制冷系统中蓄冷技术的研究应用--本科毕业论文.docx

武汉工程大学本科毕业（设计）论文摘 要随着国民经济的日益发展，国民的生活条件也日益改善。空调也已经走进了千家万户。空调的广泛使用大大提高了国民的生活水平，但是也引发了一系列的能源问题。众所周知，空调的使用时间一般都是在冷负荷较大的时间段，且空调的耗电量大，因此造成了电网系统负荷不均匀的局面。具体来说，就是在白天用电高峰期时电网电力不足，造成部分地区拉闸限电；而在晚上处于用电低谷期时，电网的电力过剩，造成了大量的能源浪费。在这种情况下，蓄冷技术应运而生。顾名思义，蓄冷技术就是蓄存冷量的技术。具体来说，就是利用用电低谷期的电量制取冷量储存在某些物质中，在用电高峰期时取出这些冷量以满足空调负荷。因此它使冷量的生产和使用在时间上相互分离，大大降低了电网负担，减少了能量的浪费，也为用户创造了可观的经济效益。本文阐述了蓄冷技术的原理、特点以及分类等，介绍了当前蓄冷技术的发展现状，分析了蓄冷技术的发展前景以及未来的发展方向。并为一栋办公楼设计了一套简单的蓄冷系统。关键词：蓄冷技术；空调系统；节能技术AbstractWith the development of the national economy, peoples living conditions have improved a lot. Air conditioning has also entered peoples homes. The widespread use of air conditioners has greatly improved the living standards of nationals, but in other side, it has also caused a series of energy problems. As we know, people usually use air conditioning when they feel hot. And the power consumption of air conditioning is very high. So it cause the load of electric network out-off-balance. Specifically speaking, at daytime, the electricity is lack; at night, the electricity is surplus. In this situation, the cold storage technology has appeared.As the name suggests, the cold storage technology is a technology that store cold. Specifically speaking, Is the use of electricity in electricity production of cold energy is stored in certain substances, takes those in peak cooling capacity to meet the cooling load. So it makes the cooling capacity of the production and use of separated in time, greatly reduce the burden on the network, reducing the waste of energy, and brings about considerable economic benefits for the user. This article focuses on the principles, characteristics and classification of cold storage technology, describes the current status of storage technology, analysis of cool storage technology development prospects and development direction in the future. And an office building design of a simple storage system. Keywords: cold storage technology; air conditioning; energy saving technology.目 录摘 要IAbstractII第一章 文献综述11.1 蓄冷技术在我国发展的社会背景11.1.1 当前我国所面临的能源问题11.1.2 蓄冷技术在当前能源形势下的前景11.1.3 蓄冷技术的意义21.2 蓄冷技术简介21.2.1 蓄冷技术的历史21.2.2 什么是蓄冷技术21.2.3 蓄冷技术的特点41.2.4 蓄冷系统中的蓄冷介质（蓄冷剂）51.3 蓄冷系统分类71.3.1 水蓄冷系统71.3.2 冰蓄冷系统91.3.3 共晶盐蓄冷系统121.3.4 气体水合物蓄冷系统131.4 蓄冷技术的发展与研究131.4.1 蓄冷技术的发展阶段131.4.2 蓄冷技术的发展特点141.4.3 我国蓄冷技术发展现状141.4.4 蓄冷技术发展趋势151.5 本文工作15第二章 蓄冷技术研究及应用162.1 项目名称162.2 建筑资料162.3 典型设计日空调负荷172.4 蓄冷装置形式182.4.1 水蓄冷系统192.4.2 内融冰蓄冷系统192.4.3 封装冰蓄冷系统192.4.4 共晶盐蓄冷系统202.4.5 外融冰蓄冷系统202.4.6 滑落式冰蓄冷系统202.5 蓄冷系统模式202.5.1 蓄冷系统工作模式202.5.2 蓄冷系统蓄冷模式212.5.3 蓄冷系统运行策略222.5.4 蓄冷系统系统流程222.6 设备的确定242.6.1 制冷主机确定242.6.2 蓄冷设备确定242.7 系统运行情况252.8 设备选型262.8.1 制冷主机的选择262.8.2 蓄冷设备的选择282.8.3 冷冻水泵的选择292.8.4 冷却水泵的选择292.8.5 冷却塔的选择292.9 系统流程设计29第三章 蓄冷系统的经济性分析313.1什么是蓄冷系统经济分析313.2 蓄冷系统经济性分析方法313.3 影响蓄冷系统经济性的主要因素323.3.1 系统运行策略323.3.2 当地电价政策323.4 结论32参考文献33致 谢3535武汉工程大学本科毕业（设计）论文第一章 文献综述1.1 蓄冷技术在我国发展的社会背景1.1.1 当前我国所面临的能源问题改革开放以来，随着我国综合国力的不断增强，国民的生活水平也大幅提高。作为国民经济的支柱产业，能源工业也取得了长足的发展。但是仍然无法满足国民经济发展的需要，能源短缺问题已经成为了阻碍经济发展的主要因素。为了解决能源短缺问题，主要可以从两个方面着手：一是开发可再生能源（如风能、太阳能、地热能、潮汐能、核能等），但是这些技术目前还不甚成熟，距离大规模应用还需要一段时间；二是节约使用现有的能源。相对于西方发达国家，我国的能源利用率处于很低的水平，换一句话来说，我国在能源利用的中间环节（加工、转运和储存）上损失严重，造成了很大的能源浪费。我国在能源利用效率上与西方发达国家的差距表明，我国的节能潜力是十分巨大的。经济的发展带来的另一个问题就是能源的供给和需求在时间和数量上不能达到很好的平衡，导致电力系统峰谷差异达到了很严重的程度。具体来说表现如下1：1）电网系统的负荷变化剧烈，也即峰谷负荷差异大，造成用电高峰期电力不足，用电低谷期电力过剩的局面。由于高峰期电力供应不足，因此导致部分地区拉闸限电；2）由于用电高峰期用电量激增，因此导致电网系统无法适应这种变化，造成有电送不进、配不下的局面。特别当遇到峰谷差异极大的情况时，电网的压力尤其大，导致电网设备经常超负荷运行2。1.1.2 蓄冷技术在当前能源形势下的前景为了缓解这种情况，近几年来，国家和地方有关部门陆续地制定出了一系列的鼓励“移峰填谷”的政策和措施，发布了建筑节能规范。最主要的政策便是峰谷分时电价政策的实施，使低谷电价远远低于高峰电价。相关的科研机构也将蓄冷节能技术列为重点的研究方向。国际和国内的一些科研单位、高校和相关企业单位也正在进行蓄冷技术的研究，并取得了可喜的成果。因此在目前的能源形势下，蓄冷技术的前景极其广阔。1.1.3 蓄冷技术的意义由于如今能源问题日益严重，电力供需在时间上十分不平衡，造成了一系列的社会问题，蓄冷技术的出现无疑是雪中送炭。它不仅解决了电力供需矛盾，而且也符合我国所提倡的节约型社会理念。因此，说蓄冷技术的出现为社会带来了巨大的贡献是毫不为过的3。1.2 蓄冷技术简介1.2.1 蓄冷技术的历史人类很早以前就发明了蓄冷技术并将其应用到生产和生活中。人类最早是将冬季的自然冰雪储存于地底或其他地方，以方便夏季来临时取用。这在世界上的很多古代文献上都有记载。如周礼中记载有“凌人夏颁冰掌事”的典故；再如诗经云：凿冰冲冲、纳于凌阴。这说明我国人民早在周代就发现了自然冰的蓄冷作用，并懂得加以利用以供在炎热的夏季避暑。这就是蓄冷技术的雏形。再往后，魏国曹植所做大暑赋中亦云：积素冰于幽馆，气飞积而为霜。意思就是把冰块贮藏在幽静的房子中，水雾飞舞以至结成了霜。说的是当时的人将冰块贮藏在屋子里，待到夏季时降温的事情。这说明当时的人已经懂得蓄冰并将其作空调用了。这是历史上记载最早的蓄冷空调4。1.2.2 什么是蓄冷技术所谓蓄冷，顾名思义，就是蓄存冷量。蓄冷技术就是蓄存冷量并运用冷量的一种技术。当处在用电低谷期时，启动制冷机组，并将制冷机组产生的冷量储存在蓄冷介质中；在用电高峰期时关闭制冷机组，将蓄存在工质中的冷量释放出来，满足生产和生活用冷的需求5。蓄冷技术使冷量的生产与使用在时间上相互错开以达到“移峰填谷”均衡电网负荷的目的。众所周知，许多的物质都有蓄冷的性质。这些物质的蓄冷性质往往通过温度的变化或者状态的变化得到体现。蓄冷技术利用这些物质的蓄冷特性，将用电低谷期的电力所产生的冷量以显热或潜热的形式储存在水、冰、共晶盐溶液、气体水合物或其他蓄冷物质中。当需要使用这些冷量的时候，将储存在这些蓄冷工质中的冷量释放出来，以满足生产或生活的需要。蓄冷工质的种类很多，蓄存这些蓄冷工质的容器称为蓄冷设备。蓄冷设备的种类和形式各异，可能是一个装满冰的蓄冰槽，也可能是一个结冰的盘管，还有可能是内盛冰水的小冰球。一套完整的蓄冷系统由许多部分组成，通常来说，主要包含制冷设备、蓄冷设备、连接管路以及控制系统。这些部分构成了一个简单的蓄冷系统。蓄冷系统的原理图如下图1-1所示。图1-1蓄冷空调系统原理图4从图1-1所示，相比于常规的制冷系统，蓄冷系统在成规的制冷系统的供冷循环中增加了一个与蒸发器和空调换热器并联的蓄冷槽，并且还增加了一些设备，主要是增加了一个水泵和两个阀门。其工作机理可表述如下：1）常规供冷循环。顾名思义，此时蓄冷设备不工作，阀门1处于开启状态，阀门2处于关闭状态，水泵1和水泵2处于开启状态。此时所需的冷量是由制冷主机提供的；2）蓄冷循环。此时空调换热器处于停止状态，阀门1处于关闭状态，阀门2处于开启状态，水泵1处于开启状态，水泵2处于关闭状态，此时制冷机组将制造的冷量储存在蓄冷设备中；3）联合供冷循环。此时制冷机组和蓄冷设备共同向空调换热器供应冷量，阀门1和阀门2都处于开启状态，水泵1和水泵2也都处于开启状态。因进行这个过程时，蓄冷设备只是起到辅助供冷的作用，故此循环又称为部分蓄冷循环。4）单蓄冷供冷循环。一般用于用电高峰期，此时制冷机组处于停止运行状态，水泵1处于停止运行状态，水泵2处于开启状态，阀门1和阀门2都处于开启状态。这时空调所需的冷量全部由蓄冷槽所提供，因此，这种供冷循环又称为全量蓄冷循环。1.2.3 蓄冷技术的特点蓄冷技术的特点可以归纳为如下几点6：1）与常规系统相比，蓄冷系统的制冷机组比较小，一般可减少20%至50%左右。因为制冷容量减小的缘故，相应的动力设备如冷却塔、水泵等的容量也相应减少，相应输配电设备如输电线、开关、变压器的配置也会降低。所以相应的电力费用和安装费用也降低了；2）蓄冷系统可以达到移峰填谷的目的，可以转移用电高峰期的用电负荷。制冷机组夜间运行以蓄存冷量，而在用电高峰期关闭制冷机组，依靠蓄存的冷量供冷。缓解了对电网造成的冲击；3）配合国家和地方有关部门实施的峰谷分时电价政策，相比于常规系统而言，蓄冷系统的运行费用较低，且峰谷分时电价差越大，使用低谷电的比例越高，节省的运行费用越低；4）由于增加了蓄冷设备的原因，导致蓄冷系统的首次投资费用较高，成本回收周期略长；5）蓄冷系统的制冷设备满负荷、高效运行比例增大，状态稳定，减少了故障出现的机会。因此提高了设备的利用率，延长了设备的使用寿命；6）蓄冷空调并不一定能节约用电，它只是在用电低谷期蓄冷，在用电高峰期放冷。利用的是峰谷电价差来节约用电费用；7）采用蓄冷设备后，系统可以连续不间断地运行，避免了因为频繁的间歇运行而造成的能量浪费；8）采用蓄冷设备的系统的冷冻水温度可以达到很低的温度。一般而言，冷冻水的温度可降至14，可实现大温差送风。因此可减少送风量和冷冻水流量，降低了风系统和水系统的建造成本；9）蓄冷系统可作为应急冷源。由于蓄冷设备有一定的冷量储备，当遇到突发情况如拉闸限电时，只需要用小型发电机驱动风机和水泵，即可保证蓄冷系统的运行以达到供冷的目的，降低了系统对市电的依赖性，提高了系统的可靠性；10）有些蓄冷设备既可以在夏天蓄冷，也能在冬天蓄热。如水蓄冷系统。因此它的应用范围十分广泛；11）由于蓄冷系统相比于常规系统增加了蓄冷设备以及相关管路系统和动力设备，因此为设计施工增加了一定的难度。1.2.4 蓄冷系统中的蓄冷介质（蓄冷剂）1.2.4.1 选择蓄冷剂的原则一般来说，选择蓄冷剂的原则有以下几条：1）温度。蓄冷剂的蓄冷形式主要有两种：显热蓄冷和潜热蓄冷。通常地，显热型蓄冷剂的温度应低于制冷系统的回水温度（一般为12左右）；潜热型蓄冷剂的相转化温度应介于制冷系统回水温度和蒸发温度之间，同时应留出蓄冷剂的相转化温差（一般为12）。相变蓄冷剂也需要注意过冷问题。蓄冷剂的温度范围如下图1-2所示。图1-2 蓄冷剂温度范围图2）热物性条件。主要反映在如下方面：一是单位容积蓄冷量，即蓄冷密度要足够大；二是传热性能，即导热率要大；三是热稳定性要好；四是热膨胀性能要小，即体积不会因温度变化而发生明显的改变。常见的蓄冷剂的热物性参数如下表1-1所示。表1-1 常见蓄冷剂的热物性参数名称性质熔点过冷度熔解热kJ/kg比热容kJ/(kg*)热导率W/(m*)密度Kg/m3水4.200.60999.98冰061334.42.02.2917共晶盐T415125.60.50.6共晶盐T478.395.514903）经济性。选用蓄冷剂时应考虑其经济性，要求采用来源广泛且价格低廉的材料。4）环境友好性。要求采用无毒、无腐蚀性、对环境无污染的材料7。1.2.4.2 常见蓄冷剂简介在生活中常用的蓄冷剂种类有很多。主要包括水、冰、共晶盐和气体水合物等。其中水和冰虽然都是用水，但是原理是不同的。具体来说，前者蓄冷和放冷过程中不发生相变，使用温度在0以上；而后者蓄冷和放冷过程中伴随着相变，由于存在相变潜热，因此相对水来说，采用冰作为蓄冷剂时，蓄冷效果会更好。共晶盐也是一种良好的蓄冷剂，其英文名称为Eutectic，因此又可音译为“优态盐”，共晶盐是由无机盐、水、稳定剂和成核剂组成的混合物。而气体水合物是指制冷剂与水形成的混合物在512的条件下形成的物质，相比于冰，其蓄冷能力更强，因此被认为是最理想的蓄冷剂。常用的蓄冷剂的蓄冷特性见下表1-2所示6。表1-2 常见蓄冷剂的性质比较4类型性质水冰低温共融体共晶盐气体水合物蓄冷方式显热潜热潜热潜热相转化温度/051289蓄冷量/(kJ/kg)20.9384270465951.3 蓄冷系统分类蓄冷系统的种类很多，各自采用的蓄冷方法也不相同，因此采用的蓄冷设备和蓄冷介质也各不相同。按蓄冷介质的不同大致可分为冰蓄冷系统、水蓄冷系统，气体水合物蓄冷系统和共晶盐蓄冷系统8。顾名思义, 水蓄冷系统以水作为蓄冷介质，冰蓄冷系统的蓄冷介质以冰为主, 气体水合物蓄冷系统的蓄冷剂为气体水合物，而共晶盐蓄冷系统主要利用共晶盐的相变潜热进行蓄冷。以下对这几种系统进行简要介绍。1.3.1 水蓄冷系统顾名思义，水蓄冷系统中的蓄冷剂是水。水蓄冷系统是一种重要的空调蓄冷系统。水蓄冷系统可利用水池中的水作为蓄冷介质，在用电低谷期时，用普通冷水机组制取25的冷水蓄存于蓄冷装置中；在用电高峰期时，关闭或降低制冷机组功率，取用冷水的冷量以达到供冷的作用。一般来说，水蓄冷系统蓄冷设备主要有以下四种类型：自然分层蓄冷、复合贮槽蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷。其中自然分层蓄冷系统由于结构简单，蓄冷效率较高、经济效益好，因此目前的应用最为广泛。自然分层蓄冷利用水的物理特性（水的密度与温度相关，水温大于4时，温度升高密度减小，在04范围内，温度升高密度增大，3.98时水的密度最大），使温度为1018的热水聚集在蓄冷槽上部，4-6的冷水聚集在蓄冷槽下部，实现冷水与热水的自然分层。水的密度随温度变化的曲线图如下图1-3所示。图1-3 水的密度与温度的关系概括地讲，水蓄冷技术具有以下特点：1）适用范围广。相比其他蓄冷系统，水蓄冷系统可使用常规的冷水机组，因此可以降低初期投资。2）适用于常规制冷系统的扩容改造，无需增加制冷机组容量。3）可以就地取材，可利用现有的蓄水设施或建筑物地下水池等作为蓄冷容器，可降低初投资。4）可实现蓄热和蓄冷双重用途。5）技术要求低，维修方便，无需特殊技术培训。6）水蓄冷方式是一种较为经济且储冷量较大的一种蓄冷方式。蓄冷罐体积越大，单位蓄冷量投资越低。蓄冷量大于7000kW/h或蓄冷容积大于760m3时，以水蓄冷为经济9。1.3.2 冰蓄冷系统根据制冰方式的不同，冰蓄冷系统也可以分为许多类型。具体类型如下图1-4所示。图1-4 冰蓄冷系统分类10冰蓄冷系统按照制冰方式的不同主要可分为两大类：静态制冰和动态制冰。静态制冰系统因为结构简单，现是冰蓄冷系统的主流。动态制冰应用较多的有冰盘管式蓄冷系统和冰球式蓄冷系统。以下简要介绍几种常见的冰蓄冷系统11。1）冰盘管式蓄冷系统冰盘管式蓄冷按照融冰方式的不同可分为内融冰式冰盘管蓄冷系统和外融冰式冰盘管蓄冷系统两种。内融冰式冰盘管蓄冷系统在管外结冰，其盘管浸于装满水的蓄冷槽中。蓄冷时，制冷剂或乙二醇水溶液在盘管内流动，逐渐将盘管外的水冷却至结冰。融冰时，温度较高的空调回水流经盘管内部，使盘管外表面的冰逐渐由内而外融化，将载冷剂冷却至所需温度。外融冰式冰盘管蓄冷系统则相反，在管内结冰，载冷剂在管外流动。按照盘管形状的不同，冰盘管式蓄冷系统可分为三种，即蛇形盘管、圆筒形盘管和立式U形盘管。蛇形盘管蓄冷装置主要产品为美国BAC公司生产的产品。通常来说，该装置以浓度为25%的乙烯乙二醇水溶液作为载冷剂。蓄冷时，载冷剂进液温度一般为-5-6，释冷时载冷剂出液温度一般为01。圆筒形盘管蓄冷装置主要有美国高美公司和顿汉布什公司的产品。在圆筒形盘管蓄冷装置中，载冷剂的流动方式为逆向流动，众所周知，在热对流过程中，逆流的传热效率要高于顺流的传热效率，因此采用这种蓄冷装置时，由于传热效率升高，因此蓄冷槽内的温度分布相对来说更加均匀，并且蓄冷时，蓄冷槽内的水可以完全冻结成冰，因此，圆筒形盘管蓄冷装置又称为完全冻结式蓄冷装置。U形盘管蓄冷装置主要有美国华富可公司生产的各类产品。92）完全冻结式蓄冷系统在完全冻结式蓄冷系统中，蓄冷时冷水机组制取的低温载冷剂流经蓄冷槽中的盘管，吸收管外水的热量，使管外的水逐渐结冰。一般来说，结冰率可以达到90%甚至以上；释冷时，来自空调符合端的高温空调回水流经蓄冷槽内的盘管，放出热量，使蓄冷槽内的冰由内而外融化，这样一来，空调回水的温度下降到所需温度，可供用户使用。由描述可知，完全冻结式蓄冷系统使用的蓄冷槽为内融冰式，盘管外的结冰和融冰过程比较平缓，因此盘管无冻坏的危险。这种方式的制冰率最高，可使蓄冷槽内90%以上的水冻结成冰。生产这种蓄冰设备的厂家较多。3）封装冰蓄冷系统顾名思义，封装冰蓄冷系统的蓄冷介质是封装在封闭的容器中的。按容器形状来分，一般有球形、板形和表面有多出凹窝的椭球形容器。冰球按形状来分又可分为圆形冰球，表面有多处凹窝冰球和锯齿形冰球。充注在容器内的蓄冷介质一般是水或者凝固热较高的溶液。在冰球式蓄冷装置中，冰球沉浸在充满25%乙二醇水溶液的蓄冷槽内，当乙二醇水溶液的温度低于冰球内液体的冰点温度时，乙二醇水溶液吸收冰球热量，此时处于蓄冷过程；反之，当乙二醇水溶液的温度高于冰球内液体的冰点温度时，冰球吸收乙二醇水溶液的热量，此时处于释冷过程。一般来说，这种蓄冷系统的蓄冷温度为-6-3，释冷温度为13。冰球结构图见下图1-5所示。图1-5 冰球蓄冷系统中冰球的结构4）滑落式冰蓄冷系统滑落式冰蓄冷系统一般由蓄冷槽和位于蓄冷槽上方的平行板状蒸发器组成。在该系统中，循环水泵不断将蓄冰槽中的水从蒸发器的上方喷洒于温度较低的平行板状蒸发器表面，在其表面结成一层薄冰，待冰达到一定厚度时，制冰设备中的四通阀切换，原来的蒸发器变成冷凝器，附着在平行板上的冰片由于受热而脱落划入下方的蓄冷槽内。两种过程交替往复进行。在这种蓄冷系统中，系统的制冰率较低，一般为40-50%，因此不适合用于大、中型系统。该系统的蓄冷温度一般为-9-4，释冷温度一般为12。生产这种蓄冷装置的厂家主要有美国的Turbo.Morris公司和PaulMueller公司。其系统原理见下图1-6所示。图1-6 滑落式蓄冷系统图5）冰晶式蓄冷系统该系统的工作原理是使浓度为25%的乙二醇水溶液流经低温的蒸发器表面，使其温度降为冰点温度附近，产生许多直径约为100m的细小冰晶，这些细小冰晶脱落后与25%乙二醇水溶液混合后形成一种泥浆装的物质。这种系统的制冰率较低，一般约为50%左右。其蓄冷温度一般为-3左右。冰蓄冷系统与水蓄冷系统的蓄冷原理是不同的，冰蓄冷系统中水会发生相变，因此属于潜热蓄冷。而水蓄冷系统不同，水在这个过程中不会相变，属于显热式蓄冷，故相对于冰蓄冷系统来说，水蓄冷系统的蓄冷能力较低。但与冰蓄冷相比，水蓄冷无需增加制冷机组容量，可以直接使用常规的冷水机组12。并且水蓄冷系统可以直接就地取材，利用消防水池作为蓄冷容器。因此对于附有消防水池的建筑物来说，采用水蓄冷系统可以减去蓄冷槽的建造环节，可大大节约系统初期投资13。与水蓄冷相比，冰蓄冷的优点是：蓄冷密度较高，同样容量条件下蓄冷槽体积较小，温度较稳定。故冰蓄冷的优势比较明显，它是目前空调蓄冷的主要方式，发展空间较大。1.3.3 共晶盐蓄冷系统其原理类似于冰蓄冷，采用相变材料作为蓄冷剂，但相对于冰蓄冷系统来说，这种材料的相变温度较高，一般为58。故其制冷主机及蓄冷装置与水蓄冷系统相似。共晶盐一般是由无机盐、水、成核剂以及稳定剂组成的混合物。这种系统的容器一般为高密度聚乙烯板式容器，相变温度一般设为36。采用的制冷机组与水蓄冷系统相似，可采用普通的冷水机组。这种系统的优点是其运行效率较高，缺点是其造价较高，且蓄冷密度较低，蓄冷槽体积较大，是冰槽的23倍，重量也大，是冰槽的34倍。共晶盐的相变次数是有限的，一般为20004000次，因此其使用寿命较短。由于共晶盐理论上可以在任何温度下进行相变，因此其适用性非常广泛。但实际上由于某些技术原因，针对空调系统的共晶盐蓄冷系统并不多见。尽管如此，随着技术的进步，高温相变材料的蓄冷式中央空调系统也是值得重视的。91.3.4 气体水合物蓄冷系统气体水合物蓄冷在上世纪80年代由美国橡树岭国家实验室开始研究，以R11、R12为蓄冷介质。在特定温度和压力下，水合物能在外来气体分子周围形成坚实包络状结晶体,在水合物结晶时释放出相当于固体相变热14。大多数制冷剂气体与水相作用时能在512条件下形成气体水合物,而且结晶相变热较大(单位容积相变热大于冰),因此气体水合物被认为是理想的空调蓄冷介质15。气体水合蓄冷系统的蓄冷温度与空调工况十分接近，蓄冷密度高，且热传递效率高，因此是一种新兴的空调蓄冷技术。低压系统的造价大大低于共晶盐式,因此非常有吸引力。各种蓄冷系统的性能比较见下表1-3所示。可以看出，气体水合物蓄冷系统的优势十分明显。表1-3 各种蓄冷系统的性能比较蓄冷方式水蓄冷冰蓄冷冰/水蓄冷共晶盐蓄冷气体水合物蓄冷槽尺寸810101230.891.0蓄冷温度0700812512机组效率10.60.70.60.70.920.950.981.0热交换性能好一般好差好冷量损失一般大大小小不冻液需否否是否否否泵风机能耗10.70.70.91.051.0投资00.611.31.81.32.01.21.51.4 蓄冷技术的发展与研究1.4.1 蓄冷技术的发展阶段蓄冷技术在空调领域的应用，从世界范围来看，大致经历了四个阶段16。1）20世纪30-60年代，主要以削减空调设备装机容量为主要目标；2）20世纪 70-80 年代，主要利用蓄冷技术达到“移峰填谷”的目的； 3）20世纪8090年代，主要利用蓄冷技术提供的“高品位冷能”；4）20世纪90年代至今，主要以环保、节能、性价比为主要发展方向17。 1.4.2 蓄冷技术的发展特点实际用于工程项目的冰蓄冷空调系统越来越多。综合起来有以下几个特点18。1）发展速度快就拿日本为例,在1990年，日本全国只有200个左右的冰蓄冷空调系统，而到了1999年,已经有超过7000个冰蓄冷系统的数量已经超过7000个，如把水蓄冷空调计入在内，则数量已达9400个。2）形成区域性蓄冷和供冷蓄冷空调系统发展迅速,规模愈未愈大,形成了区域性蓄冷和供冷系统。如美国芝加哥市的一个冰蓄冷系统,蓄冰槽宽35m,长28m,高10m,共分6层设置,容积达9800m3.采用美国BAC公司的冰盘管式,管子总长达700多km,蓄冷能力125000 RTh,移峰能力29762kW(按6h高峰用电 )。3）多方投资 ,多方受益国际上一些发达国家的蓄冷空调系统 ,或区域性蓄冷装置 ,一般都由当地政府、电力部门、投资方、设备生产商共同投资。这样可使多方得益 ,如电力部门可把低谷电卖出去 ,减少政府对新建电厂的投资 ,减小环境污染 ,合理充分利用能源 ,使电厂能在高效率条件下运行,其他投资商还可以从中得到投资后的回报。1.4.3 我国蓄冷技术发展现状我国从上世纪90年代处就未雨绸缪，着手了一系列蓄冷系统的建设，截至目前为止，我国已有21个省市建造了蓄冷系统，运行和在建的制冷系统数量已经达到了400个，蓄冷系统数量最多的依次为浙江省（63）、北京市（61）、江苏省（48）、山东省（27）和上海市（26）。可以看出，蓄冷技术在我国的发展十分迅猛19。1.4.4 蓄冷技术发展趋势蓄冷技术是移峰填谷的一种有效的方法，有利于提高电网负荷率和稳定性。但是现有的蓄冷技术仍然无法适应社会的发展，因此，将来制冷技术的发展趋势主要有以下几点。1）建立区域性蓄冷空调供冷站。类似于集中供暖，用户用低温冷冻水进行空气调节就像取用自来水、煤气一样方便。不仅节约了大量的运行费用，而且减少了因电力消耗造成的能量浪费和环境污染。2）与冰蓄冷相结合的低温送风系统。低温送风系统冷冻水温差可以在十度至十六度之间，送风的温差在十三度至二十度之间，水温差在五度，送风差在十度，相对于常规空调来说，系统的循环水量和风量整体减少，相对投入设备的各种相关费用都会减少，例如机房面积、电力需求、维修更换等。同时，低温送风系统的去湿能力强，改善空气品质的同时抑制细菌生长，提升室内舒适度20。3）开发新型蓄冷空调机组。现今大部分建筑物所用的空调为柜机和分体机，因此有必要研发新型的蓄冷空调机组。4）开发新型蓄冷技术。现有蓄冷技术如水蓄冷、冰蓄冷等存在一定的缺陷。因此开发新型蓄冷技术势在必行。主要研究方向有直接接触式冰蓄冷技术、气体水合物蓄冷技术、过冷水蓄冷技术等。211.5 本文工作 主要介绍了我国当前的能源形势以及面临的问题，简要介绍了蓄冷技术的历史、原理、特点以及分类等。分析了蓄冷技术的前景以及发展方向。并根据相关资料为一栋办公楼设计了一套简单的蓄冷系统。第二章 蓄冷技术研究及应用2.1 项目名称某办公大楼蓄冷空调系统设计2.2 建筑资料本建筑以办公为主要功能，建筑内设有办公室、会议室、卫生间、培训室等多种功能的房间，使用时间段为8：0018：00。空调时长10h，制冰时长12h，转换时长2h。具体建筑情况见下表所示。表2-1 建筑内各房间概况楼层房间面积 F (m2)人员密度dp （m2/人）人数N （人）第一层接待大厅220.68545商务中心43.255咖啡厅64.81.543贵宾室83.5811第二层开敞式办公室一43.259开敞式办公室二43.259开敞式办公室三64.8513开敞式办公室四43.259厂部中心83.5517第三层展厅和展廊126.962.558会议室一43.21.528会议室二64.81.543会议室三83.51.558第四层公司分部一43.259休息廊31.2318公司分部二43.259公司分部三64.8513公司分部四43.259总部中心83.5517第五层副总经理室一43.22休息廊31.2318副总经理室二43.22开敞式办公室一43.259开敞式办公室二43.259会议室83.51.558第六层培训室一43.21.529休息廊31.2318培训室二43.21.529电教室一43.21.529电教室二43.21.543培训中心83.51.5582.3 典型设计日空调负荷由空调场所具体情况以及当地气象参数计算出的24小时逐时冷负荷应绘制成典型设计日的空调负荷图。通常来说，冷负荷的单位有千瓦时（kWh）、冷吨时（RTH）、百万焦（MJ）和千卡（kcal）。它们之间的换算关系为：1kWh=3600kJ; 1MJ=106J;1RTH(US)=3.5169kWh;1RTH(JP)=3.86116kWh;1kcal=4.1869kJ由于在我国千瓦时（kWh）的普及度比较高，因此建议采用的单位为千瓦时（kWh）此建筑物的空调逐时冷负荷如下表所示：表2-2 建筑逐时冷负荷分布表时间8-99-1010-1111-1212-1313-1414-1515-1616-1717-18冷负荷（kW）736.7810.5837.2837.2800.9765.8802.6857.1875.8860.7由上表，可绘出此建筑物逐时冷负荷分布图，见下图所示：图2-1 建筑逐时冷负荷分布图2.4 蓄冷装置形式主要是确定蓄冷装置形式和蓄冷量占日负荷的比例，它除了应遵照最佳经济性原则外，还应考虑以下一些具体因素：1）当地电价政策，如避峰期不允许制冷机组开启的时间、低谷电价时间段、峰谷电价差等；2）该建筑物是否具有可供利用进行蓄冷的条件，如较大容积的消防水池，或可利用的空间等；又如建筑物是否需要基载负荷，占总负荷量的比例如何；建筑空调负荷在日周期中变化是否剧烈等；3）蓄冷槽的体积要尽量小，占地面积应尽量节省，对于发达地区尤其如此；4）在满足蓄冷时间段的情况下，选择的蓄冷装置的蓄冷温度不宜过低。因制冷设备的蒸发温度每降低一度，对于同样的一台冷机，其制冷能力会下降2%3%；5）合理确定最佳蓄冷比例，一般建议选用蓄冷量约占30%50%的部分冷量蓄冷系统，因其经济性最佳。通常来说，采用此系统时，一般在3年之内可以收回成本。6）若条件允许的话，尽量使用低温送风系统。比如，可以将供水温度设定为4或更低。蓄冷设备的形式主要有水蓄冷系统、内融冰蓄冷系统、封装冰蓄冷系统等。以下进行简要介绍。2.4.1 水蓄冷系统水蓄冷系统结构简单，运行维护十分方便，但是缺点是要防止供水和回水的混合。且水蓄冷系统占用场地较大。适用于地下空间较大或者有消防水池的建筑物。2.4.2 内融冰蓄冷系统内融冰蓄冷装置通常由制造厂组装生产，具有故障率低，制冰率高，易于维修，乙二醇溶液在管内，不易渗漏，以及蓄冷槽体积小等优点。但由于此系统的蓄冷温度较低，且需要通过换热器供应冷量，因此换热损失较大，热效率较低。蓄冷槽可利用钢板、玻璃钢或者钢筋混凝土制作，也可以利用建筑筏基、地下室作为蓄冷槽，蓄冷槽可以设置在地上、地下或屋顶。这种系统是当今用得比较广泛的蓄冷系统。2.4.3 封装冰蓄冷系统封装冰蓄冷系统的性能类似于内融冰系统，采用闭式系统，因此其结构简单，安装、运行、维护十分方便。压力式蓄冷槽可根据不同建筑场地设计为立式或卧式各种规格容量，也可设置在室内外，地面上下或屋面上以节省占地面积。封装冰蓄冷系统是广为应用的一种蓄冷系统，其主要缺点是乙二醇（载冷剂）使用量较大，且其蓄冷温度较低。2.4.4 共晶盐蓄冷系统 共晶盐蓄冷系统适用于常规的制冷机组，尤其适用于原有建筑的改造，只需要增加一套蓄冷装置即可完成改造。由于共晶盐蓄冷系统的相变潜热较低，因此在相同蓄冷量的条件下，蓄冷槽体积一般为冰蓄冷槽体积的34倍，且其投资较高，影响了它的应用。2.4.5 外融冰蓄冷系统相比于其他的蓄冷系统，外融冰蓄冷系统既可以直接用制冷剂直接制冰，又可以通过载冷剂间接制冰。常用于区域供冷系统。2.4.6 滑落式冰蓄冷系统此系统的特点是蓄冷结冰温度较高，蓄冷速率和释冷速率较高。但是其控制系统复杂，且价格昂贵，制约了其应用。综合考虑，本设计采用封装冰蓄冷系统中的冰球式蓄冷装置。2.5 蓄冷系统模式蓄冷系统的模式主要分为蓄冷系统工作模式、蓄冷系统蓄冷模式、蓄冷系统运行策略和蓄冷系统系统流程。2.5.1 蓄冷系统工作模式蓄冷系统工作模式是指系统在充冷还是供冷，供冷时蓄冷装置及制冷机组是各自单独工作还是共同工作。蓄冷系统需要在规定的几种方式下运行，以满足供冷负荷的要求，常用的工作模式有以下几种：机组制冰模式，制冰同时供冷模式，单制冷机供冷模式，单融冰供冷模式，制冷机与融冰同时供冷等。在机组制冰工作模式下，制冷机组通过25%的乙二醇水溶液的循环而达到在蓄冷装置中制取冰的目的。在制冷同时供冷模式下，乙二醇溶液除了制冰外，还有一部分乙二醇溶液被直接送到空调负荷端满足供冷需求。在单制冷机供冷模式下，全部的空调负荷都由制冷机组承担。此时的乙二醇溶液将不会流经蓄冷装置，而是直接流经空调负荷端。在单融冰供冷模式下，全部的空调负荷由蓄冷装置承担。此时制冷机组处于关闭状态，乙二醇溶液通过融化蓄冷装置中的冰而得到冷量，然后将冷量输送至负荷端。在制冷机与融冰同时供冷模式下，所需冷量由制冷机组和蓄冷装置两者共同提供。综合考虑，本设计采用制冷机与融冰同时供冷的工作模式。2.5.2 蓄冷系统蓄冷模式蓄冷模式分为全部蓄冷模式和部分蓄冷模式。全部蓄冷模式其蓄冷时间与空调时间完全错开,在夜间非用电高峰期,启动制冷机进行蓄冷,当冷量达到空调所需的全部冷量时,制冷机停机;在白天空调时,蓄冷系统将冷量供给空调系统.空调期间制冷机不运行.全负荷蓄冷时.蓄冷设备要承担空调所需要的全部冷量.故蓄冷设备的容量较大初次投资费用高.该运行策略适用于白天供冷时间较短的场所或峰谷电差价很大的地区。部分蓄冷模式是在夜间非用电高峰时制冷设备运行.储存部分冷量.白天空调期间一部分空调负荷由蓄冷设备承担.在设计计算日(空调负荷高峰期)制冷机昼夜运行.部分蓄冷制冷机利用率高.蓄冷设备容量小,制冷机比常规的空调制冷机容量小30%40%，是一种更经济有效的运行模式。根据本建筑的日负荷曲线应采用部分负荷蓄冷，它不仅使蓄冷装置容量减少，其装机容量也大幅度减低，尤其适合于全天空调时间长、负荷变化大的场合，是一种经济有效的蓄冷设计模式。综合考虑，本设计采用部分蓄冷模式。2.5.3 蓄冷系统运行策略蓄冷系统将转移多少高峰负荷以及需要储存多少冷量才达到经济效益主要取决于蓄冷系统的运行策略。选择蓄冷系统运行策略时，需要考虑多方面的因素，主要包括建筑物的冷负荷分布、电价情况等。具体设计时应以实际情况为准。蓄冷系统运行策略主要有主机优先策略和蓄冷优先策略。制冷机组优先控制策略是在空调负荷大于制冷机组制冷量时优先启动制冷机组，蓄冷装置只是起到补充冷量的作用；而在空调负荷小于制冷机组制冷量时，只运行制冷机组而关闭蓄冷装置。在这种控制策略下，蓄冷装置的蓄冷量较小，因此可以减少二次换热损失，提高了能量利用率，但相应的，制冷压缩机始终处于运行状态，无法得到良好的保养，且由于蓄冷槽位于旁路，因此系统的控制程序比较复杂。蓄冷优先策略是在空调负荷大于蓄冷装置蓄冷量时，优先使用蓄冷装置供冷，不足部分由制冷机组提供；当空调负荷小于蓄冷装置蓄冷量时，只使用蓄冷装置提供冷量，而关闭制冷机组。在这种控制策略下，蓄冷装置提供的冷量是恒定不变的，制冷机组负荷是不断变化的。因此，这种控制策略可以始终提供稳定可靠的控制，但相应的蓄冷量较大，二次换热损失较大，能量浪费严重。综合考虑，本设计采用主机优先策略。2.5.4 蓄冷系统系统流程 蓄冷系统流程主要有主机与蓄冷槽串联流程和主机与蓄冷槽并联流程两种。顾名思义，主机与蓄冷槽串联流程是指制冷主机与蓄冷槽串联的连接方式。分为主机位于蓄冷槽上游和主机位于蓄冷槽下游两种。当主机位于蓄冷槽上游时，空调回水先流经制冷主机，然后再流经蓄冷槽，达到要求的温度。这种流程可以使制冷主机在较高的蒸发温度下运行，因此提高了压缩机的效率，提高了能量利用率，但蓄冷槽在较低温度下运行，降低了释冷速率。常用于舒适性空调系统。当主机位于蓄冷槽下游时，空调回水先流经蓄冷槽，然后再流经制冷主机，达到要求的温度。这种流程可以提高蓄冷槽的释冷速率，因此减少了换热损失，但制冷主机在较低的蒸发温度下运行，能耗增加。这种方式一般只应用于工艺性空调系统。 主机与蓄冷槽并联流程是指主机与蓄冷槽并联的连接方式。其优点是可以同时兼顾压缩机和蓄冷槽的运行情况，但是在这种连接方式下，冷媒水的温度和流量控制变得十分困难。 综合考虑，本设计采用主机与蓄冷槽串联流程中的主机位于蓄冷槽上游的连接方式。图2-2 主机与蓄冷槽串联流程（主机位于上游）图2-3 主机与蓄冷槽串联流程（主机位于下游）图2-4 主机与蓄冷槽并联流程2.6 设备的确定2.6.1 制冷主机确定由相关资料，在主机优先控制策略下的制冷主机容量可由下式确定： R2=RHD+N （2-1）式中：RH在设计日中建筑物所需的总冷负荷（kW）；D白天使用空调的时间(h)；N晚间制冰时间(h)；R2制冷机组在空调工况下制冷量（kW）；压缩机容量变化率，一般为0.65-0.70，取0.7。由上式，制冷主机制冷工况下容量为： R2=RHD=N=8