（环境工程专业论文）自制低温送风口的数值模拟与实验研究.pdf

摘要 改革开放之后，城市现代化建设的发展给我国电力发展建设提供了强大的动力。然 而，近年来我国各大、中型城市却频频出现电力紧张状况，特别是东南沿海与长江流域 一带城市，平均用电增长率居高不下，而且其增长的用电负荷绝大部分集中在高峰用电 时段。其中中央空调和分散空调的用电负荷，随着城市现代化的进程同步增加，而且有 逐年上升的趋势。 要解决我国“电力不足，电量有余 的现状，平衡电网负荷、缓解供电设施和电力 部门压力势在必行。就空调行业来说，采用冰蓄冷低温送风空调系统进行制冷对于电力 部门“移峰填谷，平衡压力 的政策作出了积极的响应。然而，冰蓄冷低温送风技术的 推行在国内遇到了困难，如现在国内还没有低温风口的生产线，也势必带来一些问题， 如风口结露和造成吹冷风感等。 本文借鉴国外低温送风技术，自行研制了一种顶棚低温风口，并对其进行了实验研 究和对实验房间进行了数值模拟，而且将实验研究和数值模拟结果做比较，进一步说明 空调房间的热舒适性符合要求，也反映了使用自制低温送风口进行低温送风的可行性。 关键词冰蓄冷低温送风自制低温送风口数值模拟实验研究 a b s t r a c t a f t e rr e f o r ma n do p e n i n g - u pt ot h eo u t s i d ew o r l d ，t h ed e v e l o p m e n to fc i t ym o d e r n i z a t i o n m a k e so u rc o u n t r y se l e c t r i c i t yd e p a r t m e n tm o r ep o w e r f u l b u tb yc o n t r a r i e s ，f o rt h ep a s t f e wy e a r s ，o u rl a r g ea n dm e d i u m s i z ec i t i e sw e r ea l w a y sl a c ko fe l e c t r i c i t y ，e s p e c i a l l yt h e c i t i e si nt h es o u t h e a s tc o a s t a la r e a sa n di nc h a n g j i a n gr i v e rv a l l e yz o n e ，t h em e a nr a t eo f u s i n gp o w e rw a sk e e p i n gh i g ha n dt h ep o w e rl o a dc o n c e n t r a t e do nt h ep o w e rd e m a n d f a s t i g i u m m o r e o v e r ，t h el o a do fc e n t r a la n dd i s p e r s i v ea i r - c o n d i t i o n i n gi si n c r e a s i n ga n d w i l lb ek e e p i n gi n c r e a s i n gi nf u t u r e t os o l v eo u rc o u n t r y se l e c t r i c a lp r o b l e m s ，w es h o u l db a l a n c ea n dr e l i e v et h es t r e s so f t h ee l e c t r i cf e n c e a s 姒v c，i c es t o r a g ea n dc o l da i rd i s t r i b u t i o ns y s t e m sw i l lh e l pt h e e l e c t r i c i t yd e p a r t m e n t st or e l i e v es t r e s s h o w e v e r ，t h i sk i n do fs k i l lg e t ss t u c ki no u rc o u n t r y b e c a u s et h e r ei sn o tp r o d u c t i o nl i n eo fc o l da i rd i s t r i b u t i o n m o r e o v e r ，i tw i l lb r i n gs o m e t r o u b l e ss u c ha sd i f f u s e rc o n d e n s a t i o no fm o i s t u r ea n dm a k i n gp e o p l ef e e lu n c o m f o r t a b l e b e c a u s eo fc o l da i rs e d i m e n t a t i o n w ei m i t a t e dt h ef o r e i g ns k i l lo fc o l da i rd i s t r i b u t i o na n dm a d eac o l da i rd i f f u s e rb y o u r s e l v e s i na d d i t i o n ，w ee x p e r i m e n t a l i z e di ta n dd i dan u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h e a i r - c o n d i t i o n i n gr o o m b yt h ec o n t r a s to ft h eo u t c o m e so ft h ee x p e r i m e n t sa n dt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n w ek n o wt h es e l f - m a d ec o l da i rd i s t r i b u t i o nc a nr u nw e l l k e y w o r d sl e es t o r a g ea n dc o l da i rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s s e l f - m a d ec o l da i rd i s t r i b u t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 沈曙年歹月7 ie l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： u 秘年厂月洗日 砌多年厂月砒日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着城市现代化建设的不断发展，城市电力建设也不断的强大和完善；然而，随着 人民生活水平的提高、用电设备数量的增长和用电时段的集中，我国城市电力电网又面 临着巨大的压力。中央空调和分散空调的用电负荷跟随城市商业和家用用电负荷的同步 增长已经使我国一些大、中城市供电负荷峰谷差相继拉大到3 0 - - 4 0 1 1 。这必将给城 市电网的均衡运行与管理提出了新课题。如此大的峰谷电力差必定给我国电力建设正常 安全的运行带来隐患。因此，不仅我国，世界范围内的电力部门已经开始利用经济杠杆， 采取了电力分时计费的政策，以望从宏观上达到削峰填谷的目的。如：美国于1 9 8 1 年 颁布了相关的奖励措施，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【2 】。那么，在空调行业中，我们应该如何做到支持和顺应电力部门政策， 为国家电网分担压力，为国家节约能源，同时达到为单位、企业等小型集体节省开支费 用的目的，达成一个双赢的局面呢? 承上所述，冰蓄冷空调系统正是为了适应电力部门制定的这种电价政策应运而生的 一种空调技术。其不但可以很好的利用时下的分时计费电价政策，而且对于平衡城市电 网压力也起到了积极有效的作用。它一方面提高电网运行的可靠性和经济性，降低供电 成本；另一方面又使空调用电有效的避开了电网负荷高峰时段的高价电力，充分利用电 网低峰时段的廉价电力，节省了电费开支。冰蓄冷空调系统虽然起到了电力负荷削峰填 谷的作用，但是其运行需要增加的蓄冰设备大大提高了冰蓄冷空调系统较常规空调系统 的一次费用，其居高不下的一次投资成了制约冰蓄冷空调技术发展的瓶颈。那么，如何 能使冰蓄冷空调制冷系统在充分发挥其巨大优点的同时，解决其在一次投资和实际耗电 量方面的缺陷，再次达到一个双赢的局面呢? 承上所述，低温送风空调系统其突出优点和其独到之处如降低一次投资和减少运行 费用等，对于解决上述冰蓄冷技术存在的瓶颈问题，将行之有效；与此同时，冰蓄冷技 术所提供的“高品位冷量 对于低温送风技术所需要的能量( 冷能) 将提供有力的前提。 二者相辅相成的关系以及其相互结合的必然趋势，将在本文第二章中详细阐述。然而， 低温送风技术的应用，也伴随着一些让人们担心的问题，如：送风温度的降低增加了风 口表面及管道表面结露的可能性；较低的送风温度和较小的送风量可能造成冷风过早沉 降，从而给空调室内人员带来不舒适感。那么，我们将怎样有效的解决这些问题，使得 第一章绪论 冰蓄冷技术和低温送风技术能够最有效的结合起来，二者在取长补短相辅相成从而高效 而又舒适运行的同时，不至于带来其他新的棘手的问题，再一次达到一个双赢的局面 昵? 承上所述，低温送风空调系统末端装置的实验研究和选择对于解决上述问题至关重 要。一种解决途径即在一次低温风送出风口之前，先在混合箱内与温度较高的室内风相 混合，提高送风温度之后再送入房间。混合箱也即本文将要介绍的一种末端装置。另一 种途径即开发合适的低温送风风口，满足室内气流组织要求又不会产生结露。也即本文 第五、六章中要通过理论、实验和数值模拟重点论证的自制低温风口。如果通过实验和 模拟，自制低温风口能够很好的满足气流组织要求又能防止结露，那么，使用此风口的 冰蓄冷低温送风空调系统才能从实际意义上说既顺应了国家电力部门的政策，平衡了电 网压力，又为单位、企业等小型集体节省开支费用，而且系统本身运行稳定、高效、舒 适，最终达成了一个多方面的共赢局面1 1 2 冰蓄冷技术基本理论 通俗来讲，冰蓄冷技术实际上就是利用伴随相变过程的能量变化对能量进行转移， 以根据能源( 冷能) 供求关系实现对能源的调整。其中冰蓄冷系统的运行策略和运行模 式是冰蓄冷系统的重要概念。 1 2 1 冰蓄冷系统的运行策略【3 】 冰蓄冷技术可以使制冷设备的运行和冷负荷的供应实现时间上的分离，即上述对能 源的调整，而具体如何分离就取决于运行策略。所谓运行策略是指冰蓄冷系统以设计循 环周期( 如设计日或周等) 的负荷及其特点为基础，按电费结构等条件对系统作出最优 化的运行安排。运行策略的确定应充分考虑其经济性( 包括初投资和运行费用) 。蓄冷 系统的蓄冷策略分为全量蓄冰策略和分量蓄冰策略。 全量蓄冰策略也称为移峰策略( l o a ds h i f t i n g ) 。它是指设计日( 或周) 非电力谷段 的总冷负荷全部由蓄冷装置供应，将整个高峰期负荷转移至非高峰期，制冷机组在高峰 期不运行。图1 1 显示了典型的全量蓄冰策略。该方案的蓄冷装置和制冷机组的设备容 量相对其他方案是最大的，即初投资较大，而电费节省较多。从经济性角度考虑，全量 蓄冰系统适合于下列场合：冷负荷高峰期持续时间短：高峰冷负荷和高峰电负荷重叠时 间短；电力公司对“移峰填谷 提供特殊奖励；峰谷电价比很高。 2 长安大学硕士学位论文 冷 负 荷 0 0 ：0 00 7 ：0 01 8 ：0 0 2 4 ：0 0 i t 0 - f i u 图1 1 典型全量蓄冰：i 垂行策略 f i g u r e l 1 t h et y p i c a ll o a ds h i f t i n gr u n n i n gt a c t i c s 冷 负 荷 0 0 ：0 00 7 ：0 0 1 8 ：0 0 2 4 ：0 0 w j - f l j f i g u r e l 2t h et y p i c a ll o a dl e v e l i n gr u n n i n gt a c t i c s 冷 负 荷 0 0 ：0 0 0 7 ：0 01 8 ： 2 4 ：0 0 i v j - i i l h 1 s 典型限定需求运 i 策略 f i g u r e l 3t h et y p i c a ld e m a n dl i m i t i n gr u n n i n gt a c t i c s 3 第一章绪论 分量蓄冰策略是指仅将部分高峰期的冷负荷由蓄冷来满足，其余部分由制冷机实时 运行直接提供。该策略具体可分为两种：均衡负荷和限定需求。 均衡负荷( l o a dl e v e l i n g ) ：制冷机组全天2 4 小时满负荷或接近满负荷运行。当冷 负荷低于制冷机组产生的冷量时，多余的部分储存起来。当冷负荷超过制冷机组容量时， 附加的需求由蓄冷来满足。图1 2 显示了典型的均衡符合运行策略。该策略运行时，制 冷机组容量和蓄冷量均可较小。它特别适合于高峰冷负荷大大高于平均负荷的场合。 限定需求( d e m a n dl i m i t i n g ) ：在高峰期，电力公司对一些用户提出了限电要求，用 户必须将制冷机组在较低的容量下运行。图1 3 显示了典型的限定需求运行策略。其移 峰填谷能力介于全量蓄冰策略和均衡负荷蓄冰策略之间。因该策略夜间蓄冷量介于二者 之间，所以制冷机组容量和蓄冰槽容量介于二者之间，导致该系统的初投资和运行费用 也介于二者之间。这种蓄冰策略需要安装调控设备，如需要电度表，来向用户提供控制 需要的信号，于均衡负荷策略相比，此策略具有一定的移峰能力，而制冷机组容量较大。 以般情况下，分量蓄冰系统的经济性较好，较为灵活，应用也较为广泛。尽管其“移 峰填谷”的能礼不如全量蓄冷系统那么高，但其初投资相对较低。从系统组成、设备投 资、系统运行可靠性和运行费用等方面进行综合考虑，一般情况下分量蓄冰运行模式更 容易被用户接受。 1 2 2 冰蓄冷系统的运行模式【3 】 冰蓄冷空调运行模式有蓄冷模式和供冷模式及蓄供组合模式。其中较为复杂的是供 冷模式，供冷模式可以解决分量蓄冰系统运行时冷负荷在制冷机和蓄冰装置之间的分配 问题。按制冷机与蓄冰装置在系统中被应用的次序可分为并联系统模式和串联系统模 式，串联系统模式又可分为制冷机优先模式和蓄冰装置优先模式。 4 长安大学硕士学位论文 图1 4 典型冰蓄冷系统流程 f i g u r e l 4t h et y p i c a li c es t o r a g es y s t e mf l o wd i a g r a m 表1 1 典型冰蓄冷系统运行模式 t a b l e l 1t h et y p i c a li c es t o r a g es y s t e mr u n n i n gm o d e 运行策略运行模式 运行说明( 根据图2 1 ) 蓄冷 泵p l 开，阀v 1 ，v 3 ，v 6 打开 全量蓄冰 供冷 泵p 1 ，p 2 开，阀v 1 ，v 2 ，v 5 ，v 7 打开 蓄冰 泵p 1 开，阀v 1 ，v 3 ，v 6 打开 并联 泵p l ，p 2 开，阀v 1 ，v 2 ，v 4 ，v 5 ，v 7 打开 供冷 制冷机优先 泵p l ，p 2 开，阀v 1 ，v 3 ，v 5 ，v 7 打开 分量蓄冰 蓄冰装置优 泵p 1 ，p 2 开，阀v 1 ，v 2 ，v 4 ，v 6 ，v 7 打开 先 注：未加说明的泵和阀门均为关闭状态。 并联系统模式：该模式的特点是不冻液同时进入制冷机和蓄冰装置，即两者直接供 给冷负荷。该模式在设计时应确定制冷机和蓄冰装置总供冷量能够满足高峰负荷，并从 经济角度出发，确定两者承担的比例。 制冷机优先模式：该模式的特点是尽量让制冷机满负荷运行。当制冷机不能完全负 担时，由蓄冰装置融冰来补给不足的冷负荷。该模式在运行控制上较为容易，能耗较低， 但电费较高。 第一章绪论 蓄冰装置优先模式：该模式的特点是尽量利用蓄冰装置融冰来负担冷负荷。当蓄冰 装置不能完全负担时，由制冷机来补给不足的冷负荷。该模式在控制上较为复杂，需要 在预计逐时负荷的基础上，计算分配蓄冷装置与制冷机的供冷量。其优点是能够最大限 度的利用蓄冰装置，充分利用电力峰、谷段电费的差价而获得明显的经济效益，因而其 电费较低，但能耗较高。 图1 4 为典型的冰蓄冷系统流程图，结合此图，表1 1 清晰明了的说明了上述蓄冰策 略和蓄冰模式的工作原理以及流程。 1 2 3 冰蓄冷系统的分类l 禾7 l 蓄冷系统的种类较多，蓄冷方法各异，蓄冷介质和设备也各不相同。按蓄冷介质分 类，蓄冷系统可分为水蓄冷式、冰蓄冷式和优态盐蓄冷式系统三大类。 表1 2 冰蓄冷系统的分类 t a b l e l 2t h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ei c es t o r a g es y s t e m 分类方法名称 冷媒制冷剂直接蒸发式，载冷剂循环式 结冻方式静态结冰，动态结冰 结冰融冰方向内融冰，外融冰，内外同时融冰 载冷剂流程密闭式，开放式 型式冰盘管式，全结冻式，制冰滑落式，容器式( 包括冰 球式) ，冰泥式 冰是一种廉价易得的高潜热蓄冷介质，冰蓄冷是一种显热和潜热同时利用的蓄冷方 式，其蓄冷能力大约是水蓄冷方式的7 7 倍。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。目前，我国应用最多的是冰蓄冷系统。 冰蓄冷的种类很多，分类也比较复杂，常用的分类方法有：冷媒、结冻方式、结冰 融冰方向、载冷剂流程和型式等，其分类如表1 2 所示。 1 2 4 蓄冷系统的适用场所1 8 j 蓄冷系统适用于以下一些场所： ( 1 ) 使用时间内空调负荷较大，其余时间空调负荷较小的场所。如行政办公楼、银行、 百货大厦、宾馆、饭店的中央空调系统： ( 2 ) 周期性使用、空调时间短、空调负荷大的场所。如影剧院、体育馆、大会堂、学 校、教堂、餐厅等； 6 长安大学硕士学位论文 ( 3 ) 空调负荷变化大，需要减少高峰负荷用电的场所，如某种类型的工厂、企业等； ( 4 ) 作为特殊工程的应急备用冷源； ( 5 ) 空调负荷在一天内虽然变化不大，即高峰负荷所占比例虽然不大，但高峰负荷绝 对值较大的场所，如某些电子工业企业； ( 6 ) 作为区域供冷的冷源。 1 3 冰蓄冷技术的发展趋势 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、教堂和乳品加 工厂等短时间使用降温或负荷集中的场合，采用冰来制取冷水或采用冰蓄冷供冷方式， 旨在减少制冷机容量和制冷设备的购置费用。随着制造业的不断发展，制冷机成本显著 降低，节省购置费用已日渐失去吸引力。相反，蓄冷装置成本与电耗方面的不利因素突 出起来，以致于冰蓄冷技术的应用和发展陷入了一段相当长的停滞期9 】【1 0 1 。 1 3 1 国外冰蓄冷技术发展特点 2 0 世纪7 0 年代，由于全球性能源危机，加之美国、日本和欧洲等一些发达国家和地 区夏季电负荷增长和峰谷差拉大的速度惊人，以致发电站夜间处于低负荷运转状态。由 此，冰蓄冷技术开始试验性的被引入集中式空调系统。此后在实际工程中采用冰蓄冷空 调系统的案例越来越多，冰蓄冷技术在世界范围内的飞速发展由此开始。 以日本为例。日本1 9 9 0 年只有2 0 0 个左右的冰蓄冷空调系统，到1 9 9 9 年已发展到 7 0 0 0 多个，如果把水蓄冷系统计算在内，蓄冷系统多达9 4 0 0 个。从图1 5 也可以看出， 日本2 0 世纪9 0 年代以来，蓄冷空调系统增长速率也越来越快。蓄冷空调系统在世界上 不仅发展迅速，而且规模越来越大，已形成区域蓄冷和供冷系统。例如，美国芝加哥市 的一个冰蓄冷系统，蓄冰槽尺寸为2 8 m 3 5 m 1 0 m ，分6 层设置，容积达9 8 0 0 m 3 ，采 用美国b a c 公司的冰盘管式，管子总长超过7 0 0 k m ，蓄冷能力1 2 5 0 0 0 0 r t h ，移峰能 力2 9 7 6 2 k w ( 按6 小时天高峰用电计算) ：日本横滨市m i n a t om i r a i2 1 区域冰蓄冷 装置，蓄冰槽由两个直径为7 3 m ，高为2 8 1 5 m 的圆桶组成，容积为2 4 7 2m 3 ，里面装 有直径为7 7 m m 的冰球1 1 8 8 万个，蓄冷量达7 9 0 0 0r t h ，移峰能力1 7 5 5 6k w ( 按6 小时天高峰用电计算) 【1 1 1 。 7 第一章绪论 蓄l 贼 冷 空 8 0 0 0 调 赛 6 0 0 0 统 錾4 0 0 0 个2 0 0 0 0 1 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 71 9 9 8 1 9 9 9 年份 图1 52 0 世纪9 0 年代日本蓄冷空调系统增长情况 f i g u r e l 5t h ei n c r e a s eo f t h ei c es t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m si nj a p a n i nt h e1 9 9 0 so f t h e2 0 岫c e n t u r y 其实不仅仅是日本，当前世界各发达国家都在大力推行冰蓄冷空调系统的发展。如 美、法、德、英等国为鼓励冰蓄冷系统制定了很优越的奖励政策，据有关资料公布，美 国已在1 9 9 7 年底将其空调蓄冷技术普及应用到9 9 i 1 2 1 。上世纪7 0 年代以来，美国将 蓄冷技术作为电力调峰的有效手段开始应用于建筑物的空调工程建设。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 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。美国 在1 9 9 4 年就有冰蓄冷空调项目4 0 0 0 多个，最近几年美国不但在蓄冰设备方面发展很快， 在系统的推广方面也采取了强有力的措施，例如在替换c f c 冷水机组工程中要求尽可 能采用冰蓄冷系统。有些地区在新建的空调系统中也有类似的规定。美国已经开始发展 区域性冰蓄冷集中供冷站【8 】。 1 3 2 我国冰蓄冷技术发展状况 首先，我国冰蓄冷技术发展水平与发达国家相比有很大差距。从数量上看，到2 0 0 1 年日本已有蓄冷空调系统1 5 0 0 0 多套，我国台湾自1 9 8 4 年建成第一个冰蓄冷空调系统， 到2 0 0 0 年仅投入运行了6 0 0 多家，而中国大陆的发展状况更不容乐观；从质量上看， 美国冰蓄冷系统数量多、规模大，最大的冰蓄冷项目，蓄冷量达到1 3 万r t h ，日本最 大的冰蓄冷项目蓄冷量也有1 1 万r t h ，而我国目前最大的冰蓄冷项目蓄冷量仅为l 万 长安大学硕士学位论文 多r t h 。 其次，冰蓄冷空调系统的市场推广还存在一定的难度。人们之所以不愿意接受新事 物，首先是对新技术的担心顾虑。新技术效益分析比较复杂，我国用户一般难以直观明 了的感受到冰蓄冷空调系统给我们带来的切身利益。这跟政府及有关电力部门所采取的 推广措施力度不够大也有一定的关系。电力部门制定的峰谷电价差别不大，冰蓄冷系统 的省钱效果不明显，没有建立完善的鼓励使用低谷电荷的优惠政策，使得我国用户对于 冰蓄冷空调系统的最终能否给自身带来实际效益始终抱有怀疑或者至少说不能很确定 的态度【1 3 】。 然而，我国冰蓄冷技术的发展也有积极的一面。中国大陆自7 0 年代起，在体育馆建 筑中多处采用冰蓄冷空调系统。进入9 0 年代以后，冰蓄冷技术在我国大陆地区也得到 了长足的发展。冰蓄冷空调技术在中国大陆的最早出现是在1 9 9 3 年5 月，深圳电子科 技大厦采用了c r i s t o p i a 冰球蓄冷系统，并投入正式运行，削峰能力为4 7 。北京西冷 工程公司研制的有压罐式齿球蓄冷器已获国家专利，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，并得到了良好的社会效益和经济效益。浙江 国祥制冷工业公司推出了完全结冻式冰蓄冷系统，在浙江诸暨百货大楼实行了国产大型 冰蓄冷首例中央空调系统。仅用一年时间就完成了设计和施工任务，并于1 9 9 5 年8 月 1 0 日调试成功并投入运行。储冰蓄冷国产化的成功，克服了冰蓄冷中央空调投资大的缺 点，对推动冰蓄冷空调事业在我国的发展起到了很好的促进作用【9 】【1 4 1 1 15 1 。 我国自9 0 年代初期开始引进和研制蓄冷空调设备，至1 9 9 9 年各式蓄冷系统都建有 工程实例，如水蓄冷、直接蒸发式冰盘管、机械制冰、外融冰盘管、完全结冻式塑料盘 管、不完全结冻式盘管、冰球、冰板式等。选用的国外产品有美国的b a c 、a l m a c 、 d u m h a m b u s h 、m a x i m i c e 、法国c r i s t o p i a 等公司产品；国内知名品牌有源牌、王 牌等。从事研究开发与生产的产、学、研机构已达1 6 家之多，如中国科大、浙江大学、 上海交大、清华大学、同济大学、重庆建筑大学、天津大学、东南大学、上海理工大学， 国家电力公司杭州机械设计研究院、广州能源研究所，国电公司还设有专门的蓄冷空调 研究中心，生产厂家如杭州华源、浙江吉佳、北京西冷等，有的还专门培养该专业方面 的硕士和博士研究生【1 6 】。 近年来，随着峰谷电价政策的出台，在我国的北京、上海、杭州、福建等省市已经 陆续推广了蓄冷空调技术，并取得了良好的效益。以福建省为例，有关部门将对冰蓄冷 空调用电实行特殊的峰谷电价，高峰、尖峰的时段，执行用户对应用电类别的电价，低 9 第一章绪论 谷时段下浮5 0 。省直供区今明两年内新建和改造的冰蓄冷空调的用户将享受适当的资 金补贴。具体补贴标准：新装冰蓄冷空调的用户，2 0 0 4 年每千伏安补贴2 0 0 元，2 0 0 5 年补贴1 0 0 元；改造为冰蓄冷空调的用户，2 0 0 4 年每千伏安补贴5 0 0 元，2 0 0 5 年补贴 3 0 0 元；2 0 0 6 年以后新建或改造的不再补贴。即使在天津市这种蓄冷空调业发展较为缓 慢的城市，据初步统计，1 9 9 8 年元月以后开始建设、建成和投入运行的项目也有一些 【1 7 】【1 8 】： ( 1 ) 天津福星大厦，3 0 0 0 吖，采用c a l m a c - 1 1 9 0 a 蓄冷桶2 个，并采用t r a n e - c g w d c 5 0 型水冷漩涡式双工况冷水机，总蓄冷量为2 5 9 r t h ； ( 2 ) 天津电力医院，7 0 0 0m l ，设计冷负荷1 8 7 r t ，采用s t l 冰球蓄冷，并采用 c l a t l b h 3 3 1 2 双工况主机2 台，基载冷水机组1 台，总蓄冷量1 0 5 0 r t h ，1 9 9 9 年投入使 用： ( 3 ) 天津立达公寓一层商场，1 0 0 0 0m 2 ，采用c a l m a c - 11 9 0 a 蓄冷桶1 7 个，并采用 t r a n e - r t h b 2 5 5 s 螺杆式双工况两台，全套t r a n e - t r a c e r s u m m i t 自动控制系统，总蓄冷 量为2 2 0 0 r t h ，1 9 9 9 年投入使用。 由此看来，虽然我国冰蓄冷技术起步较晚，现在尚属发展的初步阶段，而且冰蓄冷 空调系统普及程度还很低，系统数量有限，容量也都不大。但是，随着我国经济的不断 发展，随着国家政府和电力部门的优惠鼓励冰蓄冷政策逐步完善，随着人们慢慢对冰蓄 冷技术较为全面的认识，也随着国家培育出大量冰蓄冷空调专业方面的人才，我们相信， 冰蓄冷空调技术在我国将会迅速的发展起来并成为2 1 世纪空调系统的主流节能方式。 1 4 低温送风技术的基本理论及其发展趋势 低温送风实际上即大温差送风，顾名思义，就是使用较常规送风系统更低的温度向 空调房间送风。常规送风空调系统采用1 0 1 5 ( 2 的名义送风温度，而低温送风系统一般 采用4 1 0 的送风温度。 1 4 i 低温送风系统的分类及特点 低温送风按其送风温度的高低可以分为三大类n 钔： ( 1 ) 超低温送风送风温度在4 6 范围之间的送风。超低温送风由于需要特制的风 口，初投资和运行费用节省不多，因此很少被推荐使用； ( 2 ) 送风温度在8 c 左右的低温送风送风温度在6 8 范围之间的送风。此类低温 送风 1 0 长安大学硕士学位论文 和蓄冷技术紧密结合在一起，能够获得较好的空调效果，经济效益较好，倍受人 们青睐，得到了广泛的应用和推广，是最优的选择。本文讨论的也即此类型的低 温送风； ( 3 ) 送风温度在1 0 左右的低温送风送风温度在9 1 2 范围之内的送风。此类送 风形 式可与冰蓄冷技术结合，也可与常规空调系统结合，应用较为灵活，但由于其带 来的经济效益较小，也很少被推广利用。 低温送风各自特点在表1 3 中详细说明。 表1 3 低温送风系统的分类及特点啪1 t a b l e l 3t h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h ef e a t u r eo ft h ec o l da i rd i s t r i b u t i o ns y s t e m 项目分类 高低温送风中低温送风超低温送风 冷冻水升温 1 1 6 1 2 7 1 3 3 1 6 6 1 6 6 ( 8 1 0 排冷却盘管)( 8 1 0 排冷却盘管)( 1 0 1 2 排冷却盘管) 送风末端口j 米用雨规父风量禾躏用风机驱动的混合箱或高诱用风机驱动的混合箱或高 导比的末端诱导比的末端 风机 可减少1 0 9 6 1 5 的功节省功率2 0 - - 3 0 ，空气 率 处理设备外型尺寸减小 2 0 3 0 风管尺寸减小2 0 尺寸减小3 0 - - , 3 6 保冷没有特殊的保冷要求对风管和末端需要特殊的保对风管和末端需要特殊的 冷要求保冷要求 防止结露和常规空调系统一样需对末端风口，水管阀门和需对末端风口，水管阀门和 所有风管采取防结露措施所有风管采取防结露措施 室温设定可把室温从2 3 8 c 提高可把室温从2 3 8 提高到可把室温从2 3 8 c 提高到 至u2 4 4 2 5 2 2 6 建筑空间节省不显著节省显著节省非常显著 1 4 2 低温送风的适用范围n 1 在许多工程中，低温送风特别有吸引力，这样的情况包括： ( 1 ) 降低层高将显著的降低高层建筑的总高度，从而降低了总的建筑造价； ( 2 ) 用于布置风管或空气处理设备的空间有限； 第一章绪论 ( 3 ) 希望降低房间湿度； ( 4 ) 冷负荷已经增加到了超出现有的送风系统的能力。 1 4 3 低温送风技术的发展 低温送风系统的实施较之今天的“标准 做法有某些改变，但其并不能算作一项新 技术。在一些湿度控制工程中，长期以来一直采用4 或低于4 。c 的送风温度。在国际 上首次推出低温送风空调技术是在1 9 7 4 年，1 9 5 0 年美国率先应用于住宅和小型商业建 筑的改造工程上。许多住宅和小型商业建筑在上世纪5 0 年代改造加装空调时就采用了9 的送风温度，采用8 9 m m ( 3 5 i n ) 的风管装在木柱隔墙内，并用高速射流散流器使冷风 与室内空气在进入房间的很短距离内混合。许多医院在上世纪6 0 年代就设计使用2 4 的次风向定风量房间诱导器送风【1 1 。但长期以来，受低温冷源的限制，低温送风技 术的发展一直停滞不前。只有在旧建筑的改造中，或在空间狭小、送风管道布置困难的 情况下，才不得已采用低温冷源。7 0 年代以来，一些发达国家和地区在发展电力建设的 同时，开展了移峰填谷的电力管理，冰蓄冷和低温送风技术重新为人们所重视。1 9 8 3 年，在美国能源部支持召开的“蓄冷在制冷工程中的应用 专题大型讨论会上，重新提 出了在冰蓄冷应用的前提下低温送风空调系统的研究和应用。1 9 8 5 年末，总建筑面积为 4 6 4 5 0m 2 的冰蓄冷低温送风空调系统建筑在美国投入运行。此后采用冰蓄冷低温送风空 调的建筑面积不断增加。台湾的台北国贸大楼于1 9 8 8 年建成，总建筑面积超过9 0 0 0 0 m 2 ，采用冰蓄冷低温送风空调系统，运行效果良好，并于1 9 9 1 年获得美国供暖制冷与 空调工程师学会( a s h r a e ) 的科技奖。1 9 8 8 年，美国的电力研究所( e p r i ) 出版了低温送风 设计手册，书中设计了低温条件下空调系统的通风、传热机理以及工程师的应用技术。 a s h r a e 的学术年鉴( a s h r a et r a n ) 中关于低温送风的研究论文也大为增加。低温送风 正在逐渐成为空调领域中研究的一个热点乜1 1 。 日本东京电力研究大楼的低温送风空调工程是日本第一号冰蓄冷低温大温差空调实 施工程和示范样板工程。该工程于1 9 9 2 年建成并投入使用。1 9 9 7 年荣获社团法人空气 调和卫生工学会奖。该大楼建筑面积2 8 4 8 1 r ，地上1 1 层地下l 层。地下1 层设有冷 源机房，布置有制冷机、蓄冰槽和板式热交换器等设备，屋顶设有冷却塔。冰蓄冷系统 采用静态外融冰型冰盘管，蓄冰槽容积6 8 0m 3 ，i p f = 4 0 ，供水温度为4 c 。空调方 式采用分层布置低温送风空调机组的分层空调方式，而送风系统采用变风量( v a v ) 系统， 即在低温送风空调箱内设置有变频风机。低温送风系统的送风温度为i o c ，空调房间的 1 2 长安大学硕士学位论文 气流送风方式采用高扩散型直吹风方式。本工程是集“蓄冰技术+ 变风量技术+ 低温送 风技术”为一体的低温送风空调工程乜刳。 低温送风技术在美国已相当成熟，目前多数研究成果也主要来自美国的研究机构。 除了学术研究，美国的低温送风空调在工程实际中的应用也较为广泛、灵活。英国由于 电力部门在电价结构上优惠力度不够大，使蓄冷技术在该国的推广受到限制，所以低温 送风在英国并未引起足够关注2 4 1 。在日本，通过经济性分析已经确定了通过低温送风 空调系统可以节省运行费用，但公开的研究报告很少哺3 。中国在引进消化国外低温送风 技术的同时，也进行了相关课题的研究和工程实验。其中，湖南大学的殷平教授在该领 域已经取得了有说服力的研究成果。 虽然低温送风的研究成果已相当丰硕，但作为一项空调新技术，尚有许多方面值得 深入研究啪】： ( 1 ) 低温送风空调的经济性分析仅限于简化分析法，这使得理论分析结果和实际出入 很大，如何提出一个既简单又准确的分析方法是值得深入研究的； ( 2 ) 低温送风空调的全年运行费用的节省由于省能器循环日数的减少而大打折扣，为 了更好的评价低温送风系统全年运行的经济性，省能器循环和室外气象参数的关系还需 量化和明确。具体的做法是：根据所收集的中国各地的多年气象数据，归纳总结出室外 焓值全年的变化规律，得到中国哪些地区适合采用低温送风系统，哪些不适合，以指导 低温送风系统在中国的正确推广； ( 3 ) 至今低温送风系统主要用在住宅、办公室等空间较小的建筑，低温送风方式是否 可以结合分层空调的概念拓展到大空间空调系统，达到令人满意的气流组织和舒适性还 有待进行数值模拟和实验验证； ( 4 ) 风口的数值模拟是一个难点，当送风温度很低时有结露的危险。对风口附近流场 的模拟已有几种成熟的模型，主要包括：被简化的几何模型法，动量模型法，箱模拟法 和定义流速法。而这几种模型是否可以成功的模拟低温风口还有待验证。 1 5 本文研究的内容和任务 首先，结合上述冰蓄冷和低温送风的基本理论和发展趋势，本文将进一步详细论证 冰蓄冷与低温送风技术相结合的必然趋势。改革开放以来，城市现代化建设的发展给我 国电力发展建设提供了强大的动力。然而，近年来，我国各大、中型城市却反而频频出 现电力紧张状况，特别是东南沿海与长江流域一带城市，平均用电增长率居高不下，而 且其增长的用电负荷绝大部分集中在高峰用电时段。单纯的冰蓄冷并不能有效的解决这 1 3 第一章绪论 一问题，它必须和低温送风技术相结合。 然而，低温送风技术的引入同时又带来了一些不可避免的问题，如：风量减少会不 会造成冷风过早沉降而引起吹冷风感；室内会不会温度分布不均出现局部过冷；风口表 面会不会结露严重；相对湿度降低会不会引起人们感觉不舒适等。本文另外一部分将从 低温风口的设计、模拟、实验和研究方面，解决低温送风技术带来的一些消极问题，使 冰蓄冷低温送风空调系统更完善，从实际上缓解或解决我国现在“电量有余，电力紧张 的局面。 1 4 长安大学硕士学位论文 第二章冰蓄冷与低温送风系统相结合的必然趋势 绪论中曾提及我国以及世界范围内现阶段的电力形式，就我国而言，各大、中型城 市空调用电时段集中在用电高峰期，导致电力部门电网压力过大，电网的超负荷运载必 定带来安全隐患。面对眼前情况，国家电力部门主要采取了以合理的时间电价结构与相 应补贴调动电力负荷以削峰填谷的政策，大力支持和鼓励使用谷电荷，以减轻电网压力。 冰蓄冷技术正是顺应此政策在空调制冷界的历史舞台上再次被重视，也正在以飞快的速 度兴起。 2 1 冰蓄冷技术对我国电力事业的贡献 下面我们从冰蓄冷空调系统较传统空调系统的优点逐点分析其为电力“移峰填谷 所作出的贡献以及其对于低温送风技术发展提供的好处。 2 1 1 冰蓄冷系统的优点 ( 1 ) 避开用电高峰期，利用谷电荷，从而平衡电网负荷，缓解发电厂及供配电设施的 压力； 冰蓄冷空调系统可以利用伴随冰一水相变过程的能量变化，将能量( 冷能) 进行储 存，从而达到将能量利用转移的目的。即利用谷电荷( 一般指2 2 ：3 0 - - - 次日7 ：3 0 之间之 间的电网电荷) 制冰，将能量储存，而在峰电荷时段( 一般指8 ：0 0 - - - 1 l ：0 0 ，1 8 ：0 0 - , - 2 1 ：0 0 之间的电网电荷) ，利用冰储存的冷量制冷，制冷机可以停止或者部分负荷运行( 视冰 蓄冷空调系统运行策略而定) ，从而实现对电网负荷的平衡。 ( 2 ) 利用峰谷电荷差价，降低空调运转费用； 面对城市用电负荷峰谷差的不断拉大的压力，许多国家电力部门已经从宏观方面进 行调控，采取了电力分时计费的政策，以便达到削峰填谷的目的。宏观调控目的主要在 于对电网负荷的缓解从而减轻各国电力建设的压力。而冰蓄冷空调系统的应运而生在达 到国家宏观调控目的的同时，通过对峰谷电荷差价的利用，也给企业，单位等小型集体 带来了不菲的利益。 ( 3 ) 冷冻水温度可降低至1 - - 4 ，能够实现低温送风； 即冰蓄冷空调系统的“高品位冷量”。通过对“高品位冷量 的合理利用，可以提高 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，改变室内空气品质和热舒 适性。空调制冷系统从而进入了低温，大温差供冷送风发展阶段。而且使蓄冷系统的应 用范围由仅限于教堂、体育馆和会堂，扩展到除此之外的实验楼、研究中心、工厂、学 1 5 第二章冰蓄冷与低温送风系统相结合的必然趋势 校和医院等类型的建筑。此“高品位冷量”也即冰蓄冷技术对低温送风空调系统的发展 和普及的强有力的支持，同时为冰蓄冷技术和低温送风空调系统的结合奠定前提。 ( 4 ) 冷却塔、冷却水泵配管等辅助设施减少，节约投资和运行费用； ( 5 ) 作为应急冷源，提高制冷系统可靠性。 2 1 2 冰蓄冷系统的缺陷 然而，单纯的冰蓄冷不但其冷源建设总投资费比常规系统冷源高出1 6 - 2 0 倍，而 且其空调的实际用电量也要比常规空调系统高出1 3 倍。因此，其居高不下的一次投资 和实际电耗量成为冰蓄冷技术发展和普及的瓶颈。这也是曾经一度阻碍蓄冷技术在空调 制冷界历史舞台上迅速发展的重要原因。表2 1 2 s l 量化了冰蓄冷系统较常规的空调系统 在初投资方面的劣势。 那么，如何能使冰蓄冷空调制冷系统在充分发挥其巨大优点的同时，解决其在一次 投资和实际耗电量方面的缺陷，以达到一个双赢的局面呢? 表2 1 几种空调系统的投资比 t a b l e 2 1t h ei n v e s t m e n to fs o m ek i n d so f a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s 空调系统相对投资系数 非蓄冰常规送风系统 1 0 部分蓄冰常规送风系统1 1 8 - 1 2 6 2 2 低温送风的优点及其对于冰蓄冷系统缺陷的弥补 那么我们仍从低温送风技术的优点来分析其对于冰蓄冷系统缺陷的弥补： ( 1 ) 减少空调制冷系统一次投资的费用； 较低的送风温度减少了空调房间所需要的送风量，因此降低了空调系统风机与风管 尺寸，形成了较常规送风空调系统低的机械系统费用，即一次投资较少。一般来说，由 于采用低温送风技术所节省的设备投资费用可以补偿由于采用冰蓄冷技术需要添置的 蓄冰槽所增加的设备费用。在某些情况下，由于采用低温送风技术，业主们甚至可以支 付比非蓄冷系统更少一点的一次投资而实现冰蓄冷系统的运行。此优点恰好弥补了冰蓄 冷系统一次投资费