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微胶囊蓄冷空调系统研究 摘要 目前，我国各主要电网的负荷率逐年下降，峰谷差越来越大，为 保证电网安全、稳定运行，需大力推广各类调峰蓄能技术。因此，对 蓄冷空调技术的研究具有一定的现实意义和经济社会效益。 蓄冷空调不仅实现了电力负荷的“移峰填谷”，缓解了电力供应 矛盾，而且相对于其他调峰措施其投资较低。其中，最常被使用的是 冰蓄冷空调系统，但其相变温度低，制冷机组效率低，能耗高。微胶 囊蓄冷空调系统是一种新型的能量存储空调系统，它是利用微胶囊的 封装技术将相变材料封装在内部，通过相变材料融化和凝固发生相变 进行储放热。本文着重研究相变温度较高的高碳烷烃类，它们具有相 变潜热大、无污染、相变温度高、体积膨胀率小等优点。通过介绍相 变材料及微胶囊技术，指出微胶囊相变材料的优缺点，发展背景、发 展现状及应用前景，着重研究其在空调领域的发展及应用。 对微胶囊蓄冷空调系统建立= ( 用分析模型，进行系统烟损失分析， 从质的角度寻找改善整个循环系统热经济性的最佳方案，并将微胶囊 蓄冷空调系统与冰蓄冷空调系统进行比较分析。结果显示，微胶囊：蓄 冷空调系统其婀损失最小，火用效率最高。 从微胶囊相变材料流体各个物理参数着手，研究分析微胶囊相变 材料流体代替水作为流体介质时，比热及潜热值对工质流量、粘度对 管道阻力、传热系数对风机盘管面积以及各因素对水泵能耗的影响。 通过f l u e n t 模拟机计算结果分析，风机盘管面积没有明显增大，盘管 内阻力增大，但水泵功率下降。 干盘管在干工况下运行，没有凝结水，无霉菌，卫生条件好，适 用于对环境要求较高，无凝结水的场所，进入盘管冷冻水温度相比常 规冷冻水温度较高。这里研究一种新型复合系统即微胶囊蓄冷系统与 干盘管系统相结合，微胶囊相变材料流体作为干盘管内流体介质。本 文以医院病房建筑作为案例进行分析，确定室内参数、新风量，使用 e n e r g yp l u s 模拟出全年逐时能耗，根据负荷进行水力计算及设备选 型。复合系统在满足了空调设计的前提下，改善了空气品质，实现了 电力负荷移峰填谷。 优化微胶囊蓄冷空调系统的蓄冷策略，使系统更好的发挥自身优 越性。对不同浓度微胶囊相变材料流体进行分析，确定最经济实用的 浓度为o 4 ，与水进行对比，研究不同浓度对水泵能耗的影响。对案 例进行经济性分析，计算其年度化费用并同传统干盘管系统进行比 较。 微胶囊空调系统是一种新型蓄能空调系统，与冰蓄冷、水蓄冷相 比，它有着自己独特的优点，虽然现在正处于研究阶段，但其发展前 景可观。不仅可以缓解电力压力，移峰填谷，而且制冷机组处于高效 运行，与干盘管技术相结合，节能环保，室内舒适度高。 关键词：微胶囊蓄冷，火罱分析，微胶囊相变材料流体，干盘管， 经济性分析 s t u d i e so nc o o l s t o r a g e a i r co n d i t i o n i n gs y s t e mo f m i c r o e n c a p s u l a t e dp h a s ec h a n g e m a t e r i a l ss l u r r y a b s t r a c t a tp r e s e n t ，o u rm a i ng r i d1 0 a d i n gr a t ed e c r e a s e sy e a rb yy e a r a n dt h ed i a 、e r e n c eb e t w e e n p e a ka n dv a l l e yg m w sm o r ea n dm o r e i no r d e rt oe n s u r eg 而d s a f e t ya n ds t a b l eo p e r a f i o n ，i t p r o m o t e sa l lk i n d so fp e a k i n gt e c h n o l o g y ft h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha b o u ts t o r a g ea i r _ c o n d i t i o n i n g t e c l l l l o l o g yh a ss 0 1 n ep r a c t i c a ls i g n i 6 c a n c ea n de c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e 6 t s t o r a g ea i r c o n d i t i o n i n gn o to n l ya c h i e v e sp e a kl o a ds h i f t i n go fp o w e r1 0 a da n de a s et h e p o w e rs u p p l yc o n t r a d i c t i o n s ，b u ta l s oh a sl o w e ri n v e s t m e n tc o m p a d n gw i t ho t h e rm e a s u l e s t h e m o s tc o m m o n l yu s e dc o o l s t o r a g ea i 卜c o n d i t i o ni si c es t o r a g ea i r - c o n d i t i o nw h i c hh a s1 0 wp 1 1 a s e c h a n g et e m p e r a t u r e ， l o wc o e 伍c i e n to fp e 怕m a n c eo f r e 衔g e r a t i o nu n i t s ，h i g h e n e 略y c o n s u l n p t i o n c o o l s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mo fm i c r o e n c a p s u l a f e dp h a s ec h a n g em a t e a l s ( m p c m ) i san e wt y p eo fe n e 唱ys t o r a g ea i 卜c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，w h i c ht h ep h a s ec h a n g e m a t e r i a li se n c a p s u l a t e db ym i c r o c a p s u l e sw i t ht h ee n c a p s u l a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h r o u g ht h e l n e l t i n ga n ds 0 1 i d i f i c a t i o no fp h a s ec h a n g em a t e r i a l st os t o i - a g el a t e n th e a to fp h a s ec h a n g e i nt h i s p a p e r ，t h ep h a s ec h a n g em a t e n a l sa r eh i g h e rc a r b o nh y d r o c a r b o n st h a th a v eh i g h e rt e m p e r a t u r eo f p h a s ec h a n g e s u c hp h a s ec h a n g em a t e r i a l sh a v et h eb e n e 行f ss u c ha s1 a r 2 e r1 a t e n ch e a t ，c l e a n e h i g h e rt e m p e r a n 】i eo fp h a s ec h a n g ea n ds l n a l ls p e c i f i cv 0 1 u m e f r i cd i l a t a t i o n h 1t h i s p a p e r - a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h ed e v e l o p m e n to ft h eb a c k g r o u n d ，s t a t u sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c i o fm p c ma r ep r e l i l l l i n a n l yi n f r o d u c e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o ni na i r c o n d i t i o n i n g6 e j di sp r e s e n t e d p a n i c u l a r l yt h o u g hr e s e a r c h i n gt h ep h a s ec h a n g em a t e r i a l sa n dt h em i c r o c a p s u l et e c l l n 0 1 0 9y e s c a b l i s hc h ee x e r g ya n a l y s i sm o d e lf o rm p c m s t o m g ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e ma n da n a i y z e t h ee x e 唱y1 0 s so ft h es y s t e l l l f i n dt h ew a y st o i 1 t 1 p r o v et h eh e a te c o n 0 1 n yo fc i r c u l a t o r ys y s t e m f r o ma q u a l i t a t i v ep o i n to fv i e w a n di tm a k e sc o m p a r i s o n s a m o n gm p c ms t o r a 譬e a i r c o n d i c i o n i n gs y s t e m ，i c es t o r a g es y s t e l l la n dc o n v e n t i o n a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e l n t h er e s u j t s h o w st h a tt h ee x e r g yl o s si st h el o w e s ta n dt h ee x e 略ye 虢i e n c yi st h eh i g h e s t w h e nm p c s ( 1 n i c r o e n c a p s u l a t e dp h a s ec h a n g em a t e r i a l ss l u r r y ) r e p l a c e dw a t e ra sf h en u i d 1 n e d i u l l l ，t h o u g ht h ep h y s i c a lp a r a l n e t e r so fm p c si or e s e a r c ha n da n a l y z et h ei l n p a c co fs p e c i 行c h e a ta n dl a t e n th e a tv a l u eo ns l u i t yf l o wr a t e ，v i s c o s i t yo nt h ep i p er e s i s l a n c e ，h e a tt r a n s 、e r c o e f n c i e nco nt h ef a nc o i lt u b ea r e a ，a sw e l la sf h c t o r so nt h ep u l n pe n e r g yc o n s u l n p t i o n f r 0 1 1 1t h e f l u e n ts u l l l i l a l i o na n dt h ea n a l y s i sa b o u tm p c s ，f h ea r e ao ft h ec o i li sn o ts i g n i 行c a n t l yi n c r e a s e d a n dt h er e s i s t a n c el o s so ft h ec o i li se n l a r g e da1 i t t l e ，b u tt h ep u m p s p o w e ri sr e d u c e d d r yc o 订n l n si nd r yc o n d i t i o n s ，s ot h e r ei sn oc o n d e n s e dw a t e ra n dm 0 1 d ，a n dh a sb e c t e l h e a l t hc o n d i t i o n s i tn e e d st h ec h i l l e dw a t e rh a v i n g h i g h e rt e m p e r a t u r ec o m p “s e dw i t h c o n v e n t i o n a lc o i l t h i sp a p e rd e s c 订b e sac o m p l e xs y s t e mi h a tm p c s t o r a g ea i r c o n d i t i o n i n g s y s t e mc o m b i n e dw i t hd r yc o i ls y s t e m t h i ss y s t e mm a k e s as i x n o o rh o s p i t a lb u i l d i n g1 0 c a t e di n s h a n 曲a ia s t h ec a s et oa n a l y z e ，a n df i x e sr o o mp a r a m e t e r sa n df r e s ha i rv o l u m e s u s i n gt h e e n e 略yp l u s t os i l l l u l a t ef h eh o u r l ye n e r g yc o n s u l l l p t i o nt h r o u g h o u tt h e y e a r ，a n dt h e nt od o h y d f - o g r a p h l cc o n l p u f a f i o l la 1 1 dc 1 1 0 0 s ec h e e q u i p l n e n t u n d e rt h e p r e m i s eo fm e e t i n gt h e r e q u l r e l n e n to fa l r c o n d l t l o n l l l g ，t h l sc 0 1 n p l e xs y s t e mi m p r o v e sa i rq u a l i t y ，a c h i e v e sp e a kl o a d s h i f i i n g 0 p t i m i z et 1 1 es t o r a g es f r a t e g yo fm p c mt o1 1 1 a k et h es y s t e l nb e t t e rp l a yo u to fi t so w l l s u p e n o “ty a n a l y z ef 1 ed j f f b r e n tc o n c e l l f l a f i o n so fm p c st od e t e n n i n et h e1 n o s te c o n o l n i c a 】a n d p r a c t i c a 】c o n c e n t l a t i o n ， w 1 1 i c hi so 4 ，a 1 1 dc o m p a r e sw i t ht h ew a t e ra b o u tt h ei m p a c t0 1 1t h ep u m p e n e i 留yc o n s u l n p t i o n t h o u g hc h ee c 0 1 1 0 i n i ca n a l y s i so fi h ec a s et oc a l c u l a t et h ea n n u a lc o s ta n d c o l n p a r ew i t hc o n v e n t i o n a ld 1 了c o i ls y s t e n l m p c m s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi san e wa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a n di th a si t so w n u n i q u ea d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hi c es t o r a g ea n dw a t e rs t o r a g e a l t h o u g hi ti ss t i l li nt h er e s e a r c h s t a g e ，i th a sb e t t e rp r o s p e c t i tn o to n l yc a ne a s et h ep o w e rp r e s s u r e ，s h i rp e a kl o a d ，b u ta l s ok e 印 t h er e 如g e r a t i o nu n i tr u n n i n ge 蚯c i e n t ly c o m b i n e dw m ld 珂c o 订t e c h n o l o g ya l s oc a ns a v ee n e 略y a n di 1 1 1 p r o v ei n d o o rc 0 1 n f b n1 e v e l k e yw o r d s ：m p c m s t o r a g e ，e x e l 翟ya n a l y s i s ，m p c s ，d 唧c o i l ，e c o n o m i ca n a l y s i s i v 主要符号表 面积 无效能，火无 比无效能，比火无 热容，、一 投资总额、总成本 固定投资、固定成本 可变投资、可变成本 初投资 工作性能系数 流速；比热容 壳径；产量 直径 储存能( 总能量) 有效能，火用 煳损失 比储存能 比火用 比婀损失 费用；面积 残值 年度化成本 总本利和 阻力系数 重力加速度 焓；高度 v 质量 使用年限 功率；资产现值 绝对压力 环境压力 热量、：= t = ： 比热量 质量流量 体积流量 摩尔气体常数 潜热量；折旧率 熵 比熵 热力学温度 环境温度 饱和温度 摄氏温度 比内能；速度 体积 比体积 功；房问散湿量 比功 质量分数 制冷系数 效率 m n p p 风 q q 靠 r r s s t “，“，。 u v v w w w 。 刁 彳 4 钆 c g o e g 聊 c d d e 牝 e 。 叫 ， ， ， ， 一 ： 。 c c c c 仪 c d d e b k e 巳 f e f g h 比焓7 7 c 。 烟损失7 k 比烬损失；利率孝 传热系数 p 长度 t 收益娴 e 。棚 总送风量 d 负荷占 全日总负荷吼 m p c s 蓄冷时问( 1 0 蓄冷时冷水机组容量变动系数c p 蓄冷槽容量 下角标含义 f x x x q s n m o l a 风机盘管显热 新风显热 潜热 送 室内 m p c s 送风状态点 机器露点 空气 v l 压缩机绝热效率 煳撤率 船损失系数 密度 时问；投资回收期 支付炯 含湿量 热交换效率系数 制冷机直供时间 制冷机供冷容量变动系数 制冷机组容量 风机盘管 新风 新风潜热 回 水 乙二醇 室外 风机盘管处理点 h 。 。 k l 懈 g q b n 叫 易 h 。 。 k l r 却g q 鳓 鳓 t 2 f x 敝 b w y o m 东华人学坝1 ：学位论文 第一章绪论 1 1 蓄冷空调系统研究背景及意义 1 1 1 蓄冷技术研究背景 电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，不仅是关系国家经济安 全的战略性问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。 2 0 0 9 年底全国发电装机容量达8 7 4 g w ，新增发电设备容量8 9 7 g w ，同比 增加1 0 2 3 。到2 0 1 0 年底全国发电装机容量超过9 5 亿千瓦。电力峰谷差呈现 出逐年递增趋势，尤其是夏季，由于空调大量使用，使得部分地区供电不足，导 致需要拉闸限电。我国的峰谷比一般为1 ：0 7 ，美国的峰谷比为1 ：0 2 5 ，日本、德 国、英国、法国和俄罗斯峰谷比分别为：1 ：0 4 ，1 ：0 2 ，1 ：0 3 5 ，1 ：0 3 5 和1 ：o 5 2 ， 一般发展中国家的峰谷比是1 ：0 6 3 ，由此可见，我们面临的调峰任务和压力f 1 趋 严峻u 儿纠口1 。图1 1 为1 9 9 0 年至2 0 0 0 年十年问上海地区用电峰谷差。由图中可看 出，上海地区峰谷差值大，且差值逐年递增，因此，如何移峰填谷已经是一项非 常重要的课题。 1 2 i m m l 1 0 0 0 0 ：8 0 0 0 章一 孽6 0 0 0 妪 。 0 哥 4 0 0 0 2 o 0 1 9 9 0 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 82 0 0 0 图1 11 9 9 0 年至2 0 0 0 年十年间上海地区用电峰谷差 电力使用中，建筑物负荷占用电总负荷的3 0 5 0 ，而建筑能耗中空调制 冷是耗电大户，在夏季高峰时可占建筑物能耗的8 5 。所以，电力蓄冷技术，以 其独特的移峰填谷作用成为我国改善电力紧张局面，并实现节能降耗减排的一项 重要技术措施口3 。图1 。2 为主要调峰技术的投资对比表，如图所示，冰蓄冷技术 相对于其他调峰技术有着明显优势。表1 1 为上海地区非工经营两部制电价表。 峰谷电价差促使蓄冷技术得到进一步的发展，刺激企业选择蓄冷技术，通过使用 低谷价电来弥补蓄冷技术过多的初投资，并在投资回报期后获得经济效益。 第一章绪论 一一 冰蓄冷火力调峰 抽水蓄能 燃气轮机 图1 2 主要调峰技术投资对比图 行方面都有益处。通过削峰填谷将潜力季节性电能、低谷电能充分利用起来，不 仅可以促进用能结构的调整，改善生存的环境质量，还可以延缓或推迟新机组建 设，其潜在的经济效益和社会效益_ 卜分巨大。在移峰填谷缓解电网负荷紧张的众 多方式中，用r 邑侧移峰填谷的蓄冷技术以其巨大的优势而备受人们关注。 1 1 2 蓄冷技术研究意义 所谓蓄冷，就是在晚问电力低谷负荷时，制冷机组制冷并将冷量存储起来， 待到白天用电高峰时释放这些冷量，满足用户要求。这一技术大大缓解了高峰电 力负荷，加之由于各地区分别推出峰谷电价差，有效刺激了蓄冷技术的进一步 发展，尤其是在大中型城市。 蓄冷系统与其他牢调系统相比有很多优点，如提供稳定的冷源；移峰填谷， 充分利用峰谷分时电价，节省运行费用，能从总体上提高发电、输电设备的使用 效率；降低电网的规划容量，节省巨额电网基建资金，减少烟尘的排放量及用量， 具有环保效益；夜间气温低，冷却水温度较白天低，制冷效率高，减少制冷能耗： 制冷机组容量和配电容量相对减少，满负荷运行的比例增大，机组的运行效率提 高，设计时无需按尖峰负荷配置；冷水流量与循环风量减少，水泵和空调机组运 转震动及噪音降低，水泵耗电量减少；停电时利用小功率电机仍可维持空调运转； ， 踟 踟黝 堇；o 盖恨一鼎愍辎骘熙 印筋 m n _ 二n 躬舶m 斛 o 0 1 o 5 7 2 ，鲋拍硒 m c ；卜c ； l 2 1 1 6 卯 n n l n 时时时时 平谷峰平 价 价 电 电 常 季 通 夏 东o # 人学f 嗍f j 学位论义 一 可利用较小容量的制冷机来满足体育场等建筑短时问的大负荷；使用寿命长，蓄 冰槽本身密闭且无机械运转，故无需维护保养，制冷主机满负载运转且丌停次数 少，运转状况稳定，使用寿命较其它空调设备长。 蓄冷技术的众多优点使得各地区大力推广蓄冷空调工程的发展，电价优惠鼓 励政策的出台又进一步推动了技术的发展。所以，蓄冷技术的发展利国利民，节 能环保，对电力部门、用户均有利，其发展前景广阔。 1 2 蓄冷技术历史及现状 1 2 1 蓄冷介质及蓄冷方式 目前，蓄冷介质主要有水、冰、共晶盐和气体水合物。 水是利用其显热来存储冷量，蓄冷温度在4 7 ，蓄冷温差6 11 ，单位体 积蓄冷容量为5 9 1 1 3 k w 3 。如果空l 白j 允许，使用水蓄冷较为经济，但由于水 蓄冷水槽占地面积大，结构复杂，保温不易，施工困难，泵动力大，水处理麻烦 等原因，较少选择使用。冰是潜热蓄冷方式，存储同等冷量，冰蓄冷所需体积仅 是水蓄冷的几十分之一，且蓄冷温度恒定，没备容易标准化，系列化，保温装置 容易制作。但冰蓄冷在蓄冰阶段，制冷机组性能低，耗电量大。共晶盐是利用固 液相变特性蓄冷，相变温度约8 9 ，相变潜热9 5 k j k g 。与冰蓄冷相比，相变 温度较高，相变潜热较低，蓄冷槽大于冰槽，在蓄一释冷过程中换热性能较差， 设备投资较高，所以目前该技术并没有被。泛推广应用 5 【6 l 。气体水合物蓄冷， 是在一定温度和压力下，水在某些气体分子引r 司会形成略实的网络状结晶体，同 时释放出固化相变热。相变温度存5 1 2 ，棚变潜热征3 0 2 。4 4 6 4 k j k g ，气化水 合物相变潜热大，相变温度与冰蓄冷棚比较高，但由于该技术还不够成熟，所以 工程实用无法实现【6 j 。表1 2 为儿种蓄冷介质的比较。 j 表i | ji j j 以看f “，划于：1 二 程实用来说，冰蓄冷由于设备易选择，且蓄冷楷。断面积较小而更为广泛被使用， 但相变温度低，相应的冷水机组的蒸发温度低，机组处于低效率运行，热交换性 能一般。 表1 2 几种蓄冷介质的比较 第一章绪论 就蓄冷方式，根据蓄冷介质可分为水蓄冷、冰蓄冷、结晶盐蓄冷等。其中冰 蓄冷发展最为快速，技术比较成熟，被广泛使用。但冰蓄冷系统节钱但耗功，其 主要原因是水相变温度低，制冷机组蒸发温度低，机组c o p 低。 因此，为提高制冷机组c o p ，蓄冷空调研究转向高温相变材料一微胶囊相变 材料。在2 0 世纪8 0 年代初开始，出现将微胶囊相变材料作为蓄能材料的研究， 最早运用于卫星及宇航等领域。近年来，微胶囊蓄冷已经开始运用于建筑物集中 空调系统中，微胶囊相变材料作为一种新型蓄能材料，与传统蓄冷介质相比，有 以下优点：具有可观的相变潜热，相变温度较冰蓄冷高，可以在恒定温度区间实 现能量的存储和释放；消除了换热环节，实现了蓄能材料同载冷介质的统一；微 粒化导致固液问对流换热比面积大，相变温度均一。 1 2 2 蓄冷空调发展历史及现状7 1 1 8 i 1 0 j 世界上最早采用人工制冷的蓄冰空调大约出现在1 9 3 0 年前后，当时美国在 教掌、剧院和乳品厂这类间歇使用、负荷集中的场所使用冰蓄冷供冷方式。7 0 年代木爆发能源危机，各国政府开始重视开发新能源及节能，这促使蓄冷技术迅 速发展，且应用范围不断扩大，发展到建筑物空调及区域供冷。日本从1 9 5 2 年 开始试用蓄冰空调系统。至1 9 8 7 年，同本东京的空调用冷量已有6 0 配置了蓄 冰制冷系统。到1 9 8 9 年，美国、同本、加拿大等国从事冰蓄冷系统开发和冰蓄 冷专用制冷机生产的公司多达4 9 家。1 9 9 4 年底前，美国约有4 0 0 0 个蓄冷空调 系统用于不同建筑物。在英国、大型蓄冰系统就有3 0 0 多个，总容量达4 1 2 1 0 6 m 3 。到1 9 9 8 年，f 1 本共有5 5 6 6 个蓄冷空调系统，其中冰蓄冷3 3 1 7 个，仅 1 9 9 8 年年，就建造投运了冰蓄冷空凋装置1 0 0 0 多台。1 9 9 9 年底达到8 0 0 0 多 家，2 0 0 2f f 已经达到1 4 0 0 0 多家。2 0 10 年，f 本通过蓄冷空调系统可移峰 7 4 2 0 m w 。当| j i ：，国外对蓄冷空调的研究己不再局限于移峰负荷的多少，而是将 其重点转向了节能，即不仅要少用高0 l 犟电，多用低谷电，还要对系统进行合理配 置，加强运行管理达到减少能耗的目的。 我国的台湾地区在8 0 年代开始了蓄冷技术的应用研究，大陆从九十年代初 开始发展应用空调蓄冷技术，目i 仃国内研制和生产蓄冷设备的厂家己有2 0 多家。 第一个蓄冷空凋样板工程是电力部国家电力调度控制中心( 北京) 冰蓄冷空调系 统，总蓄冰量1 6 5 6 0k w h ；第二二个是国家电力部办公大楼( 北京) 空调系统，总 蓄冰量为2 4 9 2 0k w h 。 1 9 9 3 年，深圳电子科技大厦首次引进国外技术采用冰蓄冷空调系统，该系 统空调面积达4 7 j m 2 ，采用法国c i a t 的冰球式蓄冷系统，使装机容量降低4 5 以上。1 9 9 5 年，冰蓄冷工程建成和投入运行的项目有1 0 个，1 9 9 6 年建成和投入 运行的项目有8 个，1 9 9 7 年则有1 1 项冰蓄冷工程项目有待完成，1 9 9 8 年计划进 行的项目有3 0 余项。上海科技城，上海市2 0 0 0 年1 号工程，2 0 0 1 年1 0 月a p e c 东4 # 人学坝 ：学位论文 一一 会议主会场，建筑面积1 0 万m 2 ，蓄冷量3 1 0 6 7k w l l ，是国内目前蓄冷量最大的 样板工程。到2 0 0 2 年底，己建成和在建的水蓄冷和冰蓄冷空凋系统共计2 5 9 项。 累计到2 0 0 6 年底，全国蓄冷空调项f ；= f 数为7 9 4 个。其分布大都在经济发展迅速， 用电紧张的地区，且蓄冷方式多选择冰蓄冷。表1 3 为上海地区已建成的冰蓄冷 工程调查汇总。这些项目，总蓄冰量约为7 8 4 x1 0 5k w l l ，移峰能力可达6 2 4 万 k w ，对上海市电网的“移峰填谷”发挥了巨大的作用。 表1 3 上海地区已建成冰蓄冷工程调查汇总 j 丁j j i _ = = 了五i i = _ i i 1 上海松江电力调度大楼l o0 0 028 1 3 办公一i 丽r 芬丽丽 2 上海烟草公司2 50 0 01 50 6 3 企业2 0 0 4 分时蓄冷 3 上海财富国际厂。场1 2 00 0 02 81 6 3 办公2 0 0 8 分时蓄冷 4 同济火学科研综合楼3 90 9 5 1 49 1 5 办公2 0 0 6 分时蓄冷 5 上海美国学校2 36 8 4 学校2 0 0 8 分时蓄冷 6 上海科技城9 2 0 0 0 3 24 8 8 展览馆2 0 0 1 分时蓄冷 7 上海嘉定医院4 00 0 0 1 50 6 3 医院1 9 9 8 分时蓄冷 8 上海火车南站地卜 。场1 1 9 2 0 0 4 06 3 4 商场2 0 0 6 分时蓄冷 9 上海市检测中心 7 00 0 0 3 43 8 6 办公2 0 0 4 分时蓄冷 1 0 上海市南供电公司 1 5o o o 66 9 4 办公2 0 0 0 分时蓄冷 1 1 上海物贸人厦6 00 0 040 0 8 酒店2 0 0 6 分时蓄冷 1 2 上海紫丹印务有限公司 6 00 0 0 33 4 0 企业2 0 0 5 分时蓄冷 1 3 儿童医疗中心4 00 0 0 1 58 2 2 医院1 9 9 9 分时蓄冷 1 4 家化大楼1 70 0 0 63 2 9 办公1 9 9 8 分时蓄冷 1 5 锦都火厦1 7 ( ) 0 026 3 7 办公1 9 9 6 分时蓄冷 1 6 上海国际汽车城人厦 3 j9 6 0 91 4 2 办公2 0 0 6 分时蓄冷 1 7 上海青浦供电分公司9 ( ) ( ) 026 3 7 办公2 0 0 1 分时蓄冷 1 8 上海市中凯城市之光 4 80 9 9 住宅 2 ( ) 0 4 分时蓄冷 1 9 陶氏化学e 海实验室6 5 ( ) f ) o5 34 4 ：3 企业 2 0 0 8 分时蓄冷 2 0 贝尔阿尔卡特综合人楼4 48 6 01 46 2 0 企业2 0 0 8 分时蓄冷 2 l 上海尔华人学8 00 0 0 ：3 5 【6 0 - 学饺2 0 0 6 分时蓄冷 2 2 中环凯旋富2 7 00 0 0 3 7 1 2 9 住宅2 0 0 6 分时蓄冷 2 3 上海万里凯旋华庭5 60 ( ) 082 9 8 住宅2 0 0 5 分时蓄冷 2 4 拍门子上海中心3 5 0 0 070 3 2 企业 2 0 1 0 分时蓄冷 2 5 上海金山供电分公司8 5 0 0 026 ：j 7 办公 2 0 0 1 分时蓄冷 2 6 干 = l 尊中国馆 1 1 30 0 0 1 5 99 7 8 展览馆 2 0 1 0 分时蓄冷 2 7 漕河泾能源中心1 1 4 8 4 7 企业2 0 1 0 分时蓄冷 2 8 华为上海浦力：办公火楼：3 00 0 0 2 1 ( ) 9 6 办公2 0 0 9 分时蓄冷 2 9 a b b 上海机器人公司5 00 0 0 2 3 们1 企业2 0 0 9 分时蓄冷 塑圭童堕巫坌旦熏巫叁堡 60 0 0 3 ：m 7 企业2 0 0 9 分时蓄冷 一一 ：= ： 我国蓄冷空调的发展尽管起步晚，和国外相比有定的差距，但是发展快， 为了加快蓄冷空调的推广，不仪需要政府部门的人力推广，而且需要技术的完善 及设备优化。 5 第一章绪论 1 2 3 蓄冷空调系统控制策略 e p r i 的一些研究有力地说明，从能源消耗和环境影响角度讲，蓄冷技术确 实是一种节能和降低运行费用的有效方法。同时显示：很多蓄冷系统未达到预期 效果的原因在于控制不当。因此，正确地运用优化和控制技术尤其重要i l 2 j 。 根据美国制冷协会标准a r l 8 8 0 5 6 提供的数据，7 5 1 0 0 的负荷率仅占空 调全年总运行时间的1 0 ，空调系统大部分时间是在低于设计目负荷条件下运行 的【12 1 。图1 3 为办公楼全年负荷的时问频率( 某负荷出现时间与总时间之比) 3 i 。 因此，蓄冷空调系统能否经济地运行，不仅取决于系统设计合理性，也取决于系 统的优化和控制策略的正确选择。如何在非设计条件下使系统经济合理地运行， 是蓄冷空调系统运行管理中待解决的课题。 负荷与最大负荷之比( ) 图1 3办公室全年负荷变化情况图 蓄冷策略可以分为全蓄冷策略和部分蓄冷策略，由于全蓄冷策略由蓄冷设备 要承担所需的全部冷负荷，因此系统中冷机和蓄冷设备的容量都比较大，一般用 f 体育馆、影剧院等负荷大、空调持续时间短的场所。对于一般建筑物来说，由 于其初投资过大而很少采用。部分蓄冷策略是白天，空调负荷一部分由蓄冷设备 承担，另一部分由制冷机组直接供冷。部分蓄冷策略，冷水机组利用率高，蓄冷 设备容量小，是一种经济有效的负荷管理方式，但部分蓄冷系统运行中需要解决 的问题是：如何使冷负荷在冷机和蓄冷设备之问合理分配。目前，其主要控制方 式包括冷机优先控制、蓄冷优先控制、定比例控制和优化控制。 冷机优先控制方式尽可能地依靠冷机来满足建筑物空调负荷，冷量的不足部 分山蓄冷设备补充，这种控制方式比较简单，易于实现，但不能充分利用谷段电 力，蓄冷设备中存储的冷量不能得到充分发挥，运行费用偏高。 蓄冷优先主要依靠贮存冷量来满足空调负荷，当供冷不足时再启用制冷机补 充。从理论上讲，能充分地利用电力谷段的低廉电价，使运行费用降到最低。但 一960。0褂嚣厘蓝 东乎人学颂 j 学位论文 一一 冷负荷在冷机和蓄冷设备之间的分配比例控制较为复杂，常常出现贮存冷量提早 耗尽，造成建筑物供冷不足。 定比例控制方式使冷机和蓄冷发备各自分别承担峰期各时刻一定比例的冷 负荷。这使冷机的供冷量每天供冷负荷而波动，同样可能造成槽内残留余冰或蓄 冰过早耗尽，因而这种控制实际执行起来比较困难。 优化控制是利用预测技术预测下一个蓄冷周期的冷负荷逐时分布曲线，据此 决定蓄冰系统的蓄冰量，控制白天蓄冰槽的融冰时问和制冷机组的开启时间，在 满足负荷的情况下，最大限度利用非峰电力，最小限度启动制冷机组。 但是蓄冷系统优化控制的实施是建立在对次日逐时冷负荷准确预测，并采用 优化技术对冷机供冷和蓄冷设备供冷进行合理安排的基础上的。因此，对蓄冷系 统运行优化控制的研究具有重要的实际意义。 1 2 4 蓄冷技术发展前景 蓄冷技术的推广使用主要是为了移峰填谷，它可以运用于商业建筑如宾馆、 银行、办公大楼的中央集中式空调系统。在这些建筑中，夏季空调负荷相当大， 需要持续在工作时间内提供冷量，而冷负荷高峰期基本上是在午后，这和供电高 峰期同时，对电网供电压力特别大。而且这些建筑夜晚负荷很少，或基本没有负 荷，更方便夜问蓄冰。 蓄冷空调区域供冷，是未来发展的方向之一。由于区域供冷容量大，运用蓄 冷空调技术将节省初投资和运行费用，降低能耗，节约了初投资，同时满足了社 会效益、经济效益和环境效益 1 4 。 ， 式蓄冷空调的研究，清华大学周晓棠以北京一问1 6 0 m 2 的住宅为例采用冰 蓄冷技术，分析后得出结沦：当蓄冰槽体积仪为0 4 2 m 3 时，可节约运行费f 日2 1 ， 经济效益非常可观 j 引，这使得冰蓄冷进入小型住宅成为可能。 新型蓄冷材料的研究与应用对蓄冷技术的发展有着重要意义，所以对新型蓄 冷介质的研究也是研究的重点。为提高制冷机组效率，需提高其蒸发温度，即提 高蓄冷介质相变温度，研究的方向的高温相变材料，如高碳烷烃类相变材料，这 类相变材料有较高的溶解温度，且相变过程体积膨胀率低1 刚，同微胶囊技术相结 合，即将高碳烷烃类相变材料放入胶囊中，：悬浮置于单相热交换流体中，形成了 微胶囊相变流体，其冷容量随着m p c m ( m i c r o e n c a p s u l a t i o np 1 1 a s ec h a n g em a t e r i a l ) 颗粒的增加而显著增加。悬浮于水溶液中的微胶囊可以更大程度的实现彼此问的 传热，蓄能能力更强 1 7 。微胶囊相变材料蓄冷一方面存在相变潜热，所以蓄冷能 力强，另一方面可以作为悬浮液直接泵送至末端和制冷机组蒸发器侧，这与冰蓄 冷相比节省了很多热交换设备。因此，应该对微胶囊蓄冷进行进一步研究。 为发展蓄冷技术，应根据本身的特点，同一些其他空调系统相结合，成为= 市 能环保的复合系统。如冰蓄冷由于相变温度过低，可以同低温送风技术相结合。 第一章绪论 早在1 9 8 8 年，台北国贸大楼就开始使用。由于低温送风需要较低的冷冻水温度， 所以大都同冰蓄冷技术相结合，此复合系统节省初投资、运行费用低、能效高、 室内空气品质优良、节省建筑空问。郭蕊茹提出这一复合系统在未来研究的重点 是如何更好的利用送风系数发挥冰蓄冷的优势 1 8 。而高温相变蓄冷可以同干盘 管、屋顶冷却技术相结合。2 0 0 7 年，、a n ga n dn i u 【1 9 】设计新型空调系统微胶囊 蓄冷同屋顶冷却相结合，结果显示蓄冷槽可以转移部分用电高峰负荷，并指出复 合系统是一种节能经济可行的空调系统。 为使蓄冷系统发挥最大的作用，应尽可能减少高峰时段用电，对蓄冷系统进 行控制策略优化。优化运行的原则是将制冷机直接供冷和蓄冷槽的释冷相结合， 充分利用蓄冷槽冷量，但必须以详实的负荷预测数据为基础，在相应的控制策略 下，以最小年投资费用为标准，对冰蓄冷空调系统作出最佳运行安排睇。 1 3 微胶囊相变材料发展历史及现状 1 9 6 7 年，k a t z 首次开始对相变材料放入流体进行研究。m e h a l i c k 和t w e e d i e ( 1 9 7 5 ) 提出相变物质微胶囊化并用作传热介质输送的想法。1 9 9 4 年，m g o e 等【2 实验研究微胶囊相变流体的传热特性结果显示影响换热效果的最显著因素 是斯蒂芬数，微胶囊颗粒在流体中的均布性对换热效果无明显影响。1 9 9 5 年， y z h a n g 和a f a g 【2 2 建立圆管内微胶囊流体对流换热模型，结果显示微胶囊壳 壁的导热热阻消弱了微胶囊强化传热，微胶囊融化温度范围的大小对管内对流换 热影n 向很大。1 9 9 6 年，y y a m a 西s h i 等【2 3 j 实验研究1 2 烷烃和1 4 烷烃作为微胶囊 内部相变材料的微胶囊流体，结果显示微胶囊流体融化温度和融化潜热不受微胶 囊粒径变化的影响；微胶囊粒径在5 1 0 0um 范围内，过冷度随微胶囊粒径减小 而增大；微胶囊粒径越小，其结构越稳定，破坏率越低。2 0 0 1 年，s k r o y 等 【2 4 建立微胶囊流体定热流边界条件下圆管内