動態式儲冰系統的新設計觀念
動態式儲冰系統的新設計觀念
簡介
本文的目的在說明使用製冰機的動態式儲冰系統在台灣地區的發展經驗，包括使用
上所發生問題的檢討與可行的解決方案。動態式儲冰系統產生的冰塊因為和製冰蒸發器
分離，可以被放置到其他儲存空間，而且通常儲槽形狀較無限制，非常適合一般沒有規
格化的建築物的筏基使用，對於都市化程度甚高的地區，可以避免儲冰槽佔用寶貴空間
及增加成本之問題，使得安裝儲冰系統具有實質的經濟效益。國外之動態式儲冰系統直
接設計在國內使用，由於一些技術問題無法克服，在推廣應用上遭遇了障礙，能資所在
數年前即開始對此種系統進行研發，對於製冰機設備､儲冰槽､冰水管路設計及低溫送
風技術應用等均已有具體的成果
前言
儲冰式空調可說是目前解決尖峰電力不足，最有效的電力能源管理方法之一。利用夜間
價廉且充裕的離峰電力製冰儲存冷能，並在尖峰時間融冰釋出冷凍能力以供應空調使用，
可有效的將夏季白天尖峰時間大量的空調用電，轉移至夜間離峰時間，以紓解夏季尖峰
時段空調用電量。儲冷空調系統用戶則因為使用較為價廉的離峰電力，參考表一，使其
每個月的電費可以得到節省，彌補儲冰系統所增加的初期設備費用。在台灣地區，雖然
儲冰式空調系統在相關單位及空調從業者積極推動下，安裝數量已超過三百多套，然而
若詳細觀察目前設備特性､建築物限制及電力結構等相關環境因素下，
現有儲冰空調系統在推廣上若仍然無法完全排除以下的困難，預料將成為未來之隱憂﹕
從1993年開始，能資所即進行研究如何開發一套儲冰系統，以有效改善前述影響儲
冰系統推廣應用之不利因素。經由深入調查和檢討，我們發覺採用製冰及冰水兩用製冰
機械的動態式儲冰系統正可以符合解決問題的大部分要求。未來所發展的儲冰空調系統
必須具有套裝化與模組化的機械結構及分離式的儲冰槽設計等特點，才可消除前述的問
題，而動態式儲冰系統正是最適合的選擇。動態式儲冰系統與其他形式儲冰系統的特性
比較，可參考表二。
能資所開發的動態式儲冰系統的結構如圖一所示意。在製冰過程時，冷媒蒸發吸收冰水
的熱量，將水凍結於製冰蒸發器(板狀或管狀)的表面上，冰水是水泵由槽底抽取，送入
製冰機上方水盤，再由灑水頭淋到蒸發器的表面。當冰在表面上逐漸結至8∼12 mm厚時
，便由高壓受液器經另一迴路，將高熱值冷媒導至蒸發器使附著於蒸發器表層之冰瞬間
融解，整片之冰塊便脫落於儲冰槽或冰塊輸送裝置上。如果淋在蒸發器的水溫較高，則
不會有冰層產生，蒸發器的作用純粹在冷卻冰水和一般的冰水機相同，製冰機在工作日
白天均在這種模式下運轉。由於製冰機的壓縮機及製冰蒸發器在出廠前，即已構成一完
整的冷凍系統，因此不像其他形式儲冰系統，牽涉到複雜的冷凍主機及儲冰槽設計選用
和系統控制，事實上在發展本項技術之初，規劃的目標即在於使本系統作到完全的套裝
化和模組化功能，套裝化使得設計施工技術層次可以降低，以減少成本和提高成功率，
模組化使得業主可以依據需求選用適當容量設備及必要之週邊裝置，並保留極大的設備
擴充彈性。
一般而言，動態製冰機在空調和製冰模式下有不錯的運轉效率，如表二，主要的原因
是因為在空調模式下，冰水沿著蒸發器表面往下流動時，基本上是一種液膜型式的熱傳，
有效熱傳面積為傳統直膨式冰水機的兩倍以上，因此蒸發器的冷媒和冰水間的LMTD較小
，較高的蒸發溫度可以提高冷凍系統的能源效率與製冰速率。至於在製冰模式下仍能保
持良好的效率是因為冷媒和冰水直接在蒸發器熱傳，而且產生的冰層極薄，一般靜態式
儲冰系統，通常有多次的熱傳過程，並且冰層厚度大，因此整體而言，能源效率無法和
設計良好的動態式儲冰系統相比擬。
現有動態製冰機主要的問題是其成本太高，因此我們決定發展設備設計技術以求降低費
用。傳統的製冰機通常使用機械式冷媒液泵循環的液循環系統如圖二(a)，藉著泵的作
功，推動冷媒循環於低壓集液器和蒸發器所構成的迴路之間。這種系統必須增加液泵設
備和冷媒充填費用，較適合使用於大型儲冰系統，但由於冷凍系統必須現場安裝，施工
成本與現場技術水準較高，無法達到如套裝化儲冰系統可以被大量推廣的目標。能資所
曾經研發另外一種安裝有冷媒噴射泵的製冰機冷凍系統如圖二(b)，以簡單的機構來達
到冷媒液泵的效果，但卻可以降低設備成本。其方法是利用高壓冷媒膨脹過程的動能吸
引低壓集液器內儲存的液態冷媒循環於製冰蒸發器內，以提高蒸發器的熱交換效率。同
時在製冰機的除霜脫冰過程，由蒸發器內被迫出的液態冷媒可以暫存於低壓集液器內，
俟除霜脫冰過程結束後，以噴射泵的抽吸能力將液態冷媒在極短時間內回填入蒸發器進
行熱交換，冷凍系統不致因蒸發器內冷媒量不足而導致系統效率降低。然而實驗的結果
發現，冷媒噴射泵的可用工作壓力範圍很窄，無法同時兼顧製冰機在空調模式與製冰模
式下運轉之不同壓差和冷媒流量的工作需求。
中小型製冰機利用感溫式膨脹閥來控制冷媒流動為目前最經濟有效的方式，如
圖二(c)，由於感溫式膨脹閥以感測冷媒蒸氣的過熱度，來調節閥件的開度控制蒸發器
內的冷媒流量，必須注意防止液態冷媒意外流回壓縮機造成損壞，因而通常需維持適度
的過熱度，然而較高的冷媒蒸氣過熱度，將使得壓縮機容積效率降低，亦使得蒸發器熱
傳效率降低，所以採用反應速度較快､過熱度控制準確的的電子式膨脹閥為本所未來研
究的方向。
儲冰槽
儲冰槽是儲冰空調系統設備費用增加的主要因素，一般約佔總工程費用的百分之二十
至四十左右，其實這還不包括儲冰槽所佔用開放空間的原有經濟利益損失，如果考慮這
部分的成本，儲冰空調系統其效益便非常的低，尤其是在都市地區，這種問題尤其嚴重
。
然而高樓層建築物底層樓板下，一般都設計有筏式基礎，為一種多方形槽體的架構，
其目的在增加建築強度，並作為清水､污水或消防水儲槽使用，儲冰空調系統如果也使
用這些空間，便不會增加太多空間成本。因為製冰機所產製的冰塊可以很容易被儲存在
這種低成本的儲冰槽內，這是我們選擇發展動態式儲冰系統的原因之一。
與現有安裝數量較多的靜態式儲冰空調系統比較，動態式儲冰系統的另一項好處是可以
採用週循環(Weekly-cycle)，如圖三，的運轉控制，因為其產製之冰塊被週期性的收穫
下來，並儲存在分離的槽體中，只要增加儲冰槽空間，便可以利用週末假日持續運轉儲
冰，彌補目前每天離峰時間太短的缺憾。以增加星期日24小時的離峰儲冰時間而言，
相對於靜態式儲冰系統每天僅有九小時的(Daily-cycle)儲冰時間，其每週的總儲冰量可
增加達百分之四十。
隨著國人生活水準的提高及勞動條件的要求，每週休兩天的工作型態，必然是未來
時勢所趨，屆時使用動態式儲冰之系統其每週總儲冷量，將可增加為一般靜態式儲冰
系統的兩倍多，等於採用全量儲冰方式來運轉，使業主在不須要增加設備費用之下，
獲得最大的電費節省，在很短的時間內即可將儲冰設備的投資完全回收。
雙迴路配管
在台灣，動態式儲冰系統被稱為製冰滑落式系統，因為通常製冰機即安裝在儲冰槽
的上方，製冰機所產製的冰塊直接落入下方的儲槽中，這是目前大多數動態儲冰系統的
設計，冰水側配管則一般使用如圖四(a)和(b)的方式，其中圖四(a)為一全量式儲冰系統
，即在白天不運轉製冰機作空調冷卻，完全以溶冰供應空調所需之冰水，然而這種系統
初期設備費用高，回收時間長，並不適合在電力離峰時間很短的台灣地區使用。圖四(b)
為一改良之系統，可以作分量儲冰運轉，在白天利用管路上的一個三通閥選擇空調或溶
冰來運轉，然而如果要同時達到空調或溶冰之效果，則控制上甚為不易，有些系統沒有
在儲冰槽上方有灑水管路的設計，空調回水流經蒸發器冷卻後直接落入其下方的儲冰槽
內溶冰，來達成分量儲冰系統的運轉效果，但其結果最常出現的是不均勻化冰和水流旁
通的現象，無法將儲冰槽內的冰塊完全溶化使用。
在此我們提出一種新的管路設計觀念如圖五(a)和(b)所示，它的特性在於具有雙迴路
的管路配置，包含二組熱交換器，介於冰水系統的一次和二次側中間，分別和其相對應
的水泵和管路形成兩個獨立的迴路，即製冰機迴路和溶冰迴路，可分別供應製冰機空調
和製冰模式下運轉，及儲冰槽溶冰所需的水流循環。兩迴路的冰水因為彼此互不相干涉
，可以精確而容易地分別控制其冷卻能力，使得在白天電力尖峰時段能夠靈活的調配製
冰機空調和儲冰槽溶冰的冷能輸出，加強降低電力契約需量的效果。
前述的製冰機迴路可包含有複數個壓縮機組及相對應的水泵，在製冰或空調模式運轉
時，如果需要容量控制，可藉各壓縮機及相對應的水泵啟停來控制。溶冰迴路則設有可
調整流量的冰水泵，藉調節該冰水泵的冰水流量，來控制儲冰槽的釋冷速度。
製冰機的容量控制，是以偵測二次側冰水回水溫度或儲冰槽的冰存量，來決定製冰機
在空調模式下或製冰模式下的負載比例，而啟或停壓縮機的台數或作壓縮機的卸載運轉
。
當製冰機壓縮機運轉有所變動時，其所對應之水泵亦作啟或停的動作，以維持製冰機
蒸發器基本上一固定的流量，確保機器穩定的運轉。當製冰機在空調模式運轉時，如果
二次側之空調回水溫度較高，代表空調負荷變大，則可增加製冰機的空調製冷，避免儲
冰被太早用完，如果回水溫度低，代表空調負荷小，則可減少製冰機壓縮運轉及製冷能
力，儘量以溶水供應空調，滅少尖峰電力使用，節省電費。
本系統的儲冰槽溶水迴路包括和製冰機迴路相同之儲冰槽底部集水管、冰水泵、熱交
換器和儲冰槽頂部之冰水灑水配管。溶冰時，冰水泵由儲冰槽底部抽水經熱交換器和二
次側冰水作熱交換，獲得昇溫的冰水再由儲冰槽上方的灑水配管灑在儲冰槽內的冰塊上
，達到溶冰釋冷的效果。溶冰的快慢可以調節溶冰迴路內的冰水流量而獲得控制，控制
的方法許多種，例如，在管路上安裝一變頻器(Inverter)來設定冰水泵的轉速，或以一
複數冰水泵作分段啟停控制，而使管路內冰水流量改變，當然控制流量的訊號來源也可
有多樣選擇，例如將溫度感知器安裝於二次側出水至負載之管路上，即可利用出水溫度
來控制一次側溶冰迴路的冰水流量，例如當二次側出水溫度太高時，可以提高一次側水
泵轉速及冰水流量，加快釋冷，以滿足二次側冰水出水溫度保持之要求。
此雙迴路系統設計，主機（製冰機）迴路之一次側與二次側之高溫回水（約12℃左右
）先接觸，適當設定本迴路之水流量，則製冰機迴路之冰水在經過熱交換器之後，其水
溫可達8℃左右，定可確保製冰機白天在空調模式下運轉，亦即不會有蒸發器意外結冰，
而需要有熱氣除霜脫冰的問題，可保持機器較高效率運轉，改善習有裝置的缺點。
除此之外，因蒸發器溫度獲得提高，機器在空調模式下運轉時，其能源效率亦較習
有裝置為高。
有一些建築在夜間仍需提供部份空調時，本雙迴路系統設計亦較傳統單迴路系統設
計單純且容易控制。因為夜間需要部份空調時，如果冷能必須由儲冰系統供應，則二次
側冰水仍將循環經過熱交換器和一次側水作熱交換；但在單迴路的系統，一次側的冰水
經過熱交換後，可能會有某程度的溫昇，造成製冰機蒸發器製冰量減少，使儲冰效果降
低。
雙迴路的配管設計中，製冰和溶冰的迴路是獨立的，因此二次側的空調回水可選擇
和製冰機迴路作熱交換（空調負載較小時）或溶冰迴路作熱交換（空調負荷稍大時），
至於決定與者作熱交換可由製冰和溶冰迴路是獨立的，因此二次側的空調回水可選擇
和製冰迴路作熱交換（例如空調負荷較小時）或溶冰迴路作熱交換（例如空調負荷稍大
時），使用本系統的技術，可以避免一般儲冰系統在應付部份夜間負荷時，必須增加
一基載主機迴路的設計，使系統的配管及控制變得很複雜。
利用建築物的筏基來儲存冰塊是在擁擠的都市建築下最具有空間經濟性的方式，在都
市空間成本較高的國家如日本亦有類似的研究，然而一般筏基的尺寸大小僅約 2∼3m 的
長和寬，高度則只有約 2到2.5m之間，其空間是不夠儲存動態製冰機在日循環模式下運
轉所產製的冰，要儲存以週循環模式下所產製冰塊的總量更是不可能，在最大製冰量時
其儲存量可能達日循環模式儲存量的四倍，因此必須將產製的冰塊利用各種的方式輸送
到其他分離的儲槽內，以擴充儲存的總容量。
工研院能資所發展中的動態儲冰系統如圖一，為前述雙迴路儲冰系統的沿伸應用，
我們利用一個儲槽來收集產製的冰塊，並將其分送至其他數個儲槽中。動態製冰機所產
生的冰塊藉由重力的作用，自然落入其下方的一個傾斜集冰裝置，在此裝置的最下方是
一個碎冰裝置將冰塊進一步輾碎至較小顆粒以方便被水輸送，冰塊輸送的動力來源可
以使用噴射泵或不阻塞泵，前者是以水的動量在噴射泵中產生抽吸力將冰塊吸入並送出
，不阻塞泵價格較高，而且有空蝕的問題擔心，因此以噴射泵來輸送冰塊是很不錯的方
法，然而現有噴射泵放率較低，應該儘速開發較高效率的系統。
低溫送風技術
儲冰空調系統在國內已廣泛的使用，然而卻未能善加利用儲冰系統出水溫度低的優點，
實甚為可惜。降低供風溫度的好處，在於減少送風和送水設備大小､初期費用及運轉電
力使用，擴大儲冰系統的經濟效益。除此之外，低溫冰水的高除濕能力，使得空調區相
對濕度可以被降低至35至45%之間，相對於台灣地區夏季裡在空調區內經常維持之60至
70%的相對濕度，使用者的舒適性可以得到很大的改善。
動態製冰機的儲冰系統在儲冰槽溶冰釋冷時，因為冰塊和回水可以直接接觸，使得其
瞬間釋冷能力非常良好，低出水溫度的保持能力很強，非常適合超低溫供風系統使用，
使低溫供風系統的送風溫度在4到10℃之間。
目前業界對於這項新技術應用在高溼度地區的研究仍舊很缺乏，因此能資所曾對低
溫送風系統所使用的出風口和冰水盤管作一研究，以補充這些資料的缺乏。
圖六的結果顯示設計良好的噴射型出風口(a)比較一般的擴散型出風口(b)，在低溫送風
應用時，仍可以保持較高的出風速度，使室內空氣可維持高效率的氣流循環，而不致於
有部份空調區域內空氣停滯的現象發生，除了冷風不致於驟然降至空調區域引起人員不
舒服之外，亦由於其高速的誘導效果，使室內空氣和供風產生良好的混合作用，增進換
氣效率。
出風口結露亦是業界所關心的問題，經由在高溫高濕(約30℃和85%RH)的嚴苛環境下
，所作的實驗顯示，在突然供應冷風的狀況下，出風口表面及出風口附近天花板上有凝
結水膜產生，然而水膜並未形成水滴掉落，由於低風供風非常乾燥，水膜在半小時左右
自然消失。
風管熱損卻是必須注意的問題，除了應增加保溫材厚度及嚴謹施工之外，採用低溫
送風時其風管內之氣體流速必須提高，以減少氣體遲滯風管內的時間，減少熱量損失，
因此未來施工可考慮以圓型高壓風管來配合。
濕盤管是低溫送風系統中關鍵的元件，濕盤管的選擇是否恰當將直接影響到送風溫
度､送風機/水泵耗能､盤管大小(關係設備費及空間)等。研究的結果如表三，傳統供
風溫度的空調系統中，所使用的冰水盤管(4至6排)直接使用在低溫送風系統其除濕能力
雖可以改善，但無法產生6-10℃的冷風，除非增加盤管面積或降低面速，最適當的低溫
送風系統用出風口其管排數應在8到10排之間，而盤管離風溫度不宜低於8℃以符合經
濟效益。
檢討現有之設備製造和施工技術，其實對於低溫送風的技術應用亦已然成熟，需要
注意的是在低溫送風的狀況下，各項設計考慮、施工品質管制和運轉檢測的要求應較傳
統的15℃送風系統更為嚴謹，應在設計及施工過程中隨時針對問題做好預防和處理措施
，以減少錯誤的發生。
結論
在臺灣由於都市建築可用空間非常侷限，成本很高，使得儲冰式空調系統的推廣阻力
很大，為了克服這種困難，我們力求建立一套完整的儲冰系統技術，從動態製冰機的
研發、管路的配置和儲冰槽的規劃設計等，以本地的環境狀況為目標，發展適合的系統
，目前技術研發已有初步的成就。
一套可以為業主省錢的儲冰系統，除了設備的效率要高之外，整個儲冰空調系統的
整合管理也很重要，如何最有效的將動態製冰機與儲冰槽的冷能搭配應用，牽涉到管路
的配置､送碎冰裝置､空調箱､風管及整合性的智慧控制等。工研院能資所正在建立一
套套裝式儲冰空調系統，除未來可作為展示觀摩之外，更可以對這些技術項目作一更深
入的研究，可以使推廣工作更加順利。
。