儲冷裝置種類、特性及各種比較
依據AHRI Standard 901分類
儲冷裝置分類我們可以參考美國冷凍空調學會(Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute, AHRI)所發行的AHRI Standard 901 Standard for Performance Rating of Thermal Storage Equipment Used for Cooling (儲冷設備性能評定標準)；或Guideline-T Guideline for Specifying the Performance of Cool Thermal Storage Equipment (儲冷設備確定性能指引)，表-1、熱儲存設備分類 (Table-1、Classification of Thermal Storage Equipment)。
設備分為溫度變化的顯熱儲存及相變化的潛熱儲存，顯熱有冰水式；潛熱有內、外融冰冰盤管式 、封裝冰或相變材質及單元機型式，各形式之儲存介質、儲冷流體及釋冷流體，請參閱下表。目前市場是以冰盤管式較常見，但常以各家產品特性或功能會有不同的稱呼，後面我們再說明。常見的儲冷工作介質為冰、水及相變材質，其各有特性及應用範圍，我們也整理比較及說明其優缺點供參考！
熱儲存設備分類 (Classification of Thermal Storage Equipment)
Source： “AHRI Standard 901 (SI) Performance Rating of Thermal Storage Equipment Used for Cooling - 2014”, AHRI
各種儲冷介質比較
註1、資料參考寶加國際公司之相變蓄熱能板BocaPCM-TES-PANEL-V38數據。
註2、相變材依配方組成可有多種儲存溫度，所示儲存溫度為空調系統所常見。
註3、計算以冰潛熱完全溶解，冰水溫升5℃來作計算，不考慮融冰效率。
依據市場產品特性或功能分類
儲冰裝置分類可以融冰方式與儲冰方式來作區分。以融冰方式來說，可分為內融冰儲冰裝置與外融冰儲冰裝置，主要是以在融冰階段冰層是由內部開始融解或是由冰層外部開始融解來作區分，其相關解釋說明可參閱儲冰系統分類。 另外分類方式是以儲冰方式，如下圖所示，主要分為動態儲冰與靜態儲冰。所謂動態儲冰裝置，就是儲冰過程中製冰區域與儲冰區域是分離的，儲冷介質是會移動的，如冰晶式或製冰滑落式，冰晶或冰片生成後會掉入儲槽中。另一種為靜態儲冰裝置，在儲冰過程中，其儲冷介質是固定不動的，如冰盤管式、封裝式或完全凍結式，冰層是在管外或球內逐漸生成而未移動。
目前市面上較常使用的是採用內融冰方式之冰盤管式或全凍結式儲冰裝置，因為其造價相對較便宜，設計、使用維護都較簡單，系統也不容易失敗，因此目前是市場之主流產品。下面就幾樣常見儲冷裝置作說明：
封裝式 (Encapsulated) - 以冰球為例
冰球為封裝式(encapsulated)儲冰裝置的一種，所謂冰球式就是在球型容器(也有平板式)內裝填水及成核劑以作為儲冷介質。冰球可放置於閥基或是各種密閉容器內部，球體間需預留鹵水流動之空間。儲冰時，來自鹵水機的低溫鹵水流經冰球外部使球內部水由外向內凍結成冰儲存冷能；溶冰時，從板式熱交換器來的較高溫鹵水流經冰球外部，由外而內融化釋冷提供空調需求。
◆優點：
(1)冰球生產與系統施工較為簡單、快速
(2)儲冰槽體較不受空間限制，尤其適用於筏基槽。
◆缺點：
(1)因長期儲融冰內應力變化而易老化變形，最終可能導致破裂產生洩漏。
(2)因為冰球結冰厚度較大，所以製冰溫度較低耗電量也增加。
(3)鹵水流經冰球外部不易均勻穩定，所以儲融冰的均勻性不易控制。
(4)乙二醇溶液用量大，價格較高也容易產生環境污染。
另一種為優態鹽式(eutectic)，優態鹽是一種由無機鹽（Inorganic Salts）及硫酸鈉無化合物（Sodium Sulfate Decahydrate）為主要成份，以及水和添加劑調配而成的混合物，充注在高密度聚乙烯板式容器內。具較高之結凍溫度，可使用一般冰水機進行凍結。
◆優點：
(1)較高的相變溫度，一般冰水機即可進行儲冷，且效率較佳。
(2)可安裝於任何形狀之桶槽或筏基，安裝彈性相對較高。
◆缺點：
(1)儲冷溫度較高，所以供水溫度也較高，可能影響舒適度。
(2)各廠商之特殊成分及專利產品，所以初置成本較高。
(3)相變材質會有老化現象，影響未來儲冷容量。
戶外冰球式儲冰槽
相變材質儲冷板片
冰盤管式 (Ice-on-Coil)
冰盤管式(ice-on-coil)儲冰盤管就是以低於0℃溫度的工作流體循環於盤管內部，將盤管外周圍的水逐漸凍結成冰來儲存潛熱冷能；依不同系統設計需求，常使用之工作流體有冷媒(如R-134a冷媒)，即直膨冰盤管式儲冰盤管；或是採重量濃度26±1%之乙烯乙二醇溶液(ethylene glycol-water)；或是重量濃度28±1%之丙烯丙二醇(propylene glycol-water)溶液等不凍液，即為鹵水冰盤管式儲冰盤管。
如果鹵水式儲冰盤管設計於儲冰完成時，其相間隔盤管之冰層最後有近似完全搭接，也就是盤管間的水幾乎完全凍結者，在市場上又另稱為全凍結式儲冰盤管。直膨冰盤管式使用於外融冰儲冰系統，而鹵水冰盤管式可設計成外融冰或內融冰或是內外同時融冰的系統，但全凍結式因為盤管間沒有足夠空間通過水流，所以只能設計成內融冰系統。
直膨冰盤管式 (Ice-on-Coil by DX)
此種儲冷方式基本係以一組冷凝機組( Condensing Unit )作為製冷設備，而以一金屬盤管作為儲冷設備，使用中 ，冷媒在冷凝機組與金屬盤管之間流通，而使盤管熱交換器表面結冰40mm~80mm。在空調過程中，由空調負荷(空調箱等設備)回流的溫水進入儲冰槽，將盤管表面結的冰融化，成為冰水，在被抽取到空調負荷端使用，構成一個循環。此種儲冷方式乃直接將冷凍工業發展出而應用多年的乳品冷卻器修改而成，基本上仍為一種需要較多冷媒技術的冷凍系統，其優缺點為：
直膨銅管冰盤管式
◆優點：
(1)系統較簡單，任何具備經驗之冷凍設備製造廠皆可生產製造。
(2)採外融冰，較高溫回水與冰直接接觸，可在短時間內輸出大量低溫(1℃)冰水。
◆缺點：
(1)結冰層較厚，製冰時冷媒蒸發溫度較低，因此製冰機組耗電率( kW/RT )較高。
(2)冰層未完全融化而需要再製冰時，由於冰層增加熱阻抗，所以製冷設備將增加耗電量。
(3)儲冰槽內部需保留水流通道與空間而加大管間距，使儲冰槽體積變大，較佔機房空間。
(4)較大的槽體體積，且採用銅管或鋼管，所以造價較高。
(5)系統中需使用大量冷媒，如果冷媒洩漏可能有安全與維護成本上的問題。
(6)維護保養工作多、費用高，並且與一般空調設備保養工作不同，需由冷凍專業人員處理。
鹵水冰盤管式 (Ice-on-Coil by Brine) - 非完全凍結式
鹵水冰盤管儲冷方式係以鹵水機組( glycol chiller unit )作為製冷設備，可採用PE塑料盤管或是金屬盤管作為儲冷盤管。儲冰時鹵水機出水溫度降到冰點溫度以下，低溫鹵水循環於鹵冰機與盤管間，流過盤管時就把盤管外的水凍成冰儲存冷能，PE塑料盤管表面結冰厚度約12~18mm；金屬盤管表面結冰厚度約23~30mm，結冰厚度會依各廠家設計條件不同而有所差異。
融冰時，高溫鹵水循環於板熱是熱交換器與盤管間，由空調負荷端回流的溫水透過板熱將熱量傳遞給高溫滷水，鹵水再進入儲冰槽流過盤管而把盤管外的冰融化，此時高溫鹵水溫度下降低於冰水溫度，再循環至板熱將高溫冰水降溫送至末端提供空調而構成一循環。在整個儲冰與融冰過程中，儲冰槽內部的水都靜止不動，僅只藉由盤管內部鹵水溫度的變化而進行儲、融冰。此種儲冷方式的優缺點為：
PE塑料鹵水儲冰盤管
◆優點：
(1)容易與一般空調設計結合，設計與使用皆方便，系統也不容易失敗。
(2)採用滷水機組，冷媒量較少且管路短也不易洩漏。
(3)儲冰槽中盤管外的水可以大部分凍結成冰，儲冰槽的體積較小。
(4)由盤管表面開始融冰(內融冰)，若冰未用完而需再儲冰，熱傳效果較好。
(5)維護保養工作較簡易與一般空調系統相差不大。
◆缺點：
(1)採用鹵水為二次冷媒進行儲融冰，需增加熱傳面積來補償熱傳損失。
(2)採內融冰時在短時間內不能輸出大量低溫冰水，適合空調使用但比較不適合製程用。
(3)採外融冰設計時，冰層較厚且未完全融化而需要再製冰時，鹵水機將增加耗電量。
(4)冰層設計較厚時(>15mm)；則製冰後期鹵水機需以較低溫或是卸載運轉，如控制不佳則可能產生儲不滿或過量儲冰的問題
金屬鹵水儲冰盤管
全凍結式( Total Freeze-up )
全凍結式為鹵水冰盤式的一中，此種儲冷方式也是以鹵水機組(glycol chiller unit)作為製冷設備，而以塑料盤管作為結冰裝置。全凍結式是名詞常令人誤解此種儲冰槽儲冰完成後，儲冰槽裡面的水完全結成冰，其實這是錯誤的觀念，儲冰槽內的水是不應該完全凍結成冰，否則儲冰槽就會有損壞或萬年冰的問題。所謂全凍結式的意思只是儲冰槽內盤管四周的水幾乎凍結成冰，而非整槽的水要凍結成冰。其優缺點與鹵水冰盤管式差不多，但另有特別之優缺點如下：
◆優點：
(1)槽體體積較小，儲冰槽成本可以降低。
(2)可以廠內規格化生產且易於運輸而降低成本。
◆缺點：
(1)只能設計成圓形小槽體，不利於縮減儲冰槽機房空間。
(2)槽數較多且採用全凍結，將常發生萬年冰或儲、融冰不平衡而影響供冷量的問題。
(3)如果儲冰控制不佳，容易產生過量儲冰造成槽體變形甚至是損壞。
全凍結式儲冰槽
各種儲冷系統比較(摘錄)
Source: “ASHRAE Design Guide for Cool Thermal Storage, Second Edition” , Jason Glazer, ASHRAE 2019