制冷技术 课件 第11章 蓄冷技术

第11章蓄冷技术>1、概述2、水蓄冷空调系统3、冰蓄冷空调系统蓄冷技术1、蓄冷空调技术的原理2、蓄冷设计模式与控制策略制冷概述11.1制冷概述11.1.1蓄冷空调技术的原理蓄冷空调技术，即是在夜间（用电低谷期），采用电制冷机制冷，利用蓄冷介质的显热或潜热特性，用一定的方式将冷量贮存起来。在负荷高的白天（用电高峰期），把贮存的冷量释放出来，以满足建筑物空调的需要。

蓄热（冷）介质的种类11.1.2蓄冷设计模式与控制策略蓄冷设计思想（运行策略）：蓄冷容量越大，初投资越大，而制冷机开机时间越短，运行电费则更省。工程中常用蓄冷设计模式：全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷（1）全负荷蓄冷建筑物典型设计日（或周）白天用电高峰时段的冷负荷全部转移到电力低谷时段，启动制冷机进行蓄冷；白天运行时制冷机组不运行，由蓄冷装置释冷，承担空调所需的全部冷量。（2）部分负荷蓄冷按建筑物典型设计日（或）周全天所需冷量部分由蓄冷装置供给，部分由制冷机供给，制冷机在全天蓄冷与用冷时段，基本上是24小时持续运行。

设计模式11.1.2蓄冷设计模式与控制策略

全负荷蓄冷模式

部分负荷蓄冷模式1、设计模式11.1.2蓄冷设计模式与控制策略2、控制策略

（1）全负荷蓄冷只存在制冷机蓄冷和蓄冷装置供冷两种运行工况，二者在时间上截然分开，运行中除设备安全运转、参数检测以及工况转换等常规控制外，无需特别的控制策略。

（2）部分负荷蓄冷涉及制冷机蓄冷、制冷机供冷、蓄冷装置供冷、制冷机和蓄冷装置同时供冷等多种运行工况，在运行中需要合理分配制冷机直接供冷量和蓄冷装置释冷供冷量，使二者能最经济地满足用户的冷量需求。常用控制策略有3种，即制冷机优先，蓄冷装置优先和优化控制。

11.1.2蓄冷设计模式与控制策略1）制冷机优先策略：尽量使制冷机满负荷供冷当用户需冷量超过制冷机的供冷能力时才启用蓄冷装置，使其承担不足部分。优点：控制策略实施简便（尤其对串联流程中制冷机位于上游时），运行可靠，能耗较低。缺点：蓄冷装置利用率不高，不能有效地削减峰值用电、节约运行费用，因而采用不多。11.1.2蓄冷设计模式与控制策略策略：尽量发挥蓄冷装置的释冷供冷能力，在其不能满足用户需冷量时才启动制冷机，以补充不足部分供冷量。优点：利于节省电费，但能耗较高，在控制程序上比制冷机优先复杂。缺点：需要在预测用户冷负荷的基础上，计算分配蓄冷装置的释冷量及制冷机的直接供冷量，以保证蓄冷量得充分利用，又能满足用户的逐时冷负荷的要求。

2）蓄冷装置优先11.1.2蓄冷设计模式与控制策略根据电价政策，借助于完善的参数检测与控制系统，在负荷预测、分析的基础上最大限度地发挥蓄冷装置的释冷供冷能力，使用户支付的电费最少，使系统实现最佳的综合经济性。根据国内一些分析数据，采用优化控制比比制冷机优先控制可以节省运行电费25%以上。

3）优化控制水蓄冷空调系统一、水蓄冷空调系统的特点二、水蓄冷空调系统的形式三、水蓄冷槽的类型及其特点四、水蓄冷空调系统设计11.2.1水蓄冷空调系统的特点(1)可以使用常规的设备，适合常规空调系统扩容和改造，在不增加制冷机容量的前提下增加供冷量；只需要增设蓄冷槽。(2)蓄、放冷时冷水温度相近，冷水机组均能维持较高的制冷效率。(3)消防水池、原有蓄水设施或地下室等可作为蓄冷槽。(4)实现蓄热和蓄冷的双重功能，适合于冬季蓄热、夏季蓄冷，提高蓄冷槽的利用率。(5)其设备及控制方式与常规空调系统相似，可直接与常规空调系统匹配，运行维护管理方便。优点

11.2.1水蓄冷空调系统的特点只能储存水的显热，不能储存潜热，需要较大体积的蓄冷槽，受到空间条件的限制。(2)蓄冷槽体积较大，表面散热损失也相应增加，保温措施需要加强。(3)蓄冷槽内不同温度的冷水混合，会影响蓄冷效率，使蓄存冷水的可用冷量减少。(4)开式蓄冷槽中的水与空气接触易滋生菌类和藻类，管路易锈蚀，需增加水处理设施。缺点

11.2.2水蓄冷空调系统的形式（1）直接供冷：蓄冷槽为开式水池，而空调冷水系统一般采用闭式系统。直接供冷式系统的流程图工况P1P2P3V1V2V3V4V5V6蓄冷关开关关开关开关关制冷机供冷开关关开关开关关关蓄冷槽供冷关关开关关关关调节调节联合供冷开关开开关开关调节调节有4种运行工况：蓄冷工况、制冷机供冷工况、蓄冷槽供冷工况、制冷机与蓄冷槽联合供冷工况。形式：直接供冷、间接供冷11.2.1水蓄冷空调系统的特点优点：在空调水蓄冷系统中应用较普遍，系统简单、初投资低、温度梯度损失小等；蓄冷槽与大气相通，水质易受污染，含氧量高，易生长菌藻类植物。为防止系统管路与设施的腐蚀，需要设置水处理装置。蓄冷槽为常压运行，其制冷与供冷回路应注意避免因虹吸、倒空而引起的运行工况破坏。为维持系统静压力，膨胀水箱内必须充满水。直接供冷：缺点：11.2.2水蓄冷空调系统的形式（2）间接供冷：换热器与用户形成间接连接，换热器一次侧与水蓄冷槽组成开式回路，而用户侧形成一个闭式回路。间接供冷式系统的流程图形式：直接供冷、间接供冷工况P1P2P3V1V2V3V4V5V6蓄冷关开关关开关开关关制冷机供冷开开关调节开开关开调节蓄冷槽供冷开关开调节关开关关调节联合供冷开开开调节开开关开调节11.2.1水蓄冷空调系统的特点用户侧回路的压力稳定，可防止其管路出现氧化腐蚀、有机物及菌藻类繁殖现象。主要适用于高层、超高层空调供冷。用户的换热器二次侧回路为闭式流程，水泵扬程降低，水泵能耗减少，但需增加换热设备及相应的投资。另外，系统中设置了中间换热器，使其供水温度将比直接供冷提高1～2℃，使系统的蓄冷效率降低。故此形式应根据系统规模大小及供冷条件，进行技术经济比较后再作选择。一般认为，对于高于35m的建筑物，采用间接供冷方式较为经济。间接供冷：11.2.3水蓄冷槽的类型及其特点储存冷量的大小取决于蓄冷槽储存冷水的数量和蓄冷温差。蓄冷温差是指空调回水与蓄冷槽供水之间的温差，蓄冷温差的维持可以通过降低蓄冷温度、提高回水温度及防止回水与储存的冷水之间混合等措施来实现。蓄冷温度一般为4～7℃，回水温度取决于负荷及末端设备的状况。关键问题是蓄冷槽的结构形式应能够有效地防止回水与储存的冷水之间混合。就结构形式而言，水蓄冷槽类型主要有：温度分层型、迷宫型、多槽型、隔膜型。11.2.3水蓄冷槽的类型及其特点自然分层蓄冷槽b)斜温层自然分层蓄冷槽及斜温层示意图温度分层型最简单、有效和经济的一种。水温的分布是按照其密度自然地进行分层，水温高于4℃时，温度低，位于贮槽的下部，而温度高，位于贮槽的上部。实际释放的冷量小于理论可用蓄冷量;若设计合理，实际释放的冷量一般可以达到理论可用蓄冷量的90%。11.2.3水蓄冷槽的类型及其特点2.迷宫型采用隔板将大蓄冷槽分隔成多个单元格，水流按照设计的路线依次流过每个单元格。单元格的数量较多，可以控制整体蓄冷槽的冷温水的混合，供冷水温度变化缓慢。迷宫式蓄冷槽的水流路线11.2.3水蓄冷槽的类型及其特点3.多槽型设有两个以上的蓄冷槽，将冷水和温水储存在不同的蓄冷槽中，要保证其中一个贮槽是空的。在蓄冷时，其中一个温水槽中的水经制冷机降温后送入空槽中，空槽蓄满后成为冷水槽，原温水槽成为空槽。然后重复上述过程，直至所有的温水槽中的温水变成冷水。11.2.3水蓄冷槽的类型及其特点4.隔膜型在蓄冷槽内部安装一个可以活动的柔性隔膜或一个可移动的刚性隔板，将蓄冷槽分隔成分别储存冷水和温水的两个空间。这种形式的缺点在于：隔膜本身的导热特性会降低蓄冷槽的蓄冷效率，而且隔膜的材料要求高，水槽结构复杂。一次投资及隔膜的维护费用均较高。11.2.4水蓄冷空间系统设计1、水蓄冷槽的结构设计（1）水蓄冷槽的形状和安装外表面积与容积之比越小，冷损失越小。在同样的容积下，圆柱形蓄冷槽外表面积与容积之比小于长方体或立方体蓄冷槽，在实际中应用较多的便是圆柱体蓄冷槽。安装位置是蓄冷槽设计时要考虑的主要因素。应布置在冷水机组附近，靠近制冷机及冷水泵。循环冷水泵应布置在蓄冷槽水位以下的位置，以保证水泵的吸入压头。温度分层型水蓄冷槽的结构设计有利于温度分层，提高蓄冷效率；一次投资将会提高。高径比一般通过技术经济比较来确定。11.2.4水蓄冷空间系统设计主要有：水平缝隙型、圆盘辐射型、H型、八边型。H型稳流器采用缝隙型出口，只是将水平缝隙加长，以降低稳流器的出水流速，水平缝隙呈H形布置。圆盘辐射型稳流器H形稳流器的布置（2）稳流器作用就是使水以重力流的方式平稳地导入槽内(或由槽内引出)，减少水流进入蓄冷槽时对储存水的冲击，促使并维持斜温层的形成。冰蓄冷空调系统1、蓄冰技术2、冰蓄冷空调系统的循环流程3、冰蓄冷空调系统设计4、蓄冷空调技术的应用11.3.1蓄冰技术利用冰的融解热进行蓄热，冰的融解热（335kJ/kg）远高于水的比热，蓄冰池的容积比蓄冷水池的容积小得多，仅为水蓄冷时的17%左右。根据蓄冰系统所用冷媒的不同，分为间接冷媒式和直接蒸发式。直接蒸发式，蒸发器直接用作制冰元件，来自膨胀阀的制冷剂进入蓄冰槽盘管内吸热蒸发，使盘管外的水结冰（蒸发器直接制冰）。间接冷媒式使用载冷剂在蒸发器中与制冷剂进行换热，冷却到0℃以下后被送入蓄冰槽的盘管内，使盘管外的水结冰（蒸发器冷却中间介质，中间介质制冰）。11.3.1蓄冰技术直接蒸发式外融冰蓄冷系统1、冰盘管式根据融冰方式的不同，分为内融冰方式和外融冰方式外融冰蓄冷系统可以采用间接冷媒式和直接蒸发式。在较短时间内制出大量的低温冷水适合于短时间内冷量需求大、水温要求低的场合11.3.1蓄冰技术1、冰盘管式内融冰蓄冷系统均采用间接冷媒式。与外融冰方式相比，内融冰方式可以避免上一周期的蓄冰剩余引起的效率下降问题；另外，内融冰系统为闭式系统，盘管不易腐蚀，冷水泵扬程降低。因此，内融冰蓄冷系统在空调工程中应用较多。中间介质冰冰冰11.3.1蓄冰技术1、冰盘管式内融冰蓄冷装置的蓄冰率较大，为50%～70%。由于内层冰融化后形成的水膜层产生较大的换热热阻，内融冰的融冰速度不如外融冰方式。常用的内融冰盘管材料有钢和塑料，多采用小管径、薄冰层的方式蓄冰。根据盘管的结构形状，主要有以下几种：（1）蛇形盘管蓄冰装置这种装置以美国BAC公司的产品为代表。多采用钢制盘管，加工成立置的蛇形状，组装在钢架上，外表面热镀锌处理。（2）圆形盘管蓄冰装置这种装置以美国Calmac公司和Dunham-Bush公司的产品为代表。将聚乙烯管加工成圆形盘管，用钢制构架将圆形盘管整体组装后放置在圆柱形蓄冰槽内。（3）U形盘管蓄冰装置这种蓄冰装置以美国Fafco系列产品为代表。盘管材料为耐高温与低温的聚烯烃石蜡脂，盘管分片组合成型，垂直放置于蓄冰槽内。11.3.1蓄冰技术1、冰盘管式（1）蛇形盘管蓄冰装置

（2）圆形盘管蓄冰装置11.3.1蓄冰技术2、封装式封装式蓄冷是以内部充有水或有机盐溶液的塑料密封容器为蓄冷单元。蓄冰时，制冷机组提供的低温载冷剂（乙二醇水溶液）进入蓄冷槽，使封装件内的蓄冷介质结冰；释冷时，载冷剂流过密封件之间的空隙，将封装件内的冷量取出。分为密闭式贮槽和开敞式贮槽。密闭式贮罐由钢板制成圆柱形，有卧式和立式两种。开敞式贮罐通常为矩形结构，可采用钢板、玻璃钢加工，也可采用钢筋混凝土现场浇筑。11.3.1蓄冰技术3、冰片滑落式冰片滑落式蓄冰系统原理图片状冰的表面积大，换热性能好，具有较高的释冷速率。即使蓄冰槽内80～90%的冰被融化，仍能够保持释冷温度不高于2℃。适合于负荷集中在较短时间内，供水温度低、供回水温差大的场合。初投资高；故障率较高，维护保养费用高；需要占用的空间高度较大。属于直接蒸发式，设有专门的垂直板片式蒸发器。11.3冰蓄冷空调系统的循环流程制冷机与蓄冰槽的相对位置不同，冰蓄冷空调系统的循环流程有并联和串联两种形式。1、并联式蓄冰空调系统并联式蓄冰空调系统流程图工况P1P2V1V2V3制冰开关开关开制冰同时供冷开开开调节开融冰供冷关开关调节开制冷机供冷开开开1-2关联合供冷开开开调节开11.3冰蓄冷空调系统的循环流程制冷机位于上游时串联系统的流程图工况V1V2V3V4制冰关关开开融冰供冷开调节调节关制冷机供冷开开关关联合供冷开调节调节关2、串联式蓄冰空调系统串联式流程可以分为制冷机位于蓄冰槽上游和制冷机位于蓄冰槽下游两种方式。11.3冰蓄冷空调系统设计1、冰蓄冷空调系统的运行策略制冷机优先策略以制冷机供冷为主，当负荷超过制冷机的供冷能力时，由蓄冰槽承担不足的部分。制冷机优先策略在运行中较容易控制，但蓄冰槽的使用率低，不能充分利用电力谷段低廉的电价，运行电费高，在实际中很少采用。释冷优先策略以蓄冰槽释冷为主，不足部分由制冷机补充。如果释冷优先策略使用得当，能获得最大的经济效益，故在实际中应用较多。释冷优先策略在控制程序上制冷机优先策略复杂，如果释冷量不能很好地控制和合理分配，有可能会造成负荷高峰时供冷量不够，或者蓄冷量未能充分利用。需要在预计逐时负荷的基础上，计算分配蓄冷槽的释冷量和制冷机的供冷量，以保证蓄冷量得到充分利用，又能够满足逐时冷负荷要求，通常采用基本恒定的逐时释冷速率。系统设计时采用的是典型设计日的逐时负荷，而非典型设计日的逐时负荷分布是变化的，这就要求根据负荷预测的情况优化释冷速率。己经有一些冰蓄冷系统优化控制软件，结合计算机控制系统应用，可以在满足逐时冷负荷的基础上，最大限度地发挥蓄冰槽的作用，使运行电费最少。11.3冰蓄冷空调系统设计2、蓄冷空调系统的设计步骤（1）可行性分析在进行某项蓄冷空调工程设计之前，需要先进行技术和经济方面的可行性分析。要考虑的因素通常包括：建筑物的使用特点、电价、可以利用的空间、设备性能要求、使用单位意见、经济效益以及操作维护等问题。（2）计算设计日的逐时空调负荷，按空调使用时间逐时累加，并计入各种冷损失，求出设计日内系统的总冷负荷。（3）选择蓄冷装置的形式目前在蓄冷空调工程中应用较多的有水蓄冷、内融冰和封装式系统。在进行系统设计时，应根据工程的具体情况和特点选择合适的形式。（4）确定系统的蓄冷模式、运行策略及循环流程。蓄冷空调系统有多种蓄冷模式、运行策略及循环流程。如蓄冷模式中有全部蓄冷模式和部分蓄冷模式；运行策略中有主机优先和蓄冷优先策略；系统循环流程有串联和并联；在串联流程中又有主机和蓄冷槽那一个在上游的问题。这些都需要作出明确、合理的选择，才能对设备容量进行确定。11.3冰蓄冷空调系统设计2、蓄冷空调系统的设计步骤（5）确定制冷机和蓄冷装置的容量，计算蓄冷槽的容积。（6）系统设备的设计及附属设备选择。主要指制冷机选型、蓄冷槽设计、泵及换热器等附属设备的选择等。对于宾馆、饭店等夜间仍需要供冷的商业性建筑，往往需要配置基载冷水机组。这是由于夜间制冷机在效率低的制冰工况下运行，若同时有供冷要求，则需将0℃以下的载冷剂经换热器后供应7℃的空调冷水，制冷机的运行效率较低。如果夜间负荷很小，可以直接由蓄冰用的低温载冷剂供冷；如果夜间负荷能有合适的冷水机组可供选用，应该在空调侧水环路上设置基载冷水机组，在蓄冰时间直接供应7℃的空调冷水。（7）经济效益分析。包括初投资、运行费用、全年运行电费的计算，求出与常规空调系统相比的投资回收期。11.3冰蓄冷空调系统设计2、蓄冷空调系统的设计步骤11.3冰蓄冷空调系统设计3、冰蓄冷设备容量的确定采用制冷机优先的运行策略时，要求夜间蓄冷量和设计日内制冷机直接供冷量之和能够满足设计日内系统的总冷负荷，所需的制冷机及蓄冷槽容量最小，其制冷机容量按下式确定：11.3冰蓄冷空调系统设计4、冰蓄冷低温送风空调系统低温送风空调系统是指送风温度小于或等于11℃的空调系统，一般要求冷水温度不高于4℃，而冰蓄冷系统可以提供4℃以下的冷水。因此，随着冰蓄冷技术的发展，低温送风空调逐渐兴起。低温送风空调系统具有以下的特点：（1）初投资低（2）提高空调舒适性（3）减少高峰电力需求，降低运行费用（4）节省空间，降低建筑造价11.3冰蓄冷空调系统设计4、冰蓄冷低温送风空调系统低温送风系统的送风量小会影响室内气流组织，冷热极不均匀，室内人员有吹冷风感。为了解决这些问题，低温送风系统通常采用以下两种方式：1）在送风末端加设空气诱导箱或混合箱，使一次送风和部分回风在混合箱内混合至常规送风状态后，直接通过一般常规空气用散流器送入空调房间。此类设备又分为三种形式，即带风机的串联式混合箱、带风机的并联式混合箱及不带风机的诱导型混合箱。2）采用低温送风系统专用的散流器，直接将一次低温风送入室内，使之在出风口附近卷吸周围空气，与之迅速混合，增强了室内空气流动，使送风在到达工作区域前完