暖通空调新技术课件2.ppt

暖通空调新技术 吴晅 能源与环境学院 蓄能空调优缺点分析 优点1 平衡电网峰谷荷 减缓电厂和供配电设施的建设2 制冷主机容量减少 减少空调系统电力增容费和供配电设施费3 利用电网峰谷荷电力差价 降低空调运行费用 4 电锅炉及其蓄热技术无污染 无噪声 安全可靠且自动化程度高不需要专人管理 优点 5 冷冻水温度可降到1 4 可实现大温差 低温送风空调 节省水 风输送系统的投资和能耗 6 相对湿度较低 空调品质提高 可有效防止中央空调综合症 7 具有应急冷 热 源 空调可靠性提高 8 冷 热 量全年一对一配置 能量利用率高 缺点 1 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2 蓄能装置要占用一定的建筑空间 3 制冷蓄冰时主机效率比在空调工况下运行低 电锅炉制热时效率有可能较热泵低 4 设计与调试相对复杂 冰蓄冷的定义 冰蓄冷空调 一词的英文为 ICESTORAGE 日文表示为 冰蓄热 狭义的定义为 制冰蓄冷 的空调制冷系统 但在寒带国家除了需要夏季 蓄冷 外 大部分时间里还要 蓄热 因此 广义的用语为 THERMAL ENERGY STORAGEAIRCONDITIONINGSYSTEM 缩写为TES 即 蓄能式空调系统 发展背景 1977年前后 美国 加拿大和欧洲一些工业发达国家 夏季的电负荷增长惊人 下午的耗电量竞超过夜间耗电量的1 5倍 以致不得不增建发电站来满足高峰负荷 但一到夜间又闲置下来 而且夜间发电站处于很低的负荷效率下运转 资源浪费严重 发展背景 1980年 美国得州Dallas电力公司第一个实施 转移尖峰电力优待措施 开始时是以直接蒸发式管外结冰为基础的冰蓄冷空调系统 然后有其它形式的冰蓄冷设备和系统 实施的工程项目逐年增加 1983年在美国能源部主持召开的第三次 蓄冰在制冷工程中的应用 专题研讨会上 首次提出了与冰蓄冷相结合的低温送风系统 1985年末 两座采用冰蓄冷与低温送风系统总建筑面积为46450m2的空调建筑在美国投入运行 进入90年代以来 低温送风系统的形式日趋多样 设计方法更加完善 发展背景 1952年东日会馆大楼是日本第一个采用水蓄冷的中央空调系统 60年代以后 水蓄冷中央空调系统在日本得到了大量应用 1996年 日本NHK广播中心建成9000m3水蓄冷槽空调系统 80年代中期 人们发现冰蓄冷较水蓄冷有许多优点 因此 许多设备厂也参与冰蓄冷设备的生产 促进了冰蓄冷的迅速发展 发展背景 日本对蓄冷空调进行多方面的研究 如降低水的结冰冷度 不同增核剂对结冰的影响 制冷剂直接进入水中形式二元冰晶 过冷水过冷释放后冰的形成等等 而他们对冰蓄冷的研究则在全世界也是领先的 他们研究出了温度分层槽的R值模型 多个完全混合槽模型 多个温度分展槽模型 以及槽效率的理论预测方法等 早在公元前一千年以前 我国劳动人民已采用天然冰进行食品冷藏和防暑降温 早在 诗经 幽风 中就曾记载 二日凿冰冲冲 三日纳于凌阴 的诗句 左传 等书中也谈及冰房窖冰 总管藏冰 出冰的 凌人 并有 鉴如缶 大口以盛冰 置食物于中 以御温气 的记载 大暑赋 曾记载 积素冰于幽馆 气飞结而为霜 它说明我国利用天然冰来制冷有着悠久的历史 一直延用至今 但是用天然冷源制冷受着季节性 地区性和贮存条件的限制 且又达不到0 以下的低温 发展背景 发展背景 我国是一个能源供应十分紧张的国家 一些大中城市空调用电量已占其高峰用电量的30 以上 使得电力系统峰谷荷差加大 有的电网峰谷差达40 多 造成机组频繁启停 不仅增加能耗 而且影响机组寿命 为此电力部门已明确提出到2000年电网移峰填谷达1000 1200万kW 与其相配套的优惠用电政策也相继出台 这给储能中央空调的广泛应用带来了契机 移峰填谷 解决昼夜电力需求差解决常规空调大马拉小车的问题 蓄冰储能的意义 移峰填谷 蓄冰储能的意义 蓄冰储能的意义 电力是无法储存的 随着经济的发展 昼夜电力的需求差别越来越大 火力发电机组启停一次损失巨大 核电和水电也因诸多原因无法参与调峰 火电发电机组启停调峰一次损失很大 一台12 5万千瓦发电机组启停调峰一次 需消耗20T标准煤 一台20万千瓦发电机组启停调峰一次 需消耗34 8T标准煤 蓄冰储能的意义 夜间发电机组的发电效率高近10 夜间产生1KW h电量 消耗0 32kg标准煤 白天则需要0 35kg标准煤 蓄冰储能的意义 蓄冰储能的意义 深圳一栋普通办公楼的能耗分布 一般建筑空调的能耗占到总能的40 60 蓄冰储能的意义 常规空调方式的机组与负荷之间的关系是严重的大马拉小车 按照深圳年约2500供冷时间计算 全年只有5 约130小时 制冷机组处于额定负荷下运行 70 约1800小时的空调时间 空调主机是处于50 以下负荷的低效率工况运行 空调冷 热 源简介 工业与民用建筑中 中央空调用冷热源常见的类型如表 空调冷 热 负荷分析 综合分析一些已建成投运的建筑物 不难发现其空调冷热负荷有以下一些基本特点 1 空调年运行负荷率低 一般达到设计负荷50 以下的运行时间占全年运行时间的70 空调冷 热 负荷分析 2 空调日负荷曲线一般同电网用电负荷曲线同步 空调冷 热 负荷分析 3 空调用电量高峰时达到城市总用电负荷的25 30 加大了电网的峰谷荷用电差 加强用电需求侧管理势在必行 4 蓄能空调技术能帮助电网有效实行移峰填谷 什么是冰蓄冷 就是利用廉价的夜间低谷电力制冰 将冷能用冰储存起来 白天用电高峰把冷能释放出来 满足空调制冷需要 冰蓄冷空调原理 蓄冷技术的分类蓄冷技术有很多具体的形式 美国制冷工业协会 ARI 1994年出版的 蓄冷设备热性能指南 将蓄冷设备广义地分为显热式蓄冷和潜热式蓄冷 见下表 蓄冷空调系统工作原理 蓄冷过程伴随 温度变化 物态变化 化学反应 蓄冷空调系统 尽可能地利用非峰值电力 使制冷机在满负荷条件下运行 将空调所需的制冷量以显热或潜热的形式部分或全部地储存于蓄冷介质中 一旦出现空调负荷 便释放出来 满足空调系统的需要 概念 1 蓄冷设备 用来储存水 冰或其它介质的设备 通常是一个空间或一个容器 2 蓄冷系统 包含了蓄冷设备 制冷设备 连接管路及控制系统 3 蓄冷空调系统 蓄冷系统与空调系统的总称 按照蓄冷进行的原理分类 在介质吸热或放热过程中 必然会引起介质的温度或物态发生变化 蓄冷就是利用工质状态变化过程中所具有的显热 潜热效应或化学反应中的反应热来进行冷量的储存 实现蓄冷的原理主要有显热蓄冷 浴热蓄冷和热化学蓄冷 按照蓄冷进行的原理分类 在介质吸热或放热过程中 必然会引起介质的温度或物态发生变化 蓄冷就是利用工质状态变化过程中所具有的显热 潜热效应或化学反应中的反应热来进行冷量的储存 实现蓄冷的原理主要有显热蓄冷 潜热蓄冷和热化学蓄冷 按照蓄冷持续时间进行分类 主要有昼夜蓄冷和季节性蓄冷两种类型 昼夜蓄冷是将电动制冷机组在夜间低谷期运行制取的冷量 以显热或浴热的形式格冷量储存起来并用于次日白天高峰期的冷量需求 季节性蓄冷是在冬季将形成的冷量 以冰或冷水的形式 储存在特定的容器或地下蓄水层中 在夏季再将其释放出来供应用户的冷负荷需求 按照用于蓄冷的介质进行分类 有水蓄冷 冰蓄冷 其它相变蓄冷材料蓄冷等 在季节性蓄冷中 多采用水或冰来进行 在昼夜蓄冷中 根据具体要求可以采用使用水作为蓄冷介质的显热蓄冷 或利用冰和共晶盐作为蓄冷介质的潜热蓄冷 各种蓄冷方式及其系统组成简介 水蓄冷 ChilledWaterThermalStorage 水蓄冷是利用价格低廉 使用方便的水作为蓄冷介质 利用显热进行冷量储存的 水蓄冷技术具有以下特点 1 可以使用常规的冷水机组 也可以使用吸收式制冷机组 并使其在经济状态下运行 2 适用于常规供冷系统的扩容和改造 可以通过不增加制冷机组容量而达到增加供冷容量的目的 3 可以利用消防水池 原有的蓄水设施或建筑物地下室等作为蓄冷容器来降低初投资 4 可以实现蓄热和蓄冷的双重用途 5 技术要求低 维修方便 无需特殊的技术培训 6 水蓄冷系统是一种较为经济的储存大量冷量的方式 蓄冷罐体积越大 单位蓄冷量的投资越低 当蓄冷量大于7000KW H 602万大卡 或蓄冷容积大于760m3时 水蓄冷是最为经济的 水蓄冷技术适用于对现有常规制冷系统的扩容或改造 可以实现在不增加或少增加制冷机组容量的情况下 提高供冷能力 水蓄冷 为了提高蓄冷槽的蓄冷效果 防止负荷回来的热水与储存冷水间的混合 蓄冷槽的结构形式可以采用多种方法 如多蓄水罐方法 MultipleTank 迷宫法 LabyrinthandBaffle 隔膜法 MembraneorDiaphragm 自然分层方法 NaturalStrati fication 在这些方法中 自然分层水蓄冷技术应用得较为普遍 水蓄冷 水的密度与其温度密切相关 在水温大于4 时 温度升高密度减小 而在0 4 范围内 温度升高密度增大 3 98 时水的密度最大 自然分层蓄冷就是依靠密度大的水自然会聚集在蓄冷罐的下部 形成高密度水层的趋势进行的 在分层蓄冷中使温度为4 6 的冷水聚集在蓄冷罐的下部 而10 18 的热水自然地聚集在蓄冷罐的上部 来实现冷热水的自然分层 水蓄冷 自然分层水蓄冷罐的结构形式如图所示 水蓄冷 在蓄冷罐中设置了上下两个均匀分配水流散流器 为了实现自然分层的目的 要求在蓄冷和释冷过程中 热水始终是从上部散流器流入或流出 而冷水是从下部散流器流入或流出 应尽可能形成分层水的上下平移运动 水蓄冷 在自然分层水蓄冷罐蓄冷循环中 冷水机组送来的冷水由下部散流器进入蓄冷罐 而热水则从上部散流器流出 进入冷水机组降温 在释冷循环中 水流动方向相反 冷水由下部散流器送至负荷 而回流热水则从上部散流器进入蓄冷罐 1 水蓄冷 利用水的显热进行冷量储存 具体来讲 就是利用4 7 的低温水进行蓄冷 1 优点 投资省 技术要求低 维护费用少 可用常规制冷机组 且冬季可以用于蓄热 2 缺点 水的蓄冷密度低 只能利用8 温差 故系统占地面积大 冷损耗大 防水保温麻烦等 3 空调水蓄冷系统的设计 应异于常规空调系统的设计 尽可能提高空调回水温度 减少蓄冷水槽的体积 a 温差为8 时 蓄冷槽体积 0 118m3 kWh b 温差为11 时 蓄冷槽体积 0 086m3 kWh 4 适用于 a 现有常规制冷系统的扩容或改造 可不增加或少增加制冷机组容量 提高制冷能力 b 可利用消防水池 水箱作为蓄水容器 降低系统初投资 提高经济性 冰蓄冷 冰蓄冷就是将水制成冰的方式 利用冰的相变潜热进行冷量的储存 由于冰蓄冷除可以利用一定温差的水显热外 主要利用的是 335KJ Kg的相变潜热 因此 与水蓄冷相比 储存同样多的冷量 冰蓄冷所需的体积将比水蓄冷所需的体积小得多 冰蓄冷 蓄冰槽内的水并不是全部都冻结成冰 为此 常使用制冰率 IPF 来表示蓄冰槽中冰所占的体积份额 这种特点促进了冰蓄冷槽与制冷机一体机化机组的发展 蓄冰系统的技术水平要求较高 它必须使用蒸发温度低的制冷机组 要求制冷剂的蒸发压力较低 所以压缩机能耗高 而且冰蓄冷系统的设计和控制比水蓄冷系统复杂得多 冰蓄冷 当空调系统采用蓄冰和低温送风相结合的形式后 由于输送冷水温度降低 送风温度降低 系统的管网和盘管 整个风道系统 以及水泵 冷却塔等辅机在材料 尺寸和容量方面 均要比水蓄冷和共晶盐蓄冷系统要小 可节约系统设备投资 在建设过程中 施工量和材料消耗量相对也要减少 同时 由于减少了管网和空气分配系统的体积 建筑物的可用空间会有所增加 在运行时 由于风扇和水泵设备容量的减少 其耗电量也要降低 冰蓄冷 所以 在空调工程中 选用蓄冰和低温送风系统相结合的蓄冷供冷方式在初投资上是可以和常规制冷空调系统相竞争的 且在分时计费的电价结构下 其运行费用要比常规制冷空调系统低得多 蓄冰和低温送风系统相结合已成为建筑空调技术发展的一个方向 优点 a 用冰蓄冷的空调系统 水温稳定 不易波动 因为蓄冷槽在融冰放冷时为一恒温相变过程 b 冰蓄冷槽的冷损失减小 其值与蓄冷槽的表面积 与周围空气温度差 蓄冷槽隔热材料的种类 厚度 结构以及蓄冷时间长短有关 缺点 a 制冷机组的蒸发温度降低 使压缩机性能系数 COP值 减小 b 空调系统设备与管路比水蓄冷空调系统复杂 对常规空调系统改造 用冰蓄冷困难较大 盘管外蓄冰系统 a 是空调系统中常用蓄冰方式 即冰直接冻结在蒸发盘管上 盘管伸人蓄冰槽内构成结冰时的主干管 b 蓄冷装置充冷时 制冷剂或乙二醇水溶液在盘管内循环 吸收储槽中水的热量 直至盘管外形成冰层 圆形盘管蓄冷装置 盘管外融冰 a 由温度较高的回水或载冷剂直接进入结满冰的盘管外储槽内循环流动 使盘管外表面的冰层逐渐融化 b 由于空调回水可与冰直接接触 因而融冰速率高 放冷温度为1 2 充冷温度为 4 9 c 为防止盘管外结冰不均匀 在储槽内设置了水流扰动装置 用压缩空气鼓泡 加强水流扰动 使换热均匀 d 盘管一般为钢制蛇形盘管 储槽为矩形钢制或混凝土结构 盘管外融冰结构示意图 外融冰 优点空调回水与冰直接接触 换热效果好 取冷快不需要二次换热装置缺点蓄冰槽的蓄冰率低 蓄冰槽容积大盘管外表面结冰不均匀 易形成水流死角需要采取搅拌措施 促进冰的均匀融化 盘管内融冰 a 从空调流回的回水通过盘管内循环 由管壁将热量传给冰层 使盘管表面的冰层自内向外融化释冷 将回水冷却到需要的温度 b 充冷温度一般为 3 6 释冷温度为1 3 c 盘管形状有蛇形管 圆筒形管和U形管等 盘管材料一般为钢或塑料 盘管内融冰结构示意图 内融冰 优点盘管外表面融冰均匀 不易形成水流死角 不需要采取搅拌措施 以促进冰的均匀融化 缺点空调回水与冰间有很薄的水层 融冰换热热阻较大 多采用细管 薄冰层蓄冰 以盘管式蓄冷系统为例 阐明蓄冷空调系统的工作原理 蓄冷过程 夜间 乙二醇载冷剂通过冷水机组和冰筒与旁通构成蓄冷循环 经盘管将冷量转移给冰筒内的水 使水结冰 融冰放冷过程为 白天 载冷剂液体经蓄冰筒及并联旁通 通过设定出水温度调节阀控制蓄冰筒流量与并联旁通流量的比例 确保出水温度为给定的值 然后经换热系统将冷量直接送入空调使用 夜间制冷蓄冷过程 白天融冰放冷过程 传统静态蓄冰设备 美国BAC CALMAC FAFCO 法国CIAT 盘管 冰球 传统静态蓄冰设备 静态制冰时 随着制冰的进行 冰层越来越厚 热阻越来越大 主机工况下降 蓄冷量下降 盘管存在载冷剂易泄漏的问题 一旦发生热胀冷缩造成接头泄漏 将会对蓄冰系统产生致命影响 无论盘管或冰球都存在体积大 成本高 维护困难 效率低 融冰速率慢等问题 冰蓄冷中央空调系统的示意流程图 蓄冷系统选择的几种运行策略 制冷机组优先式蓄冷系统采用制冷机组优先式运行策略是指制冷机组首先直接供冷 超过制冷机组供冷能力的负荷由蓄冷设备释冷提供 这种策略通常用于单位蓄冷量所需的费用高于单位制冷机组产冷量所需的费用 通过降低空调尖峰负荷值可以大幅度地节省系统的投资费用 蓄冷设备优先式 蓄冷设备优先式运行策略是指蓄冷设备优先释冷 超过释冷能力的负荷由制冷机组负责供冷 这种方式通常用于单位蓄冷量所需的费用低于单位制冷机组产冷量所需的费用 蓄冷设备优先式 蓄冷设备优先式在控制上要比制冷机组优先式相对要复杂些 在下一个蓄冷过程开始前 蓄冷设备应尽可将蓄存的冷能全部释冷完 即充分利用蓄冷设备的可利用蓄冷量 降低蓄冷系统的运行费用 蓄冷设备优先式 另外应避免蓄冷设备在释冷过程的前段时间将蓄存的大部分冷能释放 而在以后尖峰负荷时 制冷机组和蓄冷设备无法满足空调负荷需要的现象 因此应合理地控制蓄冷设备的剩余冷量 特别是对于设计日空调尖峰负荷是出现在下午时段时是非常重要的 蓄冷设备优先式 一般情况 蓄冷设备优先式运行策略要求蓄冷系统应预测出当日24小时空调负荷分布图 并确定出当日制冷机组在供冷过程中最小供冷量控制分布图 以保证蓄冷设备随时有足够释冷量配合制冷机组满足空调负荷的要求 负荷控制式 限制负荷式 负荷控制式就是在电力负荷不足的时段 对制冷机组的供冷量加以限制的一种控制方法 通常这种方法是受电力负荷限制时才采用 超过制冷机组供冷量的负荷可由蓄冷设备负责 例如某城市电力负荷高峰时段 上午8 00 11 00 禁止制冷机运行 均衡负荷式 均衡负荷法是指在部分蓄冷系统中 制冷机组在设计日24小时内基本上全部满负荷运行 在夜间满载蓄冷 白天当制冷机组产冷量大于空调冷负荷时 将满足冷负荷所剩余的冷量 用冰的形式 贮存起来 当空调冷负荷大于制冷机组的制冷量时 不足的部分由蓄冷设备 融冰 来完成 这种方式系统的初期投资最小 制冷机组的利用率最高 但设计日空调负荷高峰时段与当地电力负荷高峰时段是否相同时 即是否与当地电力电价低谷时段相重叠 如不重合 则系统的运行费用较高 不管冰球还是盘管式冰蓄冷技术 在制冰和融冰的过程中 蓄冷介质始终处于静止状态 因此冰球和盘管式冰蓄冷技术又称为静态冰蓄冷 静态冰蓄冷传热条件差 制冰和融冰速度慢 制冷主机COP低 为了解决或避免传统冰蓄冷技术中的固有缺陷 动态冰蓄冷技术的概念应运而生 动态冰蓄冷于20世纪90年代开始发展起来 在节能意识极强的日本首先实现产业化应用 动态冰蓄冷技术的最大特点是在动态过程中制取冰浆 从而解决了传统冰球和盘管式冰蓄冷技术中的诸多固有难题 把冰蓄冷技术提升到了一个新的技术高度 可以称得上 节能技术中的节能技术 新一代冰浆系统 高效率 低成本 应用灵活 冰浆 IceSlurry 冰浆 是含有悬浮冰粒子的固液两相溶液 也称流体冰 二元冰 其中冰粒子颗粒为毫米至厘米级 通常为了降低凝固点加入醇类和盐类抑制剂 冰浆微观形态 冰粒子微观示意 冰浆制取 美国PaulMuellerCompany公司冰浆机制取冰浆的过程 冰浆制取 日本东洋制作所开发的冰浆系统 冰浆用途 果品冷藏 水产品冷藏 水产品冷藏运输 工艺快速冷却 低温环境与灭火 超市食品冷藏 冰浆空调系统 系统结构示意 空调建筑物 冰浆发生器 蓄冰室 1 蓄冰室 2 冰浆技术应用优势 巨大的相变潜热 并可利用低温显热 冰的融解热335kJ kg 水的比热容4 18kJ kg 较好的流动性 可泵送至任何地方融冰释冷速度 热响应速度快采用蓄冷策略 减少系统运行费用 增强供冷的可靠性 动态冰蓄冷技术的经济性分析 过冷水冰浆制取的原理 水的过冷特性曲线 过冷水中冰晶的形成过程 过冷现象 水溶液在冷却时 最初温度逐渐下降 容易产生过冷现象 达到一定过冷度后 由于晶核形成 冰晶迅速长大 实验构想 采取某些措施 防止过冷水过早的消除过冷态 而在蓄冰槽中消除过冷 冰晶就会在蓄冰槽中连续生成 过冷现象 Supercoolin