冰蓄冷系统

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热能存储 (TES) 涉及向存储介质添加热能,然后将其从该介质中移除以供其他时间使用。 这可能涉及在高温(蓄热)或低温(蓄冷)下储存热能。

在 HVAC 应用中,最常用的冷热存储介质是冰和水。 冷冻水储存系统利用大量水的显热容量来储存热能。 冷却器用于降低水温,冷水储存在一个大水箱中以备下次使用。 然而,冰蓄冷系统利用水的潜在容量(与从固体(冰)到液体(水)的相变相关)来储存热能。

基于乙二醇的冰储存系统

引入了几种冰蓄冷技术,并在短时间内蓬勃发展,随后退出市场。 基于乙二醇的冰储存系统继续非常受欢迎,因为它们简单且类似于传统的冷冻水系统。 任何适用于冷冻水系统的应用都适合使用基于乙二醇的冰蓄冷系统。

这种类型的冰蓄冷系统使用冷却器将传热流体(通常是水和防冻剂(如乙二醇)的混合物)冷却到低于水的冰点的温度。 这种流体被泵送通过一个或多个储冰罐,其中热量从罐内的水传递到传热流体。 这会导致水箱内的水结冰。

当稍后需要热能时,传热流体再次被泵送通过储罐,但现在的温度高于水的冰点。 热量从传热流体传递到储存在罐内的冰,导致冰融化。

建筑冷负荷曲线

在 HVAC 系统中添加冰蓄冷系统可以通过将冷水机的运行从高成本电力时间转移到低成本电力时间来降低与冷却相关的公用事业成本。

上图显示了示例建筑的设计日冷负荷曲线。 在午夜和早上 6 点之间,建筑物无人居住,也没有冷负荷。 早上6点,大楼开始有人入住,冷负荷增加。 冷负荷在上午 11 点到下午 4 点之间最高,然后在下午 5 点之后随着人们离开建筑物而急剧下降。 在午夜消失之前,整个晚上都有一个小的冷却负荷。

高峰期和非高峰期

大多数电力公司在白天的电力需求最大,有些甚至面临产能短缺。 为了鼓励在这些时期减少用电量,许多电力公司已经建立了每日分时费率,从而在这些高需求时期为更高成本的电力创造了时间窗口。 电力成本高的时段通常被称为“高峰”时段。 另一方面,“非高峰”时段是指电力成本较低的时段。

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对于同一示例建筑物,中午到晚上 8 点被定义为高峰时段。 所有其他时间定义为非高峰时段。

电费的另一个常见组成部分是需求费用。 这是基于建筑物在指定时间范围内使用的最高功率 (kW) 消耗或需求的费用。 通常,需量电费仅适用于高峰期,或者高峰期需量电费明显高于非高峰期需量电费。

冰峰降温

冰蓄冷系统通过融化冰来满足高峰期建筑物的冷却负荷,从而降低每月的公用事业成本。 这避免或显着减少了在该时间范围内运行冷却器所需的电力。 冷水机的运行转移到非高峰期,在此期间电力成本较低,需求费用较低或不存在。 在此期间使用冷却器冻结储水箱内的水,将热能储存到用电高峰期。

在此示例中,在中午和晚上 8 点之间的高峰期发生的建筑物冷却负荷通过融化储存的冰来满足,并且冷却器关闭。

这种类型的系统通常被称为“全存储系统”,只有当水箱的存储容量足够大以满足给定日期的峰值冷却负荷时才有可能。

使用冷却器和冰块进行峰值冷却

然而,全存储系统的安装成本可能不可行。 许多冰蓄冷系统的容量足以满足仅部分高峰冷却负荷。 这种类型的系统通常称为“部分存储系统”。

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在这个部分存储系统示例中,在高峰期发生的冷却负荷通过融化冰和运行冷却器来满足。 冷却器以降低的容量运行,消耗更少的能量,并且消耗更少的功率。 通过融化储存的冰来满足大于冷却器提供容量的冷却负荷。

在高峰期关闭冷水机或显着降低其容量,可以减少这种高价电力的消耗,并减少高峰期的电力需求。 两者都可以降低每月的水电费。

调峰与负荷转移

乍一看,旨在减少高峰电力需求 (kW) 的冰蓄冷系统似乎与旨在减少高峰电力消耗 (kWh) 的系统相同。 然而,两者中哪一个最重要,可以显着改变系统的设计和/或控制方式。

为减少高峰需求,系统应仅在建筑物的电力需求最高时才融化冰块。 在一天结束时,冰块留在水箱内是完全可以接受的。 这种称为“调峰”的方法通常在高峰电力需求 (kW) 率较高时使用,但电力消耗 (kWh) 率从非高峰期到高峰期几乎相等。 调峰试图在减少高峰电力需求(通过融化冰块并以降低的容量运行冷却器)和避免显着增加非高峰电力消耗(当冷却器需要在制冰过程中运行时发生)之间找到最佳平衡模式)。

或者,为了减少高峰期的电力消耗,系统应该每天融化尽可能多的冰。 这种称为“负载转移”的方法通常在高峰用电量 (kWh) 明显高于非高峰用电量时使用。 负荷转移试图通过在高峰期融化所有的冰,并将冷水机运行转移到非高峰期来尽可能减少高峰期的电力消耗。

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虽然设计用于调峰的系统可能具有与设计用于负载转移的系统相同的冰蓄冷容量,但这两个系统的控制方式不同。

缩小冷水机组

除了降低每月的公用事业成本外,冰蓄冷的另一个潜在好处是减少机械冷却设备的尺寸和容量。

当冰蓄冷用于满足全部或部分设计(或最坏情况)冷负荷时,只要缩小尺寸的冷水机有足够的时间重新冻结水箱内的水,就可以缩小冷水机的尺寸。

更小的电动冷水机也可能导致建筑物的电力服务更小,这也可以降低安装成本。

潜在好处

  • 降低公用事业成本
    • 较低的高峰用电量(千瓦时)
    • 较低的峰值电力需求(千瓦)
  • 设备尺寸更小
    • 较小的冷却器
    • 较小的电气服务 (A)
  • 降低安装成本
    • 可能有资格获得公用事业回扣或其他奖励

虽然储冰罐增加了系统的安装成本,但缩小机械冷却设备的影响可能会抵消部分(或全部)增加的成本。 此外,一些电力公司在冰蓄冷用于减少高峰电力需求时提供回扣或其他奖励。 当这些激励措施可用时,增加冰蓄冷甚至可以降低系统的总体安装成本。

在某些安装中,这些好处中的每一个都可以实现。 然而,在其他安装中,可能不会出现一个或多个。 例如,增加冰储存可能会降低公用事业成本,但可用于重新冻结水箱内水的时间可能非常短,以至于冷却器必须保持相同尺寸才能足够快地冻结水。

参考

TRC019-EN Ice Storage Systems

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