两种储冰优点之结合

摘要： 以节能的观点而言，储冰系统系一项值得采纳的系统；但是，其功能也绝非完全的可靠。因此，瑞士 DELROC AG 公司，目前发展出了一套混合式（hybrid）的储冰系统。这种机种系传统直接溶冰式与间接溶冰式系统的整合。此项设计将可弥补传统功能之不足。
    关键词： 储冰系统 直接 间接 溶冰式
    以节能的观点而言，储冰系统系一项值得采纳的系统；但是，其功能也绝非完全的可靠。因此，瑞士 DELROC AG 公司，目前发展出了一套混合式（hybrid）的储冰系统。这种机种系传统直接溶冰式与间接溶冰式系统的整合。此项设计将可弥补传统功能之不足。
    如今，许多产业制程皆需求恒温与高效能的冷却过程，譬如在：食品业、饮料业及制药业（pharmaceuticals）等环境。但是，这一类的制程作业通常系在每日的某个时段进行。因此，为减少在电力尖峰时段的制程成本，许多业者已改用储冰系统来储备冷冻能力。
    储冰系统的原理简单而言，即是藉相变潜能（phase-changeenthalpy）的释放原理，将储冰槽内的冰水转变为冰，然后在制程来临时，利用储冰槽内的储冰来吸收制程排出来的热，藉此达到制程冷却的目的。
    制冰/储冰作业一般系在电力负载的离峰时段（off-peak period）进行。目的在于利用离峰时段的经济电力，来储备尖峰时段（on-peakperiod）所需之冷冻能力。至于，设计尖峰时段所需之冷冻吨系一项专门的技术。
    效能 （Performance）
    每一种产业会根据其制程所需，选用某特定型态的储冰系统。在选择的依据中，储冰槽的出水温度的「恒温性」系一项非常重要的考虑因素。
    一般而言，「直接溶冰式」储冰系统（direct ice storage systems）的特点是，当回水（load water）进入储冰槽之后，其系以直接接触到储冰的方式与储冰作热交换。至于，「间接溶冰式」储冰系统（indirect systems），则是藉由安置于储冰槽内的热交换器盘管，来间接的与槽内的储冰作热交换。在间接溶冰式系统中，乙二醇（glycol）与水的混合液（俗称卤水）是热交换器所使用之冷媒。
    「直接溶冰式」储冰系统的运作系 根据「外部溶冰原理（external melting principle）」来进行。所谓外部即是，当回水流过储冰时，冰块系由其（外部）表面先开始溶化。此种系统的制冰与溶冰过程皆系靠各自的独立循环系统来执行。在这种设计中，制冰功能（charging）系藉管式或板式（tubular or flat）热交换器内的冷媒直膨蒸发作用（direct evaporation）来达到盘管外的结冰效果。至于热交换器的安置位置，则是被浸泡于储冰槽的槽水中。在制冰过程中，初形成之冰层会附着于热交换器的管壁上，然后冰层越积越厚；这种制冰方式的储冰系统被称之为an ice builder storage system.在溶冰时（discharging），带有制程热的回水会拂过冰块的表面，将热能传导给冰块，以达到排热的功能。这种排热方式有几项优点：（a）溶冰量大、（b）出水温度稳定、（c）运转费用低。
    危机 （Danger）
    但是，「直接溶冰式」储冰系统依然有其缺点，譬如：（a）必须由有经验者安装、（b）冷媒的泄漏机率大、（c）槽体容易生锈腐蚀。此外，由于溶冰量难以掌握，因此造成储冰量难以预估，也是一项缺失。
    通常，在白天起动冰水机来制冰是不经济的运作决策。但是，Silo 厂牌的储冰系统（又名ice harvester）系一款在白天使用的系统。此机种属于「直接溶冰式」系统，其运作方式是让预冷过的冰（pre-cooled water）循环至板状或圆筒状蒸发器（ flat orcylindrical evaporator）的表面上，此蒸发器的安置位置是在储冰槽的上端。当冰层在蒸发器表面上逐渐增大而形成冰块时，一种机械式的刮刀或一种热气装置，会使冰块脱离蒸发器表面而掉落至下方一个盛满冰水 （也即回水） 的储槽里，然后浸于冰水中的冰块会实时的冷却回水。另一种 Silo 的机种系采用「外部溶冰原理（external melting）」的设计，其系采用使用乙二醇（glycol）的热交换器来取代「直膨式蒸发器（direct evaporator）」。这种热交换器的材质为一则塑料或金属。在运作时，从制程端循环归来的回水，同样的也是藉开放式回路（an open circuit）进入储冰槽内，然后以直接接触储冰的方式与储冰作热交换。
    由于「直接溶冰式」储冰系统（directice storage systems）的溶冰量大，外加其回水温度的「恒温性」高；因此，采用「外部溶冰原理」的「直接溶冰式」储冰系统，系工业冷却制程时常采用的系统。这种系统也有逐渐被采用于区域性空调作业（district cooling）。
    「间接溶冰式」储冰系统的运作系根据「内部溶冰原理（internal melting principle）。所谓内部即是，因为储冰系附着于热交换器的盘管表面，当其吸收了盘管表面上的热之后，系从（内部）附着面开始溶化。这种系统具有一个「封闭式循环系统 （closed circuit）」，其执行「制冰（charging or ice formation）」与「溶冰 （discharging or ice melting）」两项功能。这种使用乙二醇（glycol）与水作为循环液的循环系统，会与另一个（或一组）从属循环系统（也即水循环系统， asecondary circuit）作热交换，以完成热交换的过程。此系统的储冰槽（the Fafcotype）系仰赖摄氏-5℃的卤水或brine，在塑料材质的热交换器内蒸发循环，以达成制冰的效果。在制冰时，热交换器系发挥'蒸发器'的功能。在溶冰时，已与附属循环系统行过热交换的暖卤水会循环回热交换器，藉由管壁将热能传递给储冰，以达成溶冰的效果。此时，接近热交换器盘管周围的冰层会先溶化。在溶冰时，热交换器则系发挥冷凝器的功能。
    「间接溶冰式」储冰系统的优点为：（1）储冰密度高、（2）再制冰过程简单、（3）冷媒需求量少、（4）系统可由水电工安装。其缺点包括：（a）溶冰量会持续渐减、（b） 当溶冰过程持续之，储冰槽出水温度会渐升。
    「间接溶冰式」储冰系统的另一个特点即是，当储冰系统在执行溶冰时，预冷过之空气会从储冰槽的底部被置入，然后藉空气来搅拌槽内的冰水，以提升冰水温度的「均衡性」。藉此，储冰槽的出水温度可始终保持在摄氏3℃左右。
    可靠性（Reliability）
    当「直接溶冰式」储冰系统与「间接溶冰式」储冰系统相互比较时，「间接式」系统在安全性与可靠性的考虑下，可能发生的系统问题会比较少。并且，当「间接式」系统系使用同一个热交换器来执行制冰与溶冰的作业，溶冰的功能应是无任何的顾虑。但是，此系统的溶冰量 （melting capacity）及储冰槽出水温度的2恒温性2 （constancy of the outlet temperature），将会依机种而异。一般「间接溶冰式」储冰系统非常适合于空调作业之用，但是不适用于那种（在瞬间）要求高效能与低温冷却（在摄氏0℃左右）的作业，譬如：区域性制程冷却（district cooling plants）及工程冷冻（process engineering）等。
    为了弥补传统储冰系统的这些缺点，瑞士 DELROC AG 公司发展出了一套混合式（hybrid）的储冰系统。这种系统的热交换器管排（heat exchanger mats）系以稳态聚丙烯（stabilized polypropy-lene）材料所制成，循环液依然是乙二醇。但是，此款机种的特性则为同步双回路循环，其目的系将「直接溶冰式」系统中的冷却水回路整合于间接溶冰法的作业中，藉此来弥补先前所提之内部溶冰原理的缺失。当传统「间接溶冰式」系统在执行溶冰时，储冰（ice bank）与热交换器管壁之间会逐渐形成宽大的间距，因此冰块与热交换器之间的热传能力会减低。但是在引进了「直接溶冰式」系统中的冷却水回路之后，冷却水可将热交换器无法完全吸收之热再作二次吸收（详附图），以提高排热效率。除此之外，经过预冷的空气会由储冰槽的底部被置入槽水中，藉以搅拌提升槽水温度的「均衡度」。
    此款设计的优点不但能提升整体溶冰的效率，在不影响到正常制冰程序下，也提供了储冰系统「全量（full load）」与「分量（part load）」制冰的选择。另外一个特点即是，混合式 DELROC系统的冷却水回路系一个封闭式的循环回路（closed circuit）；因此，在制冰过程中产生之冰块的质量，也比传统开放式（open circuit）循环回路产生之冰块的质量要大。此特质也使得 DELROC 储冰槽所需求之实际体积比传统系统的体积要小。
    DELROC 储冰系统也可以产生超低温（大约 0℃左右）的冷却水，这种冷却水的制造过程是经过两阶的冷却过程（two- step cooling）。第一阶冷却过程系藉卤水热交换器，先对冷却水作初步热交换。第二阶冷却过程系将第一阶冷却过之冷却水导入储冰槽内，以直接接触储冰的方式再作二次热交换。

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    在安装方面，大型 DELROC 系统通常是安装在顾客预备的钢筋水泥槽中，或安置于旧储装槽中。当热交换器的管排（exchanger mats）配置具弹性，储冰槽体积将可依据需求作改变。当安置空间受到限制时，DELROC 储冰槽的高度可缩短至4.2cm，相当于每平方公尺高度的冰块面积代表 300kW/h 的冷冻储存量。
    保证（Guarantee）
    当与传统的直膨蒸发制冰系统（direct evaporating ice builder systems）相比较，DELROC 系统的冷却水回路中会被参入些许的卤水（brine）或乙二醇与水的混合物（glycol/water mixture），以避免冷在摄氏0℃下作循环时的结冰现象。
    在作区域性制程冷却的储冰时，两台DELROC系统可以串联相连的方式来从事制冰/储冰的作业，以减缓卤水主机的冷冻负荷 （冷冻需求温度可被提升1至4℃）。藉此组合方式，区域性制程冷却的效能可提升 30% 以上。