1、动态冰浆蓄冰储能技术经济分析报告书“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书动态冰浆蓄冰储能技术经济分析报告书“islurry”系统第一篇：动态冰浆蓄冰储能技术产生的背景1.1 蓄冰储能技术的作为终端节能的重大意义1.1.1 电力需求与昼夜峰谷电力巨差之间的矛盾随着我国经济的快速发展，电力需求也迅速增大。虽然在过去2O年内每年均有10000(KW.h)的大中型发电机组投运， 电力供需之间仍存在着很大的缺口。此外， 电力峰谷差却日渐拉大，导致发电机组没有被合理利用，早在2000年时，我国昼夜的电力峰谷差已经达到5103 (万KW)【1】 。上海市早在2001时最大用电峰值1050万(KW)
2、，最大峰谷差已经达到500 (万KW)【2】。电力需求与昼夜峰谷电力巨差之间的矛盾产生根源有很多，但在民用领域，占据建筑物能耗40%60%的空调设备责无旁贷。城市电力电网不仅要满足平时正常的用电，还需要满足高温时候，制冷机组的耗电。特别是在夏季，外界温度越高，冷负荷越大，制冷量越大，必然要消耗更多的电能。所以昼夜峰谷电力差就逐渐越拉越大。1.1.2 电力需求与昼夜峰谷电力巨差之间的矛盾的解决办法对于用电峰谷差(夏季更为明显)及最大用电负荷的逐年增加， 解决电力供需矛盾的途径有： 增加装机容量； 实行峰谷分时电价， 蓄冰储能技术； 采用抽水蓄能电站， 目前为常用调峰方式之一； 压缩空气储能电站；
3、 利用剩余电力驱动压缩机压缩空气， 储存压力能， 到高峰期电力不足时， 高压空气通过汽轮机发电； 燃油或燃气电厂：燃油或燃气电厂肩停迅速，可在电力高峰期时迅速开启，补足电网电力不足； 其他电能储存方式：如超导电感储能和蓄电池储能。1.1.3 蓄冰储能技术的产生从上面几种方式来说， 增加装机容量。不仅需要巨大的投资，也没有从根本上解决电力需求的矛盾，反而使昼夜峰谷电力差不断增大，造成资源的大量浪费；实行峰谷分时电价。这项措施已逐步展开，也取得了一些成果，但不能根本解决昼夜峰谷电力差的问题，只能是隔靴搔痒；采用抽水蓄能电站， 压缩空气储能电站； 利用剩余电力驱动压缩机压缩空气， 储存压力能， 到高
4、峰期电力不足时， 高压空气通过汽轮机发电； 燃油或燃气电厂，这三项技术还是希望在能源供应侧解决矛盾，但投资也是巨大的，1.1.4中做详细第 1 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书介绍； 其他电能储存方式：如超导电感储能和蓄电池储能。首先这些技术还不成熟，停留在理论和实验阶段。即使成功也很难通过大规模应用来解决矛盾； 蓄冰储能技术。这项技术不仅仅是蓄冰储能本身，还结合了实行峰谷分时电价：在夜间电力低谷、电价低的时候，机组运行制冷，将蓄冷介质的显热或潜热以冷量的形式存储起来，然后再白天电力高峰、电价高的时候，停止制冷机组运行，而将储存的冷量释放出来，满足建筑物空调或生
5、产工艺的冷负荷需要，我们称之为“削峰填谷”。既有效的利用夜间非常低廉的低谷电价，节省了高峰时期的昂贵的电力。不仅减少制冷机组的装机容量，还大大提高发电机组的发电效率，缓解城市电网高峰的用电紧张，如下图所示：图一蓄冰储能转移建筑物高峰用电“节约高峰电力”：在电力高峰的时候不耗电、少耗电。这已成为政府和电力管理部门致力于缓解电力紧缺的积极、重要和长远的措施之一，例如深圳特别规定蓄冰空调谷期电价为0.2884(元/KW.h)，只有电力高峰时段的20%左右，峰谷电价为4:1。北京和厦门等地还出台政策：每转移1KW高峰电力，给予500元的补贴。在蓄冰储能技术发展的最好的日本，国家和电力公司都给予蓄冰储能
6、技术的公司优惠政策、补助金激励措施和强有力的支持。1.1.4 新建电厂与蓄冰储能第 2 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书表1 新建电站的投资费用由表1可见，新建电站投资337510000(元/KW.h)。而采用蓄冰储能技术每转移1KW 高峰负荷增加初投资1000元左右。也就是说，将有限的资金投入到蓄冷空调的建设中，其产生的移峰效果要比投资建立发电机组的效果要好的多。 因此， 用户需求端采用蓄冰储能移峰1W 电力需要增加1元投资，而在能源产生侧可以减少310元的建立发电机组的投资，使得蓄冰储能符合能源需求侧管理（DSM） 的要求（DSM 中的一个重要思想就是将有限
7、的资金投入能耗终端(需求端)的节能， 其所产生的效益要远高于投资能源产生的效益）。这样，从终端节能优先角度出发，采用蓄冰储能，可以为社会节约大量的投资【1】，给能源需求侧用户节省很多运行费用。从能源需求侧管理(DSM)角度考虑。建筑节能即利用有限的资源和最小的能源消费代价来取得最大的经济和社会效益，满足日益增长的需求为目标。由此可见，从能源需求侧节能是解决电力需求与昼夜峰谷电力巨差之间的矛盾最佳途径。而以蓄冰储能为典型代表的蓄能技术是实现能源需求侧管理(DSM)的最好办法。1.1.5 日本蓄冰储能概况截至到2003，据完全统计，日本在各行各业需冷场所完成蓄冰储能案例21329个，转移高峰电力1
8、45万KW，相当于一个大型核电站中一台发电机的电量【3】。而我国首个刚开始建设的海岛核电站福建宁德核电站一期四台百万KW发电机组工程的总投资为512亿人民币。也就是说，当我们采用能源需求侧管理(DSM)的蓄冰储能技术，每转移一万KW的电量，就为社会节约约1亿人民币，不仅为用户节省运行费用，还带来可观的社会效益。但据完全统计，我国截至到2001年才有183个蓄冰储能案例。因此，蓄冰储能技术，在我国节能趋势日益严峻的情况下，面临着前所未有的机遇和挑战。1.2 动态冰浆蓄冰储能是当今世界蓄冰储能领域最先进的技术第 3 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书1.2.1 动态冰
9、浆蓄冰储能技术概述动态冰浆蓄冰储能技术产生的冰浆是近年来世界各国竞相开发研究的新型介质，它是指水溶液降温至冻结点温度以下产生极细小的冰晶(一般为 0.050.15mm)与水的混合物。由于其生成形式类似于雪花，即自结晶核以三维空间向外生长而成，生成后成为一种游浆状的液冰，因此又称为颗粒流冰、二元冰（binary ice）、深冷冰（deep chill ice）、液冰（liquid ice）、流冰（fluid ice）和可泵送冰（pumpable ice）等。冰浆具有液体冰的热力学物理特性：极好的冷却性能、高热容量和流动性，从而能达到极高的制冷效率。与其它介质相比，冰浆冷却速度更快、冷却效果更好（
10、30%冰浆的制冷容量是 7冷冻水的 6-10 倍且其冷却温度更低）。另外由于冰浆优异的传热性能和 6 倍于常规空调水的热容量，使得换热器的型号、水泵的功率以及相应管道、设备的尺寸等大大减小，从而降低了其初投资与运行费用。1.2.2动态冰浆蓄冰储能技术与其他主流蓄冰储能技术的比较条件比较静态冰球式静态盘管式动态冰浆蓄冰储能11.2制冰运转效率（注意：这个数据表示的是单位11.21.81.21.6（KW.h/RT-hr）制冷量消耗的电能，数值越低，功耗越小）2设备安装便利性无规格化需搭配主机套装化设备3储冰槽储水温度较低较低极低4冷量释放速率及灵活性慢慢非常快储冰槽空间需求58.08.08（m3/
11、100RT-hr）可用低谷时间658=4058=4078=56（hr/week）7应用范围仅适合空调仅适合空调适合所有用冰产业等8系统维护、调试容易复杂容易9价格相对较高相对较高相对较低表2 各种制冰方式的对比注释：第 6 项的可用低谷时间（hr/week）：大部分民用建筑特别是城市的商业办公建筑的空调时间为周一到第 4 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书周五，无法将周五、周六晚上的低谷电利用起来。而动态冰浆蓄冰储能只需增加蓄冰罐体积就可利用周五、周六晚上的低谷电价时段电力进行蓄冰储能，在周一、周二的空调时间做全蓄冰，为用户节约更多的运行费用，转移更多的高峰电力。
12、而静态盘管和冰球要利用这两个晚上的低谷电，则不仅需要增加原来的两倍盘管和冰球，成本也增加两倍，从经济角度而言，根本无法利用；另外因为盘管和冰球的结冰需要载冷剂，只是周末两天才会用，这增加了静态盘管和冰球的载冷剂回路和融冰回路控制的复杂性。如表 2 所示，动态冰浆蓄冰储能技术的优越性非常明显，我们将分别在第二篇和第三篇中详细比较技术和经济的各个参数。1.2.3 各种制冰方式产生的冰浆冰浆的制备方式主要有过冷水式（Supercooled）、刮削式（Scraper type）、冷媒喷射式（Ejector system）、真空式（Vacuum type）、下降液膜式（Falling film type
13、）等基本型式。不同制取冰浆的方式大致可以归结为三类：1，片冰式：含有添加剂的水溶液在热交换面上发生相变结冰，当结冰厚度达到一定厚度的时候，用机械刮削的方式或者通过切换通入热的冷媒，进行冰层与热交换面的脱离即产生片冰。片冰或进行粉碎后与水混合，即产生冰浆。 这种方式目前已经推广应用。但从能耗角度，还有比较明显的不足：（1），冷媒蒸发温度低。制冷主机的冷媒蒸发温度都在-15以下，甚至-25。而“islurry”系统的载冷剂温度在-3。而且不存在着结冰带来的传热热阻。按照制冷机组一般的推算，蒸发温度每下降 1，主机制冷量下降 3%计算，我们的“islurry”系统制冰是主机的效率至少高出片冰的 30
14、%70%。所以相对于动态冰浆系统而言，现有的片冰和静态冰球和盘管制冰的制冷主机有近一半能源消耗是浪费的。（2），片冰机一般是整机形式，上面是制冰的主机和换热器，下面为储冰罐。这种形式的本身就限制了机组容量：机组尺寸特别是高度与结冰的传热面之间的矛盾。另外片冰的冰浆需要冰与传热面的剥离过程和冰浆或片冰输送机构（气体输送、履带或螺旋输送），降低了系统的可靠性。其中应用最广泛的是以美国的 Paul Mueller、加拿大的 Sunwell 为代表的刮削式。2，冷媒直接接触式：将不溶于水、凝固点低的液体或气体冷却至零下，然后在容器内与水进行混合，进行液液或汽液热交换，得到水合物（冰浆），气体称之为气体
15、水合物。这种方式的制冰效率也很高。但是却存在着致命的缺陷：a，冰浆中含有冷媒（载冷剂）。液体存在着腐蚀性，消耗量也大；气体冷媒比较昂贵，消耗量大了之后，极大地限制了这种技术第 5 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书的发展。b，冷媒不溶于水，并不代表制冰过程中水中没有冷媒，混合传热过程中，少量的水掺和在冷媒中，这就给制冰换热时带来隐患：造成冰堵。所以需要进行冷媒与水的彻底分离，但实现的技术难度和成本都很高。另外就是含有冷媒的冰浆在应用上受到很多限制，这种冷媒或多或少都是毒性的。3，过冷水制冰：将不含任何添加剂的（可食用）水冷却至零下（-2），水依然是液态，并换热器内
16、保持稳定，当水流出换热器后再进行冷量解除即产生冰浆。这项技术在制冰行业从技术和应用上都是无可挑剔，只是零下液态水是亚稳定状态，不易保持，造成换热器冰堵。日本从 20 世纪 80 年代末开始研究，已形成了以 Takasago 和 Shinryo 等一批规模化应用的公司，并且建立了多个城市区域供冷站。我们的动态冰浆蓄冷储能技术“islurry”系统，在综合上述各种冰浆制取方法的基础上，历经三年的研发，成功地实现了我国冰浆制取技术上的突破，目前已经申请了多项专利。而且我国蓄冰空调技术规范上关于动态冰浆蓄冰储能技术规范还是一片空白，所以相信我们的“islurry” 系统将有一翻大的作为。图二（小型样机
17、冰浆的产生）第 6 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书第二篇：动态冰浆蓄冰储能技术“islurry”技术分析2.1 动态冰浆蓄冰储能技术“islurry”系统介绍2.1.1 动态冰浆蓄冰储能技术“islurry”系统组成（如图三所示）图三动态冰浆蓄冰储能技术“islurry”系统图将蓄冰罐中不含任何添加剂、0左右的水经过“islurry”独特的冰核去除装置后，在“islurry”独特的热交换器内被冷却至零下并保持液相，流出后进行冷量解除就生成了冰浆。制冷主机蒸发器给换热器提供-3左右的载冷剂。2.1.2 动态冰浆蓄冰储能技术“islurry”系统的特点1，系统构成
18、简单，安全。没有庞大的热交换盘管或冰球，不用担心管道腐蚀和泄漏等第 7 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书隐患；除了主机和水泵，没有其他复杂机械部件；2，系统运行可靠。没有复杂的设备和管路就没有复杂的控制系统；3，系统效率极高。可以从系统上可以看出，“islurry”系统换热器内保持液态水的稳定状态，几乎没有冷量损失的地方。主机的载冷剂温度才3，对于用水（目前在 PCM 材料中最稳定可靠的）进行相变储能技术来说，制冷效率几乎是极致；4，冰浆的制取为低温送风的实现创造了先天条件。采用低温送风后，可大大减小风管、水管的尺寸、换热器的型号和风机、水泵的功率；空调末端因为
19、冷冻水的进出口焓差大，人的热舒适感增强。国外应用比较典型的、冰浆浓度为 30%的空调系统，冷水的进出口温差为10、焓差为 140(kJ/kg)；5，无可比拟的释冷性能、稳定可靠的冷源。在释冷时，冰的表面积与释冷的速率成正比，同等质量的冰浆的表面积是常规冰块的上百倍，片冰的几十倍。是一些应急冷源的最佳选择：比如用作灭火剂，现有的灭火装置和喷嘴仍然可以输送浓度为 30%的冰浆溶液，采用冰浆溶液灭火可以使灭火时间减少一半，同时使室内温度急剧降低。与水相比，采用冰浆灭火所需的量较少【4】。因为极高的释冷反应速率，也是最可靠的冷源。6，低廉的成本。相对于常规的制冷机组，我们的“islurry”只增加了一
20、个“islurry”制冰的热交换器、一个“islurry”冰核去除装置以及管道阀门和控制系统。7，冰浆应用广泛、灵活。如前所述，不仅因为冰中不含任何添加剂和冰浆的流动性，更主要的是“islurry”系统本身极高的热交换效率和相对低廉的成本为其冰浆的广泛应用有了最可靠的保证。冰浆的流动性使其在应用上几乎不受到任何限制。我们历经 3 年的研发，以近乎完美的数据和稳定性能，相对低廉的成本成功实现了动态冰浆蓄冰储能技术“islurry”系统。相继成功研发了小型机组（6KW）和大中型机组第 8 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书（200KW）两个系统。图四 小型样机控制界面
21、图 图五 小型样机实物图图六 200KW 样机蓄冰储能蓄冰罐图2.2 动态冰浆蓄冰储能技术“islurry”系统与常规空调技术、静态制冰储能技术的比较2.2.1 蓄冰储能技术与常规空调技术相比是节能的第 9 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书2.2.1.1 制冰工况额定高速运转制冰工况虽然比常规空调制冷工况效率要低一些，一般低 30%左右。但是制冰工况是机组处在最佳工况且高速运行，负荷几乎不会有什么波动。而常规空调工况机组制冷量是按照全年不保证 15 天的室外气象参数（设计日最大负荷）进行设计选型的，而这种工况在全年空调机组的运行时间里面，只有 15%左右。也就是
22、说常规空调机组处于最佳工况运行时间全年只有 15%。全年 85%的时间是处于低工况运行！而且我们都知道，一天之中环境冷负荷几乎时刻都在随着气象参数等因素变化，所以机组在运行时要不断调整以适应负荷变化。笔者根据空调冷负荷计算总结出：即使是设计日（空调时间 10 小时），也有 20%时间为低负荷且只有最高负荷的 40%60%，更何况在非设计日负荷下运行的情况呢？用个形象的比喻如下：蓄冰储能额定运转工况 常规空调制冷工况负荷不稳定运行图七 蓄冰储能工况与常规空调制冷工况负荷不稳定工况主机运行对比如图七所示，常规的空调制冷方式因为运行工况的不断变化，其实是非常耗电，而且影响机组性能。但蓄冰储能时机组是
23、额定工况高速运转，所以是省电的。2.2.1.2 全负荷的分时分量蓄冷与部分负荷时的全蓄冷采用蓄冰储能技术后，最佳蓄冷率在 45.2%左右【10】（笔者经多个案例计算：此蓄冷率对不同的案例，误差在 10%以内），这不仅意味着在选空调机组时，容量可以减少 40%左右，其他系统组成（冷却塔、水泵、管道、空调末端等）均可大幅度减少容量或尺寸。还可在部分负荷的时间（40%80%）里实现全蓄冷：1，可以适当调整蓄冰时间（利用周末休息时间等非工作时间的低谷电价，只需设计时适当增加蓄冰罐体积）；2，机组在选型时，考虑这个时候的全蓄冷情况，在常规机组减少 40%容量的基础上，稍微增大主机容量。不仅是削减高峰用电
24、负荷，还可以为用户大大减少运行费用。2.2.1.3 夜间运行蓄冰储能时，机组在晚上 22 点以后运行，即使是在炎热的夏天，深夜的大气温度是比白天要低很多的，约 10左右,也就是说蓄冰储能机组的冷凝温度要比白天常规的空调工况第10 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书冷凝温度要低 10左右。一般情况，在蒸发温度相同时，冷凝温度每降低 1，制冷量增加1.2%。所以蓄冰储能时机组的冷凝温度要降低 10，制冷量增大 12%左右，输入功率减少 15% 左右，能效比增加 30%左右。所以制冷主机在同一温度下，制冰工况制冷量比空调工况低 30%，但在实际运行中，夜间温度低，尤其是
25、昼夜温差较大的地区，制冰工况制冷量只是比空调工况少 15%左右。2.2.1.4 可实现低温送风常规的空调制冷机组，机组供给末端的冷冻水，一般为 7/12，显热容量较小，只有21(kJ/kg)。但蓄冰储能技术可以实现低温送风技术，即利用夜间储存的冰，或结合制冷可以实现冷冻水 25供水，1214 回水：大于 10的温差，热容量增大，大于40(kJ/kg)。而且我们的“islurry”系统可实现用冰浆输送，如 20%IPF 左右的冰浆，热容量已经高达 120 (kJ/kg)，是常规空调 5温差近 5 倍。根据常规 DN=18.8（Q/v）0.5,DN冷冻水管道直径；Q 冷冻水流量V冷冻水流速可计算得
26、出，1），管道的直径（保温材料）缩小将近一半；2），冷冻水泵电机也大大减少，只有 1/8 左右；3），空调末端风量大大减少。所有这些不仅仅是尺寸，电机功率上的减少，更重要的是日后运行能耗的大大减低。还可增强人体的热舒适性。2.2.2 “islurry”系统与传统静态蓄冰储能技术相比是节能的传统制冰技术是指静态盘管制冰、片冰、冰球等技术2.2.2.1“islurry”系统制冰效率高制冰效率高，首先反应在蒸发温度上，传统制冰技术在-10-25，随着制冰的进行，蒸发温度逐步降低，制冷效率越来越低，制冰的最后几个小时只有额定制冰工况的 50%（见案例一和案例二）；而我们“islurry”系统蒸发器出口
27、温度稳定在-3，不会有任何波动。其次，传统制冰技术（静态盘管、片冰、冰球）的相变都发生在传热面上，随着制冰的进行，由于结冰形成的热阻越来越大。我们就几种不同制冰技术在制冰能力上结合具体实际工程案例做个技术分析比较。案例一第11 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书上海海事大学章学来教授 2003 年 7 月 6 日在某医学中心外融冰式冰蓄冷的测试数据【5】该工程 4 台水冷螺杆式冷水主机，空调工况，单台制冷量为 1407(KW)，制冰工况制冷量：914(KW)，是常规空调工况的 65%。总蓄冰能力 4500(RT)的蓄冰槽。表 3：相关机组控制方式表 3 案例一的相
28、关控制方式由表 3 控制方式可知，在制冰模式下从 22：00 到凌晨 6：00 这 8 个小时的时间，只运行了两台机组即 2#和 4#。由于单制冰工况下单台机组的制冷量为 914KW，两台一个小时制冰工况下应有 914x2=1828(KW)（519RT）制冷量，这也就是说理想情况下，一个小时应制的19.644 吨含量 100%的干冰。但在实际运行过程中，结冰速度、厚度和均匀性使得机组 COP下降很多。表 4 为制冰工况运行数据表4 案例一制冰工况运行数据表5 为整理出各个时间段内的产冰量制冰工况的产冰量时间段下一时刻的蓄上一时刻转移到冰制冰量理论制制冰能力%第12 页，共 36 页“islurry”蓄冰储能系统技术经济分析报告书冰量（RT）的蓄冰量上的冷量（）冰量（RT）（RT）（）22：0023：005504131375.1819.64426.38%23：0024：007075501575.9419.64430.23%24：001：009637072569.6819.64449.30%1：002：00133696337314.1119.64471.83%2：003：001650133631411.8819.64460.46%3：004：001995165034513.0519.64466.43%4：005：002298199530311.4619.64458.35%
