（制冷及低温工程专业论文）新型蓄能空调系统全年电力负荷转移率研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文以采用溴化锂溶液的变质量能量转换及储存技术的闭式蓄能空调供热系统为 研究对象，首先阐述先进蓄能空调供热系统的工作原理，在此基础上建立系统充、释 能过程动态模型，并根据此模型采用数值模拟的方法针对一具体实例对蓄能空调供热 系统在分量蓄能策略下的工作情况进行模拟得到此种蓄能策略下蓄能空调供热系统所 需的溴化锂溶液充注量、储罐容积、溶液参数等重要基础数据以及系统循环过程溶液 制冷剂各状态点参数变化、压缩机功率变化和各换热设备热负荷变化等规律。这些数据 和变化规律是先进蓄能空调供热系统设计、控制、技术经济评价、设备选型或设计等 工作的基础。 本文除了对于蓄能空调系统进行了设计日工况下的计算，主要进一步对整个空调季 节内蓄能空调系统在非设计日的c o p ，蓄能密度，负荷转移率及压缩机功等性能参数随 气温与空调负荷的变化进行了分析，并得出蓄能系统在整个空调季节总的负荷转移率的 大小。 另外本文以分量蓄能策略为例，以设计日参数为依据对系统设备进行选型，并在压 缩机三种不同的运行方式下，对其空调冷负荷转移率及整个空调季节的电力负荷转移率 进行了比较分析。所得出这些结论，可以为潜能储存技术的深入研究提供一定的理论参 考和思路。 关键词：溴化锂溶液；蓄能；空调季节；非设计日；负荷转移率； 新型蓄能空调系统全年电力负转移率研究 s t u d yo nt h ee l e c t r i cl o a ds h i f tr a t eo ft h en o v e le n e r g ys t o r a g e m r - c o n d l t l o n i n gs y s t e m a b s t r a c t ac l o s e dv a r i a b l em a s se n e r g yt r a n s f o r m a t i o na n ds t o r a g e ( v m e t s ) s y s t e mf o r a i r - c o n d i t i o n i n ga n dh e a t i n gu s i n gw a t e r - l i b rm i x t u r ea sw o r k i n gf l u i di ss t u d i e di n t h i s p a p e r f i r s tt h ea d v a n c e dv m e t ss y s t e mw o r k i n gp r i n c i p l ei sd e s c r i b e da n dt h e nt h e d y n a m i cm o d e l so ft h es y s t e mw o r k i n gp r o c e s sa r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h e s ed y n a m i c m o d e l s ，t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev m e t ss y s t e ma c c o r d i n gt oas p e c i f i ce x a m p l e a r es i m u l a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l yu n d e rt h ep a r t i a ls t o r a g es t r a t e g i e s t h e i m p o r t a n tb a s i cd a t al i k et h eq u a n t i t yo fw o r k i n gs o l u t i o nc h a r g e di n t ot h es y s t e m ，t h ev o l u m e o ft h et w os t o r a g et a n k s ，t h ep a r a m e t e r so ft h ew o r k i n gs o l u t i o n , a n dt h ec h a n g i n gr u l e sl i k e t h ew o r k i n gs o l u t i o n r e f r i g e r a n tp r o p e r t ya te a c hs t a t u sp o i n t ，t h ep o w e ro ft h ec o m p r e s s o r ， t h el o a do fh e a te x c h a n g ed e v i c e si nt h es y s t e m ，a n ds oo na r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o nu n d e r t h ep a r t i a ls t o r a g es t r a t e g i e s a l lt h o s ea r et h eb a s i cd a t af o rt h es y s t e md e s i g n , c o n t r o l ， e c o n o m i ce s t i m a t e ，e q u i p m e r i ts e l e c t i o no rd e s i g n ，a n ds oo n t l l i sa r t i c l ee x c e p tc a r r y i n go nt h ec o m p u t a t i o no ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mu n d e rt h e d e s i g nd a y ，m a i n l yf u r t h e ra n a l y s e st h ev a r i a t i o n so ft h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ra l o n gw i t h t h et e m p e r a t u r e ，s u c h 私t h ec o p ，t h ee n e r g ys t o r a g ed e n s i t y ，t h el o a ds h i f tr a t e ，t h ep o w e ro f t h ec o m p r e s s o ra n ds oo n ，a n df i n a l l yo b t a i n st h el o a ds h i f tr a t eo nt h ew h o l er e f r i g e r a t i o n s e a s o n i nt h i sp a p e r , w ec h o o s et h es y s t e me q u i p m e n tb yt h ed a t ao ft h ed e s i g nd a yu n d e rt h e p a r t i a ls t o r a g es t r a t e g i e s ，a n dc o m p a r et h ea i r - c o n d i t i o n i n gl o a ds h i f tr a t ea n dt h ee l e c t r i cl o a d s h i f tr a t eb e t w e e nt h r e ed i f f e r e n tr u n n i n gm e t h o d so ft h ec o m p r e s s o r t h o s ec o n c l u s i o n so f t h ed i s c u s s i o nt a l lp r o v i d es o m et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o rd e e pr e s e a r c hw o r k o ft h e a d v a n c e dv 匝t ss y s t e m k e yw o r d s ：a q u e o u sl i t h i u mb r o m i d e ；e n e r g ys t o r a g e ；r e f r i g e r a t i o ns e a s o n ；n o n - d e s i g n e dd a y ；l o a ds h i f tr a t e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：丝主苤 导师签名： 大连理工大学磺士学位论文 1 绪论 1 1 前言 自从改革开放到现在，我国的综合国力和人民的生活水平都有很大程度的提高，电 力工业作为国民经济的基础产业之一，已取得长足的发展。我国近年来的总装机容量已 达年增长1 5 1 0 7 k w ，1 9 9 6 年发电装机容量已居世界第二位。但是，电力的增长仍然满 足不了每年用电量5 7 增长的要求。“九五”期间曾在全国范围内出现电力供应缓 和现象，目前这种电力供应缓和已逐渐由部分电网供应紧张、高峰时段局部拉闸限电所 取代。为满足经济发展和人民生活对电力的需求，电力公司每年投入大量资金进行电网 大规模建设和改造。然而一旦夏季空调用电高峰结束，用电负荷随之下降，投运的机组和 改造的电网设备就不能在最佳经济状态下运行，这极大影响了发电的成本和电网的安全 运行。据统计，城市空调的用电负荷已占到城市高峰电力总负荷的4 0 以上，而空调的 负荷特性与电力负荷特性基本相同，是造成电网峰谷荷差逐步加大的最主要原因。因此， 在用户侧着手采用蓄能空调进行“移峰填谷”，以缓解电网供电压力就势在必行叫。 采用蓄能空调系统能够转移电力高峰电量，平衡电网峰谷差，因此可以减少新建调 峰电厂投资，提高现有发电设备和输变电设备的使用率；同时，可以减少新建火力发电 厂引起的环境污染，充分利用有限的不可再生资源，有利于生态平衡。对用户来说，其 经济效益体现在：首先，利用分时电价政策，可以大幅节省运行费用。蓄能空调系统在 电价高时少用或不用电，把储存的能量释放出来使用；而在电价低时多用电，把制得的 能量储存起来一般情况下，峰谷时段的电价比可达3 ：1 或4 ：1 ，因此每年节省的运行 电费是相当可观的。其次，通过合理设计的蓄能空调系统可减小制冷机组的容量和功率， 相应地，也可以减少冷却塔和水泵等的装机容量和功率，以此可降低系统的初投资和运 行费用。 当前在各种蓄能空调技术中，技术最成熟、应用最广泛的为冰蓄冷空调技术但 是冰蓄冷因其较低的蒸发温度使制冷循环c o p 值降低能耗增大，另外冰蓄冷装置控制比 较复杂以及体积较大也限制了它的应用。本文所研究的变质量能量转换及储存技术作为 一种先进的蓄能技术唧，因其能量转换及储存的方式完全不同于常规蓄能技术而使其应 用范围得到极大的拓展睁埘本文所研究的内容是属于先进蓄能技术之一的采用溴化锂 溶液的闭式循环蓄能空调供热系统。通过对该系统在不同蓄能策略下的充、释能过程 及工作特性研究，为系统设计，设备设计或选型，水蒸汽压缩机设计，系统运行技术经 济评价等提供理论依据。 新型蓄能空调系统全年电力负转移宰研究 1 2 目前国内外蓄能技术的研究现状 蓄能空调，就是利用蓄能设备在空调系统不需要能量或用能量小的时间内将能量储 存起来，在空调系统需求量大的时间将这部分能量释放出来。根据使用对象和储存温度 的高低，可以分为蓄冷和蓄热。因为电网负荷严重不均更多地出现在炎热的夏季，目前 蓄能空调技术较广泛的应用是用蓄冷技术m 1 。 1 2 1 蓄冷技术的研究现状 目前蓄冷空调技术方面的研究焦点主要集中在；减少蓄冷系统的初投资和尽量避免 蓄冷过程中制冷机效率下降“4 根据蓄冷过程中采用介质不同可将蓄冷技术分为水蓄 冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷和气体水合物蓄冷，下面分别作一下介绍。 ( 1 ) 水蓄冷 水蓄冷将夜间电网多余的谷段电力与水的显热相结合来蓄冷，并在白天用电高峰时 段使用储存的低温冷冻水提供空调用冷。蓄冷介质水具有来源广、价格低的特点。此外 水蓄冷系统蓄冷温度为4 6 ，这一较高的蓄冷温度使得水蓄冷系统机组运行效率较 高，并且它可以使用常规冷水机组，适用于常规供冷系统的扩容和改造，这样可以降低 水蓄冷空调系统的投资。同时水蓄冷空调技术要求低、便于维护，并且能够实现蓄冷和 蓄热的双重用途“”。因此水蓄冷系统更适宜用于纬度适中的采用热泵系统的地区，可设 计成作为冬季蓄热、夏季蓄冷的用途，这样可提高水槽的利用率。在蓄冷技术发展的初 期水蓄冷技术得到了广泛的应用，我国从7 0 年代起，在体育馆建筑中多处采用水蓄冷 空调系统。对于一般要求不是很高的建筑而言，水蓄冷空调也是不错的选择。 水蓄冷的主要缺点是：蓄冷温差小、蓄冷密度较低，需要庞大的蓄冷水池，占用建 筑物空间较大，这在人口密集、土地利用率高的大城市是一个问题，也是它的使用受到 限制的主要原因。另外，在水蓄冷系统中，水池必须在使用现场制作，水池的防渗水与 保温处理麻烦，并且在系统使用过程中冷量损失达，泵功消耗大，从而降低了系统的效 率哪。 目前水蓄冷的主要理论与设计问题是蓄冷水池中冷水与回水之间的分隔设计，以日 本、美国为代表对此有专门研究。日本按冷水与回水之间的分隔方式将蓄冷水池归纳为 几种标准形式：完全混合槽型，温度成层型和平衡温度成层型，并系统地给出理论分析 与设计方法。 ( 2 ) 冰蓄冷 冰蓄冷是当前较为成熟的空调蓄冷方式，2 0 世纪8 0 年代后得到较快的推广与应用 。冰蓄冷技术是指利用深夜用电低谷时段的低价电制冷，以冰或冰水的形式储存冷量， 需要时将冰融化释放冷量以达到制冷的效果。冰蓄冷技术是利用水的潜热进行蓄冷，每 1 千克水发生l 的温度变化会向外界吸收或释放1 千卡的热量；而每1 千克o c 冰发生 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 相变融化成0 水需要吸收8 0 千卡的热量。很明显，水的潜热蓄能量( 相变温度) 大大高 于显热蓄能量( 1 温差) 由于水的凝固点为0 ，因此冰蓄冷温度一般为一3 一9 。与 水蓄冷相比，冰蓄冷最大的优点是蓄冷密度要大得多，冰蓄冷系统储存单位千瓦时的能 量所需蓄冰槽的体积一般为0 0 2 0 0 2 5 m ，只有水槽的i 6 左右，较小的蓄冷槽体积 不但能够降低系统的投资，还可以减少系统的占地面积，这在土地资源珍贵的大城市里 显得尤为重要“”。此外蓄冰装置可以提供较低的冷冻水供空调系统使用，有利于提高空 调供回水温差，同时可与低温送风技术相结合，进一步降低空调系统配管尺寸和输送电 耗。 冰蓄冷中的制冰方式有静态制冰和动态制冰两类“o 静态制冰即在热交换器表面形成冰，蓄冷与释冷过程中在同一地点反复发生结冰一 融冰过程，冰本身始终处于相对静止状态静态制冰由于系统简单，现已成为应用中冰 蓄冷系统的主流。静态制冰主要缺点为：结冰过程中随着冰层厚度的增加使制冰换热器 外热阻增大，降低了传热性能，导致冷冻机的性能系数( c o p ) 降低：一些静态系统中冰 块的相互粘连导致水路堵塞，系统蓄冰过程中容易出现一些“千年冰”的情况。为了克 服这些不良影响，出现了动态制冰方法。 动态制冰即通过间歇地或连续地剥离热交换器表面的冰，消除制冰过程中的冰层热 阻，提高制冰热交换器的效率动态制冰所产生的冰是细冰片或者微细冰粒与液体的混 合物，具有流动性n 帕动态制冰为目前冰蓄冷研究的主要目标，动态制冰方式约有4 0 多种，其中冰水混合浆( 即含有很多悬浮冰晶的水，英文名为i c es l u r r y ) 技术最受研究 者关注“”但无论是静态制冰还是动态制冰，受蓄冷介质性质所限，冰蓄冷系统所存在 的一个主要问题是蒸发温度的降低使得系统c o p 值有所降低，此外冰蓄冷系统控制复杂 n 帕 ( 3 ) 共晶盐蓄冷 共晶盐蓄冷依据的原理为一些水一盐体系在一定条件下形成共晶盐时具有适宜蓄冷 的共晶温度和较大的热效应。共晶盐是无机盐与水的混合物，随着盐的成分不同，其蓄 冷温度相应不同，通过配置不同成分比倒的水合盐，可以得到所需相变温度的相变材料。 这类材料的相变潜热般比冰小，但比水大共晶盐蓄冷的主要优点是相交温度较高， 可以克服冰蓄冷要求很低的蒸发温度的弱点，并可以使用普通的空调冷水机组“”1 。其缺 点是相变凝固时会出现过冷现象，并且材料容易老化变质，融解过程容易出现分层现象， 此外由于其在蓄冷、释冷过程中换热性能较差要求封装容器的厚度不能太大，设备投资 也较高。目前价格和稳定性成为其广泛使用的障碍。 ( 4 ) 气体水合物蓄冷 气体水合物是一种包络状晶体，外来气体分子被水分子结成的晶体网络坚实地保围 在中间。其形成过程可表述为： 新型蓄能空诩系统全年电力负转移率研究 r ( 气体或易挥发液体) + n h 2 0 = r n h 2 0 ( 晶体) + h 由于大多数制冷剂能在5 1 2 c 条件下形成气体水合物，因此气体水合物蓄冷比较 适合空调工况；气体水合物容易融解和生成，在水合结晶时能够释放出相当于水结冰的 相变热；气体水合物具有很好的化学稳定性，腐蚀性低，安全性好因而气体水合物蓄 冷被认为是比冰蓄冷更为有效的一种蓄冷技术叫，。但是气体水合物蓄冷也有一些缺点； 蓄冷槽要求很高，蓄冷槽的结构、密封性、承压能力以及内部不凝性气体含量对蓄冷效 果都有影响。 气体水合物蓄冷是一项正在发展中的技术，其研究的关键是围绕气体水合物蓄冷介 质的开发与研究以及蓄冷方式方面的问题嘲。对于气体水合物蓄冷中使用的介质的主要 技术要求有：相交温度适宜，采用常规的空调冷水机组并且不会降低c o p ；相变潜热尽 可能大，达到或接近冰；容易融解和生成；传热效果好；性能稳定；价格低廉等。 1 2 2 蓄热技术的研究现状 目前蓄热空调大多为用电低谷期采用电锅炉加热热水并储存于蓄热水池中，供给冬 季空调循环用水和生活用水瞄1 。并且水蓄热通常与冰蓄冷技术相结合，形成夏季冰蓄冷、 冬季水蓄热的蓄能空调系统。除此之外，也有采用水蓄冷和蓄热的空调系统，日本在这 方面的工程应用较多。目前蓄热方面的研究焦点主要集中在：减少蓄热系统的初投资和 尽量避免占用体积过大 1 3 潜能储存技术 潜能储存是一种新兴的蓄能技术，它是建立在溴化锂吸收式制冷原理基础上的。从 能量转换的角度来考虑，吸收式制冷工作原理就是利用热能使工作溶液的浓度发生交 化，形成稀、浓溶液的化学势有效能差，然后再将这种化学有效能通过制冷剂的蒸发转 化为冷能。如果在夜间用电低谷时期将这种化学有效能储存起来，也就意味着制冷潜能 被储存起来，而在白天用电高峰时期将这种潜能转化为冷能释放出来跚。 与水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷方式相比，这种制冷潜能储存方式并非直接储存冷 量，而是储存工作溶液的化学有效能。与气体水合物蓄冷相比，制冷制热潜能储存过 程工作介质只有物理( 温度、压力和浓度) 变化无化学变化，在能量转换过程中工作介 质不发生化学反应。潜能储存技术还有一些优点：工作介质为自然物质，对环境友好； 工作溶液常温保存，不需要绝热保温；t 作溶液蓄冷密度大；系统设备简单，投资低廉 等。 以水澳化锂为工质的动态潜能蓄能系统研究属于新型蓄冷技术的研究领域，课题 源于徐士鸣教授申请的潜能储存系列专利叫。与国内外现有的蓄冷技术不同的是，潜能 储存技术不直接储存冷量，而是储存溶液的化学势，它可以使用电能、太阳能、热能等 多种形式能量作为驱动能源。因其能量储存与转换的方式与现有的蓄能技术完全不同， 一4 一 大连理工大学硬士学位论文 系统不仅能够将储存的能量转化为冷能用于夏季供冷，同时还可提供生活热水或用于冬 季供热；因此在有合适的低温热源条件下，系统夏季可按蓄能空调运行，冬季可按蓄能 供热运行。以水，溴化锂为工质的动态潜能蓄能技术是一种节能环保的蓄能技术，在能源 供应日益紧张、环境保护日趋重要的今天，这种潜能蓄能技术必将具有广泛的发展情景 嘲 1 4 蓄能策略 在进行新型蓄能空调系统的动态特性特性研究之前，首先要选择蓄能策略，蓄能策 略按照高峰期的冷负荷全部或部分由非高峰期用电储存能量来满足分为全量蓄能策略 和分量蓄能策略叫 1 4 1 全量蓄能 全量蓄能策略也称为移峰策略，它是将整个高峰期的负荷转移到非高峰期。机组在 非高峰期( 低谷或平峰期) 全负荷运行，在高峰期不运行，高峰期的负荷完全由储存的 能量供应。在白天用电高峰期，只有一些附属输送设备使用高峰电。这样的蓄能系统要 求用较大容量的机组和较大的蓄能设备。全量蓄能策略适合用电高峰期持续时间很短的 场合。 1 4 2 分量蓄能 分量蓄能策略指的是高峰期的负荷一部分由非高峰期( 低谷或平峰期) 机组的蓄能 来满足，其余部分由机组实时运行直接提供分量策略又可进一步分成均衡负荷和限定 需求策略 均衡负荷是指机组全天2 4 小时满负荷和接近满负荷运行当负荷低于机组容量时， 生产多余的能量储存起来当负荷超过制冷机组容量时，附加的需求由蓄能来满足。采 用这种蓄能策略，相当于一个工作日的负荷被机组均摊在全天来承担，所以其容量最小， 可以节约这方面的初投资。实际工程中采用这种模式的较多。 限定需求策略是指电力公司对一些用电户在高峰期用电提出了限电要求，用户必须 将机组在此限制下低负荷运行。这种蓄能策略移峰能力与机组容量大小介予全蓄能策略 与均衡负荷策略之间。 一般情况下，分量蓄能系统较全量蓄能系统经济性好，但分量蓄能系统的控制较全 量蓄能系统也更为复杂。尽管分量蓄能系统“移峰填谷”能力不如全量蓄能系统那么高， 但因其初投资相对较小，应用较为广泛。 新型蓄能空调系统全年电力负转移率研究 1 5 负荷转移率 负荷转移率的定义是：蓄能系统蓄冷容量与设计状态日建筑物高峰期总冷负荷之比 值，记为o 。o 值的大小变化对应着不同类型的制冷系统形式。中= 0 时，为常规空调 制冷方式；o = 1 时，为全蓄冷方式；0 o 磊( f ) + o 0 1 5 ，这样当充释能过 程中溶液储罐内溴化锂质量分数( ，) 较高时，吸收器出口处稀溶液温度，6 ( ，) ) 也相应 较高，故可通过吸收换热将冷却水出口温度提高至5 2 ，此时阙v 8 关闭，由吸收器出 来的冷却水进入热交换热器，将温度为1 9 的自来水加热至5 0 后，冷却水温度降低 至4 6 并返回至吸收器继续进行吸收换热，而加热后的自来水储存在热水储槽内用于供 热或供给生活用水，这样蓄能空调能够在制冷的同时提供热水 图4 1 采用先进蓄能技术的蓄能空调，热水联供系统 f i g 4 it h ea d v a n c e dt h e r m a ls t o r a g es y s t e mf o rc o m b i n e dc o o i l ga n dh o tw a t e rs u p p l y h l g 新型蓄能空调系统全年电力负转移率研究 4 i 1 设计日工况计算实例 以长江流域某城市一宾馆建筑为例，该建筑设计日空调逐时负荷、室外温度、冷却 水温度和制冷剂蒸发温度如图4 2 所示。其中，室外气温变化范围为2 9 c 3 8 c , ，空调 最大冷负荷为1 4 5 0k w ，日需冷量为1 9 8 9 0k w h ，日需5 0 洗浴用热水2 0 吨，所需要的 热量为7 2 0k w h 善 蓑 嚣 图4 2 某宾馆建筑设计日逐时空调负荷，室外气温，冷却水温和制冷剂蒸发温度 f i g 4 2a i r - c o n d i t i o n i n gl o a d , o u t d o o r , c i i n gw a t t l a n de v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e sf o r t th o t e lb u i l d m go i l a d e s i g n d a y 4 1 2 整个空调季节内负荷的计算 在进行负荷计算时，可将总负荷分为固定负荷丘与动态负荷厶两部分嘲。 三= 三，+ l d( 4 1 ) 其中，固定负荷包括灯光照明负荷、人员散热散湿负荷、机器设备负荷等常年相对 较稳定的负荷；动态负荷包括通过玻璃窗日射负荷、屋顶、外墙引起的不稳定传热负荷， 围护结构稳定传热负荷，新风负荷等受室外气象参数影响、全年变化较大的负荷。故本 文引进了全年负荷变化动态因子口，来求得非设计日的逐时负荷。 口= 兰= 面( 0 5 匠2 - f l 而) t 孓, , v + 面p t s - 百0 西5 2 t ( 4 2 ) 口= 一= 一 ( 4 2 ) 工 ( o 5 2 一) 正，+ 乙。一0 5 2 l 大连理工大学硕士学位论文 其中，户一室外温度逐时变化系数，见表4 1 ；r 印一非设计日平均温度，； 一非设计日最高气温，；瓦。一设计日室内空调设计温度，；乙一设计日平均温度， ；乙一设计日最高气温，；瓦一设计日室内空调设计温度， 因此非设计日逐时负荷可表示为 三= 三，+ 口d ( 4 3 ) 表4 1 室外温度逐时变化系数 时刻p时刻 b 时刻o l ：0 0- 0 3 59 ：0 00 0 3 1 7 ：0 0 o 3 9 2 ：0 0- 0 3 81 0 ：0 00 1 61 8 ：0 00 1 8 3 ：0 0- 0 4 21 1 ：0 0o 2 91 9 ：o 1 4 4 ：0 0吨4 51 2 ：o o o 4 0 2 0 ：0 0 o 0 0 5 ：0 0o 4 71 3 ：0 0o 船 2 1 ：0 0 - 0 1 0 5 ：0 0- 0 4 11 4 ：0 00 5 22 2 ：0 00 1 7 7 ：0 0 - 0 2 8 1 5 ：0 00 5 1 2 3 ：0 0 - 0 2 3 8 ：0 0 - 0 1 21 6 ：0 00 4 30 ：0 0- 0 2 6 1 5 0 0 1 2 0 0 苣9 0 0 柱 斌 窘6 0 0 制 3 o 024 58i o1 21 41 61 82 02 2 时刻 图4 3 温度对某宾馆建筑逐时空调负荷的影响 f i g 4 3t h et e m p e r a t u r e si n f l u e n c e s0 1 1t h ev a r i a t i o no f a i r - c o n d i t i o n i n gl o a df o ra h o t e lb u i l d i n g 新型蓄能空调系统全年电力负转移率研究 根据上述公式可以求得，在整个空调季节内，每日的逐时空调负荷如图4 3 所示 为选取几个温度下逐时空调负荷的变化趋势由图可以看出，空调负荷随温度的降低按 定的幅度降低。 重 乞 更 一 枢 g 钭 2 5 2 1 5 1 0 5 61 5 62 570 571 572 580 481 482 490 391 3 日期 图4 4 某宾馆建筑整个空调季节逐日冷负荷q ，室外千球气温，- 舒室外平均气温，即 f 培4 3a i r - c o n d i t i o n i n g1 0 a d , o u t d o o rd r y - b u l ba n da v e r a g et e m p e r a t u r e sf o ra h o t e lb u i l d i n go nt h ew h o l e r e f r i g e r a t i o n a i l 如图4 4 所示为该建筑整个空调季节每日总冷负荷、室外最高温度、室外平均温度 的变化趋势。其中，室外最高气温变化范围为2 6 c 3 8 c ，平均气温变化范围为2 4 一 3 3 5 ，整个空调季节冷负荷变化范围为4 8 3 4 6k w h d 1 9 8 9 0 0k w h d 。 4 ，3 模拟过程中计算参数选择 ( 1 ) 蒸发温度 由于在先进蓄能空调供热系统内蒸发温度可随冷负荷的大小进行调节，以提高系 统能量转换效率。因此，根据宾馆建筑空调负荷变化情况设定系统蒸发温度变化范围为 5 c , - - 9 ( 如图4 2 所示) ，当空调负荷最大时蒸发温度最低为5 c ，当空调负荷温度 最小时蒸发温度为9 c 。 ( 2 ) 冷却水温度 系统运行过程与冷却水温度有关，出冷却水塔的水温不仅与室外气温有关，更与室 外大气相对湿度有关。在模拟计算中设定，除了冷、熟联供时段外，进入系统的冷却水 温度比同时刻的环境温度低5 c ，冷却水温度随充、释能时间的变化关系如下。 大莲理工夫学磺士学位论文 - c = 2 m 8 3 3 x l o ? ：+ 3 7 6 6 0 1 0 ? ：一2 3 7 1 8 l o - 2 t 4 o f 8 + 6 6 3 2 4 x 1 0 2 t 5 - 8 2 4 5 5 x 1 0 1 r 1 6 3 9 4 2 x 1 0 4 t + 2 4 4 + 口印一正曲) ( 4 1 ) 锏= 3 4 0 1 0 7 l 钏x 1 0 黧- + 7 0 5 8 2 6 敬5 。i 麓3 1 2 4 2 0 1 1 i x & 1 ：r 一+ 2 4 8 9 6 + m 乇，c 。鳃坻瀚 ，矿2 一矿。一乙) 、 2 4 )( 4 。2 ) ( 3 ) 发生冷凝器内压力 如3 1 1 所述应适当提高提高压缩机入口压力，来降低水蒸气压缩机的设计尺寸， 但压缩机入口压力较高，系统运行过程中压缩机出口水蒸气最大压力( 湿度) 也相应较 高，较高的水蒸气压力( 温度) 对于压缩机运行不利。针对本算例，在进行全量蓄能和 分量蓄能策略下的模拟计算中发生冷凝器内工作压力( 压缩机吸入压力) 取为4 0 k p a = ( 4 ) 换热器换热温差 发生冷凝器采取降膜发生型，热端换热温差为5 ；吸收器换热的冷端换热温差为 6 c ( 即出吸收器浓溶液温度比冷却水人口温度高6 ) 4 1 4 其它参数 取无油湿压缩变压比水蒸汽压缩机等熵效率为0 6 ，压缩机排汽始终处于干饱和状 态由于发生冷凝器内能量平衡仅与溶液循环倍率有关系( 见3 3 3 ) ，因此在模拟计 算中设定出发生冷凝器的水蒸气流量为定值( 抵( t ) d t = c o n s t 。) 。根据溴化锂溶液的 物性可知，离开发生冷凝器的溴化锂浓溶液在溶液热交换器内温度降低过程中容易产 生结晶，结晶将对系统运行不利，故在模拟计算时，将对溴化锂浓溶液出口温度t ”与 同浓度下的溴化锂饱和溶液温度之差进行计算，并与设定值( 6 ) 进行比较，作为确 定系统溶液充注量的条件。 新型蓄能空调系统全年电力负转移率研究 4 2 分量蓄能策略下设计日系统运行过程动态特性分析结果 分量蓄能策略下，蓄能空调工况系统数值模拟计算程序框图如图4 5 所示。 图4 5 分量蓄能策略下空调工况时变质量电能转换及储存系统动态特性数值模拟计算框图 f i g r 4 5t h eb l o c kp r o g r a mo f c o m p u m r s i m u l a t i o nf o rt h et h e r m a ls t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n g h o tw a t e r s u p p l y i n gs y s t e mu n d e rt h ep a r t i a l - s t o r a g es t r a t e g y 对新型蓄能空调系统在设计日工况条件下，分别对采用全量蓄能策略和分量蓄能策 略时，蓄能空调供热系统得运行特性进行了研究。在分量蓄能策略下的设计日工况， 压缩机2 4 小时连续运行。注入储罐的初始溶液参数为：5 0 质量分数的溴化锂水溶液 4 3 0 吨( i “= 2 7 7m 3 ) 。设计日充能开始时刻( t = 0 ，时钟时刻2 3 ：0 0 ) 储罐内 大连理工大学硕士学位论文 参数溶液参数分别为善o ( 0 ) = 0 5 5 6 8 ，k ( 0 ) = 4 0 0 1 3 ，肘。( o ) = 3 8 6 1 0 5l c g 和 m 。( o ) = 4 3 8 9 5k g 分量蓄能策略下各储罐内质量和能量变化规律如图4 6 所示，分量蓄能下各储罐内 能量是在7 ：0 0 时达到最大值，并且此时水储罐内水量也为最大( 1 0 2 5 0 1k g ， 瓦。l 一= 1 0 3 一) 与全蓄能不同的是，溶液储罐内溶液量最大值和水储罐内水量最小 值并未出现在2 3 ：0 0 时，而是2 0 ：0 0 ( t = 2 1 ) 时。这是因为一个工作循环( 2 4 小时) 内 系统能量平衡时刻点在2 0 ：0 0 ( t = 2 1 ) 时( 该时刻储罐内储存的能量全部释放) ，而不 是在全蓄能策略下的2 3 ：0 0 时。 ， 图4 6 各储罐内能量和质量随时间的变化关系 f i g 4 6v a f i a t i o mo f t h ee n e r g ya n dm a s si ns t o i a g ct a n k sv m t i m ev e r s u st h et i m e 蓄能空调、热水联供系统一个工作循环压缩机耗功，= 6 3 2 1 2k w h ，供冷量 q = 1 9 8 9 0 ，0k w h ，供热量q = 7 2 1k w h 。 系统综合c0 _ 为c o p 。：垒 兰! 鱼：3 2 6 ，r z r 州p i 1 t i o u k 髓。 由储存的能量转换得到的热量和冷量分别为纺l ”= 4 3 2 6k w h ，qj ”；4 4 5 9 9 新型蓄能空调系统全年电力负转移率研究 综合有效蓄能密度 观= ! v ：堑- ：i m 坚+ ! v 鱼, l 一- 1 0 9 4 ( k 耐) 4 3 整个空调季节内分量蓄能策略下系统运行过程动态特性分析 尽管已对新型蓄能空调热水联供系统设计日运行情况进行研究与分析，掌握并了 解蓄能系统在设计日工况下的运行特性和电力负荷转移情况。但作为一种新型的蓄能系 统，还必须了解系统在整个空调季节的工作特性及电力负荷转移情况。 对于新型蓄能系统，在非设计日工况下采用蓄能优先策略运行( 如图4 7 所示) 。 在用电低谷电时段，压缩机满负荷运行，充分利用注入系统的工作溶液存储能量。在用 电平、高峰期时段，优先将存储的能量转换成冷热量，承担基本的空调负荷和全部的 热水负荷。当储存的能量不能满足空调负荷时，压缩机按部分负荷运行。在整个空调季 节内，当空调负荷降低到一定程度时，仅靠夜间蓄能量即可满足空调负荷，用电平、高 蜂时段压缩机不再运行，此时的复合循环成为按全量蓄能策略运行的纯蓄能循环。 图4 7 蓄能系统在分量蓄能的略下压缩机运行方式简图 f i g 4 7t h ep r o g r a mo fc o m p r e s s o rr u n n i n gm e t h o df o rt h e r m a ls t o r a g es y s t e mu n d e rt h e p a r t i a l - s t o r a g es t r a t e g y 4 3 1 整个空调季节系统性能参数的计算与分析 在整个空调季节里，蓄能循环c o p 值受环境温度、空调负荷、溶液初始充注参数等 因素影响。图4 8 给出了溶液初始充注参数为5 0 的溴化锂水溶液4 3 0 0 0 k g 时蓄能空调 系统在整个空调季节内采用蓄能优先策略时，c o p 值与蓄能密度的变化规律。结合图4 4 大连理工大学硕士学位论文 可以看出，当室外平均温度增加时，空调需冷量增加，系统蓄能密度降低，蓄能空调c o p 值降低因为当室外平均温度增加时，吸收器出口处稀溶液温度将随之增加，这将增加 储罐内溴化锂溶液温度，相应的增高发生冷凝器内发生出的水蒸气温度，增加系统消 耗的压缩功而使系统c o p 降低。而蓄能系统的蓄能密度与系统在低谷电时存储的能量跟 系统两个储罐( 溶液储罐与水储罐) 的最大体积有关，本蓄能系统压缩机整个空调季节 内夜间低谷电时段满负荷运行，因建筑物为2 4 小时负荷，在广义充能策略下，系统蓄 能量随温度的升高而降低，而两个储罐的体积有设计日的计算数据可以确定，故蓄能密 度亦随室外温度的升高而降低。 图4 8 整个空调季节系统c o p 值与蓄能密度变化规律 f i 9 4 8v a r i a t i o n so f t h ec o p e n de n e r g ys t o r a g ed e n s i t yo i lt h ew h o l er e 丘i g e r a t i o i ls e a s o n 图4 9 为在整个空调季节系统每日水储罐最大储水量( 即每日蓄能结束时刻水储罐 内水量) 随室外温度的变化规律随着室外温度的升高，空调负荷增大，故系统系统所 需制冷剂量也随着增加，才能满足系统对冷量的要求。水储罐内日存储制冷剂质量最大 值出现在7 月2 1 号( 其逐时变化趋势如图4 1 0 所示) ，因为此日室外气温与空调负荷均 为最大值，故制冷用水量也最多1 0 2 5 0 1 k g ，相对应的溶液储罐内质量为最小值 3 2 7 4 9 9 k g ，两者之和为溶液储罐初始充注量4 3 0 0 0 k g ，满足质量平衡。水储罐内日存储 制冷剂质量最小值出现在9 月1 5 号，在整个空调季节的前期、后期，室外气温与空调负 荷都相应的减少，制冷用水量也随之减少，所以可以通过控制压缩机流量减少水储罐内 新型蓄能空调系统全年电力负转移卑研究 水量来满足较低的空调负荷要求。系统在整个空调季节内所需最小制冷剂量为 7 0 0 2 3 7 k g ，相应的溶液储罐质量为3 5 9 9 7 6 3 k g ，满足质量平衡 1 1 童 色 圣o 9 薹 + 一 墓 盖 坩 0 5 61 5 63 071 5 73 0 81 482 9 91 3 日期 圈4 9 整个空调季节系统每日水储罐最大储水量与对应时刻的溶液储罐质量随温度变化规律 ，f i 9 4 9v a r i a t i o n so f t h ed a i l yw a t e r - s t o r a g ea n dc o r r c s p o n d i n gs o l u t i o nq u a l i t yb yt h et e m p e r a t u r e o i lt h ew h o l er e f r i g e r a t i o ns e a s o n 童1 0 v 8 蜷 篷6 埋 蓑t 茁 谁2 0 2 2024681 01 21 41 61 82 0 时间 图4 1 0 整个空调机季节里某天水储罐内储水量随时问的变化趋势 f i 9 4 1 0 v a r i a t i o n s o f t h e w a t b , r q u a l i t y i n t h e w a t e r s t o r a g e t a n k b y t h e t i m e 0 1 1 t i 碍w h o l e r e f r i g e r a t i o ns e a s o n 一3 4 一 一旦o_【)一峰蟹犟甓瓣g氆霉 大连理工大学硕士学位论文 图4 1 l 所示为不同室外温度下溶液储罐内浓度的变化情况。由图可以看出溶 液储罐内浓度随室外温度的降低而升高这是因为本算例为2 4 小时空调负荷，在 广义充能下，溶液储罐内的浓度与进、出溶液储罐的质量流量差有关，在溶液储罐 出口质量流量一定，当温度较高时，返回溶液储罐的制冷剂量增多，故其浓度较低。 捌 爱 墨 埋 摧 瓷 图4 1 1 溶液储罐内浓度随室外温度的变化情况 f i 9 4 1 1v a r i a t i o n so f t h em a s sf i a c t i o ni nt h e s o l u t i o ns t o r a g et a n kb yt h et i m e 图4 1 2 整个空调季节每臼进入水储罐内的能量f r f 与每日水储罐散热量0 r f s 的变化规律 f i “1 2v a r i a t i o n so f t h ee n e r g ya n d t h eh e a tl o s si n t h ew a t e rs t o r a g et a n ko nt h ew h o l e r e f r i g e r a t i o ns e a s o n 新型蓄能空调系统全年电力负转移率研究 莹 色 圣 搿 图4 1 3 整个空调季节每日吸收器，发生冷凝器，热交换器及溶液储罐内能量变化规律 f i 9 4 1 3v a r i a t i o n so f t i me r 甜i nt h ea b s o r b e r , g e