在2023年3月份于常州召开的第四届中国储热大会上，来自中国科学院广州能源研究所的研究员、教授、储能技术研究室副主任宋文吉就《冰蓄冷的冰浆制备最新技术进展及创新应用》作主题演讲。
▲中国科学院广州能源研究所的研究员、教授、储能技术研究室副主任宋文吉
宋文吉表示，冷热不分家，但蓄冷与蓄热两者在应用路线和场景上还是有较大的差异。
冰浆（Ice Slurry）技术
一、冰浆是什么？
宋文吉介绍，冰在市面上较常见，且冰与我们的日常生活关系密切，而冰浆则与之不同，冰浆主要应用于蓄冷场景之中。
如下图所示，冰浆在流动状态下肉眼可见为一种可流动的固液两相的浆状流体，放在蓄冷槽中时，冰和水因为密度差的原因会分层，所以上层看起来像雪，下层则是水。
冰的流态是怎么来的呢？宋文吉解释，通过下图可见，冰的制备过程是一个静态的换热过程，而可流动的冰浆的换热与之不同，因此为了便于区分，便使冰浆流态化。那么流态化有什么好处？
宋文吉表示，根据以往的经验，流态冰浆可以用泵和管道来输送，在输送上会更加方便。从其做研究及传热学角度来讲，在流动状态下冰的传热要比静态的好。
宋文吉介绍，常见的冰浆大概有以下几大类：
1、自来水冰浆：即水变成冰，形成固液两相，里面没有任何添加剂。
▲自来水冰浆（0℃）
2、二元冰浆：水里面有添加剂，可以是各种盐，如海水是氯化钠、氯化钙，还有以些有机醇类也可以。
▲二元冰浆（-50~0℃）
3、包络化合物浆：也可以形成固液两相，现在也有比较前沿的如水合盐，也可以把它做成浆状的流体。
▲包络化合物浆（~10℃）
为什么要做浆形流体？聚焦自来水冰浆，宋文吉做了小结，他表示，做浆形流体在研究和应用的考量上大概分两个方面：
1、换热角度
浆形的流体可以把静态导热的过程变成对流换热的过程，因此从换热角度来讲，有利于提高换热的效率。
冷和热不太一样的地方是热可能会有很多种来源，而冷必须要人工来获取，从电到冷或从热到冷的转化效率非常重要，哪怕差1度，对于像电制冷这样非常成熟的系统的能效影响也是很大的，因此提升能效是比较核心的关注点。
2、相变的过程
宋文吉介绍，在固液相变的过程中，随着界面的推移会有一些热阻等问题。最核心的是在静态换热时，相变发生在相变的界面，是随着界面走的。如果把它从静态变成流态，相变过程可能会比静态更快一点。
除此之外，变成流体时是固-液两相，因此在融化时就相当于它的相变焓值从流体力学角度，可能会变成流体的等效比热熔，在它换热时也是一个有利的因素。
宋文吉表示，过冷的问题可能热耗材料都会有，静态情况下过冷度是比较大的问题，但在流动状态下，过冷问题就不是那么突出了。
浆形流体有比较好的流动性，从应用层面讲有两个好处，既可以作为能量存储的介质，也可以作为能量输送的载体，对拓展应用场景会有帮助。
浆形冰与静态冰对比，在技术方面的优势包括：
1、制冰能效高、设备紧凑
电力驱动的蒸汽压缩循环，提高蒸发温度有利于提升制冷机组性能。冰浆比冰球和冰盘管的能耗降低20%以上。
2、放冷速度快、负荷响应好
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、可流动性好、易维护
蓄冰槽中无冰球和盘管，空间利用率高。
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。
新一代冰浆制备
宋文吉介绍，制备冰浆的基本原理如下图所示，从右边的水槽中抽取水到换热器中变成过冷状态，过冷态是一种亚稳态，流出来之后通过一些外界的刺激措施（如用超声波的方式）让其从过冷态回到平衡态，过冷度的释放伴随一部分的水变成冰及冰水混合物，流动到水槽之后冰水自然分层，完成制冰蓄冷。
该系统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，“换热时不相变，相变时不换热”，由此大幅提高系统效率。
宋文吉表示，“比较有特点的是，该系统把冰和水相变换热过程在时间和空间上做了一个解耦，换热器中只换热而不发生相变，换热之后在绝热容器中再发生固液相变，因此它是把换热和相变这两个过程解耦了。”
如下图所示，宋文吉展示了实验室里用来做实验和展示的机器，并播放了一段机器运作的视频“大家可以看到，管子里面流出来的是较低浓度的冰浆，依次循环之后可以把这一槽子的水都变成冰，完成制冰系统这么一个过程，这里边比较有特点的是把冰和水这种相变换热的过程解耦了。”他还表示，目前从技术上已经可以把解耦可控相变的过程做得非常稳定。
“我们大概从2006年开始做，2009年开始孵化第一家公司，目前我们已经孵化了细分领域里面两家高新技术企业，把产品的型号也做了一些序列化。”
宋文吉介绍，上图是2019年其团队在制冷空调这一细分领域的研究成果，时值新中国成立70周年，该成果被中国制冷学会评为“新中国成立70周年暖通空调与制冷行业70项创新成果”。
该成果应用场景包括工业恒温恒湿的场景、商业写字楼、公共建筑等等。
近两年，宋文吉团队对该成果进行了技术的迭代升级。
如上图展示，左边是初始技术逻辑，冷源通过二次载流体二次换热到过冷换热器，然后产生过冷水，而后变成冰浆，这中间有一个二次循环。
“之所以设置二次循环当时有两个考虑，第一，冷源是第三方的冷源，要有接口的东西，第二，考虑后续过冷水的稳定性。弊端是中间多了一级换热，多了一个泵且泵的流量比较大，这是导致我们能量损失比较重要的环节。”
宋文吉介绍，其最新思路是把中间的二次循环拿掉，变成非常简单的结构。（如下图）将原本的智能主机和换热器集成在一起变成一套装置，把制冰过冷换热器集成到制冷系统中，成为制冷系统里的蒸发器。
以600吨机型为例，实现直接换热蒸发的方式之后，拿掉一个换热泵，不仅换热效率提升了，最后制冰工况COP也从3.2提升到了4.1。
宋文吉表示，这里面涉及到几个比较关键的技术：
1、专用高效板式蒸发器研制
宋文吉介绍，以前的换热器用乙二醇和水换热，因此不带相变。现在如果把冷煤通到换热器里面，冷煤这一侧可能会有相变，这里面会引发出一些新的需要攻克的技术难点——如水侧为什么可以控制在换热器里面不结冰？是因为里面过冷度的控制非常重要，因此若换成制冷剂作为冷源在换热器中，其温度控制的精度就非常重要，所以整个制冷系统做了一些新的结构上的设计。
2、制冷系统集成及动态调控特性
宋文吉表示，过冷水系统要想稳定运行对于负荷的波动有比较高的要求。制冷系统工况的波动会直接通过换热器传递给水路，导致系统运行不稳定，“所以我们的思路就要很好的控制制冷系统动态的特性。第一要有一个本身变频可控的压缩机，第二要在冷媒系统上做一个缓冲，未来通过几种技术的组合来达到我们温控精度的要求。”
3、过冷水系统集成及稳定性
宋文吉介绍，水系统的核心是换热器里面只换热而不相变，换热器出来之后再进行相变，这其中最难的是让它在换热器里面不相变，“因为一旦相变，就会造成换热器的冰堵，严重的还会因形变而造成换热器泄漏，直接影响到制冷剂系统”。影响因素还是蛮多的，如外界的颗粒及晶核对它影响比较大。换热器表面的物性好处理，然而晶核是随机的，我们加了一些预防措施——通过物理过滤的方式、热融的方式等。因为冷源的变化对水系统有比较大的影响，我们也做了相应技术的改进。”
他表示，目前其团队做的‘直接蒸发式过冷水动态冰浆机组’分两类，一类是撬块化单机组型，另一类是一体化集装箱式，这两类做了不同冷媒的技术，可满足不同行业的需求。
▲撬块化单机组型的设计和开发（A系列）
▲一体化集装箱式机组的设计和开发（Q系列）
一体化集装箱式机组，把机组放在集装箱中，集装箱里面的空间配一个小水槽作为一个整体，优点是可以在工厂预制，到现场减少安装和调试的时间。
与上一代间接式蒸发技术相比，直接蒸发式机组制冰过程性能有提升，宋文吉表示“这是我们目前技术迭代过程当中做得比较有积累性进展的亮点。”
创新应用案例分享
▋应用场景一：乳品工艺冷却
以巴氏杀菌工艺的鲜奶为例，巴氏杀菌的工艺决定了巴杀之后要快速冷却到2℃，因此对冷源的温度要求非常高。这其中存在几个问题：
1）冷源温度越接近0℃越好；
2）间歇性生产负荷波动较大，对温度控制的精度要求更高；
3）食品行业对食品安全有特殊的考虑。
用冰浆作为上述问题解决方案好处较明显：
1）冰浆本身是0℃的恒温体系，只要有冰在就是0℃的恒温体系，解决了2℃的工艺冷却要求；
2）系统槽里面只要有冰，回水回来直接淋到冰上，此时储存槽就相当于一个温度恒温器，对于生产负荷的变化对系统的冲击可以在这个环节滤掉。
▲乳品生产冷却应用案例
宋文吉表示，除了牛奶以外，其应用场景还包括类似的食品行业以及果汁等比较有代表性的行业的工艺冷却。
▲其他工艺冷却中的应用案例
▋应用场景二：替代风冷模块多联机
从制冷机房的角度来讲，以前的机房都是在建筑里专门开一个房间，会有一些承重配电等要求。但现在很多建筑，尤其是面积不大几万平的建筑，它在功能性改造的过程当中，可能就没有预留机房，怎么办呢？
宋文吉表示，撬块化单机组型是一个比较好的解决方案，根据其测算，该机组可以根据实际情况设计不同容量大小的储冷系统，也可以结合峰谷电价节省运营费用。同时因为蓄冷系统的存在，对于部分制冷系统的部分负荷特性的调节多了更加有利的调控手段。它的投资回收期在华南地区还是非常有吸引力的。
▋应用场景三：消耗用冰
可以代替各类传统制冰机，以更低的能耗和更高的产冰速度制冰，满足各类消耗用冰，如人工冰雪娱乐场、水产市场、超市生鲜档、近海捕捞……
▲蔬菜快速预冷及冷藏保鲜（冰浆浸泡或干冰包裹）
宋文吉表示“从用冰的市场上来讲，终端用户对冰有路径依赖的问题，可能习惯了大块冰，拿过来人工破碎成为小冰来用。我们为了迎合用户的使用习惯，尝试把雪状冰压制成一块一块的，方便现在用冷藏车搬运和输送。这里面结合了制冰能效高的特点与不太改变用户使用习惯进行尝试。”
▋应用场景四：冰浆管道清洗
宋文吉介绍，自来水供水管道因为是主管道，使用年限久了管道内壁会有一些泥沙或金属氧化物杂质，也可能是微生物等，需要对管道进行清洗。管道清洗技术多样，用冰浆清洗在国际国内算是比较新的一种应用尝试。
基本原理是将冰浆打到管道，用自来水的管压推着冰浆在管道里面走，过程像刷子一样，可以把里面脏东西刷出来。项目实际效果如下图。
宋文吉表示，“我们也是希望这个技术如果能推广得更好，实际上也是保障我们普通市民饮水质量和饮水安全作出我们的贡献。”
