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文檔簡介

過冷法制取流態化冰漿及其創新應用中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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EnergyConversion,

CAS儲能技術研究室

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Energy

StorageTechnology可再生能源地熱能生物質能太陽能海洋能新能源

天然氣水合物氫能儲

能能源材料節能環保節能集成能源環保

清潔轉化集成戰略未來能源

能源系統咨詢規劃●

內新

源和

可再

源領域科技創新上具有

顯著優

勢2中國科學院廣州能源研究所----研究布局●

經過

多年來

的持

續創新研

,部分領域進入

際領先行列●首席科學家:

馮自平博士,

中科院“百人計劃”海外人才(2002年)。●研究室創建于2003年,

研究隊伍保持在20余名,

現有正高2名、副高6名,

形成了一支年齡結構合理、專業互補的人才梯隊。研究方向涵蓋大規模儲

能(儲冷儲熱、儲電、儲氫及分布式應用)

、節能環保應用、及碳交易等,

圍繞關鍵科學問題和核心技術開展多學科交叉研究。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS儲能技術研究室儲能技術研究室

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StorageTechnology3●

開展大規模儲冷、儲電的技術交流與合作@2015年●

落實人員交流、項目合作等平臺運行機制中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS國際合作:儲能技術國際聯合研發中心儲能技術研究室

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StorageTechnology4目錄/outlines開發新能源

勇攀新高峰一、冰漿(Ice

Slurry)

技術二、冰漿制備關鍵技術環節三、創新應用場景分享冰:就在我們身邊③↑

ice

ball←

ice-on-coil↓

ice

slurry①cubeice②tube

ice

③flake

ice④crushed/mashed

ice⑤brickiceGuangzhou

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CAS中國科學院廣州能源研究所儲能技術研究室

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StorageTechnology④②①流態化高效、便利6常見的三種類型冰漿二元冰漿(-50~0℃)>

Ethanol>

Salts>

Sugar中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS500

μm

A型

B型自來水冰漿

(0℃)□

Noadditives□

Nosolutions儲能技術研究室

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StorageTechnology包絡化合物漿(~10℃)7Slurry傳熱傳質的優勢將靜態相變轉變為動態過程,有利于傳熱傳質過程的強化:

k·A·ΔT●

把固液相變界面的導熱,轉化為流動狀態下的自然對流和強制對流●

把固液相變由間壁式換熱的“Surface”

,轉化為分散到整個體積內部的“Bulk”●

把固液相變材料的相變潛熱,轉化為Slurry流體的等效比熱●

把靜態下的大過冷(晶核、表面改性等)

,轉化為流動狀態下的小過冷良好的流動性,有利于冷量的存儲、輸送及終端利用:●

固液比例SPF可大范圍靈活調節,

為儲冷密度、載冷密度的靈活調控創造了條件

(二元冰漿在SPF≤30wt%為牛頓流體,SPF≈60wt%為冪律流體,仍具有流動性)●

作為載冷劑可成倍提高載冷密度,相應地降低冷量輸送的初始投資及運行能耗(水在5℃溫差時的載冷密度21kJ/kg,

10wt%冰漿的載冷密度可達84kJ/kg)中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology8目錄/outlines開發新能源

勇攀新高峰一、冰漿(Ice

Slurry)

技術二、冰漿制備關鍵技術環節三、創新應用場景分享2.1-過冷法冰漿制取技術的基本流程充分利用水的過冷特性,在時間和空間上將換熱和相變解耦,“換熱時不相變,相變時不換熱”

由此大幅提高系統效率!本環節只換熱不相變。采用高效板式換熱器,大幅提高制冷系統的換熱效率,提升系統運行的穩定性。0℃水換熱中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS本環節只相變不換熱。

在絕熱容器內,采用超

聲波器誘導促晶,徹底

解決相變過程對換熱過

程的負面影響。儲能技術研究室

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StorageTechnology相變

分離-2℃

過冷水0℃冰漿10水的過冷特性水的冰點在標準大氣壓下為0℃,但溫度降到0℃時并不立即結冰,

而是低于0℃以下的某個溫度點才開始結冰,低于0℃的差

值就是過冷度。過冷度的大小決定于水的初始條件和外界環境。溫度0℃安全

時間中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CASTs冷度過普通自來水:Ts

≈3.8℃

Tm

5.8℃儲能技術研究室

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StorageTechnology最低

過冷

度Tm11防傳播過冷水冰漿制備的關鍵技術【核心技術】●過冷換熱的穩定性●過冷度與系統能效的關系●智能控制

…過

θ冰水分離過冷換熱今θ=

T0

-Tt含冰率Ice

Paking

FractionIPF

=

θ=

1.25θ%時間t一次循環

周期性循環……中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology促晶12冰漿制備技術展示中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology13性能提升策略:直接蒸發制冰技術【能效提升思路】新型直接蒸發制冰技術:

制冰系統與制冷系統集成,

進一步簡化系統,

實現電-冷轉換(制冰)裝備的

高度集成化和模塊化,

提升蓄冷系統性能,

增強場景適應性。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology14以DISU-600機型為例若取消乙二醇載冷劑循環,系統COP可提升28%。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS單位參數額定制冰能力kW1580配套制冷主機COP/4.5配套制冷主機電功率kW351乙二醇泵電功率kW75冷卻泵電功率kW45冷卻塔電功率kW18.5電功率小計490制冰工況系統COP3.2單位參數額定制冰能力kW1580配套制冷主機COP/4.9配套制冷主機電功率kW322乙二醇泵電功率kW/冷卻泵電功率kW45冷卻塔電功率kW18.5電功率小計386制冰工況系統COP4.1儲能技術研究室

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StorageTechnology151200×3000

×35005000×24

00×300010000×30

00×35006500×30

00×35007500×3000

×35005000×30

00×3500產品化開發序列一體化集裝箱式/撬塊化單機組型系列中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology撬塊化單機組型16兩種冰漿制備技術的對比間接蒸發式機組直接蒸發式機組中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CASR717(氨)

制冷劑機組:最大單機制冷量(24h產冰量):

900kW(180t)系統最大運行COP:4.5(配蒸發式冷卻塔)R22和R507a制冷劑機組:最大單機制冷量(24h產冰量):

700kW(144t)系統運行COP:

≥4.0(配蒸發式冷卻塔)系統運行COP:

≥3.6(配普通水冷卻塔)性能由第三方制冷主機廠

家決定:雙工況螺桿機:選型容易、新建/改造都可系統設計COP:空調工況×(70%~75%)雙工況離心機:單機容量大,可規避喘振區可以一拖多運行,

COP:空調工況×(70%~75%)儲能技術研究室

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StorageTechnology17目錄/outlines開發新能源

勇攀新高峰一、冰漿(Ice

Slurry)

技術二、冰漿制備關鍵技術環節三、創新應用場景分享中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS技術優勢-制冰能效高、設備緊湊●

電力驅動的蒸汽壓縮循環,

提高蒸發溫度有利于提升制冷機組性能。冰漿比冰球和冰盤管的能耗降低20%以上。盤管/冰球冷凝溫度-5℃-6~-12℃蒸發溫度19

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StorageTechnology冰漿中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS技術優勢-放冷速度快、負荷響應好●冰漿的比表面積是冰球和盤管的100倍以上!

融冰速度快、負荷響應靈敏,

可滿足任何建筑的負荷變動需求。●動態響應特性好,

可實現電力調峰的快速響應。放冷速率

RT)冰漿蓄冷解耦!冰球/盤管時間20

儲能技術研究

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StorageTechnology放冷能力≥蓄

冷能力×4倍中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS技術優勢-可流動性好、易維護●

蓄冰槽中無冰球和盤管,

空間利用率高。●

冰漿具有流動性,

對蓄冰槽形狀無特殊要求,

可以利用現

有的各種地下室、停車場、現有水槽等。占地面積減小20-30%蓄冷槽異形槽冰球/盤管

流態化冰漿空間利用率<50%

空間利用率≈70%施工及維護更加便捷!21

儲能技術研究室LabofAdvanced

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StorageTechnology球體/盤管

占用空間冰漿的廣泛應用領域Food&ColdChainHVAC

&

Others●

Aquatic

product

processing

(水產加工)●Meat

processing

(肉類加工)●

Supermarketfresh

(超市保鮮)●Marinefishery

(海洋漁業)●Preservation

of

fruits

and

vegetables

(果

蔬保鮮)●Liquor

making

industry

(釀酒工業)●Breadand

biscuit

processing(面食加工)●Milk

production

(乳制品生產)

●Poultry

processing

(禽類加工)●●●●●Latent

heattransferfor

districtcooling(區域供冷潛熱輸送)Mineair-conditioning

(礦井空調)Biopharmaceuticaland

laboratory

refrigeration(生物制藥與實驗室制冷)Concrete

mixing

engineering(混凝土攪

拌工程)Chemical

and

dyestuff

industries(化工

和染料行業)中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS●

Cold

storageairconditioner

(空調蓄冷)儲能技術研究室

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StorageTechnology22應用場景1—暖通空調+蓄冷中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology23蓄冷空調的基本原理◆

充分利用峰谷電價,

夜間制冰蓄冷、白天融冰放冷,

為各種中央空調和產業制冷系統提供冷量。◆

為用戶節約運行費用的同時,

實現電力負荷移峰填谷。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology24配電設備+有效減小制冷主機的初裝機容量由于夜間蓄冷承擔了白天的部分負荷,

制冷主機的初裝

機容量可減小到原來的1/2,

大幅度減小了制冷主機的初裝

機容量和初投資,有效降低了配電系統的容量和初投資。配電容量減小50%主機容量減小50%常規系統蓄冷系統中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology4000RTH蓄冷槽1000RT制冷機500RT配電

設備25蓄冷在用戶側儲能調峰的突出優勢【成本低、效率高】大規模蓄冷技術以水為介質,成本低廉;

靠近負荷中心,儲能效率高,移

峰1kW的電力負荷成本僅是電池技術的20%~30%!【功率和能量調節范圍很寬、適應性好】蓄冷系統的功率變換裝置為制冷主機和換熱器,

調節范圍從MW~GW,儲

能裝置為保溫水槽,

根據需要可滿足中長時間尺度、甚至跨季節調節需求。【應用領域廣泛】包括各種中央空調系統、大型區域供冷、各種產業制冷系統等。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology26冰漿蓄冷是用戶側儲能的重要技術●

在用戶現有中央空調系統基礎上,

增加一套冰漿機組和相應的蓄冷/放冷設備。類比電化學儲能系統,

蓄冷儲能系統可實現功率與容量、制冷功率與放冷功率的雙解耦,

可滿足用戶不同時段的用冷需求。用戶已有機組新增加的蓄冰系統冰漿是最佳的儲冷介質中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology27中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS全系統運行模式五種運行模式可靈活切換!28儲能技術研究室

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StorageTechnology康美制藥:廣東普寧

富士康科技集:龍華

福州寶龍萬象廣場:福州

湖南加加食品工業園:長

海南羅牛山產業園:海口部分典型工程案例(2011-2019)已建成了22個大型建筑+15個工藝用冷工程,

年移峰量超過30GWh。深圳財富港大廈:寶安

商業+綜合辦公樓

6256RTh深圳國際能源大廈:深圳

甲級寫字樓

6000RTh深圳藝茂商業中心:羅湖

商業+綜合辦公樓

6000RTh深圳三諾大廈:深圳綜合辦公樓

6000RTh深圳聯合廣場:深圳綜合辦公樓

6000RTh2019年被中國制冷學會評為“新中國成立70周年暖通空調與制冷行業70項創新成果”廠房空調

13680RTh寧德新能源科技:寧德

廠房空調

18500RTh辦公樓廠房

3600RTh南寧東站:南寧公共建筑

9250RTh綜合體

10000RTh西安宜家家居:西安

大型商場

3300RTh沙辦公及冷庫

10800RTh深圳奧特迅電力大廈中央空調

3500RTh廠房空調

4300RTh晶苑針織:東莞常平生產車間

14400RTh中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology29

~20℃

土壤或地下水,

為熱泵提供熱源【克服取熱溫度的限制,

實現系統增容】相同取水量,

可以最大化提取水中蘊藏的顯熱,

熱源能力增加30%!【克服取水量的制約,

實現最大化節水】相同供熱量,

完全提取水的相變

潛熱80kCal/kg,

取水量僅相當于5K溫差的1/16!不受環境溫度變化,越冷越節能!

~5℃

常規熱泵提取熱量的極限

≥0℃

顯熱提取的極限

0℃不結冰,

可控相變提取顯熱

-2℃

過冷態水或連續相變

0℃以下高效結冰,提取潛熱中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS創新應用1-基于可控相變技術的新型熱泵儲能技術研究室

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StorageTechnology冰源熱泵!30~冰源熱泵技術的對外交流與合作與丹麥同行技術交流(中國駐丹麥大使館科技參贊彭斯震、ASHAREBjarneW.Olesen教授)@2018.12中英儲能技術交流會特邀報告@2020.2on-line參與英國諾丁漢大學Prof.SeamusGarvey主持的中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology冰源熱泵清潔供暖EPSRC項目@2021.231冰源熱泵清潔供暖設計案例●

以華北某地冬季供暖為例:

熱負荷25W/m2,

供暖季4個月,

總熱量約為200MJ/m2;

以冰源熱泵技術進行清潔供

暖,

只需要0.5噸水(由15℃降為0℃的冰),所需存儲容積約為1m3;●

按分布式供暖面積10萬m2計算,

需要匹

配10萬m3的蓄冰池;●

在滿足供暖需求的同時,

跨季節收集冷量

140萬RTh,約折合1.40GWh的電能。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS儲能技術研究

2

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StorageTechnology32創新應用2:冰漿跨季節蓄冷儲能●

城鎮化進程不斷推進,城市采取區域集中供冷系統,會充分激發能源效率和可再生能源潛力,跨季節大規模蓄冷儲能技術可發揮重要作用。●

結合冬季氣候特點和電力供應特點高效制冰,將冷量儲存起來用于夏季及過渡季節的集中供冷,從而實現空調制冷系統的GWh級儲能。●

由于淺層土壤溫度與儲冷介質的溫差較小(最低0℃),所以跨季節蓄冷的熱效率要

高于跨季節蓄熱(熱水溫度80-90℃),且工程難度更低。丹麥已建成多個跨季節蓄熱系統,季節熱效率60%,

單體坑式蓄熱容積可達50萬m3。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS基于流態化冰漿技術的大規模跨季節蓄冷系統示意圖儲能技術研究室

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StorageTechnology33●

設施水產養殖是水產養殖的重要發展方向,通過調控水溫等參數可改善其生長環境,減少病害,避免夏眠和冬眠,縮短生產周期,使產量和效益得以提升。刺參是我國海參的主要經濟品種,

多產于黃渤海區。為保證刺參全年快速生長,該海區每年有8~9個月需要對養殖水體調溫。刺參適宜生長的水溫區間約為13

~19℃●

選取大連小長山島地區某養殖水體為

2000m的刺參養殖場為研究對象。根據養殖要求,每天換水量為養殖水體的1/3,每4天完全換水1次清洗池底。供熱期引入養殖場的海水溫度最低為

03℃,供冷期引入養殖場的海水溫度最高為29.0℃。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS跨季節蓄冷技術應用1—設施水產養殖儲能技術研究室

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StorageTechnology34跨季節蓄冷技術應用2—設施農業●

選取濟南地區某日光溫室群(共500座)

為研究對象,總占地面積為30萬

m2。溫

室主要用于種植觀賞性花卉,根據相關規范將室溫設定為18.0~28.0

°C。●

基于當地典型氣象參數,對溫室的全年逐時室溫及逐時負荷進行模擬。溫室內最高溫度為54.4°C,最低溫度為?4.9

°C,全年僅有2000

h在設定的室溫范圍內。

最大熱負荷為140.4W/m2

,最大冷負荷為187.1W/m2。全年累計熱負荷為52.51GW,累計冷負荷為45.85GW。跨季節蓄冷體的全年冷量損失在5%以內,系統的供冷一次能源利用率為6.27,全年一次能源利用率為1.71,動態投資回收

期為39-6

9年.

.

。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology35跨季節蓄冷技術應用3—園區辦公大樓●

分別以沈陽、北京的氣象參數,對商業辦公建筑的集中供冷/供熱進行分析。●

相比于冷水機組+集中供暖的方案,

以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術,其全年累計一次能源消耗減少了一半左右,污染物排放減少了一半左右。●

跨季節蓄冷技術與夜間蓄冷技術相結合,

可以大幅降低運行成本,減小投資回收期,具備很好的經濟效益。北京地區投資回收期約在6年左右。夏季供冷時,蓄水槽內水溫和含冰率IPF隨著時間的變化

冬季采暖時,蓄水槽內水溫和含冰率IPF隨著時間的變化中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology36跨季節蓄冷技術應用4—恒溫恒濕空調●

傳統恒溫恒濕空調系統,采用電加熱(方案1);

(對比方案2)回收熱泵冷凝熱用于加熱空氣;

(對比方案3)采用跨季節蓄冷,用熱高峰季將冷量回收,其他季節釋冷

,節省能耗;利用日夜間峰谷電價蓄冷,提高經濟效益。●

跨季節蓄冷技術可以有效減小恒溫恒濕空調系統的能耗,提高其經濟效益。方案3的運行電費最低,約為方案2的50%。在南方地區(上海、長沙、廣州),

除濕

負荷越大,方案3越節能;

以上海為例,相對方案1、2的投資回收期在1年左右。中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology方案3相對方案2的投資回收期方案3相對方案1的投資回收期37●

新業態催生了眾多小型精裝辦公空間,

空調系統的特點是無主機房、逐時負荷波動大、缺少專業人員運維等●

傳統的分體機方案成本高、能效低;

VRV多聯機方案工期長、部分負荷性能低等>靈活的設備安裝占地設備高度集成,地下、地面、天臺、露臺等均可安裝

放置,無需專用機房,特別適合中小型規模建筑>簡單的多聯機組合多個標準化型號機組的任意互聯組合,靈活擴容;末

端采用常規水循環系統,風機盤管、組合風柜、新風

機組控制簡單維保成本低>優異的系統能效比≥

4.0(配蒸發式冷凝器)、≥

3.6(配常規水冷卻塔)

(35/27℃環境,包含泵/塔等耗電)結合峰谷電價夜間谷電蓄冷,可進一步顯著降低空調運行電費>部分負荷的最佳解決方案、永遠運行在高效工況點自帶蓄冰槽,或者處于滿負荷高效工況點運行,或者停機,

無部分

負荷工況,大幅提升綜合運行效率中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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CAS創新應用3—模塊化替代風冷多聯機儲能技術研究室

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StorageTechnology38應用場景2—工藝冷卻+蓄冷中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology39核心應用--乳品工藝冷卻冰漿技術——巴氏鮮奶生產工藝的最佳0℃冷源解決方案!中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology40乳品生產傳統冷源乳品生產0℃冰漿冷源解決方案解決方案◆

水箱蓄冷密度低,恒溫供水能力弱◆

如采用普通水做介質,

最低只能到2℃,與標的溫度4℃之間的溫差余量太小◆

如采用丙三醇或乙二醇溶液,

則增加相關設備成本和對產品和環境的不友好性◆

主機對冷凍水溫度的調節能力弱(精度差、惰性大)

直供模式下無法提供高品位冷源●冰漿蓄冷密度提高10倍以上,

冷量緩存能力大幅提高,

輕松應對產品大范圍波動●冰晶顆粒細小,

融冰速率快,

供水溫度輕易恒定

在0~1℃,

徹底解決恒溫高品位冷源問題●徹底消除主機的低負荷率(低效率)

運行工況,提高制冷系統能效比●兼具蓄冷儲能功能,利用峰谷電價節省運行費用中國科學院廣州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology41乳品工藝冷卻案例的溫控效果●生產過程經常會出現工藝切換或產量波動導致的末端回水溫度的大

范圍波動,

對品控和生產成本帶來挑戰。●

實測數據表明:●

冰漿冷源方案的

供水溫度始終穩

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