（工程热物理专业论文）蓄冰盘管传热性能及低温送风空调系统研究.pdf

摘要 蓄冰盘管传热性能及低温送风空调系统研究 叶水泉 浙江大学制冷与低温研究所，3 1 0 0 2 7 ，杭州 摘要 冰蓄冷空调系统通常利用夜间电网低谷电力运转制冷系统制冰蓄存冷量，白 天电网高峰时段向建筑物融冰释冷供空调系统使用，因而提高了能源利用率、优 化了资源配置，对经济建设和电网的“移峰填谷”具有重要的现实意义。 本文综述了国内外冰蓄冷空调系统的研究现状。通过对蓄冰装置的蓄冰融冰 过程和低温送风空调系统的充分研究，提出了采用不完全冻结方式，并研制出一 种新型导热塑料，最后成功地研制出不完全冻结式导热塑料蓄冰盘管。其性能完 全满足低温送风空调系统的要求。 建立了不完全冻结方式的导热塑料蓄冰盘管的结冰和融冰过程的数学模型， 该模型能够较好地模拟蓄冰盘管的结冰和融冰过程。研究了载冷剂进口温度、流 速和盘管材料的热导率对蓄冰盘管传热性能的影响，并对完全冻结方式和不完全 冻结方式的结冰和融冰过程作了比较。在此基础上设计出新型高效的蓄冰装置。 建立了冰蓄冷低温送风空调试验系统和盘管传热性能测试装置，测试了导热 塑料蓄冰盘管结冰和融冰过程中载冷剂的进出口温度、流速与结冰或融冰时间的 关系，并与实验结果进行了比较和分析。对低温送风系统进行的初步试验验证了 建立的数学模型的合理性以及系统配备的可行性。 本文的主要成果在厦门集美大学实验大楼的冰蓄冷低温送风空调系统中得到 了应用，经实践验证，本研究成果基本正确，其技术经济指标处于同行领先水平。 由此总结的关于冰蓄冷低温送风空调系统设计方法能够用于工程设计中。 关键词：冰蓄冷传热性能导热塑料蓄冰盘管低温送风空调系统 坐墼l 一 s 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 c so f i c e o n c o i l d e s i g no fc o l da i rd i s t r i b u t i o ns y s t a m y es h u i q u a n i n s t i t u t eo f 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 2 z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u310 0 2 7 ，e r c h i n a a b s t r a c t i c et h e r m a ls t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mr u n st h e c h i i i e r st o b u i l d 1 c e d u r i n g t h e o f f - p e a kt i m eo ft h ee l e c t r i c d o w e t t r a n s m i s s i o n 。l i n e s y s t e m ，a n dt h e nm e l t st h e i c et om e e tm e r e q u l 僦l e n to fa i rc o n d i t i o n i n gl o a do ft h eb u i l d i n gi n t h eo n d e a k p 嘶0 d s t h ec o o l i n gs t o r a g et e c h n o l o g ye n h a n c e st h ee f f i c i e n c v o f e n e r g yu t l l l z a t i o na n do p t i m i z e st h er e s o u r c e c o n f i g u r a t i o ns ot h a ti ti s ag r e a ts l g n i f i c a n tf o rt h e “s h i f to n - p e a kp o w e r t oo m p e a kp e r i o d s ， a n dn a t i o n a le c o n o m y d e v e l o p m e n t 1h ea r t i c l eo v e n r l e w st h ei c et h e r m a ls t o r a g e t e c h n o l o g y - b a s e d o nt h es t u d yo ft h ec h a r g ea n dd i s c h a r g ec o u r s eo f t h ei c es t o r a g e e q u l p m e ma n dt h ec o l da i rd i s t r i b u t i o n s y s t e m ，ac o n c e p to f 1 n c o m p l e t e - f r o z e ni ss u g g e s t e d ，an e wm a t e r i a l c o n d u c t i v ep l a s t i c i s d e v e l o p t om a k et h ei n c o m p l e t e - f r o z e ni c ec o i l ，w h i c hc a ns a t i s f y t h ed e m a n do f t h ec o l da i rd i s t r i b u t i o ns v s t e m w eb u i l tam a t h e m a t i c sm o d e lt o a n a l y z et h ei n c o m p l e t e 舶z e n 。o n d u 。t 1 p l a s t i ci c ec o i l ，w h i c hc a l ls i m u l a t eb o t ht h ep r o c e s s e so f 1 c e b u i l d i n ga n dm e l t i n g b a s e do nt h e s t u d yo fh o wt h ei n l e t t e m p e r a t u r ea n df l o w v e l o c i t yo ft h es e c o n d a r yc 0 0 1 a n ta n dm e t n e 衄o c o n d u c t i v i t yo ft h ec o i lm a t e r i a la f f e c tt h e h e a t c o n d u c t i o n p e n o 蛐a n c eo ft h ei c es t o r a g ec o i l ，w eh a v e d e s i g n e da n ds e tu pan e w n l g n f f i c i e n c yi c es t o r a g ed e v i c e f o rc o m p a r i n gt h e p e r f o 玎1 1 a n c eo f t h ec h a r g ea n d d i s c h a r g ep h a s e sb e t w e e nt h ei n c o m p i e t e 筋z e na 1 1 dt h e c o m p l e t e f r o z e n a ni c et h e r m a ls t o r a g ec o l da i rd i s t r i b u t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m a n dac o i lh e a t - c o n d u c t i o np e r f o r m a n c em e a s u r i n g e q u i p m e n ta r es e tt o t e s tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n l e t o u t l e tt e m p e r a t u r e ，f l o wv e l o c i t y a n dt h ed u r a t i o no f b u i l d i n g m e l t i n gd u r i n gt h ep r o c e s s e so fc h a r g ea n d d i s c h a r g e t h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e dv i ac o m p a r i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a tt h es a m e t i m et h ec o l da i rd i s t r i b u t i o ns y s t e mh a sb e e n p r e l i m i n a r yt e s t e d t h e a b o v er e s u l t sv a l i d a t e st h er a t i o n a l i t yo ft h em a t h e m a t i c sm o d e la n d t h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n t h ep r o d u c t i o no ft h i sa r t i c l eh a sb e e na p p l i e dt oa ni c et h e r m a l s t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma tt h el a b o r a t o r yb u i l d i n gi nj i m e i u n i v e r s i t y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e d e v c l o p e dt h e o r yi n t h i s a r t i c l ea n di t st e c h n i c a l & e c o n o m i c a l a d v a n t a g e s t h er e s u l to ft h i sa r t i c l ec a nb eu s e df o rar e f e r e n c et o e n g i n e e r i n gd e s i g n k e y w o r d s ：i c e t h e r m a l s t o r a g e ，h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s ， c o n d u c t i v ep l a s t i c ，i c es t o r a g ec o i l ，c o l da i rd i s t r i b u t i o n ， a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m i i i 主要符号表 英文字母 c 。定压比热容，j ( k g ) g 重力加速度，m s 2 h 潜热，j k g ； k 热导率，w ( m k ) l微元段长，m m 质量，k g m 质量流量，k g s q 热量，j r 热阻，k w r半径，m s管间距，m t温度， u a总换热系数，w k ux 方向的速度，m s v y 方向的速度，m s 希腊字母 换热系数，w ( m 2 k 1 b容积膨胀系数，1 0 角度 入 热导率，w ( m 轴 u动力粘度，p a s 主要符号表 密度，k g m 3 时间，s 运动粘度，m ：s 无量纲准则 n u努谢尔特数 p r 普朗特数 r a瑞利数 r e雷诺数 下标 b 乙二醇水溶液( b r i n e ) b a r e光管 f相变点 i 冰( i c e ) ：第i 微元段， i c e冰 i n管内 l a t潜热 o u t管外 s c 显热 t 盘管( t u b e l w a t ( w 1水( w a t e r ) i v 第一章绪论 第一章绪论 本章叙述了国内外有关冰蓄冷空调系统的研究背景，介绍了冰蓄冷空调技术 的发展、分类情况以及本文的主要研究任务。 1 1课题研究背景 在当前国际能源供应压力越来越大的形势下，各国政府都把“节能”摆在首 要的议事日程上。作为国民经济基础产业之一的电力工业，节能在其中更是具有 重要地位。当前，电力供应高峰不足、低谷过剩的矛盾随着经济和社会的发展而 日显突出。为了解决电力不足的问题，要求增加对电力的投入，加快电力建设的 步伐，多装发电机组来满足高峰负荷的需求；假另一方面为避免电力低谷过剩， 则要求大量已建的电站在夜间电网低谷时段在低负荷下低效率运转。于是人们采 用各种办法来缓解这矛盾，例如建设抽水蓄能电站等。由于空调用电和电力负 荷高峰具有一定的重合性，成为人们关注电网峰谷荷差的焦点。各国政府纷纷制 订用电优惠政策鼓励电力用户多用电网低谷电力，以节约高峰用电，实现移蜂填 谷。并且充分利用电力需求侧管理( d s m ) 来解决电力供需矛盾，提高电能利用 效率。冰蓄冷空调技术正是在此背景下于7 0 年代后获得了迅速发展。 蓄冷空调系统以其简单的结构和显著的社会经济效益日益受到社会各界的广 泛重视，它对我国的经济建设和电网的调峰节能具有重要的现实意义。在我国能 源消耗中，建筑能耗占有相当大的比例。据统计，我国历年建筑能耗在国家总能 耗中的比例高达1 7 3 0 左右，平均值为1 9 8 ，其中，用于暖通空调的能耗约占 建筑能耗的8 5 嘣”。例如2 0 0 3 年电力紧张的情形让人难以忘却。这种紧张在全国 大多数地区与天气的变化密切相关，气温每变化一度，立刻会反应到电力需求上。 据统计，2 0 0 3 年夏季华中、川渝地区夏季制冷负荷达到电力负荷的3 3 ，华东地 区达到2 8 7 ，京津唐达到2 8 9 ，其中大中型城市均超过3 0 ，充分证明空调负 荷已成为电力系统的巨大负担。据国家电力公司电力负荷变化调研组的数据，2 0 0 2 年夏季空调最大负荷京津唐电网5 3 0 万千瓦，河北电网2 3 0 万千瓦，华东电网1 4 3 0 万千瓦，华中电网7 0 0 万千瓦，其他电网共约1 6 5 0 万千瓦，全国合计高达4 5 0 0 第一章绪论 万千瓦。其中异常严重的建筑物空调冷负荷的逐时不均衡性，是造成电网高峰电 力紧张的最主要原因之一。可见及时制订有关电力政策，引导空调系统多用低谷 电力己成为全社会的共识。 应用冰蓄冷空调技术，对用户而言，利用峰谷分时电价可以节省运行费用； 对国家而言，则可均衡电网的峰谷差，提高电能的利用率和发电设备的运行效益， 缓解电力紧张状况，这是一项符合我国国情的、具有广阔发展前途的技术。自1 9 9 3 年8 月1 曰华北电网、1 9 9 4 年4 月1 6 日华东电网相继实行峰谷电差价以来，随着 建设、设计单位对蓄冷式中央空调系统的臼益了解，蓄冷式中央空调系统的应用 日益广泛，冰蔷冷空调正在成为我国空调行业新世纪的重要发展方向。 采用人工制冷的蓄冷空调大约出现在1 9 3 0 年前后，最初用于影剧院、教堂、 乳品加工厂等短时间使用降温，在这些负荷集中的场所，当时多采用冰来制取冷 水或冰蓄冷供冷方式，着眼于减少制冷机容量和制冷设备的购置费用。但随着设 备制造业的不断发展，制冷机成本显著降低，节省购置费用已逐渐失去吸引力。 相反，蓄冷装鬣的成本与电耗方面的不利因素却突出起来，以致该项技术的应用 陷入了相当一段停滞期【2 】。 7 0 年代以来，世界范围内的能源危机促使蓄冷技术迅速发展。美国首先将蓄 冷技术作为电力调峰的有效手段广泛应用于建筑物的空调工程建设中。南加利福 尼亚爱迪生电力公司于1 9 7 8 年率先制定分时计费的收费措施，并于1 9 7 9 年出版 了“建筑物非峰值期降温导则”。1 9 8 1 年后推广应用冰蓄冷技术，颁布了相关的奖 励措施，如在夏季用电高峰期，移峰l k w 奖励2 0 0 美元，并分担5 0 的可行性研 究费用。1 9 8 5 年，威斯康星州t r a n e 技术中心的冰蓄冷空调系统实现了采用能源 管理系统控制蓄冷系统的运行。 日本在1 9 9 0 年以前主要发展水蓄冷，据报道当时在运行的大约1 4 7 4 个蓄冷 空调系统中，水蓄冷有1 2 4 6 个，冰蓄冷2 2 8 个。发展到1 9 9 8 年共有5 5 6 6 个蓄冷 空调系统，其中水蓄冷2 2 4 9 个，冰蓄冷3 3 1 7 个。由此可见，1 9 9 0 年至1 9 9 8 年间 冰蓄冷空调系统增长很快。日本在1 9 9 3 年底，建有2 3 3 5 个蓄冷空调系统，移峰 电力5 0 万千瓦，到2 0 0 1 年多达1 5 0 0 0 家蓄冷空调用户，预计到2 0 1 0 年通过蓄冷 空调系统可移峰7 4 2 万千瓦。在英国，大型蓄冷系统就有3 0 0 多套，总容量达4 2 】0 6 m 3 【2 1 。 2 第一章绪 论 我国台湾省自1 9 8 4 年从美国引进冰蓄冷及控制设备，建成台湾第一个冰蓄冷 空调系统以来，蓄冷空调系统发展很快。1 9 9 5 年台湾只有2 2 5 个蓄冷式空调系统， 到1 9 9 8 年底已建成6 0 0 家之多。1 9 9 4 年底的总蓄冷量高达2 0 0 万k w h ，转移高 峰用电超过5 2 万k w ，用户每年节省电费约为3 亿台币。 我国大陆地区的电力工业随着改革开放以来的经济发展而迅速发展，截止 1 9 9 7 年底，全国发电装机总量达2 5 亿k w ，年发电量达1 1 ，1 3 2 亿k w h 。但是电 力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾随着经济和社会的发展日益突出，城市中空调 的应用加大了这个矛盾。为改善电力供应的紧张状况和电网负荷率，1 9 9 4 年国家 计委、电力部等部门决定实行电力供应峰谷分时电价政策，以推动削峰填谷的应 用，缓解电力建设和新增用电的矛盾。华北电力集团率先公布峰谷电价比为4 5 ： 1 。1 9 9 5 年4 月成立了全国蓄冷空调研究中心，隶属于中国节能协会，现名为中国 节能协会蓄冷空调专业委员会。另外，1 9 9 7 年1 1 月我国发布了“中华人民共和国 节约能源法”。1 9 9 8 年4 月国家电力公司发布了“关于推广试用蓄热式电锅炉开发 低谷电力的通知”。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施。” 冰蓄冷空调技术在我国的出现最早是在1 9 9 3 年5 月，深圳电子科技大厦采用 的c r i s t o p i a 冰球蓄冷系统正式投入运行，实现电力削峰4 7 。与此同时，北京西 冷工程公司研制的有压罐齿球蓄冷器获得国家专利，并用于北京日报社综合办公 楼蓄冷空调系统中，取得了一些使用经验和数据【3 1 。进入新世纪后，冰蓄冷技术的 发展速度明显加快，截止到2 0 0 3 年，我国已建成和在建的水蓄冷和冰莆冷空调系 统共计3 2 1 项，有影响的一批大型国家重点工程相继选用，国家鼓励政策取得了 初步成效，冰蓄冷空调的技术研发和工程应用也积累了一定的经验。 第一章绪论 1 2 空调蓄冷技术的发展 1 2 1 空调蓄冷技术的原理和特点 众所周知，许多工程材料都具有蓄冷( 热) 的特性。材料的蓄冷( 热) 特性 往往随着温度和物态的变化以及化学反应过程而体现出来。目前国内还没有“空 调蓄冷”的统一标准，虽然不同书籍和文献上的定义不同，但是其原理基本相同： 在电网低谷时段，用电力驱动制冷主机制冷，并将其制备的冷量以水的显热和潜 热的形式存于冰中，在电网其他时段融冰释冷为建筑物的空调系统提供全部或部 分冷量。冰蓄冷空调系统主要有以下特点： 1 、平衡电网峰谷荷，减缓电厂及输配电系统的建设。 2 、空调用制冷主机容量减少，可减少空调系统配电容量。 3 、利用电网峰谷分时电价差，降低空调全年运行费用。 4 、冷冻水的温度可降到1 4 。c ，能实现大温差、低温送风新技术，可节省空 调末端能源输送系统的投资和能耗。 5 、空调环境中的相对湿度较低，空调品质提高，可避免中央空调综合症。 6 、具有应急冷源，使空调的可靠性提高。 7 、冷量全年一对一配置，冷量利用率高。 8 、通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调大。 9 、蓄冰装置要占用一定的建筑空间。 l o 、制冷蓄冰时主机的效率比在空调工况下运行时低。 1 1 、设计和调试相对复杂。 1 2 2 蓄冷技术的发展h 3 蓄冷技术在空调领域的应用，从世界范围来看，大致经历了三个阶段：从上 世纪3 0 年代至6 0 年代，是以削减空调制冷设备装机容量为主要目标，以小冷机 带动大负荷的水蓄冷阶段。在那时，主要在一些周期性使用，供冷时间又很短的 建筑物如教堂、体育馆、会堂中采用这种蓄冷技术，旨在降低系统的初投资。 从7 0 年代至8 0 年代，是以转移尖峰用电时段空调用电负荷为主要目的的“移 4 第一章绪 论 峰填谷”的冰蓄冷阶段。在那时，主要在一些只在用电高峰时段使用空调的建筑 物，如办公楼、大型商场内推广使用冰蓄冷技术。对于单纯的冰蓄冷工艺，由于 蓄冷过程需降低蒸发温度，因而降低了制冷效率及增加了制冷时的电耗。所以虽 然表面上运行费降低了( 由于实行峰谷电价差与其它优惠措施) ，但实际电能消耗 却增加了，而且总投资也高，偿还期一般在7 年以上。 从8 0 年代末至9 0 年代中期，除了转移尖峰用电时段的空调负荷目标外，又 增加了利用冰蓄冷的“高品位冷能”，以提高空调制冷系统整体能效和降低制冷系 统整体投资及建筑造价、改善室内空气品质和热舒适为目标，进入低温、大温差 供冷送风的蓄冷空调发展阶段。蓄冷空调的应用范围，除了上述建筑之外，又扩 大到实验楼、研究中心、工厂、学校、医院等类型建筑，以及区域供冷系统。目 前这类蓄冷空调系统增加的初投资一般可在2 年左右收回，少数工程已做到比常 规空调系统投资更少。 由此可见，同一蓄冷技术，在不同的发展阶段，有着不同的目的与要求，同 时也包含着不同的技术内涵，所涉及的技术深度与广度也有本质的差异。 1 2 3 蓄冷系统的分类拍- 6 7 1 蓄冷系统的种类较多，蓄冷方法各异 冷介质分类，蓄冷系统可以分为水蓄冷式、 一、水蓄冷系统 蓄冷介质和蓄冷设备也不相同。按蓄 冰蓄冷式和优态盐蓄冷式系统三类。 水蓄冷系统以空调用的冷水机组作为制冷设备，以保温水槽作为蓄冷设备。 空调主机在用电低谷时制备出4 7 。c 的冷水并储存起来，空调时将储存的冷水抽 出使用。 水蓄冷系统的性能主要取决于系统储存时的热损失、泵和主机效率及操作模 式。水蓄冷是利用水的温差进行蓄冷，可直接与常规空调系统匹配，无需其它专 门设备，只需要增加一个蓄水槽作为蓄冷设备，投资费用增加有限，并且各种冷 水机组包括离心式均可使用。水蓄冷系统的另一特点是它不仅可以蓄冷，而且也 可以蓄热。它的缺点是回流的冷冻水与所贮存的冷冻水容易混合，减少了可资利 第一章绪 论 用的蓄冷量；并且因为水蓄冷是一种显热蓄冷方式，不能储存潜热，因此需要较 大的蓄水槽，占用较大的建筑空间。 二、优态盐 优态盐是一种由无机盐( 如硫酸钠无水化合物) 、水和添加剂调配而成的混合 物。优态盐必须具有以下特点： a ) 不过冷，即准确地在冻结点结晶。 b ) 不层化，通常优态盐在过饱和状态融解时，一部分无机盐会沉淀在容器底 部，一部分液体则浮在容器的上方，称为“层化现象”。层化现象若不予抑止，将 使优态盐在经过最初的几千次相态变化之后，损失近4 0 的溶解热，亦即其蓄冷 容量仅剩下6 0 左右。影响层化的因素很多，例如，盛装优态盐所用容器的厚度， 优态盐的种类以及核化的方法等。 优态盐( 或称高温相变材料) 理论上可以在任何温度进行相态变化，非常适 合应用于蓄冷式中央空调系统。空调用的优态盐应符合以下要求：没有毒性；具 有不可燃性：不产生气体的无机物；潜热储存量较大。 三、冰蓄冷系统 冰是一种廉价易得的高潜热蓄冷介质，自1 9 8 0 年以来，冰蓄冷式空调系统逐 渐成为蓄冷系统的主流。冰蓄冷是一种显热与潜热同时利用的蓄冷方式，其蓄冷 能力大约是水蓄冷系统的1 8 倍。 冰蓄冷系统除了具有蓄冷密度大的优点外，还由于向冷风系统供应的冷冻水 温度低，在相同的空调负荷下可以减少所需要的冷冻水量，节省了水泵的耗功： 同时由于空调送风温度的降低，可减少空调送风量，节省空调风机的耗功。由于 水量和风量的减少使得水管和风管的尺寸也可相应缩小。当然，蓄冰系统也有它 的缺点，如蓄冰温度低于o 。c ，需要增加管路的保温厚度，阱避免发生结露现象。 同时，由于冰蓄冷系统的运行温度较低，制冷系统的效率不如水蓄冷系统。 冰蓄冷系统的种类很多，分类也相当复杂，按是否使用载冷剂可分为直接蒸 发制冰和间接蒸发制冰。直接蒸发制冰又按制冰装置有无运动部件分为静态制冰 第一章绪论 和动态制冰；间接制冰按制冰装置的几何形状不同可分为盘管式和封装容器式。 盘管式又有金属盘管和非金属塑料盘管，封装容器式又有冰球、冰板和冰管等。冰 蓄冷系统的分类如表1 1 所示。 表1 1冰蓄冷系统的分类 分类方法名称 冷媒制冷剂直接蒸发式、载冷剂循环式 结冰方式静态结冰、动态结冰 结冰融冰的方向内溶冰、外溶冰、内外同时溶冰 载冷剂流程密闭式、开放式 冰盘管式、全冻结式、制冰滑落式、容 型式 器式( 包括冰球式) 、冰泥式 1 、直接蒸发制冰系统 1 ) 、静态制冰系统 静态制冰系统最常见的是金属盘管外融冰式，如图1 1 所示金属盘管式蓄冰装 置是由沉浸在保温水槽中的金属盘管构成换热表面的一种蓄冰设备。在莆冷过程 中，制冷剂直接在金属盘管内循环蒸发制冷，吸收水槽中水的热量，在盘管外表 面形成冰层。融冰时温度较高的空调回水直接送入保温水槽，空调冷媒水直接与 金属盘管表面的冰层接触，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化。由于空调回 水与冰直接接触，换热效果好，取冷速度快，来自蓄冰装置的供水温度可低达1 。c 左右。此外，空调用冷媒水直接来自蓄冰装置，故可不需要二次换热设备。但是 为了实现快速融冰放冷，蓄冰装置内的水不可完全冻结成冰，故蓄冰装置的蓄冰 率( i p f ) 较低，因此蓄冰装置容积较大。同时，由于盘管外表面冻结的冰层不均 匀，易形成水流死角，而使蓄冰装置局部可能形成永不融化的冰层，故需采取搅 拌措施，以促进冰层均匀融化。另外，由于盘管内需要充满制冷剂，系统成本较高， 可靠性也较差。 第一章绪论 圈1 1金属盘管外融冰原理图 2 ) 、动态制冰 常见的动态制冰系统有板冰机、片冰机、管冰机和冰晶式蓄冰系统。 a ) 、板冰机 板冰机又称片冰滑落式蓄冰装置，就是在制冷机的板式蒸发器表面上不断冻结 薄片冰，然后滑落至蓄冰槽内，进行蓄冷，此种方法又称为动态制冰。图1 2 为 片冰滑落式蓄冰系统的示意图。通过水泵将蓄冰槽的水自上向下喷洒在制冰机的 板状蒸发器表面上，使其冻结成薄冰层。当冰层厚度达到5 9 棚时，通过制冰机 的四通阀换向，将高温气态制冷剂通入蒸发器放热，使与蒸发器板厦接触的冰融 化，片冰靠自重滑落至蓄冰槽内，装置内设有耙冰机构，如此反复进行“冻结” 和“取冰”过程。蓄冰装置的蓄冰率为4 0 5 0 甚至更小。空调回水仍可自上而 下地喷洒在制冰机的板状蒸发器表面，或向蓄冰槽内均匀送入空调回水，使装置 内片冰不断融化，送出温度颇低的空调用水。为了满足全天供冷需要，在取冷过 程中制冷机可同时运行，以冷却流经板状蒸发器表面的空调回水，使其降温后流 第一章绪论 入蓄冰槽内；这样，可以延续融冰过程，以保证供冷要求。片冰滑落式系统制成 的薄片冰或冰泥可在极短时间内融化，取冷供水温度低，融冰速率极快，特别适 制冰机 图1 2 片冰滑落式蓄冰系统示意图 用于工业过程冷却及渔业冷冻。但该种蓄冰装置初投资较高，占用建筑面积大， 且需要层高较高的机房。与静态制冰系统相比增加了一些运动设备，运行、维护 管理要求更高。 b ) 、片冰机 片冰系统如图1 2 所示，将板式制冰机改为片冰机即可，制冷剂在钢制圆筒形 蒸发器内蒸发吸热，水自上而下流过过冷的圆筒形蒸发器外表面并被冻结成薄片 冰，与此同时利用冰刀及时将冰刮下落至蓄冰装置内，其制冰过程连续不断。与 板冰机相比，不需四通阀换向，用高温气态制冷剂加热蒸发器内表面实现脱冰， 故效率高于板冰机。其它制、融冰过程基本与板冰机系统相同。 c ) 冰晶式蓄冷装景 冰晶式蓄冷系统是将低浓度的乙烯乙二醇或丙二醇的水溶液降至冻结点温度 以下，使其产生冰晶。冰晶是极细小的冰粒与水的混合物，其形成过程类似于雪 花，自结晶核以三维空间向夕 生长而成，生成后成为一种淤浆状的液冰，可以用 泵输送。如图1 3 所示，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， 单台最大制冷能力不超过i o o r t 。蓄冷时，从蒸发器出来的冰晶送至蓄冰装置内蓄 存；释冷时，冰粒与水的混合溶液被直接送到空调负荷端使用，升温后回到蓄冰 装置，将装置内冰晶融化成水，完成释冷循环。混合液中，由于冰晶的颗粒细小 且数量很多，因此与水的接触换热面积很大，冰晶的融化速度较快，可以适应负 第一章绪论 荷急剧变化的场合。冰晶式蓄冷系统和其他系统相比较，此系统的制冰过程在主 机处，而不在蓄冰筒内，且制冰过程中含有冰晶的混合溶液不断地流动着。随着 制冷时间的延长，其含冰率越来越大，当含冰率达到6 0 时，输送混合液的阻力急 剧增加，因此，目前该系统仅适用于小型空调系统。 图1 3 冰晶式蓄冷系统示意图 2 、间接蒸发制冰系统 顾名思义间接蒸发制冰，是在制冷循环过程中引入载冷剂传递热量，其主要 图1 4 间接蒸发制冰蓄冷系统示意图 目的是提高系统的可靠性。在蓄冰空调系统中常用的是乙烯7 , - - 醇水溶液。如图 第一章绪论 1 4 所示。间接蒸发制冰按蓄冰装置的几何形状不同分为盘管式和封装容器式两大 类。 1 ) 、盘管式蓄冰装置 盘管式蓄冰装置是由沉浸在保温水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冰设 备。在蓄冷过程中，载冷剂( 一般为体积浓度为2 5 的乙烯乙二醇水溶液) 在盘管 内循环，吸收蓄冰槽内盘管外面水的热量，使得盘管外表面的水逐渐结冰。按取 冷方式分，它有内融冰和外融冰两种方式，按盘管材料分有金属盘管和非金属塑料 盘管，按盘管的结构形式还可分成蛇形盘管、螺旋盘管和u 形盘管。 a ) 蛇形盘管 图1 5 示出了盘管为连续卷焊而成的钢制蛇形盘管，外表面热镀锌，管外 径为c p 2 6 6 7 衄，冰层厚度约为2 5 腿。盘管放置在蓄冰槽内，蓄冰槽体可为钢制、 玻璃钢制或钢筋混凝土制，槽内壁面覆有8 0 一1 0 0 衄厚隔热层。此种盘管式蓄冷装 鬣可设计为外融冰式，也可设计为内融冰式。当采用外融冰方式时，为了融冰均 匀，可在盘管下部设置压缩空气管，从管中泵送出空气进行搅拌。但长期送入空 气将使装置中水呈弱酸性，对盘管有腐蚀作用。 图1 5 钢制蛇形盘管图1 6 螺旋盘管 b ) 螺旋盘管 图1 6 所示的盘管为聚乙烯管，在蓄冰桶内呈螺旋状立体布置。该类型蓄冰 装置为完全冻结、内融冰方式，并做成整体式蓄冰桶，桶体为高密度聚乙烯板， 外设隔热层或采用双层玻璃纤维壁体内夹隔热材料，耐腐蚀性能好。由于此种圆 第一章绪论 形冰盘管的管径较细，管间距离较小，设计的冰层厚度较薄，盘管的相对换热表 面积较大，有利于融冰与蓄冰。但由于筒体为圆形，占地面积较大。圆形冰盘管 与蛇形冰盘管的单路管长达数百米，故流体流动阻力较大，约8 1 0 m 水柱。融冰 后期出水温度会上升。 c ) u 形盘管 该种冰盘管由耐低温的聚烯烃( p o t y o l e f i n ) 石蜡脂喷射成型。每片盘管由2 0 0 根外径为6 3 5 眦的中空管组成，管两端与直径5 0 哪的集管相连。呈u 形状的塑 料盘管置于钢制槽体内，构成整体式蓄冰装置。或以约1 2 片为一组，置于钢筋混 凝土槽体或筏基内。如图1 7 所示，该装置为完全冻结、内蛹冰方式。这种类型 的冰盘管由于管径很细，较易堵塞，融冰后期出水温度会上升。 图1 7u 形盘管图1 8 封装容器式蓍冰装置 2 ) 封装容器式蓄冰装置 将蓄冷介质封装在球形或板形小容器内，并将许多此种小蓄冷容器( 又称蓄 冰单元) 密集地放置在密封水罐或开式水槽内，从而形成封装式蓄冰装置。如图 1 8 所示。运行时，低温载冷剂在蓄冰单元外流动，将其中蓄冷介质冻结，实现制 冰；融冰时将来自空调系统的高温载冷剂流过蓄冰罐中的蓄冰单元间隙实现融冰 取冷。封装在容器内的蓄冷介质有水或其他相变材料。常见的蓄冰单元目前有三 种形式，即冰球、蕊芯冰球和冰板，如图1 9 所示。此种蓄冰装置运行可靠，流 动阻力小，载冷剂充注量比较大。目前，冰球和蕊芯冰球式蓄冰系统应用较为普 遍，但也存在融冰后期出水温度上升，并且蓄冷量不易计量。 第一章绪论 a 圆形冰球b 蕊心冰球c 冰板 图1 9 封装式蓄冰单元 浙江大学制冷与低温工程研究所开发了一种新型的蓄冰板单元，单元为扁平 板状，如图1 9 c 所示。与冰球式蓄冰设备相比，蓄冰板单元具有以下优点。3 ： a ) 蓄冰板单元的单元蓄冷量比冰球的单元蓄冷量大数倍甚至数十倍，从而大 大减少了所需单元的数目； b ) 蓄冰槽中板单元堆放的有序化，有利于流量的合理分布，使结冰和融冰过 程稳定； c ) 板单元外形为全封闭，杜绝了泄漏的可能性 d ) 板单元的表面凸体使得单元间形成合理的流道，同时使载冷剂流过时形成 扰动，强化了传热，缩短了结冰和融冰时间； 其他的蓄冷方式还有【m 1 4 】：利用和水不相溶的传热液进行接触式制冰；利用 含有共晶盐或其它低温相变材料的密封件蓄冰；直接利用制冷系统的蒸发器进行 管内外蓄冰的基础研究以及利用有机二元溶液的结晶和解析进行蓄冰；采用便于 放置的无腐蚀性有机蓄冷介质蓄冷；以及利用水合物的特性进行蓄冷。国内还开 发出了一种具有内肋的管壳式冰蓄冷系统：蓄冷时，管内的水结冰；放冷时，空 调回水直接与管内的冰、水接触汇合，可提高换热效率。 自上世纪8 0 年代蓄冷系统再度兴起以来，冰蓄冷系统逐渐成为空调蓄冷系统 的主流，各种蓄冷方法在工程上的应用也趋于成熟化。其中，完全冻结式因蓄冰 量大、结构简单和经济效益好而得到广泛应用。但由于其融冰速度不够均匀、出 水温度较高，难以实现低温送风空调系统，制约了冰蓄冷空调技术的进一步发展。 本文就是在此基础上对完全冻结方式的蓄冷系统进行改进和创新，以期在现有的 第一章绪论 基础上有所突破。 1 2 4 冰蓄冷系统设计应注意的一些问题。印 1 ) 、经济性 冰蓄冷空调系统初投资一般都比普通空调系统高，这就要求设计者应正确掌 握建筑物空调负荷的时间变化特性，了解当地的电价结构，确定合理的蓄冷方式， 计算出冰蓄冷空调系统设备的总耗电量，制定系统的运转策略，准确地作出经济 性分析，以便投资者可以在短时间里以节省电费的形式收回多出的投资。 2 ) 、制冷机组的耗电率及其运行工况 空调系统中耗电量最大的设备是制冷主机，主机耗电率的大小与蒸发温度的 高低有直接的关系，蒸发温度越低，制冷机组的耗电率也就越大。同时，要考虑 到制冷机组要用在蓄冷空调系统中，必须满足两种不同工况条件下运行，即白天 制冷空调工况和夜间制冰蓄冷工况。 3 ) 、冰蓄冷系统控制 在确定部分蓄冷空调系统的控制方法时，应考虑制冷主机与蓄冰量在空调运 转时的负荷分配策略，即主机优先还是融冰优先。不过无论采用哪一种策略，都 应在白天满足空调负荷要求的条件下，尽可能地将冰全部融化，且尽可能融化在 电网高峰时段。但是建筑物的空调负荷是一个不稳定值，随室外环境温度的不同 而变化。故根据当地记录的当月气象资料、近日建筑物空调负荷变化及隔日天气 预报等资料，准确预测出每日的空调负荷变化曲线变得很重要，以确保系统随时 都有足够的蓄冰量来满足白天尖峰负荷时的需要。目前，国外各大空调控制元件 和系统制造厂商及研究机构均在开发研制冰蓄冷系统的控制软件。 4 ) 、蓄冰槽热交换的稳定性 当设计选用间接蒸发制冰时，水或冰与载冷剂进行热交换的稳定性是冰蓄冷 空调系统设计的关键。主要的影响因素有热交换面积、冷媒流量、蓄冰量等。尤 其是用普通塑料制作的蓄冰设备应特别注意其换热单元的外表面积在换热过程中 的动态变化。 5 ) 、水路系统 4 第一章绪论 在设计时应尽可能将空调冷冻水系统与冰蓄冷载冷剂系统隔开，互不影响。 采用乙烯乙二醇水溶液为载冷剂时，应注意其物理特性对系统的影响。蓄冰槽内 溶液( 水或乙烯乙二醇水溶液) 的流速分布应均匀，以保证良好的换热效果。 6 ) 、其它 乙烯7 , - - 醇水溶液中应加入合适的防腐抑制剂，此外还应装设泄漏防护装置。由 于冰蓄冷系统管道的运行温度低于普通空调冷冻水系统，其绝热材料的厚度应适 当加大，以避免结露。 1 2 5 蓄冷技术的研究热点 目前蓄冷技术研究主要有以下几个方向： 1 在制冰和制冷工况下均有较高的c o p 值的高效压缩制冷系统。 2 丰富和完善蓄冷空调技术理论和系统设计方法，从发展和优化单元式蓄冷 槽角度出发，加强对现有蓄冷槽性能的试验研究；应用数值方法建立静态和动态 蓄冷槽的数值模型，研究或预测蓄冷槽的性能。 3 蓄冷技术的节能和经济性的宏观评价和预测方法。 4 蓄冷技术在低温送风系统中的应用。 5 蓄冷空调节能技术的研究。通过进行空调冷负荷预测，优化系统运行模式， 实现系统的经济性运行。 6 研究开发新型蓄冷技术。目前新型蓄冷技术的研究工作主要有水合物蓄冷 技术；直接接触式制冰晶技术；冰水两相流输送技术；利用多孔性材料强化密封 件蓄冷技术等。 总之，随着蓄冷节能技术的发展，技术先进、运行可靠的薷冷设备必将得到 广泛的应用，蓄冷空调系统将成为2 1 世纪集中空调的“主流”。 1 3 低温送风技术 低温送风的概念是相对于常规空调送风而言的，常规空调系统从空气处理机 送出来的空气温度为1 0 1 5 。c ，低温送风系统的送风温度为4 1 0 。c ，而超低温送 第一章绪论 风系统则为4 6 “。 低温送风通常按送风温度的高低可分为三大类： 1 第一类是超低温送风，送风温度为4 6 。c 。此类低温送风由于需要特制的 风口，故一般较少推荐采用。 2 第二类是低温送风，送风温度为6 8 ，标称送风温度为8 。因而低温 送风和冰蓄冷技术紧密结合在起，能够获得较好的空调效果和经济效益，倍受 人们的欢迎，因此是最优的选择，得到了较大范围内的推广与应用。 3 第三类低温送风的送风温度为9 1 2 ，标称送风温度为1 0 ，此类送风 可与冰蓄空调结合也可与常规空调结合，较为灵活，但取得的经济效益较低，因 此也较少在冰蓄冷低温送风空调系统中推广应用。 低温送风空调被誉为冰蓄冷系统之星，是继变风量空调( w ) 之后在空调史 上的又一次重大变革。与冰蓄冷相结合的低温送风空调系统，能够充分利用冰蓄 冷系统所产生的低温冷冻水，它具有以下特点“”： 1 初投资减少。常规送风系统的送风温差一般为8 1 0 ，而低温送风系统的 送风温差可达1 3 , - - 2 0 。因此，低温送风能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、管道所需建筑空间、空调设备的电力容量等 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 降低运行费用。空调系统输送设备容量的减小，使输送设备的能耗显著降 低。特别是高峰期用电，由于制冷压缩机、水泵、冷却塔以及风机等设备的耗电 量均减少，系统的能耗及运行费用都会有很大的节省。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 卜4 5 ，提高了室内的热舒适性；又由予空气的处理及输送过程均在 较低的温度下进行，有利于抑制细菌的繁殖，从而进一步改善室内空气的品质。 4 节省空间，降低建筑造价。由于低温送风系统的空气处理设备和风道尺寸 相应减少，所占空问减小，从而降低了建筑造价。 5 当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，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 第一章绪论 析比较，选择出建设项目的最佳方案。 1 4 本文的研究内容 本文通过对盘管蓄冰装置的传热性能研究，论证了不完全冻结方式蓄冰蛇形 盘管的优良传热特性。经过数值模拟计算，得出了满足蓄冰蛇形盘管传热性能要 求的管材最小热导率，并以此热导率为目标研制出一种新型盘管材料，即导热塑 料，应用本文建立的不完全冻结的结冰融冰理论，成功设计试制出不完全冻结式 导热塑料蓄冰盘管，经大量实验和工程实践，证明了理论设计的正确性。最后将 这一成果应用于低温送风空调系统，经工程实际检验，其传热性能完全满足低温 送风空调系统的要求。 空调蓄冷系统中常采用的载冷剂是体积浓度为2 5 的乙烯乙二醇水溶液i 饥。乙 烯乙二醇水溶液是一种无色、无味、无电解性