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李先庭李先庭

蓄能系统蓄能系统————设计、控制与应用设计、控制与应用

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目录1. 背景2. 蓄能系统的分类3. 典型的蓄能厂家与产品4. 蓄能系统的设计计算5. 蓄能系统的运行控制6. 蓄能系统与常规系统的比较7. 蓄能系统的应用场合8. 我公司在蓄能方面特点

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1. 背景 我国电力状况

装机容量世界第二位；人均用电量较少 电网峰谷差很大

空调耗能情况 基本在用电高峰 每年以15％速度增长

国家提倡采用蓄能技术转移空调的高峰用电

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蓄能技术原理 所谓蓄能，就是在电力需求低谷时启动

制冷、制热设备，将产生的冷或热储存在某种媒介中；在电力需求高峰时，将储存的冷或热释放出来使用，从而减少高峰用电量。因此，蓄能技术又称为“移峰填谷”。采用此技术，就可以减少电网的峰谷差，提高电网的运行效率，少建或缓建电站。

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鼓励蓄能的政策措施 为调动广大末端用户转移高峰用电的积

极性，各地政府出台了分时电价政策（我国通常分为高峰、平峰和低谷电价），有的还采用减免电力增容费等政策优惠。

以北京商业用电为例，分时电价政策为： 高峰 0.983 元， 8:00—11:00,18:00—23:00 平峰 0.623 元， 11:00—18:00,7:00– 8:00 低谷 0.285 元， 23:00—7:00

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蓄能系统的额外好处 采用蓄能系统除可以降低运行费用、减

少电容量外，还可提高空调可靠性 采用蓄能系统后，当整栋大楼停电时，

可依靠备用发电机，使水泵和风机运转起来，即可实现大楼的空调，提高空调系统的可靠性

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2. 蓄能系统的分类 按蓄存能量温度高低分为

蓄热、蓄冷 按蓄能介质分为

水蓄热 / 冷、冰蓄冷、相变材料蓄能 按系统连接关系又分为

串联系统、并联系统

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不同蓄能介质的差异 水蓄冷 / 热主要是利用水的显热，蓄存

一定冷 / 热量时，通常需要较大的体积；但与制冷 / 热设备的介质一样，因此系统较简单。

冰蓄冷利用冰的溶解热，蓄存一定冷量时，需要的体积较小，通常是水蓄冷的 1/7 ；但需要采用防冰液，如盐水溶液、乙二醇溶液等，且系统较复杂。

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2.1 水蓄冷的系统形式 水蓄冷直接将冷机产生的冷水储存在蓄

水罐或蓄水池中，用冷时再从水罐或水池中将冷水取走。

水蓄冷系统通常为开式系统，当水罐或水池位于最高位置时，系统才类似闭式系统；因此水蓄冷系统应注意倒空，泵的选型也需正确。

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严书 P26图3-2

水蓄冷系统 1 原理图及特点

开式系统 直连 水池和冷机可分别或同时供冷

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严书 P27图 3-3

水蓄冷系统 2 原理图及特点

水池侧开式系统，负荷侧闭式系统

水池和冷机可分别或同时供冷

间连，负荷侧水温稍高

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水蓄冷系统 3 原理图及特点

冷机和负荷侧闭式系统 水池和冷机串联供冷 蓄冷和取冷均通过换热器，温差损失稍大

水蓄热与水蓄冷系统基本一致

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温度分层蓄水罐 彦书 P6图 2-2, 2-3,

2-4 特灵教程 :第二部

分图 11

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温度分层蓄水罐多罐串联

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迷宫式蓄水槽

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隔膜式蓄水罐

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特灵串联和并联蓄水罐

特灵教程 :第二部分图 9 和图 10

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2.2 冰蓄冷的系统形式 少量采用直接蒸发制冰，有的小系统也

直接将乙二醇送到 AHU 或 FCU 中，通常采用乙二醇溶液制冰，采用乙二醇溶液或水取冷。

常见的冰蓄冷系统分为两类 用乙二醇溶液蓄冷和取冷，用板换产生冷冻

水，包括冰球 /板式、内融式冰盘管等 用乙二醇溶液蓄冷，直接用冷冻水取冷，如

外融式冰盘管

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2.2.1 乙二醇溶液蓄冷和取冷的系统

并联系统：冷机和冰槽并联，可独自供冷，也可联合供冷，小温差供冷 单板换系统、双板换系统

串联系统：冷机和冰槽串联，可实现大温差供冷 单泵、双泵、三泵系统 冷机上游、冰槽上游

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并联双板换蓄冰系统 冷机和冰槽的供回水温差基本一致，通常为 5℃ 两组板换 3个电动阀 2个电动调节阀

两组乙二醇泵

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并联单板换蓄冰系统 冷机和冰槽的供回水温差基本一致，通常为 5℃ 一组板换 1个电动阀 2个电动调节阀 两组乙二醇泵

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串联单泵蓄冰系统 冷机和冰槽的供回水温差不一致，串联后温差可大于 5℃ 一组板换 2个电动阀 2个电动调节阀 一组乙二醇泵

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特灵串联单泵系统 特灵教程 :第三部

分图 4, 图 29

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串联双泵蓄冰系统 冷机和冰槽的供回水温差不一致，串联后温差可大于 5℃ 一组板换 2个电动阀 2个电动调节阀 两组乙二醇泵

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串联三泵蓄冰系统 冷机和冰槽的供回水温差不一致，串联后温差可大于 5℃，适合于大系统 一组板换 三组乙二醇泵：至少 P2 和 P3变频泵

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特灵串联三泵系统

特灵教程 :第三部分图 30

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关于冰槽放在冷机的上游或下游

特灵教程 :第三部分图 33,图 34和图 35

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上游 OR 下游？

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2.2.1 乙二醇溶液蓄冷、水取冷的系统——外融冰盘管系统

开式水箱

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间连式外融冰系统

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闭式外融冰系统

图 4

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2.3 其他形式蓄冷系统 特灵教程 :第二部分图 25

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冰晶式蓄冰系统

严书 P94图 4-41(a)(b)

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3. 典型的蓄能厂家与产品

目前蓄能水池的设计还未标准化，蓄热对热源无特殊要求，蓄热水泵有高温要求，蓄冰泵能用乙二醇溶液

蓄能系统涉及的特殊产品 双工况冷机 (蓄冰和普通制冷 ) 蓄冰装置 板式换热器

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3.1 蓄冰双工况主机 常见蓄冰系统多采用螺杆式冷水机组，

典型厂家包括 顿汉布什、 YORK 、开利、特灵、麦克威尔

大型系统可采用特灵的三级离心冷机，小系统可采用活塞式冷机

一些普通冷机可现场改造成双工况冷机

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3.2 蓄冰装置 静态制冰分冰盘管和封装式

冰盘管式： BAC 和清华同方金属盘管（外融冰和内融冰）、 CALMAC 和 FAFCO塑料盘管

封装式：冰球、冰板、蕊芯冰球 动态制冰分冰片滑落式和冰晶式

冰片滑落、冰晶

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BAC金属蛇形盘管

彦书 P7图 2-6

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BAC盘管组及冰槽 彦书 P8图 2-7

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CALMAC塑料圆形盘管

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FAFCO塑料 U形盘管 严书 P63图 4-4

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FAFCO盘管组及冰槽 严书 P64图 4-5, 图 4-7

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法国 CIAT 冰球和卧式冰球罐 严德隆 P72图 4-15,

P76图 4-18 和 4-19

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法国 CIAT立式冰球罐

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CARRIER 的贮冰槽

严书 P77图 4-20

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美国 REACTION 和开利公司的冰板

彦书 P11图 2-12 严书 P73图 4-16

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杭州华源公司的蕊芯冰球

严书 P74图 4-17,P79图 4-22

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EVAPCO 外融冰盘管 严书 P87图 4-30

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3.3 板式换热器 ALFA LAFA 舒瑞普 京海

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4. 蓄能系统的设计计算 以冰蓄冷系统为例说明计算过程 , 水蓄冷和蓄

热可参考之 计算建筑设计日逐时负荷 根据逐时负荷特点，确定是否设置基载主机，并确

定基载主机容量，得到除去基载负荷后的逐时负荷 按冷机容量最小原则确定冷机容量 按冷机在低谷时段可蓄存的总冷量确定冰槽容量 校核白天逐时取冷量能否满足负荷要求

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基载冷机示意图

彦书 P26图 3-6

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4.1 冷机和冰槽容量的计算公式

qC ：冷机在标准空调工况时的容量Qtank ：冰槽的容量Q ：设计日逐时负荷（除去基载负荷）之和n1 ：白天制冷主机空调工况运行小数时（由于冷机

不满载，通常取系数 0.9 ）Cf ：冷机制冰工况相对空调工况的性能系数n2 ：夜间蓄冰工况冷机工作小数时

21 nCn

Qq

fC

Cfk qCnQ 2tan

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逐时负荷校核

彦书 P38表 4-3

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4.2 不同类型系统中泵的流量与扬程

详细内容参阅：李先庭，张茂勇，赵庆珠。冰蓄冷系统中卤水泵的合理配置和选型。暖通空调， 2002 ，（ 3 ）： 70－ 74

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管道阻力计算 乙二醇物性参见彦书 P40-41 的表 4-4 、

4-5 、 4-6 和 4-7 。 蓄冰系统通常采用质量浓度为 25%的乙

二醇溶液，凝固点为 -10.7℃(参见彦书表 4-8)

乙二醇管路的阻力 :计算出水阻力后按彦书 P42图 4-3 中的曲线修正

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管道阻力修正修正曲线

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并联双板换蓄冰系统 P1 ：冷机额定流量，扬程为空调工况和蓄冰工况阻力大者

P2 ：冰槽承担的最大负荷与设计温差确定

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并联单板换蓄冰系统 P1 ：冷机额定流量，蓄冷工况阻力

P2 ：最大负荷与设计温差确定；扬程为冰槽、板换回路阻力

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串联单泵蓄冰系统 P1 ：冷机额定流量，冷机、冰槽、板换回路的阻力

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串联双泵蓄冰系统 P1 ：冷机额定流量，冷机、冰槽回路阻力；

P2 ：等于 P1流量，扬程为板换支路的阻力

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串联三泵蓄冰系统 P1 ：冷机额定阻力，冷机部分阻力

P2 ：流量一样，板换部分阻力

P3 ：冰槽冰分的阻力

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4.3 板式换热器和膨胀水箱 板式换热器：按所承担的容量和设计温

度选型，并联系统温差较小，通常为 5℃，而串联系统则可以达到 8-10 ℃

膨胀水箱按最高温度和最低温度时密度差进行计算

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膨胀水箱的计算公式

Vs:蓄冰最低温度时，系统中载冷剂的体积 1 2: 载冷剂最低温和最高温的密度 a1:低液位时 ,膨胀水箱中的剩余体积 , 可

取 10% a2:高液位时 ,膨胀水箱中的剩余体积 , 可

取 20%

)(1

)1/(

21

21

aa

VV SE

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5. 蓄能系统的运行控制 以蓄冰系统为例说明 , 水蓄冷和蓄热可参考之 . 以下为运行控制基本原则 : 实现不同运行模式的切换 在满足热舒适的前提下 ,尽量将冰用在电力

高峰 , 以节省运行费用 每天蓄存的冰量应基本用完

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冰蓄冷系统的几种运行模式 冷机蓄冰 冷机供冷 冰槽供冷 冷机与冰槽联合供冷 蓄冰并供冷 停机

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冰蓄冷系统控制的几种策略 冷机优先 :冷机先用 , 不够时再用冰槽 冰槽优先 :冰槽先用 , 不够时再启用冷机 比例控制 :冷机和冰槽按一定比例同时供

冷 优化控制 : 根据负荷需求和电价政策 , 最

合理地分配冷机和冰槽的负荷 , 最大限度地为用户节省运行费用

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冷机优先的控制策略 非常容易实现，且很可靠。但不能最大限度地发挥冰槽的作用，不能很好地转移高峰用电，运行费用节省不显著

早期的冰蓄冷工程采用

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冰槽优先的控制策略 可最大限度地发挥冰槽的作用，但容易

出现下列情况： 冰槽中的大部分很可能不是在电力高峰中利

用的 负荷高峰时，冰槽中没有冰了，从而仅靠冷

机不能满足房间温度要求

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比例控制的运行策略 通过合理调节负荷在冷机和冰槽间的分配比例，可实现较充分利用冰槽；但分配比例并不是一成不变的，分配比例的确定很困难，需要大量的经验

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优化控制策略 通过对第二天逐时负荷的预测，合理分配冷机和冰槽间的负荷，最大限度的节省运行费用，并保证高峰负荷时的热舒适。

需要一套优化控制程序 运行费用至少比冷机优先省 25%

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某蓄冰工程自动控制示例

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蓄冰控制系统实现的功能自动检测冷冻水供、回水温度、压力和供水流量自动检测冷却水供、回水温度及板换的供、回水温度自动检测蓄冰槽进、出口温度自动检测各水流开关状态自动控制冷冻、冷却水泵、冷冻机、冷却塔的顺序启停及相关阀门

的顺序调节，并检测其运行状态及过载报警根据测量值计算系统冷负荷，以实现蓄冰槽出口温度及冷冻机运行

台数的最优控制根据供、回水压力自动调节旁通阀的开度，以保证管网压力和流量稳定

专家系统诊断及故障报警可通过中央管理工作站对其进行远动控制

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故障诊断示例

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6. 蓄能系统与常规系统的比较 蓄能系统能否实施，关键是看其经济性。

通常需要将蓄能系统与普通的系统进行经济比较 对同样的建筑设计蓄能系统和普通系统 计算二者的初投资（含各种增容费） 计算二者的运行费用，得到蓄能系统相对普

通系统的投资回收期

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初投资的估算 主设备的报价 自控部分报价 施工费用 增容费用 其他费用

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运行费用计算 每月选取一代表日逐时负荷，按控制策略分配冷机与冰槽的负荷，计算所有设备的功耗，按电价得到代表日运行费用，汇总得到总的运行费用

用同样方法得到普通系统的代表日和总的运行费用

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蓄能系统与常规系统的比较（ 1 ）

一般而言，蓄能系统的直接投资稍高于普通系统，但若电力增容费用较高时，蓄能系统有可能与普通系统总投资持平

若采用低温水和低温送风技术，则蓄冷系统的直接投资有可能与普通系统持平，甚至略低

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蓄能系统与常规系统的比较（ 2 ）

蓄能系统的运行费用肯定应低于普通系统，通常可节省普通系统运行费用的 15~25%，特殊情况可节约 50%

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7. 蓄能系统的应用场合 由于蓄能系统是利用晚上低谷电蓄能的，

因此最适合于晚上电力低谷时无空调负荷（或负荷较小）的建筑；蓄能系统最不适合全天负荷完全一样的场合。

蓄能系统必须有分时电价政策的支持

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特别适合蓄能的电价政策 蓄能方案可减免电力增容费（而普通情况则不能减免）

高峰电价与低谷电价的比例较高（如达到 3 ： 1 以上）

高峰电价与低谷电价的差较大（有的地区虽然高低比例小，但差价很大）

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适合蓄能的建筑类型（ 1 ） 写字楼：仅白天有负荷，且在高峰；晚上基本无负荷，非常适合蓄能

宾馆：晚上有一定负荷，但不到白天的 1/3 ，可用基载主机承担晚上负荷，也较适合蓄能

体育场馆：使用时间短，晚上有充裕的时间蓄能，是非常理想的场合

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适合蓄能的建筑类型（ 2 ） 影剧院：演出时间较短，负荷较集中，适合采用蓄能

图书馆、银行：类似写字楼 商场：客流也集中在高峰电时段，可利

用低谷电降低运行费用 医院：类似宾馆

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适合蓄能的建筑类型（ 3 ） 教堂：每个礼拜是主要负荷，可有充分

时间蓄能，最大限度降低设备容量，并节省运行费用

寺庙：主要活动在白天，晚上是蓄能的很好时间

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冰蓄冷系统的延伸应用（ 1 ） 大温差送水和低温送风

利用蓄冰产生的低温水，外融冰时可达到 2℃，从而可利用 10 ℃温差，减少管道尺寸和泵耗

利用低温水可产生低温风（普通送风约 16-18 ℃），如 10 ℃以下，从而减少风道尺寸和风机功耗

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冰蓄冷系统的延伸应用（ 2 ） 已有建筑由于空调负荷增加，或冷机出

力下降，不想增添新冷机时，可采用蓄能方式，增加白天的供冷能力

这种方式通常初投资较少，且运行费用较省

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改造工程的特点 改造工程通常受场地条件限制

冰槽太大，现有的运输通道不够大 现场场地不规则，标准槽体放不下

解决措施 冰槽和盘管分开运进，现场拼装 可根据现场条件设计非标产品

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改造工程的注意事项 分清用户的需求：是为节省运行费用，

还是为解决供冷能力不足，突出重点 充分利用现有的空间条件布置冰槽、换

热器和水泵等 个别工程如有资金问题，可考虑不上自

控，而用手动阀门，人工切换 部分冷机可通过改造实现空调和制冰双工况运行，应确认冷机能否进行改造

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8. 我公司在蓄能方面特点 对蓄能系统有深入的研究

彦先生是国内最早开展蓄能研究与应用的教授，二十世纪 70年代即开展水蓄冷应用

在国内唯一进行负荷预测与优化控制 最早开展冰蓄冷系统动态仿真研究

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公司已有技术 水蓄冷和冰蓄冷系统设计软件 水蓄冷布水器优化设计软件 水蓄冷和冰蓄冷动态仿真软件 空调负荷预测软件 蓄能系统优化控制软件 闭式外融冰冰槽 一体化蓄冰机组

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低温送风时的技术措施 已有低温送风时风口是否结露（这是一般用户用低温送风最担心的，而特殊风口非常昂贵）的分析软件

低温条件下保温材料性能检测台

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蓄能系统技术研究热点（ 1 ） 不同类型系统的差异与特点

冰球开始取冷量大，后期取冷量小；蓄冷时间较长，适合于前期负荷大的情况

盘管整个取冷过程较均匀，适于取冷负荷较均匀的情况

串联系统温差较大，但设计不合理时泵耗较大

内融冰取冷温度较外融冰高，取冷率小；但外融冰的蓄冰率小

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蓄能系统技术研究热点（ 2 ） 蓄冷系统的动态仿真

不同蓄冷设备的仿真模型 蓄冷系统在全年逐时的运行模拟和能耗统计 不同系统的比较

一般的设计未考虑冷机与冰槽的联合作用效果，设计日的设计不一定全年都处于很好的运行状况

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蓄能系统技术研究热点（ 3 ） 冰蓄能系统的优化控制

不同控制策略的效果（动态仿真） 负荷的预测 故障诊断

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蓄能系统技术研究热点（ 4 ） 蓄能系统的现场测试与评估

什么样的系统是成功的系统？ 蓄能系统蓄存的冷量是否达到设计要求？ 蓄能的控制策略如何？ 什么样的现场测试条件？ 什么样的机构进行测试？ 什么样的政策能促进蓄能的健康发展？

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蓄能系统技术研究热点（ 5 ） 新型蓄能系统和设备研究

外融冰（闭式外融冰） 冰晶式 冰蓄冷与低温送风

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蓄能工程主要的竞争对手 杭州华源：有很强的市场能力 清华同方：有一定的资金优势 法国 CIAT

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蓄能工程的技术现状 目前客户对蓄能工程的要求较低，多数工程只

是实现了蓄能的功能，并没有达到最大限度地为用户节省运行费用 部分工程蓄能系统未正常运转 部分工程无自控 部分工程只实现了几种模式的切换 很少有工程实现了优化控制 故障诊断还基本未实现 很少有工程进行过公正的第三方验收

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我公司的市场策略 精准的方案设计 合理的设备配置 优化的自动控制和故障诊断 良好的售后服务