一、 蓄冷空調原理與使用條件
1.1 蓄冷空調技術基本原理
介質在吸熱或放熱過程中，會引起介質的溫度或物理狀態發生變化；蓄冷就是利用工質狀態變化過程中所具有的顯熱、潛熱或化學反應中的反應熱來進行冷量的儲存。蓄冷空調技術，即在不需要冷量或蓄冷量很少的時段，利用製冷設備將蓄冷介質中的熱量移出，進行冷量儲存，以便空調用冷高峰期使用。
當能源的生產與使用不能完全匹配時，就產生了能量空間轉移和時間轉移的需求，即能源輸配和能源存儲的需求。在空調系統中，建築物冷熱負荷出現的高峰往往和電力需求的高峰重疊，導致電力系統峰谷負荷差加大、裝機容量上升、全年平均負荷率偏低等問題。蓄冷技術則通過在電力負荷低的夜間製取冷量，利用蓄冷介質的顯熱或潛熱特性，將冷量儲存起來、在負荷高峰期使用，使這些問題得以解決。因而發展空調用蓄冷技術有其顯著的社會效益和經濟意義。
蓄冷系統的經濟效益體現在以下三個層面：從電能製備來看，能夠通過轉移製冷設備的運行時間，實現電力負荷的移峰填谷，減小電廠裝機容量、設備啟停和調節損耗，令發電機組工持續工作在穩定的高負荷率狀態；從電能的使用來說，用戶可以在減小製冷設備的裝機容量的同時，享受夜間谷電時的低電價，大量節省運行成本；從冷量的需求和製備角度，用戶可通過蓄冷裝置調節冷量需求側與供應側，實現冷機的高效運行，節省運行費用。因此，蓄冷空調系統是一個涉及多方面的綜合系統，應從多方面進行考慮和評價。
1.2 蓄冷空調的使用條件
蓄冷空調的使用主要應以下兩個條件：具有間歇性冷熱負荷需求，以及具有較大峰谷電價差。此外，還要考慮一些其他影響因素，如供冷季長短（或全年總冷量需求）、建築結構要求（蓄冷體與建築結構特別是地基構造如能協調設置，則起到降低成本、減少佔地面積的效果）等，視具體項目情況而有所不同。目前，我國大部分地區、大多數類型公共建築都滿足以上條件，因此蓄冷空調系統在我國的應用前景非常廣闊。
1.2.1 間歇性負荷需求
空調系統的存在是為了滿足建築的冷熱需求，因此「需求」才是空調系統選擇和設計的基本。現在的設計水平足以為新建建築提供詳細、準確的全年逐時負荷需求計算，在設計階段應提出該要求，為蓄冷空調系統的容量選型及運行模式設計等奠定基礎。
蓄冷空調的出現是為了將白天的高峰冷負荷轉移至夜間低谷期進行製備，以降低設備和運行成本；因此蓄冷技術應用的首要條件是：建築物具有間歇性負荷特徵。一般的公共建築，如商場、辦公樓、會議中心、交通樞紐等都具有明顯的冷熱負荷峰谷分布現象，白天營業和工作期間負荷需求高，夜間基本無負荷或只有很小的設備、加班負荷，因而這類建築非常適合採用蓄冷空調系統。
對於需要晝夜24小時運行的建築，如不含會議系統的酒店、信息中心等，夜間負荷低谷期較短、白天電價高峰期並非負荷高峰期，蓄冷空調並不適用。
圖 11是南寧某商業綜合體在典型日的實際供冷情況，項目包含商業中心、辦公樓，不包含酒店和公寓，該項目採用了水蓄冷空調系統。由於只在白天工作期間（9:00-22:00）有冷負荷需求，且冷負荷高峰與電價高峰重疊，所以非常適合採用水蓄冷空調。
1.2.2 峰谷電價
蓄冷技術誕生之初，電力市場上還未出現峰谷電價，該技術主要用於降低冷機設備投資費用。但隨著能源價格上漲，峰谷電價的出現使得蓄冷空調系統具備了明顯的經濟優勢，開始大量進入商業項目中。
目前國內的峰谷電價比在2~4左右（即尖峰電價是谷電價的2至4倍），有部分城市峰值電價與谷電價絕對差距接近1元/kWh（如北京、深圳），使得蓄冷空調系統的運行費用顯著低於常規空調系統成為可能。根據一般經驗，峰電價與谷電價的差值大於1元、比值大於3倍的情況下，即可採用蓄冷空調系統；但由於各地具體情況不同，還應在設計時詳細計算經濟指標，再做分析決策。表1-1為北京市2012年執行的電價表。
表格 11 北京市電網銷售電價（2012年）
除降低運行期間消耗電費外，蓄冷空調系統還可以降低配電系統裝機容量，從而降低初次安裝時的費用和每月固定收取的變壓器容量費用（元/kVA/月，與裝機容量有關）。綜合來看，採用蓄冷空調系統可降低運行電費是毋庸置疑的。
1.2.3 其他影響因素
除了電價這一明顯考慮因素外，蓄冷系統還受限於建築規模、建築結構等多項因素。
選用蓄冷空調系統，對建築土建來說，增加的成本主要是設備成本，以及滿足設備承重需求時建築結構上增加的投入（水池、冰池等對建築結構的影響）。僅用所佔車位面積計算蓄冷系統的建築成本是不合理的，因為公共建築的車位數量已經由相關標準規定，必須達到；同時該機房面積也可認為是佔用了其他後勤區域，並非佔用的全是車位面積。
建造蓄冷體需要佔用一定建築空間，尤其顯熱蓄冷（水蓄冷），在同樣蓄冷量要求下，水池體積遠大於冰池體積，使得國內很多工程在方案設計階段因佔地太大而放棄了水蓄冷。實際上，在日本這樣土地資源緊張的國家，大型公共建築仍然更加青睞水蓄冷系統。日本的冰蓄冷項目比例雖然也高達86.9%，但其中多數是小型家庭冰蓄冷系統；集中空調系統中，冰蓄冷只佔44.5%，剩餘55.5%基本都是水蓄冷。這是因為他們將水蓄冷與大型公共建築的結構設計緊密結合起來，如利用消防水池作為水蓄冷池，或將水池與建築地基結合、作為配重等，就不會多佔用額外建築面積，也不會增加太多投資。這需要在建築設計初期，各專業的緊密配合才能實現。
此外，供冷季長短也對蓄冷空調設計有影響。在我國各個地區，蓄冷空調設備和建造的費用不會相差太多，但南方地區供冷季長、供冷量大，因此建設蓄冷空調系統可以節省更多運行費用，更容易被廣泛採納。根據經驗，我國華北地區往南皆可使用蓄冷空調系統，都有可能有效實現節省空調費用的目標。
商業項目中，需要綜合考慮建造蓄冷系統帶來的影響，將設備成本、供冷季長度等均列入經濟性分析，結合冷負荷特徵、峰谷電價等，計算各種方案的優劣。無論是大型公共建築，還是小型個體商戶，在設計正確、運行良好的前提下，均可使用蓄冷空調系統來節約投資和能耗費用。
1.3 常見蓄冷形式
蓄冷空調技術有很多分類方法，按照蓄冷工作原理可分為顯熱蓄冷、潛熱蓄冷和熱化學蓄冷；按照蓄冷周期時間可分為晝夜蓄冷和季節性蓄冷；按照介質可以分為冰蓄冷、水蓄冷、共晶鹽蓄冷等等等，詳見表格 12。商業建築中，一般採用的是晝夜蓄冷。
表格 12 蓄冷技術分類
蓄冷空調系統中，最重要的部分是冷機和蓄冷裝置。蓄冷裝置的分類主要有冰蓄冷、水蓄冷、共晶鹽蓄冷，按照裝置形式、冰與裝置的位置關係等還可以進一步細分，詳見圖 12。在商業項目中，最為常見的是水蓄冷系統和盤管內融冰系統，早期項目中有一些冰球冰蓄冷系統，在遠距離輸配（如超大型集中冷站）的項目中可能採用盤管外融冰系統。
圖 12 蓄冷體形式分類
趙慶珠，《蓄冷技術與系統設計》. 中國建築工業出版社，2012.
1.3.1 盤管冰蓄冷技術
目前全世界的蓄冷空調系統中，水蓄冷系統和冰蓄冷系統最為普遍。冰蓄冷是最早發展的蓄冷空調系統，由於其蓄冷密度高、技術成熟，目前在蓄冷項目中市場份額最大。在美國約有86.7%的蓄冷項目是冰蓄冷，我國冰蓄冷項目則達到了91.2%，是蓄冷市場中的主力。
在冰盤管系統中，載冷劑走在盤管內，管外為冰池。蓄冰時，冰層逐漸附著在盤管外壁；內融冰系統融冰時，較高溫度的載冷劑在管內流動，冰層從內表面開始融化，將冷量傳給管內的載冷劑帶走；若是外融冰系統，則融冰時冰槽內的水流動，促使盤管外層的冰從外向裡融化供冷。目前國內外商業項目中，應用最廣泛的是盤管內融冰蓄冷技術。
盤管冰蓄冷系統有以下特點：
1. 蓄冷密度大
與水蓄冷方式比，冰蓄冷具有相變蓄冷密度高的優勢，即同樣體積的蓄冷體，蓄冷量約為顯熱水蓄冷的6倍；而由於球體排布等原因，盤管冰蓄冷的蓄冷能力也略高於冰球冰蓄冷系統。一般大型商業建築都位於土地資源稀缺的市中心區域，不便於建造大型水蓄冷系統，所以選用盤管冰蓄冷的項目非常多。對於小型項目（如個體戶店鋪等），由於建築限制無法建造大型水罐，因此幾乎都會採用盤管冰蓄冷系統。
外融冰系統由於水不可完全凍結，所以蓄冷密度比內融冰系統低一些。
2. 蓄放冷速率不穩定
盤管冰蓄冷系統中，由於蓄放冷過程中冰層的變厚、變薄，導致冰池的傳熱能力在不斷地變化。
蓄冰時，隨著蓄冷量增加，往往出現蓄冷速率逐漸降低的現象。冷機制出低溫載冷劑送入蓄冷體，由於冷機控制、載冷劑流量、蓄冷盤管或冰球換熱能力（換熱面積和係數）等問題綜合作用，導致逐時冷量逐漸下降。
內融冰系統在放冷過程中，由於冰層由內向外融化，冰融化一點後會上浮，此時仍與盤管有接觸，但接觸面積減小，換熱速率略有下降；外融冰系統的冰與水接觸範圍變化不大，因此可以持續保持較高的接觸面積，並且融冰速率高、供水溫度低。
圖 13 盤管冰蓄冷系統融冰過程圖示
怎樣使冰蓄冷系統能夠實現穩定的蓄放冷過程，從而提高蓄冷期制冷機的效率，是冰蓄冷系統能否實現節能的關鍵之一，也是目前冰蓄冷裝置改進、完善的主要方向。
3. 蓄放冷溫度低，冷機COP下降；但可以利用低溫製作大溫差系統
常規空調系統設計供水溫度為7℃，因此常規冷機的製冷劑蒸發溫度為5~6℃左右，兩器溫差為32℃。而對於冰蓄冷系統，常壓下水的相變溫度為0℃，蓄冰時隨著冰層加厚，載冷劑溫度必須降至更低才能增大傳熱溫差、蓄入冷量，所以冰蓄冷系統的蒸發溫度一般在-6~-10℃不等（和蓄冷體具體設計有關，常見為-8℃）。與常規系統相比，冰蓄冷的兩器溫差增大至40℃左右（考慮了夜間冷凝溫度下降），冷機COP只有常規冷機的75%。
但冰蓄冷的供水溫度低，內融冰蓄冷可以低至3~4℃，適合結合建築內低溫送風等系統；外融冰系統供水溫度低至1~2℃，適合結合大溫差輸配系統等。這需要設計時綜合考慮。
1.3.2 封裝冰蓄冷技術
封裝式蓄冷裝置是最早研究和使用的蓄冷設備，其原理為：將水（或其他相變材料）裝在一個密閉腔體內，通過外界載冷劑流動、與水進行換熱，使水發生凝固或熔解，實現冷量的蓄存和釋放。
圖 14 實際運行中的冰球冰蓄冷系統
最常見封裝冰蓄冷是冰球系統，其特點如下。
1. 蓄冷密度高於水蓄冷，低於內融冰盤管系統
2. 蓄放冷溫度低，冷機COP下降；但可以利用低溫製作大溫差系統
這兩點和盤管冰蓄冷系統相同，不再贅述。
3. 蓄融冰速率不穩定，融冰開始時放冷速率大，1~2小時後速率明顯降低
冰球的蓄冰過程與盤管冰蓄冷相似，但融冰過程略有不同。冰球在融冰時，球內最外層的水先融化，然後剩餘的冰從壁面脫落，只有頂部與外壁相切的地方能夠接觸到，其餘位置都會隔著一層水。隨著融冰過程繼續，水層會越來越厚，最後剩下的冰體積很小時，很難融盡。因此冰球系統在放冷最初階段供冷量非常大，後期則衰減嚴重，最後一點冷量很難完全釋放。
4. 乙二醇充灌量大
冰球需要浸泡在乙二醇溶液中，整個冰池都是乙二醇溶液，因而乙二醇的需求量遠大於盤管冰蓄冷系統。並且，在乙二醇溶液與空氣的直接接觸中，易被汙染、氧化，造成腐蝕，導致冰池滲漏、水泵和冷機損壞、閥門髒堵等，因此日常維護的補液量也很大、防腐工作很多，成本高。
1.3.3 水蓄冷技術
隨著水蓄冷技術的發展，人們逐漸發現其具有能效高、問題少等諸多優勢，是集中空調蓄冷系統下一個發展方向。目前限制水蓄冷空調發展的主要瓶頸是蓄冷密度低，但也可以通過合理方式解決，例如與消防水池結合，利用現有消防水池和冷源系統改造或與建築地基結合等等。
水蓄冷有以下幾個特點：
1. 蓄冷設備能效高
水蓄冷空調不需要低溫的雙工況冷機，採用常規冷機即可。由於蒸發溫度高，水蓄冷冷機額定COP約為冰蓄冷的1.5倍，製備同樣冷量可節能33%。
2. 蓄冷、放冷速率高
蓄冷期間，水蓄冷冷機製冷量一般能保持在滿負荷運行，而冰蓄冷冷機會隨著冰量增加，製冷量降低。主要原因是分層良好或形成活塞流的水池蓄冷速率明顯優於包裹了冰層的盤管或表面結冰的冰球。同樣，水蓄冷放冷時速率也比一般冰蓄冷高，和外融冰盤管系統持平。
3. 系統簡單，能量品位損失小
冰蓄冷在製冷時需要-7~-10℃的低蒸發溫度，但供冷溫度與常規系統幾乎相同（7℃），期間經過蓄冷時乙二醇與冷機換熱、乙二醇與冰池換熱，放冷時乙二醇與冰池換熱、與冷凍水換熱共4個步驟，溫差損失超過15℃。犧牲設備效率製取高品位低溫冷水，再高溫利用，浪費了冷機能耗。而水蓄冷的蓄冷溫度和供冷溫度非常接近，即使經過一層池水與冷凍水換熱，溫差也只損失1℃，總損失不超過5℃，能量品位損失很小。
4. 冬季可以蓄熱（利用消防水池時不允許兼做蓄熱）
這是水蓄冷和冰蓄冷相比，非常顯著的優勢。冬季水池可以兼具蓄熱功能，當配合熱泵、熱電冷聯供系統運行時，能夠發揮協調作用，儲存部分熱量，解耦熱能的使用和製備。冰蓄冷系統由於設備限制，無法實現。
做好水蓄冷系統，最重要的一點是做好溫度分層，控制斜溫層厚度。
在水蓄冷的蓄水池中，各處水溫並不相等，一般採用供水處溫度4℃，回水處11℃。若水池內不同溫度的水出現摻混，則會出現能量品位損失，使得放冷時供水溫度會持續上升、供冷能力下降，蓄冷時回水溫度降低、蓄冷速率下降。因此水蓄冷系統最重要的問題是做好溫度分層控制，讓不同溫度冷水儘量不要摻混。
溫度分層的效果可以用圖 15的形式表示。縱坐標為測點層數，橫坐標為水溫，每條線表示某個時刻的溫度分布情況。理想的蓄滿狀態用左邊藍色虛線表示，放空狀態是右邊紅色虛線，而理想的蓄放冷過程是在其間平行移動的溫度分布線。溫度發生突變的區域稱為「斜溫層「，當斜溫層到達供水口時，供水溫度會上升，水箱中剩餘冷量將無法使用。按照規定，水蓄冷的取冷效率應達到85%，即蓄入冷量至少能取出85%（在額定供水溫度的前提下）。
圖 15為南寧某水蓄冷項目的典型日實際測試結果，(a)蓄冷過程中左上角第一條線與藍色虛線之間的面積為未蓄滿的冷量，由於頂層水溫降低而提前結束了蓄冷；(b)放冷過程最下面一條線與紅色虛線之間的差為未放盡的冷量，由於供水溫度上升結束了放冷。該差距是由於存在摻混、水池死區等原因造成的，應儘量在設計和施工時避免。
實現溫度分層的方法很多，例如多個水槽並聯、依次使用，或增加水槽高度、自然形成溫度分層等。圖 16列舉了幾種常見的分層做法（引自2005年清華大學節能論壇，中原信生先生的報告）。