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冰浆是大规模蓄冷的重要发展趋势
发布时间：2023-03-04 15:01:28| 点击次数：
中国清洁供热平台讯：从成本来看，按目前储电综合成本约3000元/kWh，移峰1kWh的电力负荷，蓄冷的成本仅为350-500元/kWh（LiB储能技术的10~20%）。此外，蓄冷的上下游产业配套比较成熟，规模化应用后的成本下降空间大。
在6月22-23日于常州召开的2021年第三届中国储热大会上，中国科学院广州能源研究所研究员、储能技术研究室副主任宋文吉就“过冷水冰浆技术及其蓄冷应用”作主题演讲。
发展蓄冷技术的重要意义
宋文吉指出，制冷是社会能源消耗的重要组成部分。制冷空调的能耗和温室气体排放是中国30/60双碳目标的重要组成部分。中国夏季电力高峰负荷的40%以上是制冷空调造成的，商业/公共建筑50%以上的能耗是空调机组。同时，越来越多的楼宇采用热泵空调，夏季供冷、冬季供热，空调机组同时影响全年的供电负荷。因此，必须充分重视制冷空调对电力负荷的影响，否则反馈到上游，则直接影响电力的供应和可再生能源的消纳。
宋文吉强调，大规模蓄冷是重要的储能调峰技术。以广州珠江新城为例，前40个中央空调的用电负荷就达到了106MW，约占广州从化抽水蓄能电站（8台30万kW机组）容量的1/20。相关规划实施后，珠江新城集中供冷系统采用冰蓄冷（约60MW电力负荷调节能力），使得制冷机的装机容量减少一半，不仅大幅降低了峰谷差、而且减少了制冷剂的使用量，系统综合运行能效大幅提高。
宋文吉介绍称，在蓄冷领域，不管是从国际组织数据，还是国内自己的调研数据来看，在商业楼宇和区域供冷这两个应用领域中，以水和冰为储冷介质的蓄冷技术都是比较成熟的技术，也是主流的技术。国内在水蓄冷、冰蓄冷的细分领域中也培育了一批优秀的民族品牌，整体来看，中国蓄冷技术与日美欧并跑，处于国际先进水平。
蓄冷储能的优势
从电池储能的角度来说，电力使用方便，储电调峰的好处显而易见。但从效率角度来看，对于空调机组来说，蓄冷储能的优势更加明显，因为蓄冷的热效率高于储电，而热效率决定了中央空调的运行成本。因此，蓄冷是最高效的中央空调储能调峰技术。
从成本来看，按目前储电综合成本约3000元/kWh，移峰1kWh的电力负荷，蓄冷的成本仅为350-500元/kWh(LiB储能技术的10~20%)。此外，蓄冷的上下游产业配套比较成熟，规模化应用后的成本下降空间大。
宋文吉表示，总体来看，蓄冷储能在用户侧调峰的优势明显，主要表现在以下几个方面：
1、成本低、效率高：大规模蓄冷技术以水为介质，成本低廉；靠近负荷中心，储能效率高，移峰1kWh的电力负荷成本仅是电池技术的10~20%；蓄冷作为冷量缓存装置，放冷时可大幅提高主机运行效率，进而提高系统的综合能效比。
2、功率和能量调节范围很宽、适应性好：蓄冷系统的功率变换装置为制冷主机和换热器，调节范围从MW~GW，储能装置为保温水槽，根据需要可满足Hour、Day、甚至跨季节的调节需求；系统寿命可达20年以上。
3、环保效益：蓄冷系统除了对电网产生移峰填谷效益外，能大幅度减少制冷机组的装机容量，从而减少氟利昂的使用，获取环保效益。
冰浆蓄冷的技术优势
冰蓄冷技术发展至今主要经历了三个重要的发展阶段。首先是上个世纪80年代的冰球制冷方式，其次是90年代开始的盘管技术，2020年代后的第三代是冰浆的方式。
宋文吉介绍称，与现有蓄冷技术相比，冰浆具有成本低、制冰能效高、负荷响应速度快、占地面积小等突出优势，国内自2010年开始兴起，经历十年发展，中国蓄冷储能技术正在进入冰浆蓄冷时代。
冰浆制取的基本原理
冰浆蓄冷充分利用水的过冷特性，在时间和空间上将换热和相变解耦，做到“换热时不相变，相变时不换热”，由此大幅提高系统效率。冰浆蓄冷的技术优势主要体现在以下几个方面：
1、蓄冷能效高：制冷剂蒸发温度高，制冷机组COP大幅度提高，制冰能耗比冰球和盘管技术降低20%以上。
2、放冷速度快：冰浆的比表面积是冰球和盘管的100倍以上，融冰速度快、负荷响应灵敏，可满足任何建筑的负荷变动需求。动态响应特性好，可实现电力调峰的快速响应。
3、占地面积小、易维护：蓄冰槽中无冰球和盘管，冰槽体积大幅度减小。冰浆具有流动性，对蓄冰槽形状无特殊要求，可以利用现有的各种地下室、停车场、现有水槽等。
4、投资回收期短：虽然蓄冷空调的初投资略高于普通空调，但运行费用却大幅度降低，新增设备的投资回收期仅需2-4年。以水为介质，安全可靠，维护成本低，使用寿命至少20年。
冰浆蓄冷在中央空调领域的应用
中央空调蓄冷充分利用峰谷电价，夜间制冰蓄冷、白天融冰放冷，为各种中央空调和产业制冷系统提供冷量，为用户节约运行费用的同时，实现电力负荷移峰填谷。
一般情况下，在用户现有中央空调系统基础上，增加一套冰浆机组和相应的蓄冷/放冷设备，即可满足用户不同时段的用冷需求。类比化学储电系统，可实现功率与容量、制冷功率与放冷功率的双解耦。
部分典型工程案例
从技术升级方向来看，下一代冰浆蓄冷技术升级将坚持能效提升和装备提升两个思路，一是简化系统，减少载冷剂循环，可节省约20%泵功；减少换热损失，可提高约6%的效率；二是提高制冰设备的集成度，减小占地面积；研发大容量制冰机组，实现电-冷转换（制冰）装备的集成化、模块化、大型化，降低蓄冷系统成本，提高场景适应性。
冰浆技术在供热及其他领域的应用
宋文吉指出，冰浆技术也可在供热领域实现应用。利用可控相变技术，可以进一步提取由水到冰的相变潜热，这个热可以作为热泵供热的热源，冰源热泵可为跨季节储冷提供免费的冰。
基于冰源热泵（可控相变）清洁供暖技术，可以取地下水，地表水，用热泵方式解决清洁供暖的问题，近年来，中科院广州能源研究所已建成运行南京银杏山庄等多个项目。
以华东某城市冬季供暖为例：热负荷25W/m²，供暖季4个月，以冰源热泵技术进行清洁供暖，只需要0.5吨水(由15℃降为0℃的冰)；按清洁供暖面积10万m²计算，耗水量仅为5万吨。在满足供暖需求的同时，可跨季节收集冷量1,40万RTh，约折合1.40GWh的电能。
此外，宋文吉还提到了冰浆跨季节蓄冷储能概念。结合冬季气候特点和电力供应特点高效制冰，将冷量储存起来用于夏季及过渡季节的集中供冷，从而实现空调制冷系统的GWh级储能。由于浅层土壤温度与储冷介质的温差较小(最低0℃)，所以跨季节蓄冷的热效率要高于跨季节蓄热(热水温度80-90℃)，且工程难度更低。
冰浆跨季节蓄冷涉及以下几个关键技术:
1、如何高效、低成本地蓄冷：蓄冷周期内的低价电力制冷（低谷电、可再生发电的富余电、等等）；蓄冰槽内的温度管理（水温分层、斜温层控制等等）、中短周期操作策略等。
2、如何高效地用冷：蓄冰槽内的温度管理（蓄冷-放冷）；冷能品位的梯级利用（直接换热-制冷机组提冷、除湿（温湿度独立控制等）、大温差供冷等等）。
3、如何构建大型人工储冷设施：结构对性能的影响（能效、储能效率、等效循环次数等）、对环境的影响等；选址、投资分析、盈利模式等等。
此外，除制冷供热领域以外，冰浆可为用户提供0-1℃的高品质洁净冷源，尤其适合食品加工、饮品工艺冷却、冰温保鲜等领域。与此同时，冰浆是天然优质的潜热输送介质，因冰晶相变潜热的存在，单位体积可携带更多冷量，可大幅降低冷量输送能耗和系统初投资。
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