（化工过程机械专业论文）冰蓄冷空调系统蓄冷释冷过程的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 蓄冷空调是实现电网“移峰填谷”的重要措施，也是现代空调发展的一个重要方向。 它通过“夜制昼用”的运作方式，提高了能源利用率，优化了资源配置，对经济建设和 平衡电网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，在对蓄冷空调技术概述的基础上， 主要作了以下几项工作： 1 从相变基本理论入手，论述冰蓄冷空调系统基本原理和流程，对蓄冷和释冷过 程作了理论分析，在简化数学模型的基础上进行能量平衡分析，采用近似分析方法进行 求解，得出蓄冷和释冷工况下的运行特性曲线。 2 通过测试蓄冷装置系统中的温度、流量、压缩机电流、电压等参数，对蓄冷空 调系统的蓄冷、融冰、常规空调工况过程进行试验研究，通过对试验数据整理，得到蓄 冷系统的各参数随时间的变化规律，深入分析了该系统的蓄冷和释冷特性以及蓄冷和释 冷过程的各种影响因素和趋势。将计算的结果与试验结果作了比较，对二者的差异进行 了分析。 3 引用工程实例对系统的各种运行方式、控制策略加以比较和讨论，对蓄冷空调 系统各种蓄冷方式的性能进行了分析、比较和评价。针对蓄冷空调系统特点，对常规空 调系统和蓄冷空调系统进行了经济分析对比，计算冰蓄冷空调系统的各项技术经济指 标以江苏省电价政策为背景，计算了现行电价结构对运行电费的影响，这些分析对冰 蓄冷系统的研究、设计和对现有冰蓄冷系统的诊断具有重要的参考价值。 本文将蓄冷系统的理论与试验相结合，在阐明系统特性的同时，运用具体、准确的 数据向业主和电力部门证明采用蓄冷技术是可行有效的。希望此文能对蓄冷空调的发 展、推广起到一定的推动作用，并为蓄冷系统的设计和运行操作提供帮助。 关键词：蓄冷释冷空调经济指标 一 堡主芏堡垒查 a b s t r a c t i c 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 gi sa ni m p o r t a n tm e a s u r eo ft r a n s f o r m i n ga p a r to fp e a kl o a d so ft h ed a yt ov a l l e yl o a d so ft h en i g h t i ti sa l s oa ni n t e r e s t i n g d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm o d e ma i r - c o n d i t i o n i n g i tc a ni m p r o v et h ee n e r g ys o u r c e s u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n do p t i m i z er e s o u r c ec o n f i g u r a t i o nt h r o u g hp r o d u c i n ga tt h e n i g h ta n dc o n s u m i n gi nt h ed a y i tc o n t r i b u t e sm u c ht oe c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n d l e v e l st h ee l e c t r i cp o w e rl o a d s t h es t u d ys i t u a t i o no fi c 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 gs y s t e mw a sr e v i e w e d ， o i lt h eb a s i so fs u m m a r i z a t i o no fc o l d n e s ss t o r i n gt e c h n o l o g y , t h ef o l l o w i n gw o r kw a s d o n e ： 1 s t a r t i n gw i t hb a s i sp h a s ec h a n g et h e o r y ，t h eb a s i sp r i n c i p l ea n dp r o c e s sw e r e s t a t e d ，a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sw - a sd o n e ，b a s i n go nt h es i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e ， e n e r g yb a l a n c ew a sa n a l y z e d ，a p p r o x i m a t ea n a l y s i sm e t h o dw a st a k e nt og e tt h er e s u l t a n dw o r k i n gc n r v eo fc o l d n e s ss t o r i n ga n dr e l e a s i n gw o r k i n gc o n d i t i o nw e r eg o t 2 b ym e a s u r i n gt h ep a r a m e t e r so ft e m p e r a t u r e ，f l o wr a t e ，c o m p r e s s o re l e c t r i c c u r r e n t ，a n dv o l t a g ea n ds oo n ，s t u d yo nt h ei c e f r e e z i n g ，i c e m e l t i n ga n dc o n v e n t i o n a l o fa i r - c o n d i t i o n i n gw a sc a r r i e do u t b ye x p e r i m e n td a t at r e a t i n g ，t h er u l eb yw h i c ht h e i c et h e r m a ls t o r a g es y s t e mp a r a m e t e r sv a r ya c c o r d i n gt ot i m ew a so b t a i n e d ，a n dt h e s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c so fi c e f r e e z i n ga n di c e - m e l t i n ga n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n d t r e n dw e r ea n a l y z e dd e e p l y t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n tw e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d 3 e n g i n e e r i n gw a su s e d a sa ne x a m p l et oc o m p a r ea n dd i s c u s sd i f f e r e n t o p e r a t i o nm o d e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s p e r f o r m a n c e so fv a r i o u si c ef r e e z i n gm o d e so f i c 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 gs y s t e mw e r ea n a l y z e d ，c o m p a r e da n de v a l u a t e d ， a c c o r d i n gt o i c 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 gs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，e c o n o m i c a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nw e r em a d eb e t w e e nc o n v e n t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n ga n d i c e t 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 v a r i o u st e c h n o l o g i c a la n de c o n o m i ci n d e x e so fi c e ! ! ! ! ! 垒! ! t 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 gs y s t e mw e r ee a l c u l m e d b a s e d0 nt h ee l e c t r i c i t y c h a r g ec o n t r a c t i o ni nj i a n g s u c u r r e n te l e c t r i cp r i c es t r u c t u r e si n f l u e n c eo nr u n n i n g f e ew a sc a l c u l a t e dt h e s ea n a l y s e st l a v cg r e a tr e f e r e n c ev a l u ef o ri c et h e r m a ls t o r a g e s y s t e mr e s e a r c l l ，d e s i g na n dd i a g n o s eo f r u n n i n g t h e r m a ls t o r a g es y s t e m w h i l es t a t i n gt h es y s t e mp r o p e r t i e s ，s p e c i f i ca n da c c u r a t ed a t aw a sq u o t e dt o a s s u r et h eo w n e ra n dp o w e rd e p a r t m e n tt h a tt h ei c et h e r m a ls t o r a g et e c h n o l o g yi s f e a s i b l ea n de f f e c t i v e w eh o p et h a t t h i s p a p e r c f l od os o m e t h i n gt oh e l pt 1 1 e d e v e l o p m c n la n dp o p u l a r i z a t i o no f t 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 a n dc 0 3 1h e l p t h ed e s i g na n do p e r a t i n go fi c et h e r m a ls t o r a g es y s t e m k e y w o r d s ：c o o le n e r g ys t o r a g e ：c o o le n e r g yd i s c h a r g e ：a i r - c o n d i t i o n i n g e c o n o m i e a li n d e x e s 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 蓄冷空调技术研究的背景 蓄冷空调技术是人类在面对能源危机时对满足自身享受方式的一种转移和改变。随 着能源危机和峰谷电价差异的出现，蓄冷这种能够将峰谷能源的利用做出合理调 配、能够移峰填谷的技术也就应运而生了。蓄冷实际上是对能源的一种储备：在用电低 谷、电价较低( 或空调不需要工作) 时开始蓄存冷量；而在用电高峰、电价较高( 或空 调需要工作) 时停止蓄冷、释放冷量来制冷，从而完成能源利用在时间上的转移，节省 运行费用，降低运行成本。 自2 0 世纪7 0 年代开始，世界范围的能源危机促使蓄热( 冷) 能材料和技术的研究 迅速发展。迄今为止，国内外研究开发的显热、相变( 潜热) 、化学( 反应热) 等各类 蓄热( 冷) 介质，从高温到低温、从无机到有机、从单一到混合有数百种。然而大多数 物质的价格比较昂贵，各方面的性能也不够完善，真正有实际应用价值的只有几十种。 当前最大规模的应用领域应属建筑物的空调蓄冷1 2 ) j 。 电能的生产和使用具有一个明显的特点，即发电和用电必须同时进行，它是一种不 可直接储存的能源。电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾随着我国经济和社会的发展愈 加突出，城市中央空调的应用和家用空调的普及加大了这一矛盾，采用需求侧管理d s m ( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 的蓄冷空调系统是有效的解决途径之一1 4 】。1 9 9 5 年4 月 1 3 目，中国节能协会蓄冷空调研究中心成立( 现名为中国节能协会蓄冷空调专委会) 【5 】， 出台与其相配套的优惠用电政策，这给蓄冷空调的广泛应用和发展带来了契机。 1 2 蓄冷空调发展的历史、现状及应用的前景 早在1 9 4 0 年，美国牛奶工业中首先采用冰蓄冷设备【6 】。7 0 年代由于能源危机的爆 发以及随着经济的发展和生活水平的提高而导致中央空调大量的使用，加剧了电网的峰 谷荷差，蓄冷技术得到了迅猛发展，派生出水蓄能、冰蓄冷、共晶盐化合物蓄冷技术。 同时，其应用范围不断扩大，从工业冷却到建筑物空调、区域供冷和电厂蓄能。截止到 上个世纪末，美国己有2 0 0 0 台冰蓄冷设备【 。美国蓄能协会预测到2 0 1 0 年全美采用蓄 能技术的空调将达到9 5 以上。在英固，大型蓄冰系统就有3 0 0 多个，总容量达4 2 第一幸绪论 1 0 6 m 3 ，在加拿大、德国、澳大利亚等国，蓄冷技术也得到了相当广泛的应用”。迄今 在美国、加拿大、日本和法国等从事冰蓄冷技术的开发及专用制冷机开发的公司已不下 5 0 家。1 9 8 5 年蓄冰空调在空调市场中的占有率为3 5 ，至1 9 9 0 年增至2 4 2 ，其上 升趋势显著一j 。在日本，1 9 9 0 年，只有2 0 0 个左右冰蓄冷空调系统而到了1 9 9 9 年 己发展到了7 0 0 0 多个冰蓄冷系统，如把水蓄冷空调计入在内，则已达9 4 0 0 个。 我国的台湾省自1 9 8 4 年从国外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 2 年台湾只有3 3 个蓄冷空调系统，到1 9 9 8 年底己建成6 0 0 多例蓄冰空调系统【9 i 。大陆蓄冷空调起步较晚，从上世纪7 0 年代起， 在体育馆建筑中开始采用水蓄冷空调系统，进入9 0 年代，建造并投入运行的蓄冷空调 系统逐渐增多，有些蓄冷空调工程还具有较高的水平，为我国蓄冷空调技术的应用积累 了宝贵的经验，并对我国蓄冷空调今后的发展起到了推动作用。中电深圳电子科技大厦 采用了法国c i a t 冰球式蓄冷系统，使装机容量降低了4 5 以上l 。北京西冷工程公司 研制的有压罐式齿球蓄冷器已获得国家专利，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【1 2 】。截止到2 0 0 2 年6 月底，已建成和正在建的水蓄 冷和冰蓄冷空调系统共计2 1 3 项，其中绝大多数为冰蓄冷空调系统f l 引。 蓄玲空凋技术应用领域十分广泛，主要应用在下列领域： ( 1 ) 使用时间内空调负荷大，其余时间内空调负荷小的场所。如行政办公楼、银 行、百货商场、宾馆、饭店的中央空调系统； ( 2 ) 周期性使用、负荷比较集中、变化比较大的场所。如影剧院、体育馆、大会 堂、音乐厅、餐厅等； ( 3 ) 作为特殊工程的应急备用冷源。如医院、计算机房、电话机房和易燃易爆物 品仓库等使用应急蓄冷系统可以大大减少对应急能源的依赖，提高系统的可靠性： ( 4 ) 对于飞机上所使用的空调，蓄冷的优势更为明显。例如波音7 4 7 飞机，如果 在飞行过程中用其专用燃料发电制冷，那么每小时费用约为l7 5 美元，但如果用事先蓄 冷的方式，则每小时费用仅5 1 0 美元【i 。 ( 5 ) 对现有空调系统的扩建，可通过增加蓄冷设各来增加制冷量： ( 6 ) 作为区域供冷的冷源。由于区域供冷容量大，制冷机c o p 可以很高，这对于 初投资和运行费用更加节省，能耗更为降低： ( 7 ) 家用空调。家用空调用电特点是用电集中，数量大，持续时间长，常常是持 硕士学位论文 续至深夜。家用空调蓄冷可以利用白天上班时间不需要开家用空调的时候进行，也可以 在后半夜低谷时进行，视具体情况而定。若能在家用空调上普及推广蓄冷技术，将大大 削减供电高峰负荷。同本现在已开发出带蓄冷的小型空调机组，用在一些家庭和商用建 筑上。 为推动蓄冷空调技术在我国的广泛应用并保证其f 确实施，国家经贸委办公厅已颁 布文件，其中将冰蓄冷空调作为今后的重点发展项目。1 9 9 8 年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，多用 低谷电，加快推广蓄冷空调等削峰填谷的技术措施”【1 2 】。目前峰谷电价政策的出台及 其不断的发展完善，将为促进我国蓄冷空调的发展和应用创造良好的外部经济坏境，蓄 冷技术在我国的应用将形成不可逆转的趋势。 随着蓄冷技术的广泛应用，许多科研机构都在丌发新型的蓄冷空调技术，以求不断 提高蓄冷产品的性能，进一步提高其应用的效益。目前蓄冷空调的研究工作主要集中在 以下几个方面： ( 1 ) 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。 a r n o l d 泊，1 7 】分析了密封式蓄冰的制冰和融冰过程，提出了数值模型，对系统进行动 态模拟。j o n e s 惦3 等提出了冰盘管式数值模型。蔡祖康提出了冰蓄冷槽的简化计算模 型，指出如何确定蓄冰槽的容积、制冰换热器的结构形式以及如何进行换热器的设计。 为简化计算，作了如下假设：( 1 ) 每一时刻槽内水温都保持均匀分布；( 2 ) 忽略冰和换 热器的热容量，冰层呈圆筒型；( 3 ) 忽略蓄冰槽与周围环境的换热：( 4 ) 水温降到o c 以前槽内不出现冰。计算时分为蓄冷过程前期( 槽内水温降到o c 的过程) 与蓄冷过 程后期( 冰生成过程) 两个阶段。 ( 2 ) 对制冰和融冰特性的研究 国内较早研究冰球特性的是清华大学的赵庆珠教授，她在1 9 9 4 年发表了两篇关于 单个冰球蓄冰和融冰过程的文章2 02 “，而实际的冰球蓄冰设备是将许多冰球堆集在一个 圆形断面的蓄冰罐中。李先庭 2 2 】建立了冰球式蓄冰罐的数学模型。张华吲也作了关于 冰球结冰蓄冷过程的研究。 ( 3 ) 与冰蓄冷相结合的低温送风系统的研究 采用冰蓄冷的空调系统，主机的出水温度从传统的7 1 2 c 下降为l 4 相应的 第一章绪论 主风道送风温度下降为3 1l ，这样随着送风温差及送风焓差的增大，送风量下降， 可有效地减少通风管的截面积，降低房屋层高，节省建筑费用或增加有效利用空间，送 风机组的功率也大为减少。因此，低温送风正成为当前研究的一个热点 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 。但这 种系统的送风温度及水温均远低于常规空调，故对水管和风管的保温有其特殊的要求。 对机房内，特别是与蓄冰系统相接的低温水管，应加厚保温层，以免保温层表面温度过 低，引起凝结水。 郭瑞茹【28 】撰文指出，对于这种系统，未来的研究重点是如何更好地利用送风系统 发挥冰蓄冷的优势，比如送风系统与新制冰技术的相互配合，开发控制软件及相应的控 制设备等。至于送风系统本身，主要是硬件设备的开发，比如研制更适合于低温系统用 的冷却盘管，性能良好的高诱导比散流器等。 ( 4 ) 相变材料p c m ( p h a s ec h a n g em a t e r i a l ) 的研究开发 早期的相变材料多用冰。但冰蓄冷的制冷主机要求在冰水出口端的温度低至一5 以 下，故使制冷机的蒸发温度、蒸发压力均降低，使得制冷机组效率下降。与一般主机出 水温度7 c 相比，制冷量将降低至常规空调的6 0 左右。而且，由于制冰槽及冰水管路 温度常低至o 以下，须增加绝热层厚度，以免发生外部结露并减少漏热。 从8 0 年代开始共晶盐作相变材料的蓄冷系统相继出现，到1 9 9 3 年6 月全美已经 安装了5 0 6 7 套f 2 9 】。共晶盐是由水、无机盐及添加剂调配而成的混合物它无毒、不 燃烧。目前使用效果较好的有两种，一种相变温度为8 3 ，相变潜热为9 5 3k j k g ， 密度为1 4 7 3 7 k g m3 ，另一种相变温度为5 。这种系统由于相变温度较高，因此与冰 蓄冷系统相比，主机效率可以提高很多，相当于一般常规冷水机组效率。该系统工作在 o c 以上，冷水侧可采用一般常规冷水机组系统设计方法，也无需考虑管路的冻结闯题， 它与现有的空调系统极易耦合起来，因此特别适用于传统空调系统的改造。 共晶赫系统虽然相变温度较高( 可高达8 1 2 。c ) ，但蓄冷密度低，不足冰蓄冷的 5 0 ，气体水合物( g a sh y d r a t e ) 蓄冷作为一门新兴的空调蓄冷技术应运而生。很多制 冷剂能在5 1 2 与水相结合生成气体水合物，而且结晶相变热大( 有些水合物单位容 积相变热大于冰) ，美国l a n e 1 等做了这方面的研究工作。中科院广州能源研究所”“ 和华南理工大学 3 2 1 也在做这种工作。指出了今后的研究重点：建立实用气体水合物蓄 冷装置，为实际生产打下基础；选择合适的替代工质，使其在合适的温度和压力下生成 水合物：深入研究气体水合物的生成和蓄冷机理，进一步使用相变和非相变混合工质或 硕士荦位论文 添加剂的方法强化蓄能密度，减少过冷度，提高换热速度，缩短蓄冷时间；进一步改进 和完善适合气体水合物工质的实用蓄冷装置，在实际工程中展开应用研究。 ( 5 ) 蓄冷的强化传热研究 蓄冷技术包括显热蓄冷技术和和潜热蓄冷技术，不同的蓄冷介质使其蓄冷特性具有 显著的差异。对不同蓄冷介质传热机理的研究，获得相应的技术设计参数是设计高效蓄 冷槽的关键。对传热问题的研究也可以为蓄冷系统的仿真研究提供依据。叶水泉p3 】以 实验比较了双金属蕊芯冰球和无金属蕊芯冰球的结冰情况，指出加了双金属蕊芯后，冰 球的结冰速度提高了1 3 1 2 ，相应的结冰时间也缩短了l 3 1 2 。结冰前，冰球的降 温速度也比无金属蕊芯球略高。该文还比较了球内介质分别为水和添加速冻剂的配方溶 液时的结冰情况，指出，配方溶液的导热系数比水小因此其降温速度较慢，但由于速 冻剂的作用，一旦达到成核点温度，其凝结速度比水快得多。 ( 6 ) 蓄冷技术的系统节能和经济性的评价和预测方法 张华f 3 4 1 等分析了影响冰蓄冷空调经济效益和社会效益的因素，建立了一个评价冰 蓄冷空调经济性的模型，归纳出评价蓄冷空调系统的五项指标：高峰用电转移率、蓄冷 率、制冷机容量变化率、性能系数降低率、增加投资回报年限。 张力君等3 5 】建立了冰蓄冷空调系统经济分析的数学模型，以一个实例分析了蓄冷 率和电价结构对冰蓄冷空调系统初投资和运行费用的影响，介绍了求最佳蓄冷率的方 法。同时指出，在进行部分蓄冷空调系统设计时，按设计日最大负荷求得最佳蓄冷率后， 系统的制冷机容量、配电容量和储冰设备的容积也随之确定，因此，最佳蓄冷率是选择 制冷机容量和储冰设备容积的重要依据。 ( 7 ) 蓄冷系统的工作模式及其控制 蓄冷系统有两种运行策略，即全部蓄冷和部分蓄冷。全部蓄冷系统是白天不开冷水 机组，建筑物所需负荷出冰提供：部分蓄冷系统是白天建筑物所需的冷负荷由冷水机组 和冰共同提供。蓄冷系统一股采用部分蓄冷，其冷水机组和储冰装置容量小，初投资少。 部分蓄冷系统可分为两种模式，即冰优先和机组优先。冰优先指白天提供冷量时以冰为 主，不够时再由制冷机提供，机组优先则相反。 陈仕泉【3 6 1 对机组优先和冰优先两种模式进行了比较，指出对于冰优先系统，冷水 机组容量较小，储冰容量大，冷水机组在部分负荷下运行，效率较低；对于机组优先系 统，白天冷水机组处于满负荷运行状态，运行效率较高，但蓄冷装置的融冰量每小时都 第一章绪论 在变化，对控制要求高，否则会造成冰不够用而室内温度过低，或者冰用不完而室内温 度降不下来的现象。 刘业风口7 】对常规空调系统、机组优先控制的部分蓄冷系统和优化控制的部分蓄冷 系统进行了比较，指出优化控制具有明显的经济性。与常规空调系统相比，机组优先控 制只节约1 3 4 ，回收期超过6 年，而优化控制可节约4 3o ，回收期仅2 年多。 ( 8 ) 高效的制冰、空调双工况压缩机 从运行的经济性考虑，蓄冷系统的主机需要较好的双工况性能，使其在制冰和空调 工况下，均有较高的c o p 值。 ( 9 ) 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实验研究：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，从而实现系统的设 计优化。通过对已建项目进行系统测试和蓄冷空调系统运行经验的总结，丰富对实际运 行状况的了解。 ( 1 0 ) 研究开发新型蓄冷技术 目前新型蓄冷技术的研究工作有水合物蓄冷技术和冰蓄冷技术。如c f c 替代工质 的水合物蓄冷技术；直接接触式制冰晶技术的研究：过冷水制冰技术在蓄冷技术中的应 用研究；结合冰晶制备和区域集中空调技术的冰水两相流输送供冷技术的研究：利用乳 化液制冰技术：利用多孔性材料强化密封件蓄冷技术等。 ( 1 1 ) 户式蓄冷空调的研究 清华大学周晓棠【3 9 用某公司生产的户式空调配以适当的冰蓄冷系统，对户式蓄冷 空调系统进行了实验研究。并以北京地区一使用面积为1 6 0 m 2 的住宅为例，对实验结 果进行分析，得到如下结论：当蓄冰槽体积仅为0 4 2 m3 时，可节约运行费用2 1 ，用 电高峰耗电量减少3 6 ，机组的装机容量减少2 5 ，其经济效益是很可观的。 1 3 蓄冷空调系统技术简介 1 3 1 蓄冷系统的分类 目前国内外相对较为成熟的蓄冷系统有水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐式蓄冷，自然界中 水源最为充足，且易于蓄存，故目前大多数采用水、冰作为蓄冷媒体。水蓄冷是利用 硕士学位论文 3 5 的低温水进行蓄冷的，其优点是投资省、技术要求低、维修费用少。但由于水 具有蓄冷密度低，只能利用s * c n 差，蓄冷量为3 3 5 k j k g ，占地面积大，冷损耗大， 防水保温麻烦等缺点。而冰蓄冷蓄能密度大，蓄冷温度几乎匿定；体积只有水蓄冷的几 十分之一；便于蓄存，对蓄冷容器的要求较低，冰蓄冷所占用的空间只有水蓄玲的2 5 - - 3 0 。并容易做成标准化、系列化的标准设备，给用户带来了极大的方便，同时蓄 冷器可就地制造，节约了大量的资金，为冰蓄冷的广泛应用创造了有利条件f 4 0 l 。 空凋蓄冷方 c o i ls t o r a g e ) s t o r a g e ) 1 动态蓄冰 j ( d y n a m i ci c es y s t e m ) 静态蔷冰 ( s t a t i ci c es y s t e m ) 到1 i 常用蓄冷空调方式 f i g1 - 1 c o m m o nm o d e so f t 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 冰蓄冷可分为：冰晶式、制冰滑落式、冰盘管式 冰盘管式分为内融冰式和外融冰 式，内融冰又u 完全冻结式( t o t a lf r e e z eu p ) ，外融冰又叫直接蒸发式( d i r e c t e v a p o r a t i o n ) 和封装式( e n c a p s u l a t e d ) 等几种型式，如图1 1 所示【4 l 】。成熟的商品化 的蓄冰系统大致有蛇形盘管式 以美国b a c ( b a l t i m o r ea i r c o i lc o m p a n y ) 公司的产品 为代表 、圆形盘管式( 以美国的c a l m a c 产品为代表) 、u 形盘管式( 以美国的f a f c o 公司的系列产品为代表) 、冰板式( 以美国r e a c t i o n 公司、c a r r i e r 公司和浙江吉佳机电 设备公司为代表) 、冰球式( 以法国的c r i s t r o p i a 、美国的c r y o g e l 和北京的西冷公司为 代表) 。各种冰蓄冷系统的特性如表1 1 4 2 1 所示，其中应用最广泛的是冰盘管式和冰球 式1 4 引。近年来许多学者对冰盘管式蓄冰设备进行了研究【4 4 】，生产厂家也开发出许多系 墨二兰鲨垒 列的冰盘管产品。但由于冰盘管管道较细，流动阻力较大，技术要求较高，目前国内还 没有一个生产冰盘管的厂家。而冰球式由于其结构简单，可靠性高，水阻力降较小，技 术要求低t 换热性能好等优点，已逐渐成为蓄冷系统的发展方向 45 1 。且由于其设备结 构简单，成本低，蓄冷罐可现场制作，适合在国内推广【4 6 】。至1 9 9 8 年底国内蓄冷空调 的应用状况h 7 1 绘制成如图l 一2 所示，图中的数据表明，在我国应用最多的蓄冷系统当属 冰球式。 表1 l 冰蓄冷系统特性比较 t a b l e l _ 2c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i s o no f v a r i o u si c 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 gs y s t e m s 硕士聿伍论丈 图i 2 截i 到1 9 9 8 年底国内蓄冷空调应用状况 f i g 1 2a p p l i c a t i o ns t a t u so f t 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 t 川1 9 9 8 i n c h i n a 1 3 2 蓄冷系统的运行策略和工作模式 ( c ) 幽i 3全部蔷冷运行策略的方式 f i g 1 3 m o d e so f f l l i is t o r a g es t r a t e g y 9 ( d ) 第一章绪论 1 蓄冷系统运行策略 蓄冷空调系统运行策略按负荷转移的多少可以分为两类：全部蓄冷策略和部分蓄冷 策略。 全部蓄冷是指设计同( 或周) 非电力谷段的总冷负荷全部由蓄冷装置供应，制冷机 组在此时段不运行。在电力谷段无空调负荷或负荷很小时，开肩制冷机制冷并利用一定 没备将冷量储存起来。恢系统对蓄冷装置和制冷机组的装设容量相对其它方案是最大 的，初投资相对最多，而运行电费相对最节省。全蓄冷系统可依据冷负荷的特点有不同 的安排方式，代表性安排见图1 3 。 部分蓄冷系统是指仅将设计日非电力谷段的冷负荷总量转移一部分进行蓄冷白天 由制冷主机与蓄冷装置联合供应冷负荷的需要。部分蓄冷系统在过渡季节由于冷负荷减 少往往可以全蓄冷方式运行。部分蓄冷系统可依据冷负荷的特点有不同的安排方式，代 表性安排见图1 4 。 图1 4 部分蓄冷运行策略的方式 f i g 1 4 m o d e so fp a v i a ls t o r a g es t r a t e g y ( d ) 硕士学位论文 部分蓄冷系统以其高的负荷率而使其设备投资和配电功率大大减少为特色；全蓄冷 系统以其将空调负荷“昼夜颠倒”、完全利用低谷电力大幅度节省电费为特色。 部分蓄冷系统在运行控制中又存在两种方式：一种是以制冷机供冷为主( 制冷优 先) ，另一种是以蓄冷装置释冷为主( 蓄冷优先) ，其它不足部分互为补充。制冷优先方 式主机满负荷运行时间长；而蓄冷优先方式能更好地利用峰谷电价差，更多地节省运行 费用。 在蓄冷系统流程中，按制冷机组与蓄冷装置的相对位置的不同可设置为并联连接和 串联连接。在串联连接中按其相对位置的不同又可分为制冷机组位于蓄冷装置的上游或 下游的流程配置。在主机上游的流程中，空调回水( 或乙二醇溶液) 先经过主机，蒸发 温度较高，因此主机效率较高，但与此同时蓄冷装置的蓄冷容量不能得到充分发挥：在 主机下游流程中，空调回水( 或乙二醇溶液) 先经过蓄冷装置冷却到中间温度，再经制 冷机组冷却至空调负荷要求的供冷温度，此时制冷机组运行在较低的蒸发温度下，制冷 机的效率及容量都比位于上游时要恶化，而蓄冷装置的释冷温度高，为此释冷率得到提 高，即同一蓄冷装置的有效容量得到提高。 而在制冷机组与蓄冷装置并联的流程中，制冷机组与蓄冷装置运行在相同的进出e l 溶液温度条件下。并联流程不适用于低温送风系统，并联流程在释冷供冷时溶液泵的运 行功率较小，适合于全量蓄冷运行策略，尤其是作为备用冷源。 2 蓄冷系统的工作模式 根据不同的流程配置，冰蓄冷空调运行模式有：机组制冰( 图1 - 5 a ) 、制冰同时供 冷( 图1 - 5 b ) 、单制冷机供冷( 图1 5 c ) 、单融冰供冷( 图1 - 5 d ) 、制冷机与融冰同时供 冷( 图l 一6 ) 。 制冷机组 负荷 fi 蓄冰筒绍台 ( a ) 机纲制冰i ：作模式 i 凇僦仁阿 h 蓄冰筒组合 ( b ) 制冰同时供冷工作模式 第一章绪论 制冷机组 r 负荷 l 蓄冰筒组合 ( c ) 单制冷供冷一r 作模式( d ) 单融冰供冷工作模式 图i - 5 蓄冷系统常见f ：作模式 f i g1 - 5 f a m i l i a ro p e r a t i n gm o d e so f t h e r m a ls t o r a g es y s t e m k 负荷 制冷机组 ， 蓄冰筒组合 制冷机组r 叫负荷 f fl 丁 蓄冰筒组合 ( a ) 制冷机组优先 ( b ) 融冰优先 图】6 制冷机与融冰同时供冷1 ：作模式 f i g 1 6o p e r a t i n gm o d e so fr e f r i g e r a t o ra n di c e m e l t i n gs u p p l yc o l d n e s ss i m u l t a n e o u s l y 1 3 3 常用制冷机组的主要特性 表1 - 2 制玲机组制冰容量与标定容量比值 t a b l e l _ 2c h i l l e ru n i t si c e m a k i n gc a p a c i t yr a t i ot oi t sn o m i n a lc a p a c i t y 制冷机组的制冷能力随蒸发温度的降低而减少，随冷凝温度的降低而升高，通常制 冷机组在制冰工况下的容量仅为标定容量的6 0 8 0 。在制冰工况下，制冷机组一般 满负荷运行，在系统运行于融冰工况时，对于释冷量的控制是通过调节进入蓄冷槽的流 量来进行的。当载冷剂采用2 5 的乙二醇溶液时，对制玲机组融量的影响系数为o 9 7 0 9 8 。因此，当蓄冷时，如制冰温度为4 6 ，则制冷机组的容量与标定容量的比值 如表1 2 所示。 硕士学位论文 适合于冰蓄冷系统的常用冷水机组有：活塞式冷水机组、涡旋式冷水机组、螺杆式 冷水机组和三级离心式冷水机组。表1 3 为上述各种制冷机组的容量范围、性能系数和 供冷温度等性能参数。 表1 - 3 常用制冷机组性能比较 t a b l e l - 3 c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i s o no f g e n e r a lr e f r i g e r a t i o nu n i t s 1 3 4 冰球式蓄冷系统 本论文在讲述蓄冷系统时，均以冰球式蓄冷系统为研究对象，在此对冰蓄冷系统作 一详细介绍。 冰球式蓄冷系统是封装式冰蓄冷系统的一种，该系统将蓄冷介质水密封在塑料 容器内，并将这些容器密集地安置在密闭的金属储槽内或堆放在开敞的储槽中，组成蓄 冷装置。在冰球式蓄冷系统中，经过特殊处理的水冰为蓄冷介质，乙二醇溶液为蓄 冷和放冷流体( 二次冷媒) 。该系统结构简单，安装、运行、维修方便，采用闭式循环 时，蓄冷槽可根据不同建筑场地设计为立式或卧式各种规格容量，可设置在屋内外、地 面上下或屋面上以节省占地面积。 1 蓄冰球 冰球式蓄冷系统的封装容器主要有冰球和蕊芯冰球，冰球般为圆球形，蕊芯冰球 第一章绪论 为圆球形( 以法国西亚特公司、美国的c r y o g e l 公司、 哑铃形( 以杭州华源公司为代表) 。在这旱主要介绍一 用于蓄冷空调的c 0 0 型号冰球结构如图1 7 所示，外径为9 6m r l ，外壳采用h d p e ( h i g h - d e n s i t y p o l y e t h y l e n e ) 材料，内充去离子水和成核添加剂， 由于容器为刚性结构，水溶液注入预留膨胀空间为 9 。c ，0 0 冰球性能参数如表1 4 所示。由于容器 为刚性结构，水溶液注入预留膨胀空间约为9 ， 水在其中冻结蓄冷。其换热面积约为 o 7 5 m 2 ( k w h 1 ，每立方米空间可堆放1 3 0 0 个冰 球【“1 。 北京西冷公司的产品为代表) 或 下c r i s t o p i a 冰球。 密封塞头 空气 h d p e 聚乙 烯材料外壳 水及添i i i i 图1 7 冰球结构图 f i g 1 - 7 i c eb a l ls t r u c t u r ec h a r t 蓄冰球外壳用高强度聚烯烃材料制成球壳厚1 5 m m ，载冷剂流过它时不会变形， 球形吹塑不会泄漏，超声波熔焊密封塞头，内注以具有高凝固一融化潜热的蓄能水溶液 其蓄冰温度0o c 。冰球的寿命在5 0 年以上，能够反复使用l 万次而不会损坏。另外， 聚乙烯材料对于相变材料和传热介质是中性的。 蓄冰球的主要特点是： ( 1 ) 球壳呈中性。对于球内的蓄冷液和球外的载冷剂来说均呈中性： ( 2 ) 球壳无变形。球壳厚1 5 m m ，载冷剂流过无变形； ( 3 ) 球形采用超声波熔焊密封： ( 4 ) 塞头采用超声波熔焊密封； ( 5 ) 蓄冷液是专利技术，由法国和有关国家试验测试( 技术报告c s t bn o 1 4 1 8 5 1 9 4 ) ： ( 6 ) 寿命长。球体承压4 0 k g c m2 ，使用寿命1 0 0 年； ( 7 ) 单位蓄冷量大。每堆积立方蓄冷量5 10 4k c a l ，每堆积立方最小结冰换热系 数可达1 15k w ( m3 。c 1 ，每堆积立方最小融冰换热系数大于等于 1 8 5 k w m 3 。c 1 ： ( 8 ) 乙二醇溶液对球体无腐蚀作用： ( 9 ) 维护费用低。由于采用储冷球系统蓄冰，乙二醇溶液与金属的接触面积远远 硕士擘住论文 小于金属盘管蓄冰系统，可以减少系统的维护费用。 袭1 - 4c 0 0 冰球的技术性能参数 t a b l e l 4c 0 0i c eb a l lp e r f or m a n c ep a r a m e t e r s 2 蓄冷槽 4 9 】 冰球式蓄冷系统的蓄冷槽可分为敞开式和密闭式两种，通常为钢制、玻璃钢制或钢 筋混凝土结构，可布置在室内或室夕 ，也可布置在房顶或埋设在地下以节省占用面积和 空间。钢制蓄冷槽一般应用在密闭式压力系统，形状为圆柱体，根据安装方式不同，又 分为卧式和立式两种，而卧式应用较多。钢筋混凝土蓄冷槽用在敞开式系统，为矩形结 构。 第一章绪论 冰球在安装时，由于其外形对称，在蓄冷槽中成包装排列，填满蓄冷槽内部，因而 乙二醇溶液可以在每个容器四周环流，热交换均衡。为防止流体在蓄冷槽内发生局部短 路而引起换热性能下降，在蓄冷槽的进出口均设有均化格栅或散流器，使流体在蓄冷槽 内流速均匀。在矩形蓄冷槽或敞开式蓄冷槽中，通常在槽内设有定位限制的格栅或挂栅， 使封装容器完全沉浸在载冷剂中。有时还在蓄冷槽内设置必要的导流挡板，促使溶液均 匀流动，提高其换热效率。 蓄冷槽内表面必须光滑、平整，以防容器因移动而发生磨损。钢制蓄冷槽应考虑防 腐措施，外壁应有良好的隔热，包括蓄冷槽的支座部分，以减少冷耗。 作为蓄冰系统核心部件的蓄冰罐具有以下一些突出优点： ( 1 ) 因蓄冷罐制作灵活，故可最大程度地利用有效空间。经法国和日本等国家的 众多工程的多年实践s t l 蓄冰罐内流体的流动均匀性已近完美。 ( 2 ) 蓄冷球具有极高的可靠性和使用寿命： ( 3 ) s t l 系统的总换热面积( 即球的表面积) 比其它蓄冰系统大得多所以它的 瞬时放冷速率比其它系统大，这一特性保证了系统运行的高可靠性和安全避 峰。 目前，各制造厂商均提供标准的钢制蓄冷槽产品，如法国c r i s t o p i a 公司生产的s t l 型标准蓄冷槽有卧式和立式两种；也可以根据不同建筑场地提供技术要求，委托现场制 作。对钢筋混凝土蓄冷槽则根据设计要求在现场制作。 3 载冷剂( 不冻液) 的性质 目前的冰蓄冷均为载冷剂循环式。载冷剂是质量百分数为2 5 的乙二醇溶液 ( e t h v l e n eg l y c 0 1 ) ，它是目附冰蓄冷空调系统中最常用的不冻液。凝固点为- 1 0 7 ， 价格约为7 0 0 0 元t ，其