球，壁厚1.5mm，外径95mm或77mm。封装球内充注水，予留约9%的膨胀空间，水在其中冻结蓄冷。外径95mm冰球，换热表面约2.8m2 /RTH，每立方米罐体空间容纳Φ95mm冰球1300个，Φ77mm冰球2550个，总蓄冷量约16.2RTH，潜冷蓄冷量约13.8RTH。 值得注意的是，不论采用开放式槽体还是封密罐，均需注意冰球要密集堆放，防止载冷剂从自由水面或无球空间旁通流过。
(2)冰板
冰板封装式蓄冰装置以美国Reaction公司为代表，如图2-12。中空冰板的外形尺寸为812×304×44.5mm，由高密度聚乙烯制成，板中充注去离子水，其换热表面积为2.32m2/RTH。
冰板有次序地放置在卧式圆形密封罐内，冰板约占罐体积的80%，罐中载冷剂的流程可为1、2和4流程。密封蓄冰罐尺寸小至直径1.5m、长度2.4m，大至直径3.6m、 长度21m，其潜冷蓄冷能力从76RTH至3600RTH。蓄冰罐可置于室内，室外或地下。
(3)蕊芯摺囊式冰球
蕊芯蓄冰摺囊为台湾产品，如图2-13。蕊芯摺囊由高弹性高强度聚乙烯制成，摺皱有利于适应冻结和融冰时内部冰/水体积变化而产生的膨胀与收缩。同时，两侧设有中空金属蕊芯，一方面可增强热交换，另一方面起配重作用，在开放式槽体内放置时冻结后不会浮起。
(3)蕊芯摺囊式冰球
蕊芯蓄冰摺囊为台湾产品，如图2-13。蕊芯摺囊由高弹性高强度聚乙烯制成，摺皱有利于适应冻结和融冰时内部冰/水体积变化而产生的膨胀与收缩。同时，两侧设有中空金属蕊芯，一方面可增强热交换，另一方面起配重作用，在开放式槽体内放置时冻结后不会浮起。
蕊芯摺囊式冰球直径为130mm，长度242mm，球内充注95%的水和5%添加剂，以促进冻结。每1000个摺囊球的潜冷蓄冷量为58.85RTH。
2. 其他相变材料
当前采用的其他相变材料主要是共晶盐，可以美国Transphase公司为代表，其蓄冷介质以五水硫酸纳化合物为主，充注在高密度聚乙烯板式容器内。
2. 其他相变材料
当前采用的其他相变材料主要是共晶盐，可以美国Transphase公司为代表，其蓄冷介质以五水硫酸纳化合物为主，充注在高密度聚乙烯板式容器内。
高温相变蓄冷介质材料的关键有二点：
(1)不过冷。蓄冷介质应具有准确的冻结点，以保冻结完全以及取冷时供冷水温不致过高。
(2)不层化。通常共晶盐在过饱和状态融解时，一部分无机盐可能沉在容器的底部，而使部分液体浮在容器上部，此种现象称为"层化"。层化现象可使共晶盐在反复冻结与融解以后，融解潜热大幅度降低，这样将大大降低蓄冷装置的蓄冷能力。影响层化的因素很多，主要是共晶盐种类，核化方法，以及封装容器的厚度。
目前高温相变蓄冷的缺点是造价较高，而且，冻结融解温度为5～6℃的相变材料尚待进一步开发研究。
(1)不过冷。蓄冷介质应具有准确的冻结点，以保冻结完全以及取冷时供冷水温不致过高。
(2)不层化。通常共晶盐在过饱和状态融解时，一部分无机盐可能沉在容器的底部，而使部分液体浮在容器上部，此种现象称为"层化"。层化现象可使共晶盐在反复冻结与融解以后，融解潜热大幅度降低，这样将大大降低蓄冷装置的蓄冷能力。影响层化的因素很多，主要是共晶盐种类，核化方法，以及封装容器的厚度。
目前高温相变蓄冷的缺点是造价较高，而且，冻结融解温度为5～6℃的相变材料尚待进一步开发研究。
