王增卫 李功凌 姚元元 涂文侠 罗平娅 张玉茹
摘 要：从东北地区独特的寒冷气候以及对冰雪的使用方面对常规制冷空调与天然冰蓄冷空调相比在能源利用方面的差异，分别从经济、生态、社会三个方面对天然冰蓄冷系统进行效益分析，并对地下储冰技术与今后系统的研发和安装改造方面进行简述。
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关键词 ：天然冰蓄冷 效益 常规空调
基金项目：哈尔滨商业大学大学生创新创业训练计划省级一般项目，项目编号：201310240025。
东北地区在北纬450以上，每年至少有5-6个月平均气温在0℃或0℃以下，有些地区最低气温能够达到-30℃以下。年积冰雪日数在120-140天，最大冰层厚度达1.27米[1]。以哈尔滨天气为例，冬季全市平均降雪量为23.6mm。得天独厚的地理位置和气候条件使得东北地区冰雪资源丰富，假想利用天然冰蓄冷，将冬季的废冰或者专门冻结的冰贮存起来，夏天高温的时候集中用作空调的冷源，代替常规或蓄冷空调中耗电制冷设备，在当今世界能源消耗逐年增加、环保意识逐渐增强、大城市空调负荷又快速增长的情况下，不仅具有经济效益，还有生态效益和社会效益。天然冰蓄冷系统充分利用了自然资源，使天然冰雪融化产生的冷量释放到所需制冷的空间，以满足该空间的冷负荷。
1、系统的特性和工作原理
1.1 天然冰的可利用性分析
冰的融化温度为 0℃，1Kg 冰在 0℃融化成同温度的水，可以吸收 335kJ 的热量，即融化热为 335kJ/Kg[2]。1000Kg 冰可使面积为 108.81m2，冷负荷为 6700.3W 的空调实验室保持温度在 25.0℃-28.0℃ 59 小时[3]。例如一个建筑物建筑面积约 25000㎡，按冷负荷150W/m2左右计算，总冷负荷约为3750kW。按空调使用 6、7、8 三个月，每天使用 8 小时计算，冰雪大世界总量约为 3000 吨（ 3600m3）的冰雪完全可以满足需要。
1.2 天然冰的储存
据测算，深2m的类似于半球形的地下坑储存15吨的冰雪，保存期从三月到六月，冰雪的损失率为15％。因此可以建造地下储冰场所，在冬天利用热交换管将地下窖或山洞式贮藏库周围的土层冻成一层很厚的“永久冻土”以维持春暖后贮藏室的低温。
1.3 天然冰制冷系统的元件
试验阶段是在正常空调系统外并联天然冰蓄冰槽装置，在测试阶段系统还包括压力、温度传感器，压力控制器，开通阀门等设备。对蓄冰槽测试得到相关点的压力和温度，找出效率最高的融冰方式，并通过对比测试得出盘管的接触面积与蓄冰槽体积的关系以及盘管的厚度与传热效率的关系，以此对蓄冰槽进行性能改进。最终采用盘管式蓄冰槽，利用静态内融冰的方法，它具有蓄冷速度快，取冷过程中出口温度保持恒定等优良特性。试验的最终目的是达到天然冰系统单独运行即可满足整个房间的冷负荷。经观察和测算，掌握了蓄冰槽的特殊制作工艺，槽内的换热器（即换热蛇形盘管）采用尺寸为DN16的紫铜管连续卷焊（或无缝钢管焊接）焊接而成，为横置蛇形盘管，不仅换热面积大，同时防止内外腐蚀。蓄冰槽外部用20mm厚的保温板进行保温，确保冷量损失降到最低。
1.4 系统工作原理
在天然冰蓄冷系统与常规系统混合进行工作时，蓄冰槽中的盘管中通制冷剂R22。在蓄冰槽的两端设有阀门，以控制天然冰系统的开关。蓄冰槽设在风冷器与节流阀之间，当温度较高的制冷剂在盘管中流动时，盘管周围的冰将于制冷剂发生热量传递，制冷剂的热量被冰吸收，使制冷剂的温度大幅度下降，温度降低的制冷剂进入到蒸发器中，在风机的作用下，使盘管中制冷剂的冷量释放到房间中，达到降低室温的效果。
2、天然冰系统的运用实例分析
以在哈尔滨居住的某家庭为例：客厅使用面积为20㎡，日空调使用时间为5小时。
已知哈尔滨地区平均电费为0.51元／（kW／h），利用天然冰蓄冷系统对客厅空间进行降温
已知每平方米所需要的制冷量为150W／㎡
20㎡的房间需要制冷量为：150W／㎡×20㎡=3000W
20㎡的房间一天需要制冷量为：3000W×5h×3600s=54000000J
已知1m3的纯冰释放的冷量为417180000J
因此一间20㎡的空间需要纯冰的体积为：54000000J／417180000J=0.123m3
可制成长*宽*高分别为：0.5m*0.45m*0.6m的蓄冰槽。
注：科研阶段的槽体体积比理想化模型体积略大。今后的科研过程中，力求在盘管的形状，布局，以及槽体的保温方面对蓄冰槽进行改进，使其逐渐接近理想化模型的体积大小。
3、价值评估
3.1 经济效益
天然冰是一种资源节约、环境友好的能源。用天然冰蓄能供冷设备系统实现冰的冬贮夏用，节省电能；不用制冷设备，节省铜、钢材料；不破坏臭氧层；年运行费用低；维修简便；使用寿命长。最大限度的降低了冰蓄冷空调系统的初投资。1千吨（约1100m3）-10℃的冰变成16℃的水能吸收117161kWh电量（相当于44.52吨标准煤的发电量）的热能，按1度电0.5元计算，价值5.585万元[4]，经济效益相当可观。
3.2 生态效益
天然冰蓄冷系统减少了火力发电等引起的环境污染，减少了CO2排放、减轻温室效应、热岛效应、酸雨造成的灾害，在节约不可再生资源、保护环境的同时，发展天然冰蓄冷对建设节约型社会、保持经济持续发展十分有利。季节性冰雪蓄冷系统的COP值可达到50～100[5]。天然冰蓄冷已成为一项促进能源、经济和环境协调发展的实用系统节能技术.
3.3 社会效益
天然冰蓄冷系统减少能源使用（特别是对于火力发电）引起的环境污染，充分利用不可再生资源，有利于生态平衡。减轻了国家电力事业的供应负担，缓解了用电紧张的现状。近年来人们对能源利用、环境保护、降耗减排、经济效益等方面的关注日益密切，使得对天然冰雪利用进行了更广泛的研究。研究天然冰雪蓄冷空调系统的运行特性，可以说具有很大的社会效益。
4、安装和改造方式
以哈尔滨某小区作为试用观察点。将该小区的空调系统进行改进，保留蒸发器，在蒸发器两端接出制冷剂流动管道，其中管道要进行保温处理，以免冷量在管道运输时散失。再天然冰蓄冰槽直接连接在蒸发器两端（此处不对过滤干燥器等设备详细阐述），将蓄冰槽集中放在建筑物冷山一侧，达到整洁，便于管理的目的。
5、结束语
天然冰系统的使用完全颠覆了以往常规的空调系统。天然冰蓄冷系统是将大量的电力资源运用到人力和物力的使用上，这不仅节约了宝贵的电力资源，缓解了用电紧张问题，还减轻了供电站的电力负担，保护了生态环境，可以说天然冰蓄冷系统的使用是一举多得，造福子孙的，这一项目必将得到国家的大力支持和发展。
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参考文献：
[1]张强，李静.哈尔滨市冰雪体育旅游产业化发展对策研究[J].商场现代化：2008，526：339U340.
[2]VIGNEAULT C. Seasonal ice storage for agricultural use [C/OL]. The Third International Workshop on Storage for Cooling Applications. 1983， ftp：//ftp tech-env.com /pub/energy /atesstes/ ice-storage/.
[3]杨光 ，季节性冰雪蓄冷空调系统的实验研究[J]. 制冷.2004（7）：36-38.
[4]陈允轩，陈梅倩等.冰蓄冷空调系统的经济性分析[J].制冷与空调：2006（2）：36-39.
[5]蒋爱华，黄竹清，邹新远.冰蓄冷空调与电网调峰[J]. 制冷：2002，21（1）：41-43.
（作者单位：哈尔滨商业大学 黑龙江哈尔滨市 150028)