（制冷及低温工程专业论文）冰蓄冷低温送风系统设计软件及冰盘管传热性能研究.pdf

摘要 冰蓄冷低温送风系统设计软件及冰盘管传热性能研究 李海军 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 摘要 近几年来，能源问题越来越受到全球人民的关注。当前我国大中城市用电量 与日俱增，电力供应不能满足工业发展与人民生活的需要。在这种形势下，具有 实现电力移峰填谷、降低系统运行费用的冰蓄冷低温送风技术在我国逐渐发展起 来。 冰蓄冷低温送风空调系统是一种全新的空调系统，有其系统本身的特殊性， 不能以常规空调系统处理，本文在对系统深入分析研究的基础上开发了低温送风 设计计算与系统设备选型软件，并通过设计实例对软件进行了测试。 在冰蓄冷低温送风空调系统中，送风温度低，供回水温差大，蓄冰设备应具 有良好传热性能以满足系统低温送风的要求，所以更加深入地研究蓄冰设备的传 热性能有重要意义。内融式冰盘管是当前冰蓄冷低温送风系统中经常采用的一种 蓄冰盘管，本文以采用不完全冻结方式融冰的内融式冰盘管为研究对象，主要完 成了以下工作： 1 、搭建了实验台，进行了不完全冻结式冰盘管融冰试验，对融冰过程中环 水温度的变化特性进行了分析研究； 2 、提出了鼓气融冰方法，设计并搭建了充气装置，实验证明该方法大大提 高了蓄冰槽传热性能，进而讨论了充气量的影响： 3 、对不完全冻结式冰盘管在融冰过程未完成的条件下的蓄冰特性进行了初 步的实验研究。 最后，本文进行了总结，并对下一步工作提出了几点建议。 关键词：冰蓄冷低温送风 内融式冰盘管不完全冻结 些! 坚! 一 s t u d yo na s o f t w a r ef o rc o l da i rd i s t r i b u t i o nw i t hi c es t o r a g e s y s t e ma n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ni c e - o n c o i l a a i j u nl i i n s t i t u t eo fr 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 ， z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ，p r c h i n a a b s t r a e t i i lr e c e n ty e a r s e n e r g ya t t r a c t sa l lo v e rt h ew o r l dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s n o w a d a y s ，p o w e rr e q u i r e m e n ti nb i ga n dm e d i u ms c a l ec i t yi si n c r e a s i n ge v e rd a y u n d e rt h i sb a c k g r o u n d t h ec o l da i rd i s t r i b u t i o nw i t l li c es t o r a g es y s t e mw h i c hc a l l k e e pb a l a n c eo nt h ee l e c t r i cp o w e rs u p p l ya n d r e a c har e d u c t i o no ft h er u n n i n gc o s ti s d e v e l o p e dg r a d u a l l yi nc h i n a 。 c o l da i rd i s t r i b u t i o nw i t hi c es t o r a g es y s t e mf o ra i r - c o n d i t i o n i n gi san e w t e c h n o l o g y 、i t l ls o m eu n i q u et r a i t s t h es o f t w a r e f o rc a l c u l a t i o no nc o l da i r d i s t r i b u t i o ns y s t e md e s i g na n df o rt h ep r o d u c ts e l e c t i o nb a s e do nd e e pr e s e a r c ho ft h e s y s t e mi sd e v e l o p e da n dt e s t e d s i n c et h el o wa i rt e m p e r a t u r ea n dt h eb i gt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nc o l da i r d i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t ht h ei c es t o r a g e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yf i n t h e rh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so ft h ea p p a r a t u st om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m c u r r e n t l y , t h e i n t e m a lm e l ti c e o n c o i li so f t e nu s e di nt h ep r o j e c t t h i sp a p e rm a k e sas t u d yo n i n t e m a im e l ti c e o n - c o i lw i t hp a r t i a lc h a r g e dm e t h o d ，a n dt h ef o l l o w i n gw o r k sh a v e b e e nd o n e ： 1 t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa r eb u i l tu pt oc a l t yo u td i s c h a r g i n gc y c l e sf o r t h e p a r t i a lc h a r g e dm e t h o d o fi n t e m a lm e l ti c e o n - c o i l c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r t e m p e r a t u r ev a r i a t i o na r o u n dt h et u b e sa l i g n e dh o r i z o n t a l l yi nt h et a n ka r ea n a l y z e d 2 as u g g e s t i o ni m p r o v i n gd i s c h a r g ep e r f o r m a n c eo ft h ei c e 一0 1 2 一c o i lt a n kb y f i l l i n ga i ri sp r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sf o rf i l l i n ga i ri sd e s i g n e da n db u i l t u p ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h et a n ki si m p r o v e d w e l l t h e nt h i sp a p e rm a k e saf l l r t h e rr e s e a r c ho ft h ee f f e c to ft h ea i rv o l u m eo nt h e a b s t r a c t p e r f o r m a n c eo f t h e t a n k 3 t h ei n i t i a le x p e r i m e n t a ls t u d yo nh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co ft h ei c e o n c o i l d u r i n gc h a r g i n gb e f o r et h ed i s c h a r g ep r o c e s si sf i n i s h e d f i n a l l y , t h es u m m a r yo ft h i sp a p e ri sg i v e na n ds o m es u g g e s t i o n sf o rf a r t h e r s t u d ya r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：i c es t o r a g e ，c o l da i rd i s t r i b u t i o n , i n t e r n a lm e l ti c e - o n - c o i l ，p a r t i a l c h a r g e d i i i 主要符号表 g l 为一次风量 此为二次回风比 q 为房间冷负荷 q c 表冷器的负荷 t ，冷冻水进口温度 t 2冷冻水出口温度 k 负荷差异数 虬假定迎面风速 b 有效高度 e 实际迎风面积 p密度 d通水断面管直径 e 水流通断面积 a 散热面积系数 q u c 制冷机组的额定容量 。 主机供冷时间 n室内状态点 c一次回风混合状态点 i n进口 w水 主要符号表 下脚标 i v f 析湿系数 足 传热系数 虬表冷器排数 f 传热面积 卢传热单元数 r 水当量比 片间距 r 迎风面积 表冷器管数 圪。实际风速 三 有效长度 m管程数 m流量 r 散热面积 c 低谷电价期的蓄冰时间 l ， 送风状态点 l 机器露点 o u t 出口 a i r 空气 独创性声明 7 7 6 3 1 3 本人声明所星交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得堂塑：2 釜生或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一周 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 李海军 签字日期：芦- j年孑月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解出= 至三i 塞登有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权鲞姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：本海军 签字日期：办。了年3 月暑日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：旱曩国卵 、l 签字日期： r 年；月日 电话： 邮编： 第章绪论 第一章绪论 本章主要叙述了本课题的研究背景与意义，并介绍了冰蓄冷低温送风空调技 术的发展现状，最后简要介绍了本文的主要工作。 1 1 、课题背景及应用意义 自上世纪七十年代以来，能源问题一直是各国政府的重点关注对象。我国是 一个能源消耗大国，电力是国民经济发展的基础产业，而随着现代工业的发展和 人民生活水平的提高，大中城市用电量与日俱增，电力供应依然不足，当前全国 很多地方缺电的局面仍未得到根本改变，很多城市在夏季用电高峰不得不频频拉 闸停电，给工业生产与人民生活带来诸多不便。 解决电力不足的问题，一方面是靠增加对电力的投入，加快电力建设的步伐， 多装机组，多建发电站来满足高峰负荷的需求，但这些电站即使在夜间继续运行 也是在很低的负荷下低效率运转的；另一方面则是国家通过经济、技术、行政和 法律手段，鼓励用户节约用电，移峰填谷，充分利用现有的电力资源，大力开发 低谷用电【l 】。根据统计，在夏季部分城市用电消耗中，空调电耗所占比例已达高 峰用电量的3 0 之上1 2 j 。在上世纪七十年代，人们发现空调蓄冷技术对城市电网 具有很大的“削峰填谷”潜力，从那时起空调蓄冷技术得到了长足的发展与广泛 的普及。 空调蓄冷技术自上世纪九十年代以来在我国大陆地区开始发展起来，为推动 蓄冷技术在我国的发展与普及，国家经贸委颁布的相关文件中将冰蓄冷空调作为 重点发展项目，在1 9 9 8 年底颁布的国务院有关文件中更强调了“为缓解高峰用 电对电网安全稳定运行的压力，保证经济发展和人民生活水平提高对电网的需 要，要加大推行峰谷电价的力度，鼓励用户采用节电技术措施，鼓励用户多用低 谷电，加快推广蓄冷空调等削峰填谷的技术措旄”。【1 截止到2 0 0 2 年，我国已 建成和正在建的水蓄冷和冰蓄冷空调系统已达2 0 0 余项，取得了一定成效和经 验。 然而在实际运行中，冰蓄冷有初投资高，耗电量大的缺点，为解决这一问题， 人们将蓄冰与低温送风系统相结合，这一新技术被称为暖通空调系统最重大的变 革之一。 在我国，大力推广冰蓄冷低温送风空调技术将有利于提高我国能源利用水 第一章绪论 平，推动经济的迸一步发展。 1 2 、冰蓄冷技术发展及分类 空调蓄冷技术起始于2 0 世纪3 0 年代，自2 0 世纪7 0 年代能源危机以来，各 国特别是西方发达国家加强了对节能的研究，促使蓄冷技术得以迅速发展。 冰蓄冷低温送风空调系统是一种全新的空调系统，它综合冰蓄冷与低温送风 两种技术，具有初投资省，运行费用低，效率高，较好的热舒适性等优点，是空 调蓄冷技术在建筑物空调中应用的一种趋势，这种技术被称为暖通空调工程中继 变风量系统之后最重大的变革。 一、冰蓄冷空调技术概念 冰蓄冷空调技术，是在电力负荷较低的夜间用电低谷期采用制冷机制冷，利 用冰的潜热特性，将冷量储存起来。在电力负荷较高的白天用电高峰期，把冰中 储存的冷量释放出来，来满足建筑物空调或生产工艺的要求，达到转移尖峰电力、 减轻电网负荷、节省电费、降低设备容量的目的。 二、冰蓄冷技术特点【1 4 】 与常规空调系统相比，冰蓄冷具有许多优点： l 、平衡电网峰谷负荷，减缓电厂和供配电设施的建设； 2 、节省电力设备费用。采用冰蓄冷空调可减少制冷机容量，风机和泵的容 量也相应减少； 3 、系统效率高，具有节能效果。制冷机组通常处于满负荷运行状态，提高 了主机运行效率。 4 、节省冷水设备费用。供应低温水使冷水温差加大，减少了冷水循环量。 5 、蓄冷密度大，蓄冷温度几乎叵定，便于储存。 6 、对蓄冷槽要求低，容易做成标准设备。 但是冰蓄冷系统本身也具有缺点： 1 、蓄冷时制冷机组蒸发温度较低( 要达到一5 一1 0 ) ，从而使压缩机性 能系数c o p 值变小。 2 、空调系统设备与管路较常规系统复杂，占用空间和初投资较大。 3 、冰蓄冷系统设计、调试及运行控制较常规系统复杂。 第一章绪论 三、冰蓄冷系统类型【i l 【5 - 2 7 i 蓄冰系统的种类和类型很多，当前实际工程中应用的蓄冰装置主要有以下几 种： 1 、内融冰盘管式 蓄冰槽内充满用来制冰的水，水中置有结冰盘管，盘管内流动着载冷剂。在 制冰和融冰过程中，蓄冰槽内部的水静止不动，只借助于盘管内的载冷剂的温度 变化来实现制冰和融冰。 与蓄冰结束时蓄冰槽内需保持5 0 以上冷水预备抽水融冰的外融冰盘管式 冰蓄冷系统相比，内融冰盘管式冰蓄冷系统在蓄冰对蓄冰槽内不需预留用以抽水 融冰的冷水，从而系统具有较高的制冰率，一般可以达到9 0 以上。而在同样的 蓄冷量下，其蓄冰槽的体积比外融式要小，可以节省系统的安装空间。另外，内 融式冰盘管制冷剂用量少且不易泄漏，可靠性好。 内融冰盘管在融冰时利用的是从空调负荷端流回温度较高的载冷剂进入蓄 冰槽并将盘管外的冰融化，同时载冷剂的温度被降低，再被抽回到空调负荷端使 用。按照融冰方式的不同，内融式冰盘管又可分为完全冻结式和不完全冻结式两 种。 遵_ _ ) 二 ( a ) 完全冻结式( b ) 不完全冻结式 图1 - 1 不同方式融冰示意图 ( 1 ) 完全冻结式 如图卜1 ( a ) 所示，内融冰盘管在融冰过程中，融冰主要靠紧贴盘管外表 明已融化的水与未融化的冰之间的自然对流和已融化的水的导热来进行传热，随 着融冰过程的进行，盘管外表面与冰之间的水层逐渐变厚，而水的热导率只有冰 的1 4 左右，所以换热热阻逐渐增大，融冰速率也因此而变小。尤其是在融冰过 程后期，蓄冰槽内的冰难以融化，冷量难以释放，而使得制冷剂的出口温度升高， 这称为完全冻结式，也是目前实际工程中应用较为广泛的内融冰盘管融冰方式， 相关研究资料较多。 ( 2 ) 不完全冻结式 如图l 一1 ( b ) 所示，不完全冻结式是指在制冰结束时相邻盘管间形成的冰层 3 第一章绪论 并未相交，融冰时冰层在水的浮力作用下向上浮升，在融冰过程中始终有部分冰 层直接和盘管相接触。融冰到一定程度后，冰层破裂，形成温度稳定的冰水混合 物，直至融冰结束。 与完全冻结式相比，不完全冻结式因水未完全冻结成冰，所以制冰率较完全 冻结方式的要来得低，但具有融冰速度快、出口温度较低等优点，其良好的传热 特性能轻易的满足低温送风的要求。 2 、外融冰盘管式 与内融冰盘管相同，外融冰盘管蓄冰时低温的制冷剂或载冷剂在盘管内循 环，将盘管外表面的水逐渐冷却至结冰，结冰厚度一般控制在4 0 m m 6 0 m m 。但 在融冰过程中，外融冰盘管依靠的不是制冷剂或载冷剂，而是将从空调系统流回 的温度较高的冷冻水充入蓄冰槽，与盘管外表面的冰接触融化后形成温度较低的 冷冻水，然后通过泵送至空调负荷端使用。 外融式冰盘管蓄冰系统可以在较短的时间内制出大量温度稳定的低温冷冻 水。因此特别适合于短时间内要求冷量大、温度低的场所，如一些工业加工过程 及低温送风空调系统。但是蓄冰槽内需严格限制蓄冰量，避免冰柱搭接，并保持 一定份量的水，以便抽水融冰，因此制冰率较低。另外由于加了一套冷水管路， 系统控制较为复杂。 3 、密封件式 与完全冻结式蓄冷系统的工作原理类似，它是以内充添加有成核剂的水的密 封容器作为蓄冰单元，将大量蓄冰单元堆积在蓄冰槽内。 蓄冰时制冷主机提供的低温载冷剂通过蓄冰槽内蓄冰单元四周的空隙流动， 与蓄冰单元内的水进行热交换，使水降温后结冰。融冰时由泵将蓄冰槽中的载冷 剂送至热交换器与空调回水进行热交换，向空调系统提供冷冻水。然后温度较高 的载冷荆再重新回到蓄冰槽与蓄冰单元进行热交换。 密封件式蓄冷系统的蓄冰单元目前有多种形式，即冰球、冰板和蕊心褶囊冰 球等，其中冰球又可分为圆形冰球、表面有多处凹涡冰球和齿形冰球等。蓄冰单 元一般由高密度聚乙烯( h d p e ) 材料制成，由于水结冰时约有1 0 的体积膨胀， 因此，为防止冰形成后体积增大对蓄冰单元的破坏，通常要在蓄冰单元内预留膨 胀空间。 该系统的特点是：随着蓄冰和融冰过程的进行，其换热热阻都会逐渐增加， 蓄冰和融冰速率也还因此而下降，采用蕊心冰球等强化换热措施可在一定程度上 增加蓄冰和融冰速率；蓄冰单元实用寿命长，即使个别蓄冰单元破损后也不影响 系统运行，系统的可靠性高，维护方便。 4 第一章绪论 4 、制冰滑落式 制冰滑落式冰蓄冷系统属于制冷剂直接蒸发式动态蓄冰方式，它具有独立的 制冷系统，通过一特制的蒸发器( 制冰机) 与蓄冰槽联系起来，构成冰蓄冷系统。 制冰机安装在蓄冰槽的上方，蓄冰时，循环水泵不断将蓄冰槽中的水抽出至 蒸发器的上方喷洒而下，在蒸发器表面结成一层薄冰，待冰达到一定厚度( 约6 8 m m ) 时，即被除下来放入蓄冰槽内。除冰的方法一般采用制冷剂热气除霜原理， 即切换制冰设备中的四通阀，使压缩机的排气直接进入蒸发器内，利用加热的方 法使粘贴在蒸发器表面的冰融化一薄层，从而是冰块脱落。“结冰”、“取冰”反 复进行。融冰时，蓄冰槽底部约o 的冷冻水可直接供应空调设备，为空调提供 冷源。冷冻水回水从上而下流入蓄冰槽，将蓄冰槽内的冰融化。 这种系统的特点是：该系统的融冰速率很高，通常情况下可保持释冷温度为 1 2 ，直至蓄冰槽内的冰有8 0 9 0 被融化；制冰与蓄冰位置分离，制冰 厚度小，效率高，比较适合于用冰时间较长的场所：蓄冰系统的制冰机在满负荷 下运行，保持着最高运行效率，无需配备调节装置，减少了维修工作量：采用热 气滁冰方式使冰片脱落，会增加制冷系统故障，同对还产生能量损失；若采用螺 旋刮除方式使冰片脱离制冰机，又会增加刮冰设备的耗电，也易产生故障。 5 、冰浆式 冰浆式系统是将低浓度卤水溶液( 通常是水和乙二醇) 经冷却至冻结点温度 产生无数个非常细小均匀的冰晶，形成直径约为1 0 0 m 的冰粒与水的混合物， 类似一种泥浆状的液体，可以用泵输送。 冰浆的产生主要是通过一组特殊设计的蒸发器完成，称为超冰机。此系统的 主要费用在冰浆制冰机上，蓄冰槽结构简单，只需足够空间并做好防水保温工作 即可。这套系统适合于设备容量小、需长期连续运行、储存大量冰浆供短时间大 负荷空调需求的系统，具有很好的经济效益，因此设计应用上常采用每周蓄冷模 式。一般来说，冰浆式蓄冰槽的蓄冰率为4 5 。 冰浆式蓄冰系统具有以下特点：制冷剂直接冷却载冷剂制冰，而且是动态的 制冰方式，换热效率高；由于冰浆中的冰晶数量很多，其总的换热面积很大，故 融冰释冷速率很大，对负荷的急剧变化有很强的适应性；蓄冰槽结构简单，无需 配管，造价便宜；载冷荆浓度低，节省了乙二醇的用量；单机制冰容量小，不适 用于大型系统；载冷荆的浓度需准确控制，否则容易导致制冰机发生效障。 第一章绪论 1 3 、低温送风技术 一、低温送风的发展 低温送风是相对于常规空调送风而言的，它的送风温度一般在4 1 0 。c 左右， 而常规空调名义上送风温度一般在1 0 1 5 左右。 低温送风的概念早在2 0 世纪5 0 年代就已提出，并在一些工业领域和建筑设 施上有所应用。在2 0 世纪8 0 年代，能提供l 4 冷冻水的冰蓄冷技术重新崛 起，这使得低温送风变得轻易可行，建立与冰蓄冷相结合的低温送风空调系统成 为空调蓄冷技术发展的一个重要方向。 二、低温送风技术的特点【1 】【2 8 。4 2 】 传统的1 3 的标准送风温度主要是最大化冷冻水的温度以提高制冷机组效 率，同时使室内维持5 0 6 0 的相对湿度。然而，这些标准设计参数并没有 系统的初投资及运行成本达到最省的效果。 与常规空调系统相比较，与冰蓄冷结合的低温送风具有的优越之处包括降低 空调系统的初投资，减少风机的电能消耗，以及因湿度的降低而改善舒适性。具 体如下： 1 、初投资减少。 低温送风系统的送风温差大于常规空调系统的送风温差，这就使所有空气和 水的处理、输送及分配设备，包括空调箱、水泵、管道及配件、空气末端设备、 空调自控系统设备的数量和容量均大幅减少，空调机房面积、管道所需的建筑空 间、空调设备的电力需求等也随之减少，显著地降低了空调系统的初投资，甚至 完全可以抵消或超过冰蓄冷系统设备投资所增加的额度。 2 、减少高峰电力需求，降低运行费用 空调系统输送设备的减小，使输送设备的能耗显著降低。低温送风系统减少 了送风量，也因此相应减少了电力需求。 另外，虽然冰蓄冷系统制冷机的c o p 值降低了，但空调系统整体的经济性却 可以提高，系统运行费用及设备维修更换费用也随之减少，真正可以做到“既节 能又省钱”。 3 、提高空调舒适性 由于送风温度降低，去湿能力更强，室内空气相对湿度可控制在3 0 4 5 ， 提高了室内的热舒适性；又由于空气的处理及输送过程均在较低的温度下进行， 有利于抑止细菌的繁殖，从而进一步改善室内空气的品质，有利于人体的健康。 6 第一章绪论 4 、减少楼层之间相对高度，降低建筑造价 由于送风量的减少，空气处理设备及管道尺寸相应减少，所占空间减小，对 于新的建筑物，管道尺寸的减小可使建筑物的层高降低，建筑造价也相应减少。 5 、增加现有制冷设备容量，适用于改建工程 当旧有建筑的空调负荷增加时，仍可利用原空调系统增加容量，所以也适用 于空调系统改造项目等。 现在许多商业建筑原有的空调系统已不能满足现实要求，必须进行更新改 造，冰蓄冷低温送风系统是一项最好的方式。 在选定系统之前，重要的是根据各种条件和数据，如电价，用户负荷特征， 设备费用等，进行技术经济分析比较，选择出建设项目的最佳方案。 1 4 、本课题研究内容 本课题主要研究内容如下： 1 、系统设计程序的研究 我国冰蓄冷低温送风技术起步较晚，国内相关设计软件很少，因此很有必要 开发一种方便而又快捷的系统设计软件，从而加快冰蓄冷低温送风空调系统的推 广应用。 冰蓄冷低温送风空调系统是一种全新的空调系统，有其系统本身的特殊性， 此时不能再以常规空调系统处理，本文在对系统深入分析研究的基础上开发了低 温送风设计计算与系统设备选型软件，从而为暖通空调设计者提供了一个简单实 用的设计工具。 2 、不完全冻结式冰盘管传热性能研究 当前使用的多种蓄冰系统中，内融冰盘管式蓄冰槽具有可靠性好，制冰率高， 融冰速率快等优点，因此得到了广泛的应用。当前对以不完全冻结方式融冰的内 融冰盘管研究不多，为了更好地掌握不完全冻结式冰盘管的传热特性，本文设计 并搭建了实验台，完成了以下工作： ( 1 ) 实验研究了不完全冻结式冰盘管在融冰过程中环水温度的变化特性， 并讨论不同载冷剂进口温度与流量等因素对环水温度变化特性的影响。 ( 2 ) 从提高冰盘管释冷性能角度出发，提出在融冰时充入空气以提高蓄冰 槽传热性能的观点并进行实验论证；进而讨论了充气量对蓄冰槽的传热性能的影 响。 ( 3 ) 在不完全冻结式冰盘管融冰过程未完全进行基础上进行的部分蓄冰实 第一章绪论 验，分析了部分蓄冰对冰盘管传热性能的影响。 第二章低温送风设计计算软件研发 第二章低温送风设计计算软件研发 一般来说，低温送风系统设计步骤包括【3 蚰9 】：系统配置的选择，确定房内冷 负荷与通风要求，确定室内送风量，设计并选择表冷器以及选择合适的送风部件 等 1 】本章重点介绍了低温送风系统设计计算过程中送风量计算与表冷器计算两 部分，并在此基础上开发了低温送风设计计算软件。 2 1 低温送风设计方法 一、选择系统配置 低温送风系统包括制冷设备，空气处理设备，送风末端以及管道等辅助设备， 系统配置包括各设备的选型、数量、位置以及向建筑物房间送风的形式。一般可 由业主与建筑设计者在几种配置方案中选择出一种最优配置方案。 向低温送风系统供冷的冷源可以是制冷机组也可以是蓄冰装置，当冷源为蓄 冰系统时，能够充分利用蓄冰设备所提供的低温冷冻水，用户可以获得较大的经 济收益，冷源设备的选型主要由系统对冷介质( 如乙二醇溶液) 的供冷温度的要 求决定，表2 1 为一些常用的蓄冰系统所供应的冷冻水或载冷剂最低温度。 表2 - 1 常用蓄冰系统供应的最低出水温度 蓄冰系统最低供冷温度( ) 制冰滑落式 1 1 外融冰盘管式 1 1 内融冰盘管式 2 2 冰球式3 3 冰晶式 o 二、确定房间冷负荷 对低温送风系统来说，建筑物逐时冷负荷计算方法大部分方面与常规空调送 风系统相同，当前存在数种计算方法，其中冷负荷系数法在实际工程中应用中较 为广泛【4 。 对于低温送风系统，在负荷计算时需特别考虑来自送风机、混合想风机以及 风管的得热等送风的所有得热 3 8 。具体计算过程可参见文献1 6 。 第二章低温送风设汁计算软件研发 三、确定房间通风要求 与常规送风系统相同，系统既要提供足量的通风，同时又要保证房间内的热 舒适性。 值得注意的是，与常规送风系统相比，低温送风系统的特点是送风温度低， 风量小，去湿能力强，如在送风温度为7 的低温送风条件下，室内空气相对湿 度比送风温度为1 3 。c 的常规送风系统约低1 0 左右。可控制在3 0 4 5 。根 据热舒适感研究1 4 5 ，在同等的热舒适性条件下，在一定范围内，室内相对湿度 减少2 5 ，干球温度可以提高1 。因此低温送风系统的室内干球温度可以根据 室内的相对湿度进行适当提高，而热舒适性依然等效。 四、送风温度与空调机组露点温度的选择 1 、送风温度的选择 对低温送风系统来说，送风温度的选择受到当地气候条件、热舒适性、居住 方式等多种因素的影响。 当前许多文献【1 h 6 】将低温送风按照送风温度的高低分为三类，具体如下： ( 1 ) 第一类低温送风 送风温度范围在5 以下，又称超低温送风。该类送风由于需要特殊的 低温机组，特殊的风口，初投资和运行费用节省不多，工程中很少应用。 ( 2 ) 第二类低温送风 送风温度范围为6 8 ，此类低温送风可与冰蓄冷技术相结合，能获得 较好的空调效果，经济效益高，在实际工程中得到了广泛的应用。 ( 3 ) 第三类低温送风 送风温度范围为9 1 1 ，此类送风和常规系统接近，经济效益不大。 一般来说，送风温度越低对低温送风系统节省初投资及和节能效果越 好，但同时也要求所供应冷冻水的温度越低，这将会增加蓄冷装置或制冷机 组的容量及耗电率。 2 、空调机组露点参数的选择 低温送风系统由于供冷介质温度低、进出口温差大，因此空调机组的机器露 点不同于常规空调系统。空调机组露点温度的选择主要受建筑物室内湿球温度、 空调热湿负荷，以及新风量的影响。 一般来说，低温送风露点温度设在4 1 0 ，常规送风露点温度设在1 3 1 8 。相对湿度设在9 0 1 0 0 。 五、房间送风量的确定 l o 第二章低温送风设计计算软件研发 在低温送风系统设计中，由于送风温度低，相同负荷条件下，送风量减少。 确定一个最优的送风量可以最大地减少系统的初投资。 1 、在焓湿图上的过程分析 ( 1 ) 焓湿图分析的重要性 在当前国内常规送风系统设计时，很少进行焓湿图分析，基本上是先根据空 调冷负荷设计指标确定房间空调负荷，再依据相关设计规范确定新风量，然后在 此基础上选择空调机组或新风机组。这种常规设计方法由于所设计的空调设备冷 量大于空调负荷，在实际运行中不会出现问题。但是若用在低温送风系统设计中， 该设计方法没有考虑室内相对湿度的缺陷就有可能造成整个设计过程的失败。 因此焓湿图分析在低温送风系统设计中十分重要，房间实际可以达到的相对 湿度、空调系统的送风量和设备负荷必须通过焓湿图分析才能确定。 ( 2 ) 焓湿图上状态点的确定 如图2 1 所示，w 为室外状态点，c 为一次回风混合状态点，已知机器露点 l 和风机风管的温升量，可以确定送风状态点l ，过送风状态点作房间热湿比线， 与设计的室内干球温度线相交，其交点即为室内状态点n ，o 为二次回风混合状 态点。 图2 - 1 焓湿图分析 在确定各状态点热物性参数时，应注意两点： 风机与风管温升量的说明 在低温送风系统设计中，由于管内外空气之间的温差明显高于常规送风系 统，加上是送风焓差大，温升对送风量的计算影响较大。因此，风机与风管的温 升不能像常规送风设计时那样进行简单假设，需经过精确的校核计算。 第二章低温送风设计计算软件研发 室内状态点n 的确定 在具体计算过程中，n 点的热物性参数计算比较复杂。可先假定n 点的含 湿量x ，算出n 点的焓值，再算出一个新的热湿比值，与已知的热湿比值相比较， 若二者相对差值4 o 0 3 ，则假定的初始值x 准确，否则，需重新调整初始值x ， 直至4 0 0 3 为止，如图2 2 所示。 图2 - 2 室内状态点n 热物性参数确定流程图 2 、送风量的计算 送风量g ( k g s ) 的计算公式： g ：旦 1 一y 2 调整x ( 2 1 ) 其中： q = 去 弦：， 式中：g i 为一次风量( k g s ) ；n 为二次回风比；q 为房间冷负荷( k w ) ：为 室内空气的焓( k j k g ) ；为温升后送风状态点的焓( k j k g ) 。 六、表冷器的设计计算 1 、表冷器负荷的确定 计算表冷器负荷主要考虑流经表冷器的送风量与进出盘管的空气焓差的影 第二章低温送风设计计算软件研发 响。从图2 2 上的过程曲线可以看出，在确定空气进出表冷器的状态点c 点与l 点的热物性参数之后，表冷器的负荷q e 计算公式为： d 一丑一 ( 2 3 ) 一吃 式中：g l 为一次风量( k g s ) ；h c 为一次回风混合状态点的焓( k j k g ) ：h l 为温 升前送风状态点的焓( k j k g ) 。 2 、表冷器的选择 与常规送风系统相比较，低温送风系统具有供水温度低、供回水温差大、送 风量小，迎面风速小等特点( 具体设计参数的对比如表2 2 3 8 1 所示) ，因此空气 表冷器的选择在整个系统设计中至关重要，其设计方法也与常规送风系统大不相 同。 表2 - 2 低温送风与常规送风表冷器设计参数的比较 项目名称常规送风系统低温送风系统 离开盘管的风温( ) 1 2 85 6 l o l 进入盘管冷流体温度( ) 5 6 7 22 2 5 6 迎面风速( m s )2 3 2 8 i5 2 3 冷流体的温升范围( )5 ，5 8 8 8 8 1 3 2 在常规送风与低温送风系统中，表冷器的主要功能都是对空气进行冷却除湿 处理，所处理空气的温度与含湿量均发生变化，计算比较复杂，本文主要是基于 热交换效率的算法。 在具体设计之前，需先确定表冷器的类型，以提供设计用的参数表。下面以 盾安的z s t n n l 型的表冷器为例说明表冷器的具体设计程序。 具体设计步骤如下： ( 1 ) 初始条件 己知的初始条件包括：表冷器处理的一次风量簖( k g s ) ；表冷器前后空气 状态点c 点与l 点的热物性参数；冷冻水进出口温度与t o 。( ) ；负荷差异数 七( o k 1 8 m s ，则增加管程数，即m = 2 m ；若 0 6 m s ，则减少管程数， 即m = - 0 5 m , 重复上面的计算，直至o 6 1 8 ，此时的即合理的冷却水 流速。 ( 4 ) 空气终温的确定 1 4 第二章低温送风设计计算软件研发 空气最终所能达到的温度计算起来比较复杂，先假设盘管排数p = 4 ( 以便 于软件同时可进行常规送风设计计算) ，再按下列步骤来进行计算： 散热面积与析湿系数的确定 不同片间距对应不同的散热面积系数a ( 如表2 3 所示) ，需确定散热面积 系数e l , 后再计算盘管的散热面积b 。 表2 - 3 不同片距的散热面积系数 l 片距3 22 82 52 32 o a 0 6 9 90 7 9 20 8 8 00 9 5 21 0 8 7 散热面积e 计算式： 析湿系数f ： f s = a l n p a | ( 2 1 2 ) 善= 丽h c - h l ( 2 - 1 3 ) 根据传热学理论，对数温差可按下式计算： 乱= f c o ( 2 - 1 4 ) 屯= t 一0 ( 2 1 5 ) 出：垡= 些 ( 2 1 6 ) i n ( a t i m ) 上述式中：她与屯为临时变量：七为一次回风混合状态点温度( ) ；屯 为机器露点温度( ) 。 传热系数的确定 4 0 】 依据盾安表冷器的检测报告，传热系数k ( w ( m 2 ) 的确定分为两种情况： 当表冷器排数8 时： k = 南+ 志 _ l m 其它情况时： 置= 丽南+ 赤 - l s 第二章低温送风设计计算软件研发 所需的传热面积f ( 群) 的计算公式： f = 堡：! 生! = 垒2 k 出 传热单元数卢可按下式计算： 口： 墨：墨 4 c p g 1 k 水当量比y ： ，：4 g 1 k c e 。l , r t c w 能达到的接触系数占： 能达到的空气终t o 。 1 一e - 口( 1 一，) 弘f 丽 t a i ，= t c 一( 七一t j , ) 将能达到的空气终温与表冷器后空气应达到的温度t t 比较： 如果一o 2 一t a 。一屯o ，则表冷器设计满足要求，表冷器型号为 片距。 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) z s t _ n n l 否则，如果如，一驴o ，则表冷器排数虬加2 ；如果岛，- - t l - - 0 2 ，则表冷器 排数坼减2 ，重新计算，直至满足要求。 ( 5 ) 水侧与空气侧阻力的确定 空气侧阻力只( p a ) 与水侧阻力厅( p a ) 的计算公式分两种情况： 当表冷器排数n 。8 时： 只= 3 6 6 6 3 6 v ，1 5 4 6 孝0 0 9 6 ( 2 2 4 ) 只= 2 0 5 6 9 v w l 。” ( 2 2 5 ) 其它情况： 只= 3 8 5 6 9 y y l 韶4 0 2 ” ( 2 2 6 ) 己= 2 5 0 7 6 1 7 ” ( 2 2 7 ) 兰三兰! ! 里堂墨堡生盐苎墼堡旦垄 2 2 软件的实现及主要内容 一、软件设计及编程 1 、软件设计 冰蓄冷低温送风系统软件采用模块化设计方法，将软件分为功能模块与公共 数据模块两类( 如图2 3 所示) 。 ( 1 ) 功能模块包括送风量计算模块与表冷器设计计算模块两部分。 送风量计算模块：主要确定各状态点空气热物性参数，确定送风量并在焓湿图上 进行分析。 表冷器设计计算模块：完成表冷器的设计参数计算。 ( 2 ) 公共数据类模块包括：数据类型模块与气候参数数据库模块【4 0 】两部分。 数据类型模块：定义软件计算中所需要的数据格式。 气候参数模块：为系统设计提供当前主要城市的室外气候参数。 图2 - 3 模块划分 2 、软件编制 在确定了软件结构之后，需要根据软件设计说明书为各个模块编写程序。冰 蓄冷低温送风系统设计程序采用面向对象工具v i s u a lb a s i c 6 0 编写。 二、软件组成及运行流程 1 、软件组成 软件采用v b 6 0 工具进行开发，界面具有w i n d o w s 风格，菜单设计如下 ( 1 ) 文件 文件中包含新建、打开，保存、另存、退出五个常规选项。 ( 2 ) 计算 第二章低温进风设计计算软件研发 计算主要是送风量和表冷器的计算，在各自的界面上分别设有计算书按 钮，可进行戗t 格式文档的保存或查看。 ( 3 ) 湿空气 湿空气里有焓湿图控制、湿空气计算、和焓湿图三个主要按钮。 焓湿图分析在低温送风系统设计中十分重要，房间实际可以达到的相对 湿度、空调系统的送风量和设各负荷必须通过焓湿图分析才能确定。 ( 4 ) 帮助 帮助菜单对软件进行了概括说明。 2 、软件流程 低温送风系统软件具体运行流程如图2 - 4 所示，从图中可以看出，软件从输 图2 - 4 低温送风系统设计软件运行流程 入室外气候参数开始，经送风量计算、焓湿图分析、表冷器设计计算，完成系统 设计并打印说明书。 三、软件主要界面介绍 根据软件设计的模块结构，遵循软件运行流程，各主要界面及相关功能介绍 如下： 1 、送风量计算 送风量计算界面如图2 5 所示，软件需要用户输入室内空气参数、新风量、 二次回风比等参数，其中新风量与建筑物类型、室内人员密度等因素有关，需根 据相关设计规范确定合适的新风量，在假设风机、风管温升的情况下，估算并校 核房间的送风量，最终确定一个合适的送风量，同时算出一次风量与额定冷量， 第二章低温送风设计计算软件研发 并且用户可以查询室内等几个空气状态点的热物性参数a 图2 - 5 送风量计算界面 2 、焓混图分析 焓湿图分析在低温送风系统设计中非常重要，如图2 - 6 所示，软件对低温送 风系统的热湿过程进行了分析，绘制了标准大气压下的焓湿图。 界面上各按钮功能如下： 过程曲线：点击界面上“过程曲线”按钮即可进行图形绘制； 焓湿图控制：为设计者方便起见而设置的按钮，可根据设计者个人爱好改变 焓湿图上线条颜色及间距等； 湿空气计算：可计算湿空气热物性参数； 清除：消除已绘制的过程曲线； 打印：打印整个焓湿图，软件可自动搜索计算机系统所配置的打印机，并可 弹出通用的打印界面设置。 返回：重新返回“送风量计算”界面 1 9 第二章低温送风设计计算软件研发 图2 - 6 焓湿图分析 图2 7 表冷器前后空气状态参数确认 2 0 第二章低温送风设计计算软件研发 3 、表冷器设计计算 ( 1 ) 表冷器前后状态参数的确认 在进行表冷器设计计算之前，设计者需仔细查看表冷器前后的空气状态参 数，软件设置了表冷器前后空气状态参数界面，如图2 7 所示，显示的状态参数 是软件在送风量计算界面算出的结果显示。 若需进行修改，可点击“是，我要重新输入”选择按钮，输入需要改变状态 点的“干球温度”与“相对湿度”，再点击“确认”，系统将自动完成其余热物性 参数的计算，算出结果后，界面上的“返回”按钮将显示为可用状态，用户点击 之后便可进入下一步计算。 否则，直接点击“确认”按钮，再点击“返回”即可完成状态参数确认。 ( 2 ) 表冷器设计计算 图2 - 8 为表冷器设计计算界面，从图中可以看出，表冷器计算需要已知参数 包括负荷差异数，片间距，冷冻水进出口温度。确认输入无误之后，点击“表冷 器”计算按扭软件将自动完成计算，输出表冷器型号及相关参数( 如空气侧阻力、 水侧阻力、传热系数等) 。 图2 - 8 表冷器设计计算 塑三皇! ! 里堂垦堡生生簦竺壁婴垄 一 2 3 设计实例 本软件具有较强的工程实用性，下面以一实际工程为例对软件进行测试： 一、已知条件： 已知江西省某一建筑，标准层建筑面积为5 0 0 m 2 ，功能为写字楼。根据设计 条件取室内冷负荷为6 6 k w ，依据相关设计