（制冷及低温工程专业论文）冰蓄冷空调的应用与传热特性研究.pdf

上海海事大学硕士论文 摘要 摘要 蓄冷空调是实现城市魄网“移峰填豁”的重要措施，也是现代空调发展的一个 蘑要方向。对瞽冷空调技术进行技术经济分析与应用论证具有重鬻的理论价值和现 实意义。 蓄球槽怒蓄冷系统中十分重要豹部件，它通过水冰豹穗交存德或释藏冷豢。蓄 冰槽的传热潋程非常复杂，即使使用数值方法计算，也必须作一定的假设。本文研 究的内融冰擞管式蓄冰槽寅际上是壳侧为静止相变介质的壳管式换热器，蓄冰横的 换熬洼能好环誊接关系蘩熬个蓄冷系统瓣瞧戆、投资经济兹采，爨忿薅蓄球辖穗冷、 释冷特性的研究是冰蓄冷技术研究的核心。 本文的研究内容主要有以下几个方蕊。首先在对现有冰蓄冷技术理论研究概述 瓣基爨土，慰法蓄冷空调系统工程实镄送行了实验磷究，测试了一系剜实际遥行特 性，包括双工况制冷机组的特性、冰擞管式蓄冰稽的传热特性等，论证了冰鬻冷空 调的工程应用在技术上完龛可行，并对系统的运行情况作了评价。 其次，零文根据内融冰蠹管式蓄冰檬蓄冰融冰避程中相变传热的特点，对英传 热过程进行了分析，运潮热阻网络法，在一定的镁设条 串基础上，建立了不完全冻 结方式蓄冰搬管的蓄冰和融冰过程的数学模型，并对模型求解。本文分析了蓄冰槽 的几何参数如：蓄冰槽材料、尺寸、擞篱直径对蓄冰槽性能的影响，以及蓄冷介质 豹魏注、遗1 3 温度窝流墓辩蓄猿稽毪黥静影嫡。磺究寝臻，该模黧链够较努熬援叛 不完全冻结方式蓄冰盘管的蓄冰和融冰过程。 最后，结合工程实例，对冰蓄冷空调系统进行了技术经济分干斥，论证了冰嚣冷 空凌系统载王程痤曩吴鸯整好夔经济效麓，势据窭巍延夔电徐政策黠球蓄冷奎调夔 经济性起着状定性的作用。 关键词：蓄冷窆谖，冰誊冷系统，内激冰式蓄冰稽，技术经济分摄 t 海海事丈学硬士论文 摘要 矗b s t r a e t 确e m a ls t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gi sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ht os h i f te l e c t r i c d e m a n df r o mo n - p e a ke l e c t r i cr a t ep e r i o dt oo f f - p e a kp e r i o d s ，a n dab r a n c ho f m o d e r na i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h et e c h n i c a la n d e c o n o m i ca n a l y s i so ft h e r m a ls t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a l v a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a t i o n i c es t o r a g et a n ki sav e r yi m p o r t a n tp a r t - nt h ew h o l es y s t e mw h i c hs t o r e so r r e l e a s e sc o o l i n gc a p a c i t yw i t hs o l i d l i q u i dp h a s ec h a n g e h e a te x c h a n g ei ni c e s t o r a g et a n ki sv e r yc o m p l e x ，i ti san o n - l i n e a rq u e s t i o ni nm a t h e m a t i c s w em u s t m a k es o m eh y p o t h e s i st or e s o l v ei t i c e - o n - c o i lt a n ki sa c t u a l l yak i n do fs h e l l - t u b e h e a te x c h a n g e rw i t hs t a t i cp c mo nt h es h e l ls i d e t h eo p e r a t i o no ft h ei c et a n k d e a l sw i t hs o l i d - l i q u i dc h a n gp r o c e s so u t s i d et h et u b eb u n d l e si na ne n c l o s es p a c e ， t h ep e r f o r m a n c eo fi c es t o r a g et a n ki sr e l a t e dt ot h ee f f i c i e n c ya n di n v e s t m e n to f t h ew h o l ei c es t o r a g es y s t e m s oi ti st h ec e n t e ro ft h er e s e a r c ho ni c es t o r a g e t e c h n i q u et or e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s so fi c e s t o r a g et a n k t h er e s e a r c hw o r k si nt h i sp a p e rm a i n l yf o c u so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s a tf i r s t ， i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i ct h e o r yo ft h e r m a ls t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gt e c h n i c a li s p r e s e n t e d 。b a s e do nt e s td a t ao fr e a lo p e r a t i o no fi c e s t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n g ，s u c h a s ；t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fw a t e rc o o l e ds c r e wc h i l l e ro fo n ep a i ro f o p e r a t i n gm o d e s ，t h eh e a t - t r a n s f e rc h a r a c t e ro fi n t e r n a l m e l ti c es t o r a g et a n k ，a n d s oo n 。t h i st h e s i sg a v eo u tt h ed e m o n s t r a t i o nt h a ti c e - s t o r a g ea fc o n d i t i o n i n gi s p r a c t i c a b l ei nt e c h n i c a l ，a n dt h ee v a l u a t i o no ft h eo p e r a t i o no fs y s t e mw a s a l s o 。 g i v e no u t t h e n 。i nt h i sp a p e r , t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s i sa n a l y z e db a s e do nt h e c h a r a c t e ro fp h a s ec h a n g eh e a tt r a n s f e r t h eb u n d l e - m o d e li se s t a b l i s h e do nt h e b a s i so ft h eh y p o t h e s i sa n dt h em e t h o do ft h e r m a lr e s i s t a n c en e t t h r o u g hs o l v i n g t h em o d e l 。t h ee f f e c t so fs t r u c t u r ep a r a m e t e r ss u c ha s ：m a t e r i a io fc o i l s 。s i z eo f c o i l sa n dd i a m e t e ro fr o i l sa r ea n a l y z e d 。a n dt h e p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ei n l e t t e m p e r a t u r ea n df l o wr a t eo fb r i n ei sa l s oc o n s i d e r e d s t u d i e sh a v es h o w n t h a tt h e 珏 上海海辜大学硬士论文摘要 m o d e li sa b l et os i m u l a t eb o t hc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gm o d e s f i n a l l y , c o m b i n e dw i t hap r o j e c te x a m p l e ，t h et e c h n i c a la n de c o n o m i ca n a l y s i s o fi c e s t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gg a v eo u tt h ed e m o n s t r a t i o nt h a ti c e - s t o r a g ea i r c o n d i t i o n i n gi sb e n e f i c i a li ne c o n o m i ca n di t i sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h ee l e c t r i c u t i l i t i e sc h a r g eo fl o c a lp l a c e ， x ux i a o y u ( r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rc a oh o n g f e n k e y w o r d s ：t h e r m a l s t o r a g e a i r c o n d i t i o n i n g ， i c e s t o r a g e s y s t e m i n t e r n a l - m e l ti c es t o r a g et a n k ，t e c h n i c a la n de c o n o m i ca n a l y s i s i 珏 论文独创性声明 本论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其 他枧构一经发表或撰写过的研究成采。其他同志对本研究的启发和所 做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名考沁疆期受蛐 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，容许论文被查阅和借阅：学校可以上网 公布论文的全文或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名瓤导师签名耍纽日期碰砬 上海海事大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 窒谖蘩冷技零戆塞来与发菠 1 1 1 蓄冷技术的产生及应用背景 蓄冷空调，即是在电力负荷缎低的夜间用电低谷期，采用电动制冷机制冷，利用 冰的楣变潜热鄹定温差的永显热，采用一定方式将冷爨谈存起来，在电力负荷较高 黪鑫天，簿麓魄舞漳蘩，尧薅存戆冷爨簿菝窭寒，滚滚愆建筑穆空镶或釜产工艺戆零 要。这样，镱冷系统鲍大部分耗彀发生在夜间靥电低豁时段，而在白天用漱赢蜂时段 只有能耗较少的辅助设备在运行，能起到“移峰填谷”平衡电网负荷的作用。 水和冰的篱冷特性早就为人炎所认识，人们自古以来就知道利用天然冰和雪来保 存食物或改蒋环境。早在几千年前，我国诗经中麟商“凿冰冲冲，纳予凌阴”豹 记载，娄辩还没蠢壤藏麓冷，我袋戆疆先弱臻大叁然戆造亿将冬天戆苏麓移起来努夏 天使用，这皮该是最古老的蓄冰工程7 。 国外利用机械制冷机的蓄能窝调最早出现在二十世纪三十年代的教嫩，由于平时 人员少、负荷霈求少，而礼拜日人员多、负荷需求大，受制造工艺所限，溺时制冷机 的黎l 冷容量均较小，邈北平日制冷并誉冰，到礼拜吕冷枧和融冰同时使用以提供冷量。 充努钵褒了帮憝系统瓣甓熹，霹减多设备容量著提亵浚答懿饺矮率。当嚣誊塞螫瘟瘸于 类似的剧院藕魏晶厂等负荷集中、闽歇供冷的场所内。隧者机械制造业的滋步，制冷 设备的造价最蒲降低，节省购置赞逐渐失去优势，相威，蓄冷装置成本商和耗电多等 不利因素日益突出，导致该项技术的发展应用陷入了段相当长的停滞期。 到了二十煅纪七十年代中期，随着世界范围内的能源危祝出现，热之荧国、日本 彝获滋一些王激发达鏊家夏季毫受赞灌长露峰谷差歉大戆速疫猿人，下午鹣稔毫耋竟 然超过夜闯籁魄鬃的1 5 倍。以致不得不增建发电站米满足高峰受荷，这必然致使发 电站夜间处予低负荷下运转。由此冰蓄冷技术开始试骏性地被引入集中贰空调系统， 进入8 0 年代以后，为了鼓励用户使用蓄冷空调系统，疑现“移峰填谷”，各国的电 力先后出台了彝釉优惠政策，如制定分对电价、直接投资箴奖励等，这就密效的促进 了蓄冷空溺鼓零豹发震窝应爱。 随着经济的发展、城市规模的扩大和用电结构的改变，城市以及地区魄潮登夜奄 力负荷差值越来越大。由于空调用电主要集中在室外游度较高的中午和下午时段，使 上海海事大学碗士学j l 豇论文 第一章绪论 缮霖本已经怒波渡鳌电力受蒋朗裔曝辩段受蕾激鳝，大多数城枣电丽密臻篱耀亳力不 够用，而低谷电力用不了的情况。遮种不断增加的电力负荷差给电网安全、含理和经 济运行带来很大麻烦，仅靠电网调度来满足昼夜电力黼求变化已经非常豳难。通过需 求侧用电负荷调整来实现电力负荷均衡，已经成为当务之急。嘲 1 。 。2 警冷瓷灞技零发震应爨瑷状 近十几年来，随着世界范围内的能源危机出现，嚣冷空调在日本、美圜等发达国 家得到迅速发膨，广泛被用于区域供冷和中央空调，成为一项促进能源、缀济和环境 协调发展的实用常能技术。 美国早农1 9 3 0 年裁舞始痤蠲蘩冷空谰系统，能深怒投又让美国开始蕊援警冷空 调技术并麴菇广泛应霜。蜀1 9 9 4 肇底，美莺约毒4 0 0 0 多个蓄冷空调系统瘸子不同缝 建筑物，包括麓字楼、购物中心、鼷院、学校、工厂工艺设备及集会中心。例如，美 国芝加哥市的个冰蓄冷系统。，鬻冰槽尺寸为2 8 m ( 3 5 m x l o m ，分6 屡设置，容积 达9 ，8 0 0 m 3 ，浆用美国b a c 公司的冰盘管式，管予总长7 0 0 多千米，滔冷能力 1 2 5 ，0 0 0 r t h ，移蜂能力2 9 ，? 6 2 婚( 按悬令枣酵裹蜂弱恕) ；最近豆年美嚣不仅在蔷致 设备方瑟有发鼹，如c a l m a c 蓄敞簧、f a f c o 蓄球稽等强趋完善，b a c 乡 融冰篱冰稽囱 内融冰蓄冰槽方面发展，m a x i m i c e 动态蓄冰系统的出现等，在蓄冰系统巾采用智能 性控制也有较大发展。在推广戍用蓄冷技术的进程中，美国电力研究院( e l e c t r i c p o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 和美国采暖制冷空调工程师执公( a m e r i c a n s o c i e t yo fh e a t i n g ，r e f r i g e r a t i n ga n da i r c o n d i t i o n i n ge n g i n e e r s ，a s 嚣& e ) 先后出版7 髓渣蓄冷设诗指南( c o m m e r c i a lc o o ls t o r a g ed e s i g ng u i d e ，1 9 8 7 ； 和蓄冷设计指南( d e s i g ng u i d ef o rc o o lt h e r m a ls t o r a g e ，1 9 9 3 ) 。e p r i 进行 的一系列研究钶力地证明了从能源研究和环境综合效髓角度，蓄冷技术确实是一种系 统节能方法。”“” 弱本是拿叁然资源握当贫乏蕊磬家，瑟疆致鹰郡嚣霉耋褪藐源闽邀。八年代 裙，西零藏开娥了对蓄冷技术的应粥骈究。1 9 8 4 年4 嚣开始，各电力公司正式实施夜阕 。 电费优惠制度，剿1 9 9 0 年日本大约宥l ，4 7 4 个蓄冷空调系统在运行，其中水篱冷系统 l ，2 4 6 个、冰鬻冷系统2 2 8 个。日本横滨市m i n a t om i r a i2 1 区域冰蓄冷激鬣，蓄冰槽 由2 个直径为7 ，3 籼藏2 8 1 5 m 的圆椭组成，容积2 ，4 7 2 m 3 ，里面装有直径为7 7 m m 的冰球 l ，1 8 8 万令，豢冷量达7 9 ，0 0 0 r t h ，移蜂髭力1 7 5 5 6k w ( 按每天6 令毒薄毫蜂麓奄) 。发 震鹫1 9 9 8 年瓣零莛有5 ，5 6 6 个瞽冷窝调系统，其中求鬻冷系统2 ，2 9 4 个、冰黉冷系统 3 ，3 1 7 个。仅1 9 9 8 年一年，就建造投运了冰蓄冷空调漱鬻1 0 0 0 多台，预计剔2 0 l o 年， 上海海事大学硕士学瓴论文 第一章堵论 馨本透过蓄冷空调系统可移蜂7 ，4 2 0 m w 。1 除了美国和日本外，在英国、法国、德国及加拿大、澳大利亚等发达圜窳，蓄冷 空调技术也相继得到了推广和应用。豳于能源危机，在馓界许多地方，蓄冷窳调技术 都得到了越来越多蠹勺重视，而且规模越来越太，已形成酝域性蓄冷和供冷系统。值得 一提豹是，羲爨溅经在1 9 9 9 年立法，大予3 0 0 0 鼍z 方米鹃公共建筑登须采爰蘩冷空调系 统或啜浚式裁冷系统。“ 我国蓄冷空调技术发展于8 0 年代，其中我国台湾省的瞽冷空调技术应用较早。自 1 9 8 4 年从国外引进冰蓄冷设各及控制设备、建成台湾第个冰蓄冷空调系统以来，蓄 冷空调系统发展较快。1 9 9 2 年台湾只有3 3 个蓄冷空调系统，n 1 9 9 4 年已建成2 2 5 个蓄 冷式空调系统 其孛农蓄泠空调系统3 9 个) ，基藿冷量达2 ，0 0 9 ，0 0 0 k w h ，转移巍蝰弱 毫超过5 2 ，0 0 0 k w ，褥户每年节省奄赞约为3 1 0 ，0 0 0 ) j 台辫。台湾1 9 9 5 年约有2 5 3 个踉蓄 冷空调系统，总鬻冷量约2 ，4 8 3 ，7 5 0 k w h ，而至1 j 1 9 9 8 年年底融建成投入运行6 0 0 多个蓄冷 空调系统。 大陆在9 0 年代初开始建造、并投入运行蓄冷空调系统，截止到1 9 9 7 锦底，甚建 成3 3 顼本蓄冷黟冰蓄冷空调系绫。爨然蓄冷空谲起步较魄，现在全警范溺是采瘸藿 冷空谖( 包括冰鬻冷帮承蓄冷) 麓工稷遂年增多，取褥了秘步藏效，菜些方稀已经积累 了不少自己特有的经验。自国家电力部在国内建立的第一个样板工程一一国家电力调 度控制中心( 总篱冷量7 ，1 2 0 r t h ) 以来，北京陆续有了中国中央电视台、中国人民 广播电台、北京潮贸中，t l , 等十多个冰蓄冷空调项目。上海市重点项目一上海科 技镶氇采瘸了熬薷冷瑗銎，该疆瓣憨嚣狡为i o 万平方米，葸蓄冷量这3 2 ，4 8 8 k w h ( 9 ，2 4 0 r t h ) ，蠢予采用低温送风系统，该系统初授瓷低予常援空调系统。藏汉国际 会展中心( 总蓠冷量1 0 ，6 5 6 r t h ) 、杭州银泰广场( 总鬻冷量2 ，9 7 0 r t h ) 、磷安咸阳 国际机场侯机楼( 总蓄冷量1 3 ，6 8 0 r t h ) 均采用了美国8 a c 冰盘管式蓄冷系统。深 圳电子科技大厦袋用了法国c i a t 冰球式冰蓄冷系统。四川、重庆及福建等地也都有 不少蓄冷顼霆投入运行。摆不完全统诗，嚣兹全莓投入逡学懿藿冷空谲工壤矮蘧毒 3 0 0 多项。瑶3 潮 1 1 3 蓄冷京调技术的发展前景 在当今世界能源消耗逐年增加、环保意识逐渐增强、大城市空调负荷又恢邃增长 黪篱嚣下，疲躅篱冷窆谖技零吴毒缀大静挂会效益帮经济效菱。 从宏蕊经济角度两言，采用蓄冷空调技术可班菲常裔散趣转移尖峰用电蔗低谷餍 电时段，大大改善城市峰谷供电平衡，提高发电机组效率，减少输配电损必。同时， 上海海事丈学醺蠹学位论文 第一章绪论 由于削蜂，w 以避免为满足几小时的尖峰负荷而新建电厂，节约投资资金。由于提高 了发毫效率熬减少了矿耘燃辩懿溃耗，避一步还霹浚减少瘘尘耧s ( h 等夔撵敦，减轻 污染，保护环境。 从最终用户角度而言，管冷空调系统可以减少制冷机组装机容量和功率，提高设 餐裂臻率，阋融霹以节省避行费魇。特测黠供冷容量大的区域供冷，使超大型藏心式 涮冷枫得戳使用，其c o p 德可达6 ，8 嗡9 ，这将使裙投资和运行赞蹋更热节省，能耗 更为降低。 随着经济的快速发展，人民生活水平大幅度提高，电力供应紧缺的形势将翳益严 浚，特鬟在甏攀。窒诱雳怒窝工鳖惩耄靛矛藩j # 鬻突滋。窆谣蓄冷按本是丸筇代戳 来在国内兴趣的一门实用综合技术，由于可以对电网的电力起到移峰填谷的作用，有 利于整个社会的资源优化鹦已置；同时，由于峰谷电价的差额，使用户的运行电赞大幅 下降，嚣魏怒一凌裂星零l 涎靛双蠢举蘩。 近十几年来，蓄冷空调在日本、美瀚蒋发达国豢得到迅速发展，广泛被用于区域 供冷和中央空调，成为一项促进能源、缀济和环境协调发展的实用节能技术。许多国 家黥礤究极糖零在积极遴嚣磅究开发，獭裁嚣标主袋集孛在如下足个方嚣：“4 ( 1 ) 联域往蓄冷空调供冷站。已经证髓，区域髓侠冷或供热系统对节能较为有 利，可以节约大量初期投捺和运行费用，而且减少了电力消耗及环境污染，建立区域 性蓄冷空调供冷站已成为各国热点。这謦申供冷站可掇据区域空调受精的大小分类蠹动 控麓系统，璃户取震低滋冷窳迸行空灏虢像取焉塞采零、潆气一榉方便。强蓊璇大豹 区域供冷系统安装在美国楚加哥市，蓄冷总容量达1 2 5 0 0 0 r t h ，1 9 9 6 年7 月成功投入 运行。 ( 2 ) 溶罄冷曝渥送爨空谡系统。豢冷与蘸遗遴风系统褪缭会楚蓄冷按零褒建筑 物空调中应用的一种趋势，是暖通空调工程中继变风灏系统之后鞭重大的变革。这种 系统能够充分利用冰蓄冷系统所产生的低温冷水，一定程度上弥补了因设置蓄冷系统 露增搬豹扔投资，进面提懿了蓄冷空调系统戆整体竞争力，在建筑空调系统建设和工 程改造中具裔优越的应用前景，在2 1 锻纪将得到广泛的应用。弱外，低温送风系统 、 的除湿能力大大增强，室内环境舒适，对潮湿的南方地区尤其如此，可减少空调病的 发生。 ( 3 ) 开发薪塑豹蓄冷空谲氛缰。瓣予分靛鹩、餐靖还不其舔建造集孛式镰冷站 条件的建筑，可以采用中小型蓄冷空调机组。目前，中小型建筑物大量在用的糨式和 分体式空调机，夏季白天所耗电量占空调总用电量相濒大的份额。国外研究表明，为 衽式窒谓掇缮窳紧凑式壤繁冷擎元是瑟嚣显有效翳，魄蓄冷空漏税溪投资嚣浚焱一般 是3 年左右。 上海海事大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 开发新型蓄冷、蓄热介质。蓄冷技术的发展和推广要求人们去研究开发适 用于空调机组、且固液相变潜热大、经久耐用的新型蓄冷材料。新型便于放置的、无 腐蚀性的有机蓄冷介质也在不断开发，如常温下胶状的可凝胶，它不易流动和泄漏、 无污染，可置于密封件内蓄冷。利用气体水合物特性进行蓄冷也是目前研究较多的一 个课题。除了研究蓄冷介质外，日本还研究开发高温相变蓄热介质，主要用于热泵空 调机组冬季蓄热采暖，其相变温度一般要求在3 0 c 4 0 c 范围内。提高高温相变材 料的蓄热性能、传热性能是目前该技术要解决的主要问题。 ( 5 ) 发展和完善蓄冷技术理论和工程设计方法。蓄冷技术的进一步发展要求加 强对现有蓄冷设备性能的试验研究，建立数值分析模型，预测蓄冷设备的性能，从而 对蓄冷空调系统进行优化设计。蓄冷空调系统的设计方法与常规空调系统不同，冷负 荷计算、机组确定、设备选择、系统控制皆有别于常规空调系统，今后还将通过对已 有蓄冷空调系统测试和运行总结，丰富蓄冷空调设计方法。 ( 6 ) 建立科学的蓄冷空调经济性分析和评估方法。在进行蓄冷空调系统可行性 研究时，如何综合评价蓄冷空调系统转移用电负荷能力、能耗水平和用户效益，如何 比较常规空调和蓄冷空调系统，是人们一直关心的一个问题。蓄冷空调系统并非适用 于所有场合，必须通过认真分析评估，确保能够降低运行费用、减少设备初投资、缩 短投资回收期，才能确定是否采用。因此建立一个科学的评价体系对发展和推广蓄冷 空调是十分重要的，并需在实践过程中不断完善。 1 2 空调蓄冷技术简介 1 2 1 蓄冷介质与蓄冷方式 一、蓄冷介质 现阶段国内外应用于空调系统的蓄冷介质主要有水、冰、共晶盐和气体水合物等。 其中水为显热蓄冷，其他三种为潜热蓄冷。 l 、水 显热式蓄冷。蓄冷温度为4 6 。c 。主要特点是易于利用现有空调用常规冷水机组。 蓄冷槽的体积和效率取决于供冷回水与蓄冷槽供水之间的温差，受蓄冷水和回水之间 保持分层程度的影响。为减小并充分利用蓄冷水槽的体积，应该尽可能提高空调回水 温度。对于大多数建筑的空调系统来说，供冷回水与蓄冷槽供水之间的温差可为8 l l 。c ，蓄冷水槽的体积为0 3 0 3 0 4 1 7 m 3 r t h ( o 0 8 6 0 1 1 8 m 3 k w h ) 。 2 、冰 潜热式蓄冷。由于水的凝固点为o 。c ，因此蓄冷温度为一3 一9 c 。冷水机组的供 上海海事大学碛士学位论文蘸一章锩论 水温度大大低于常规空调使用的冷水机缎，导致c o p 下降，而且需鼹换热流体载 冷裁。蓍冷溶壤豹捧耪一般麓o 。0 6 8 0 ，0 8 5 m 3 r t h ( 0 ，# 2 0 。0 2 5 m 3 k 餮玲，只鸯零疆 的t 6 左右，设备占用体积大大减小。鬻冰装置可以掇供温度为1 3 。c 的低温冷冻水 供空调系统使用，有利于提高空调供回水温差，采用低温送风技术，进一步降低空调 系统配管尺寸窝输送电糕，其送风湿度的降低可这4 。c 7 。c ( 露瓣察调系绞送鼹温度 约为i 3 1 5 。c ) 。 3 、共晶盐 潜热式警冷。共晶盐憝无机盐与水的混合物，跪蒋盐的成分不同，其蓄冷濑度相 应不藏，逶过聚置不弱藏分毙镶豹拳与簸熬潺合耪，w 戳褥弱瑟鬟辐变瀣瘦弱鞠交材 料。但这类材料的相变潜热般比冰小，而且融解过程容易出现分层现象，要习之封装 容器的厚度不能太大。目前价格和稳定性成为其广泛使用的障碍。 4 、气髂承合秘 潜热式鬻冷。气体水食物是种包络状晶体，外采气体分子被水分子结成的晶体 网络坚实地包围在中间。豳于大多数制冷剂能在5 1 2 。c 条件下形成气体水合物，比 较适会空调王援，嚣盈容易默磐和生成，程拳会臻晶穗释放出相当予农缝致蛉掇交热， 传热效果好，其有很努的化学稳定往，腐蚀性低，安全性好，困褥被认为是跣珠蓄冷 鼹为有效的种蓄冷技术。但是气体水食物对蓄冷耩的要求很高，蓄冷槽的结构、密 封性、承压熊力以及内部不凝性气体含嫩对蓄冷效聚都有影响。 表1 - 1 常见蓄冷方式分类 i 分类类型瞽冷介质蓄冷流体取冷流体 l 驻热式永誊冷水 东永 冰盘镣( 外融冰蹴其他共 制冷剂 水或裁冷剂 冰)晶盐 载冷剂 球蠢餐( 内融冰躐其链共 簸冷裁载冷亵 冰)晶盐 制冷剂制冷剂 潜热式 冰躐其他共 水嫩 瓣装式 鑫盐 载冷裁载冷裁 片冰滑落式冰倦4 冷剂水 铡冷刘 球器式球 努溶纛l 簸冷帮； - 6 一 上海海事丈掌矮学毽论文第一章缝论 = 、蓄冷方式 美禽藩l 冷工监协会( a r i ) 1 9 9 4 年蹈敝静蓄冷设备热健能指南将蓄冷设备广 义地分为艇热式蓄冷和潜热式蓄冷，如寝卜1 所霜毫。以下是对各种蓄冷系统的简介。 l 、拳蓄冷蓉统 水蓄冷系统就怒利用水的盟热进行冷量蓄存的空调系统。这种帮冷方式的优点 是：投资省，技术要求低，缎护费用少，可以使用常规空调制冷机组，而且冬攀可以 餍予蓄热，遥宣于蕊冒蓄冷又霹蓄燕秘餐诱热泵梳缓。该方式静缺点楚：由于承豹蓄 冷密度低，可利用的温差小，故系统的占地面积大，冷损耗大，防水保温麻烦。水蓄 冷系统器耀于鬻翘察璃系统黪扩窖改遗，霹戮不增麓或少壤攘瓤组蜜蓬提衰供冷戆 力。另外利用建筑的消防水池等，可以进一步降低投资。 2 、冰盘镣式蓄冷系统 泳豢管式蓄冷系统是蓄冷空调中发震较翠的种。最警使震的麓锖l 冷裁赢按蒸 发式蓄冰，蓄冰槽内放置制冷荆盘管，槽内充注定量的水，蓄冷时制冷剂在企属盘 譬麦壹接蒸发驳热，姆盘管岁 装嚣静瘩冻绣戏冰，绪溶兹琴发一毅在4 0 6 0 m m ，融猿 放冷时，贝将空调系统的回水送入蓄冰槽，与金属管外的冰崖接接触融化，然餍泵送 剥空调末端供冷。早期的这种方式冷冻水湿较低，取冷过程楚单，但是制冷剂用鼹大， 盘管溽接鬻求离，嚣发生帚冷帮渣漏溺怒，盈维修困难。 近年米逐渐采用载冷剂间接冷却，充冷时，从冷水机级制出的低温载冷剂( 或称 = 次冷爨) 送入蠡餐凌循繇，篌管努熬熬裂戏冰( 饕猿禧孛戆窳霉叛宠全冻结戏冰) 。 释冷时，w 将空调系统的回水送入蓄冰槽，与金属管外的冰直接接触融化，然飚泵送 到空调永端供冷；也可以用乙二醇水溶液循环间接取冷，即从负荷端煦流的温度较高 静乙二酚承溶液也逑入盘管斑循环，将擞管井表瑟的冰逐渐融彳乞，同时，乙二醇水溶 液的温度下降，重新供给用户使用。 3 、嚣装球箨冷系绞 封装冰蓄冷系统是将注入蓄冷设备介质一水( 或有机赫溶液) 的嚣冷容器密集的 放在蓄冰横中，由制冷机制出的二次冷媒( 乙二醇水溶液) 流经蓄冷蜜器，使蓄冷容器 。 内的承( 鬣有梳盏漆液) 结豫来储存冷交。该系统鹩工作原理类似予竞全冻结式鬻冷系 统。封装冰蓄冷系统的阻力较小，适合于并联流稷系统，谯实际中应用较多。 垂、球片潺藩式蓄冷系统 该系统又称为动态制冰机系统，其麓本组成怒以制冰机作为制冷设备，以保温槽 作为蓄冷设备。制冰机安装农篝冰槽的上方，由潜干块平行板作为制冰机的蒸发器。 循嚣水泵不断觞将鬻冰稽牵酌承播出荠喷洒爨蒸发器上，当承遁餮冰冷的蒸发嚣表面 之后，便继成层薄冰。待冰达到一定厚度( 通常3 6 5 m m ) 时，制冰设备中的换向阀 土海海事太学磺毫学位论文第一鬻缝论 切换，压缩机的排气直接避入蒸发器筒加热板面，使冰脱离蒸发器并依靠自身的霪量 藩入蓄溶糖。魏鼗往复，囊至蓄溶结束。融冰薅，麸警谖受薅黎滚嚣匏湛震较鑫鹣冷 冻水进入蓄冰稽，将槽内的冰融化为澈糜较低的冷凉水，供系统使用。 制冰滑辫式系统需配鼹专用制冰机，制成的薄片冰或冰泥可猩极短时间内融化， 并且从负萄端疑流的冷冻水直接与冰接触，可提供较低潺度的冷凌窳，特剐适残于工 妲遭程及渔渡冷冻。 5 、冰晶式髫冷系统 冰晶式辫冷系统是将水与乙二醇或斑二醇的混合溶液降至冻结点温度以下，使其 产生球磊。猿磊是稷缨，j 、鼢踩粒与承熬混合穆，箕彩成过程类纭予雷花，鑫缝茹棱渡 三维空间向外生长而成，缴成后成为种淤浆状的液冰，可以用浆输送。 该系统需使用专门生产冰晶的制冰机和特殊设计的蒸发器。镶冷时，从蒸发器内 窭寒匏球燕爨至蓄拣楗两锉存：器冷爨，熬粒与本戆滋会溶滚被鬟缓送至窒璃受蕊蠛 使用，升温精回到蓄冰槽，将糟内的冰晶融化成水，究成释冷循环。混合液中，由于 冰晶的颗粒椴小且数量很多，因此与水的接触换热筒积很大，冰黼的融化速度很快， 霹戳适应受耱急剔变化酌场会。 冰晶式鬻冷系统和其它系统相诧较，诧系统静秘冰过程在主祝处，两不在嚣冰篱 内，且制冰过程中含有冰晶的混合溶液不断地流动潜随着制冷时间的延长，冀含冰 率越来越大，当含冰率达n 6 0 时，输邀混合液的阻力急剧增加，圜此，该系统不能 太大，蓄冷怒力较枣，逶羯予夺垄窒溪象统。 1 2 2 篱冷系统的运行横式与流程配鼍 常褒窆璃系统是戳浚诗瑟静最大，j 、瓣受藜灸基璇寒确定麓冷系统鹣容量，选鼗空 调制冷机组，而蓄冷空调系统则是以设计目的总的供冷负荷及其特点来确定蓄冷系统 的容量。蓄冷空调系统按负荷转移的多少可以分为两类哺。：全蓄冷系统和部分黼冷系 绫。 全蓄冷系统是指设计秘非电力谷段的冷负荷总擞全部由蓄冷装置供应，豫时，常 规系统的运行时段“昼夜颠倒”，夜间非空调时段扁幼制冷机蓄冷，白天空调时段则 铡冷枫组停止运行。全饕冷系统的特点楚；完全剩援低谷电力，移峰能力最羧，霹鞋 大箍瘦节省电费，毽蓄冷装置袭稍冷枫缀的装设容熬较大，密投资较多。该系统般 适用于体育馏、影剧院等负荷大、持续时间短的场所蛾峰谷电价麓很大的地区。全蓄 冷系统可依搬冷负荷的特点有不同的安排方式，代裁性运行安排风图卜1 所示。 罄分誊冷系统是捂浚诗鑫尊毫力谷羧懿冷受蘩蕊藿郝分蠹饕冷装嚣供应，鼗对， 上海海事大学硕士学证论文 第一露绪论 ( c ) 图卜l 全蓄冷运行安排网 夜淘翻冷辊运j 行诺襻部分冷量，自灭空调霹段粼痰潮冷辊缀与藩冷装鬟联合筷应 冷负荷的需鬟。在实际运行中，部分蓄冷系统在过渡攀节由于冷负荷减少往往可以以 企蓄冷方式逡行。部分蓄冷系统的特点怒：蓄冷装置斧制冷机组容嫩较小，利用率高， 窃投资少，缳“移烽”筏力较弱，节餐逛费稳对较少。及系统缀藏、设餐投姿系绞运 行可靠性和逡行费用等方圈综合考虑，鄢分蓄冷优予全蓄冷，因此，被广泛应用于商 业性建筑等许雾场所。部分蓄冷系统可根据冷负荷的特点有不同的安排方式，代表性 运行安接见鬻l 一2 爨示。 部分蓄冷系统又分为两种运行模式：主祝优先和鬻冷优先。主祝优先方式怒指在 空调工况以制冷机组优先供冷为主，不熙部分由蓄冷装置释冷补充，该系统中主机满 负荷运行时闯长。蓄冷优煲方式是指农懋谡工况以饕冷装置优先释泠为主，不起部分 由潮冷辍缝谈冷静宠，该系统与圭瓿稳您系统稳毙，碍班更好造魏羯蜂谷蔻绘楚，更 多地节省电赞。 根据蓄冷系统的流稷_ 既已置。也即带4 冷机组和蓄冷设备在系统中的连接方式蓄冷 空谲系绞霉分失事联系绞秘劳联系绕瑟大类。串联系统孛按裁冷撬维秘蓥冷浚蘩豹籀 对位置关系又可分为主机上游和主机下游两种形式。如图卜3 所示选择c 即为并联 匈一 二孺 矗 | 盎一 上海海事大学硕士学住论文第一章镑论 71 0 ( h ) 。“ ( 鑫) 按受蔚均缝藿冷 ，一， 溺黼隧 苎竺竺l 觉冷 ( b ) 接受耱均餐蓄冷 ( c ) 按负荷均衡蓠冷( d ) 按电力需求限制蓄冷 图卜2部分蓄冷运行安摊图 系统，选择a 即为主税上游系统，选辑b 帮为主钒下游系统。主机位于蓄冷设备的 上游，在空调工况空调回水( 或乙二醇溶液) 先经过主机，水温较高，因此主机效率较 高，但相对来说，进入蓄冷设备的水溆较低，因而释冷速度较低，释冷时间比较长， 这释方式警鬻予舒运整空诵系统。主蕊i 经予蓄冷设务黥下游，在空调王嚣窆镯潮农( 或 l - 醇溶液) 先进入蓄冷设备，则蓄冷设备的释冷速度较高，释冷较快，但进入主机 的水温较低，因此其制冷效率比较低，这种方式适用于低温送风空调系统。并联系统 褒窆调工援熹穰与蓄冷设备运行在提麓熬进塞日溶滚瀑度之裁，箕健熹是霹 三 藩颓主 机的效率和薷冷设备的释冷速度，但其静路系统较为复杂，存在管路之中流量平衡的 问题，这种方式不适用于低温送风系统，并联流程在释冷供冷时溶液泵的运行功率较 小，适会于全量蓄冷运行模式，尤其怒馋为备用冷滚。 祷不同的运行模式与系统配置避行缀合，可以形成七释系统；【l 】【撺】 ( 1 ) 全豢冷系统( n s ) ： ( 2 ) 主机优先主机上游式部分蓄冷系统( p s l ) ： ( 3 ) 主穰优先主瓤下游式罄分蓄冷系统p s 2 ) ； ( 4 ) 主机优先并联试部分蓄冷系统( p s 3 ) ： 上海海辜大学硬士学位论文第一章鳍论 ( 5 ) 蓄冷优先主机上游式部分营冷系统( p s 4 ) ； ( 6 ) 蓄冷缆先圭援下游式部分饕冷系统( p s 5 ) ； ( 7 ) 蓄冷优先并联式部分蓄冷系统( p s 6 ) 。 ，_ 、 繁冷系统负荷 盎h 鼋y w 瓢卜泵 r j i 。l ab 图卜3 篱冷系统的流程配置 图中：t 广离开蓄冷系统的流体温度 黾一谶入蓄冷系统的流体温度 黾一进入蓄冷装萋游渡体温凄 t 4 一离开蓄冷装置的流体温度 选择a 、b 、c ：制冷设备( 冷水机缎) 1 2 。3 攀冷空调的遥行工况 蓄冷空调运行工况指的是系统是焱充冷还是供冷，供冷时蓄冷装置及制冷机组是 鑫叁单猛王佟逐是共囊王终。蓄冷系绕爨在簌定静足秘方式下运嚣，殴淡是供冷受蕊 的需求，常用的运行工况以冰蓄冷系统为例有以下敷种： 1 、制冷机充冷 此转王凝是指制冷枧壤独运行露l 冰蘩冷，一般运嚣在夜阅电力谷段。 2 、充冷并供冷 此种工况是指在夜间制冷机充冷期间仍有一较小冷负荷时，鬻冷装置出口的二次 制冷剂中的一部分被分送鬣冷负荷以满足供冷需求，但这部分供冷负荷不宣过大。 3 、麓冷惑供冷 ：海海事大学联士学位论文 第一章绪娩 此种工况是指蓄冷装鼹不工作，制冷机满足空调全部供冷负犄需求。 4 、释冷袋冷 此种工况是指制冷机不工作，蓄冷装置释冷满足窀调全部供冷负荷需求，它是全 嚣冷系统的熬本运行方式。 5 、裁冷枕衣嚣冷装置同瓣供冷 此种王况是指潮冷毒 l 嗣蓄冷装置褥辩运行满跫警调供冷负荷鬻求，它是部分蓄冷 系统在炎热攀节的基本运行方式。 3 盘管筑溶蓍冷系绞滋潮 1 3 1 檄述 嚣蘩在黧蠹癸应爱较多戆藿冷系统怒盎譬式溶警冷系统袭鹭装冰蓄冷系统，英缝 瞽冷系统相对应用较少。盘管式蓄冷系统的主要装鬣怒由沉浸在蓄冰槽中的盘鬻构成 换热表面的一种蓄冷设备。在蓄冷过獠中，载冷剂( 般为一定质最百分比的乙烯乙 二醇溶液) 或蒜冷裁在鬟餐内褥环，吸收蘩溶穰孛农鲢热量，在蠡蛰磐表面形成冰瑟。 取冷过程斑裔内融泳和补融冰两嵇形式。 外融冰方式；温度较高的空调回水随接送入盘管液面结有冰屡的蓄冰水槽，使盘 蛰表露上的冰层自外向内邂渐融化。出于空调回水譬冰奁接接触，抉热效果好，取冷 抉，来蠢蓄冰稽静筷永滚发胃低弱f c 左右。踅餐，警调强冷水豢攘寒鑫蓄泳糖，蔽 可不需要二次换热装置。假是，为了使外融冰系统达到快速融冰放冷目的，蓄冰槽内 水的空间应矗一半，亦即鬻冰槽的蓄冰率( i m p ) 不大予5 0 “1 ，故潜冰槽容积大。同 辩，峦子蠡蛰岁 表嚣冻缝豹溶层不鹭匀，暴形应承滚延建，瑟整蓄港攘曩部影裁永不 融化的冰层，故需采取搅拌措施，以倪谶冰的均匀融化。 内融冰方式：来自用户绒二次换热装置的温度较高的载冷剂( 绒制冷剂) 仍襁盘管 内锺环，通过焱管表嚣将热蟹簧递绘冰鼷，筏盘警终滚嚣匏塔屡巍肉离钤逐澎激化送 行取冷。冰艨自内向外融化对，由于在箍管表面与冰艨之涵形城薄豹东层，其替热系 数仅为冰的2 5 左右，敝融冰换热热融较大，影响取冷速率。为了解决该问题，目 前多采用纲铃、薄冰层蓄冰。 与努融冰方式稳跑，两融球方式蜀戳避免舞敲冰方式由予主一弱麓蓄冷循环薅， 在盘管外表谳可能产生剩余冰而引起的传热效率下降。另外，内融冰系统为闭式流程， 对系统的防腐及静压问题的处理都较为简便、经济。所以，内融冰舔冷系统在空调工 程孛痤爱较多。 上海海事大学碗士学位论文第一章绪论 3 。2 鑫餐戏蓄溶装置 沉浸在蓠冰槽内的盘管结构形状常用的有三种，即蛇形盘管、圆筒形盘管和u 形立式盘管。信们作为换热器的功能部件，分别与相戚的不同种类的蓄冰槽组合为成 套的各种标准激号的蓄冷装置。同时，这些盘管也可以根据需要制成非橱准尺寸，著 魏箨逶台予磐转建筑魏枣置麓警掾横，缝壤 # 簿准熬蘩冷装萋戳满是实蕊蘩要。 1 、蛇形盘警瓣冷装置 蛇形盘镣鬻冷装置以美国b a c 公司的产品为代表，擞管结构如图1 - 4 所示。可根 据需要按不同长度l 制成多种容激规格的蓄冷装置。 图1 - 4b a c 盘管构造酾 盘管为钢掇连续卷焊而成，其外径为2 6 6 7 t u r n ( 1 0 5 ”) ，盘管组装在钢架上，装 配后进行整体摊袭面热镀锌。为提海传热效率，相邻两缀盘管的流向相反，使蓄冷和 敖冷薅温度均匀。盘警蠹额定王穆蓬力舞1 。0 5 p a ，鑫管癸瑟瑟_ 摹度缝为2 3 潮 ( 0 9 ”) 3 5 5 6 m m ( 1 4 ”) ，盘管抉热袭面积为0 t 3 7 m 2 g w h ，冰表蟊积为0 ，5r e ? k w h 。 该装置一般使用2 5 的乙二醇溶液，充冷时进液温魔为- 5 6 。c ，放冷时出口温度为 o 1 。 盘管放置在蓠冰槽内。蓄冰槽可以烧钢制、玻璃钢制域镧筋混凝士制的，横体壁西覆 盖毒8 0 闺l 舀0 秣瓣簿戆摄渥层。戴耱冰鑫譬式蓄拣攘黢辩驭设嚣努癸熬踩方式，氇冒 戬设诗为淹融泳方式。当采雳乡 黻冰方式对，为了融冰均匀，可在鑫管下鄢莰置压缩 空气管，从管中泵送出空气，超搅拌作用。但长期送入空气将使槽中水璺弱酸性，对 盘管有腐蚀作用。 为了保诞安装与维护，当采用钢制或玻璃钢制数体式蓄冰槽时，槽体鬻艇墙壁或槽 薅之阕一黢巍绦持4 5 0 r 瓣踅离。 2 、圆形盘管鬻冷装置 此种形式的盘管蓄冷装置以荚蹦c a l m a c 公司和d