过冷法制取流态化冰浆及其创新应用

过冷法制取流态化冰浆及其创新应用中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS储能技术研究室

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StorageTechnology可再生能源地热能生物质能太阳能海洋能新能源

天然气水合物氢能储

能能源材料节能环保节能集成能源环保

清洁转化集成战略未来能源

能源系统咨询规划●

在

国

际

、

国

内新

能

源和

可再

生

能

源领域科技创新上具有

显著优

势2中国科学院广州能源研究所----研究布局●

经过

多年来

的持

续创新研

发

，部分领域进入

国

际领先行列●首席科学家：

冯自平博士，

中科院“百人计划”海外人才(2002年)。●研究室创建于2003年，

研究队伍保持在20余名，

现有正高2名、副高6名，

形成了一支年龄结构合理、专业互补的人才梯队。研究方向涵盖大规模储

能（储冷储热、储电、储氢及分布式应用）

、节能环保应用、及碳交易等，

围绕关键科学问题和核心技术开展多学科交叉研究。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS储能技术研究室储能技术研究室

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StorageTechnology3●

开展大规模储冷、储电的技术交流与合作@2015年●

落实人员交流、项目合作等平台运行机制中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS国际合作：储能技术国际联合研发中心储能技术研究室

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StorageTechnology4目录/outlines开发新能源

勇攀新高峰一、冰浆（Ice

Slurry）

技术二、冰浆制备关键技术环节三、创新应用场景分享冰：就在我们身边③↑

ice

ball←

ice-on-coil↓

ice

slurry①cubeice②tube

ice

③flake

ice④crushed/mashed

ice⑤brickiceGuangzhou

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CAS中国科学院广州能源研究所储能技术研究室

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StorageTechnology④②①流态化高效、便利6常见的三种类型冰浆二元冰浆（-50~0℃)>

Ethanol>

Salts>

Sugar中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS500

μm

A型

B型自来水冰浆

（0℃)□

Noadditives□

Nosolutions储能技术研究室

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StorageTechnology包络化合物浆（~10℃)7Slurry传热传质的优势将静态相变转变为动态过程，有利于传热传质过程的强化：

k·A·ΔT●

把固液相变界面的导热，转化为流动状态下的自然对流和强制对流●

把固液相变由间壁式换热的“Surface”

，转化为分散到整个体积内部的“Bulk”●

把固液相变材料的相变潜热，转化为Slurry流体的等效比热●

把静态下的大过冷（晶核、表面改性等）

，转化为流动状态下的小过冷良好的流动性，有利于冷量的存储、输送及终端利用：●

固液比例SPF可大范围灵活调节，

为储冷密度、载冷密度的灵活调控创造了条件

（二元冰浆在SPF≤30wt%为牛顿流体，SPF≈60wt%为幂律流体，仍具有流动性）●

作为载冷剂可成倍提高载冷密度，相应地降低冷量输送的初始投资及运行能耗（水在5℃温差时的载冷密度21kJ/kg，

10wt%冰浆的载冷密度可达84kJ/kg）中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology8目录/outlines开发新能源

勇攀新高峰一、冰浆（Ice

Slurry）

技术二、冰浆制备关键技术环节三、创新应用场景分享2.1-过冷法冰浆制取技术的基本流程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！本环节只换热不相变。采用高效板式换热器，大幅提高制冷系统的换热效率，提升系统运行的稳定性。0℃水换热中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS本环节只相变不换热。

在绝热容器内，采用超

声波器诱导促晶，彻底

解决相变过程对换热过

程的负面影响。储能技术研究室

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StorageTechnology相变

分离-2℃

过冷水0℃冰浆10水的过冷特性水的冰点在标准大气压下为0℃,但温度降到0℃时并不立即结冰，

而是低于0℃以下的某个温度点才开始结冰，低于0℃的差

值就是过冷度。过冷度的大小决定于水的初始条件和外界环境。温度0℃安全

时间中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CASTs冷度过普通自来水：Ts

≈3.8℃

Tm

≈

5.8℃储能技术研究室

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StorageTechnology最低

过冷

度Tm11防传播过冷水冰浆制备的关键技术【核心技术】●过冷换热的稳定性●过冷度与系统能效的关系●智能控制

…

…

…

…过

冷

度

θ冰水分离过冷换热今θ=

T0

-Tt含冰率Ice

Paking

FractionIPF

=

θ=

1.25θ%时间t一次循环

周期性循环……中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology促晶12冰浆制备技术展示中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology13性能提升策略：直接蒸发制冰技术【能效提升思路】新型直接蒸发制冰技术：

制冰系统与制冷系统集成，

进一步简化系统，

实现电-冷转换（制冰）装备的

高度集成化和模块化，

提升蓄冷系统性能，

增强场景适应性。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology14以DISU-600机型为例若取消乙二醇载冷剂循环，系统COP可提升28%。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS单位参数额定制冰能力kW1580配套制冷主机COP/4.5配套制冷主机电功率kW351乙二醇泵电功率kW75冷却泵电功率kW45冷却塔电功率kW18.5电功率小计490制冰工况系统COP3.2单位参数额定制冰能力kW1580配套制冷主机COP/4.9配套制冷主机电功率kW322乙二醇泵电功率kW/冷却泵电功率kW45冷却塔电功率kW18.5电功率小计386制冰工况系统COP4.1储能技术研究室

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StorageTechnology151200×3000

×35005000×24

00×300010000×30

00×35006500×30

00×35007500×3000

×35005000×30

00×3500产品化开发序列一体化集装箱式/撬块化单机组型系列中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology撬块化单机组型16两种冰浆制备技术的对比间接蒸发式机组直接蒸发式机组中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CASR717（氨）

制冷剂机组：最大单机制冷量（24h产冰量）：

900kW（180t）系统最大运行COP：4.5（配蒸发式冷却塔）R22和R507a制冷剂机组：最大单机制冷量（24h产冰量）：

700kW（144t）系统运行COP：

≥4.0（配蒸发式冷却塔）系统运行COP：

≥3.6（配普通水冷却塔）性能由第三方制冷主机厂

家决定：双工况螺杆机：选型容易、新建/改造都可系统设计COP：空调工况×（70%~75%）双工况离心机：单机容量大，可规避喘振区可以一拖多运行，

COP：空调工况×（70%~75%）储能技术研究室

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StorageTechnology17目录/outlines开发新能源

勇攀新高峰一、冰浆（Ice

Slurry）

技术二、冰浆制备关键技术环节三、创新应用场景分享中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS技术优势-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。盘管/冰球冷凝温度-5℃-6~-12℃蒸发温度19

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StorageTechnology冰浆中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS技术优势-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。放冷速率

（

RT）冰浆蓄冷解耦！冰球/盘管时间20

储能技术研究

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StorageTechnology放冷能力≥蓄

冷能力×4倍中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS技术优势-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。占地面积减小20-30%蓄冷槽异形槽冰球/盘管

流态化冰浆空间利用率＜50%

空间利用率≈70%施工及维护更加便捷！21

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StorageTechnology球体/盘管

占用空间冰浆的广泛应用领域Food&ColdChainHVAC

&

Others●

Aquatic

product

processing

(水产加工)●Meat

processing

(肉类加工)●

Supermarketfresh

(超市保鲜)●Marinefishery

(海洋渔业)●Preservation

of

fruits

and

vegetables

(果

蔬保鲜)●Liquor

making

industry

(酿酒工业)●Breadand

biscuit

processing(面食加工)●Milk

production

(乳制品生产)

●Poultry

processing

(禽类加工)●●●●●Latent

heattransferfor

districtcooling(区域供冷潜热输送)Mineair-conditioning

(矿井空调)Biopharmaceuticaland

laboratory

refrigeration(生物制药与实验室制冷)Concrete

mixing

engineering(混凝土搅

拌工程)Chemical

and

dyestuff

industries(化工

和染料行业)中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS●

Cold

storageairconditioner

(空调蓄冷)储能技术研究室

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StorageTechnology22应用场景1—暖通空调+蓄冷中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology23蓄冷空调的基本原理◆

充分利用峰谷电价，

夜间制冰蓄冷、白天融冰放冷，

为各种中央空调和产业制冷系统提供冷量。◆

为用户节约运行费用的同时，

实现电力负荷移峰填谷。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology24配电设备+有效减小制冷主机的初装机容量由于夜间蓄冷承担了白天的部分负荷，

制冷主机的初装

机容量可减小到原来的1/2，

大幅度减小了制冷主机的初装

机容量和初投资，有效降低了配电系统的容量和初投资。配电容量减小50%主机容量减小50%常规系统蓄冷系统中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology4000RTH蓄冷槽1000RT制冷机500RT配电

设备25蓄冷在用户侧储能调峰的突出优势【成本低、效率高】大规模蓄冷技术以水为介质，成本低廉；

靠近负荷中心，储能效率高，移

峰1kW的电力负荷成本仅是电池技术的20%~30%!【功率和能量调节范围很宽、适应性好】蓄冷系统的功率变换装置为制冷主机和换热器，

调节范围从MW~GW，储

能装置为保温水槽，

根据需要可满足中长时间尺度、甚至跨季节调节需求。【应用领域广泛】包括各种中央空调系统、大型区域供冷、各种产业制冷系统等。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology26冰浆蓄冷是用户侧储能的重要技术●

在用户现有中央空调系统基础上，

增加一套冰浆机组和相应的蓄冷/放冷设备。类比电化学储能系统，

蓄冷储能系统可实现功率与容量、制冷功率与放冷功率的双解耦，

可满足用户不同时段的用冷需求。用户已有机组新增加的蓄冰系统冰浆是最佳的储冷介质中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology27中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS全系统运行模式五种运行模式可灵活切换！28储能技术研究室

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StorageTechnology康美制药：广东普宁

富士康科技集：龙华

福州宝龙万象广场：福州

湖南加加食品工业园：长

海南罗牛山产业园：海口部分典型工程案例（2011-2019）已建成了22个大型建筑+15个工艺用冷工程，

年移峰量超过30GWh。深圳财富港大厦：宝安

商业+综合办公楼

6256RTh深圳国际能源大厦：深圳

甲级写字楼

6000RTh深圳艺茂商业中心：罗湖

商业+综合办公楼

6000RTh深圳三诺大厦：深圳综合办公楼

6000RTh深圳联合广场：深圳综合办公楼

6000RTh2019年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”厂房空调

13680RTh宁德新能源科技：宁德

厂房空调

18500RTh办公楼厂房

3600RTh南宁东站：南宁公共建筑

9250RTh综合体

10000RTh西安宜家家居：西安

大型商场

3300RTh沙办公及冷库

10800RTh深圳奥特迅电力大厦中央空调

3500RTh厂房空调

4300RTh晶苑针织：东莞常平生产车间

14400RTh中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology29

~20℃

土壤或地下水，

为热泵提供热源【克服取热温度的限制，

实现系统增容】相同取水量，

可以最大化提取水中蕴藏的显热，

热源能力增加30%！【克服取水量的制约，

实现最大化节水】相同供热量，

完全提取水的相变

潜热80kCal/kg，

取水量仅相当于5K温差的1/16！不受环境温度变化，越冷越节能！

~5℃

常规热泵提取热量的极限

≥0℃

显热提取的极限

0℃不结冰，

可控相变提取显热

-2℃

过冷态水或连续相变

0℃以下高效结冰，提取潜热中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS创新应用1-基于可控相变技术的新型热泵储能技术研究室

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StorageTechnology冰源热泵！30~冰源热泵技术的对外交流与合作与丹麦同行技术交流(中国驻丹麦大使馆科技参赞彭斯震、ASHAREBjarneW.Olesen教授)@2018.12中英储能技术交流会特邀报告@2020.2on-line参与英国诺丁汉大学Prof.SeamusGarvey主持的中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology冰源热泵清洁供暖EPSRC项目@2021.231冰源热泵清洁供暖设计案例●

以华北某地冬季供暖为例：

热负荷25W/m2，

供暖季4个月，

总热量约为200MJ/m2；

以冰源热泵技术进行清洁供

暖，

只需要0.5吨水(由15℃降为0℃的冰)，所需存储容积约为1m3;●

按分布式供暖面积10万m2计算，

需要匹

配10万m3的蓄冰池；●

在满足供暖需求的同时，

跨季节收集冷量

140万RTh，约折合1.40GWh的电能。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS储能技术研究

2

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StorageTechnology32创新应用2：冰浆跨季节蓄冷储能●

城镇化进程不断推进，城市采取区域集中供冷系统，会充分激发能源效率和可再生能源潜力，跨季节大规模蓄冷储能技术可发挥重要作用。●

结合冬季气候特点和电力供应特点高效制冰，将冷量储存起来用于夏季及过渡季节的集中供冷，从而实现空调制冷系统的GWh级储能。●

由于浅层土壤温度与储冷介质的温差较小(最低0℃)，所以跨季节蓄冷的热效率要

高于跨季节蓄热(热水温度80-90℃)，且工程难度更低。丹麦已建成多个跨季节蓄热系统，季节热效率60%，

单体坑式蓄热容积可达50万m3。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS基于流态化冰浆技术的大规模跨季节蓄冷系统示意图储能技术研究室

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StorageTechnology33●

设施水产养殖是水产养殖的重要发展方向，通过调控水温等参数可改善其生长环境，减少病害，避免夏眠和冬眠，缩短生产周期，使产量和效益得以提升。刺参是我国海参的主要经济品种，

多产于黄渤海区。为保证刺参全年快速生长，该海区每年有8~9个月需要对养殖水体调温。刺参适宜生长的水温区间约为13

~19℃●

选取大连小长山岛地区某养殖水体为

2000m的刺参养殖场为研究对象。根据养殖要求，每天换水量为养殖水体的1/3，每4天完全换水1次清洗池底。供热期引入养殖场的海水温度最低为

03℃,供冷期引入养殖场的海水温度最高为29.0℃。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS跨季节蓄冷技术应用1—设施水产养殖储能技术研究室

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StorageTechnology34跨季节蓄冷技术应用2—设施农业●

选取济南地区某日光温室群（共500座）

为研究对象，总占地面积为30万

m2。温

室主要用于种植观赏性花卉，根据相关规范将室温设定为18.0～28.0

°C。●

基于当地典型气象参数，对温室的全年逐时室温及逐时负荷进行模拟。温室内最高温度为54.4°C，最低温度为−4.9

°C，全年仅有2000

h在设定的室温范围内。

最大热负荷为140.4W/m2

，最大冷负荷为187.1W/m2。全年累计热负荷为52.51GW，累计冷负荷为45.85GW。跨季节蓄冷体的全年冷量损失在5%以内，系统的供冷一次能源利用率为6.27，全年一次能源利用率为1.71，动态投资回收

期为39-6

9年.

.

。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology35跨季节蓄冷技术应用3—园区办公大楼●

分别以沈阳、北京的气象参数，对商业办公建筑的集中供冷/供热进行分析。●

相比于冷水机组+集中供暖的方案，

以冰源热泵为核心的跨季节蓄冷集成技术，其全年累计一次能源消耗减少了一半左右，污染物排放减少了一半左右。●

跨季节蓄冷技术与夜间蓄冷技术相结合，

可以大幅降低运行成本，减小投资回收期，具备很好的经济效益。北京地区投资回收期约在6年左右。夏季供冷时，蓄水槽内水温和含冰率IPF随着时间的变化

冬季采暖时，蓄水槽内水温和含冰率IPF随着时间的变化中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology36跨季节蓄冷技术应用4—恒温恒湿空调●

传统恒温恒湿空调系统，采用电加热(方案1)；

(对比方案2)回收热泵冷凝热用于加热空气；

(对比方案3)采用跨季节蓄冷，用热高峰季将冷量回收，其他季节释冷

,节省能耗；利用日夜间峰谷电价蓄冷，提高经济效益。●

跨季节蓄冷技术可以有效减小恒温恒湿空调系统的能耗，提高其经济效益。方案3的运行电费最低，约为方案2的50%。在南方地区（上海、长沙、广州），

除湿

负荷越大，方案3越节能；

以上海为例，相对方案1、2的投资回收期在1年左右。中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology方案3相对方案2的投资回收期方案3相对方案1的投资回收期37●

新业态催生了众多小型精装办公空间，

空调系统的特点是无主机房、逐时负荷波动大、缺少专业人员运维等●

传统的分体机方案成本高、能效低；

VRV多联机方案工期长、部分负荷性能低等>灵活的设备安装占地设备高度集成，地下、地面、天台、露台等均可安装

放置，无需专用机房，特别适合中小型规模建筑>简单的多联机组合多个标准化型号机组的任意互联组合，灵活扩容；末

端采用常规水循环系统，风机盘管、组合风柜、新风

机组控制简单维保成本低>优异的系统能效比≥

4.0（配蒸发式冷凝器）、≥

3.6（配常规水冷却塔）

（35/27℃环境，包含泵/塔等耗电）结合峰谷电价夜间谷电蓄冷，可进一步显著降低空调运行电费>部分负荷的最佳解决方案、永远运行在高效工况点自带蓄冰槽，或者处于满负荷高效工况点运行，或者停机，

无部分

负荷工况，大幅提升综合运行效率中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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CAS创新应用3—模块化替代风冷多联机储能技术研究室

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StorageTechnology38应用场景2—工艺冷却+蓄冷中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology39核心应用--乳品工艺冷却冰浆技术——巴氏鲜奶生产工艺的最佳0℃冷源解决方案！中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology40乳品生产传统冷源乳品生产0℃冰浆冷源解决方案解决方案◆

水箱蓄冷密度低，恒温供水能力弱◆

如采用普通水做介质，

最低只能到2℃,与标的温度4℃之间的温差余量太小◆

如采用丙三醇或乙二醇溶液，

则增加相关设备成本和对产品和环境的不友好性◆

主机对冷冻水温度的调节能力弱（精度差、惰性大）

，

直供模式下无法提供高品位冷源●冰浆蓄冷密度提高10倍以上，

冷量缓存能力大幅提高，

轻松应对产品大范围波动●冰晶颗粒细小，

融冰速率快，

供水温度轻易恒定

在0~1℃,

彻底解决恒温高品位冷源问题●彻底消除主机的低负荷率（低效率）

运行工况，提高制冷系统能效比●兼具蓄冷储能功能，利用峰谷电价节省运行费用中国科学院广州能源研究所Guangzhou

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StorageTechnology41乳品工艺冷却案例的温控效果●生产过程经常会出现工艺切换或产量波动导致的末端回水温度的大

范围波动，

对品控和生产成本带来挑战。●

实测数据表明：●

冰浆冷源方案的

供水温度始终稳