【毕业学位论文】直膨式冰蓄冷空调关键技术研究-热能工程

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 直膨式冰蓄冷空调关键技术研究 杜艳利 指导教师 冯自平 研究员 申请学位级别 硕士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2007 年 6 月 论文答辩日期 2007 年 6 月 培养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 of he of of u 007 摘 要 I 摘 要 随着社会的发展，人们对生活环境和工作环境的要求有了很大提高，空调用电量不断增加，在个别地区甚至达到电力负荷的 30并且空调用电高峰往往与工业商业用电高峰同步，进一步造成高峰期电力资源短缺、低谷期电力资源相对过剩，电力负荷峰谷差过大，造成大量的能源损失和浪费。冰蓄冷空调就是为了实现电网用户侧移峰填谷而发展起来的一项有力技术，对电网移谷具有重大意义。 但是传统冰蓄冷空调系统一般都具有中间不冻液循环环节，导致传热效率较低、冷量损失较大，而且系统装机容量很大，只适合规模很大的楼宇中央空调系统，不能应用于普通的中小型单元式家用或商用场合。直接蒸发式冰蓄冷空调是一种新型的冰蓄冷空调，与传统的冰蓄冷空调相比，少了二次换热系统，是一种高效的冰蓄冷空调。夜间利用低谷电力制冰蓄冷，一次制冷剂直接在蓄冰槽内的盘管内蒸发，盘管外的水制冰蓄存冷量。白天则利用蓄冰槽内的冰来过冷却从系统冷凝器出来的一次制冷剂，从而增加了蒸发器的冷量输出，间接地把的蓄冰槽的蓄冷量释放出来，该过程同时也改善了空调的运行工况，提高系统的运行效率，不但实现了空调电力负荷由白天向夜间的转移（可以将用电高峰期的空调电力负荷的 23%左右移到用电低谷） ，还可以减小制冷机组的装机容量。因此直膨式冰蓄冷空调的研发具有很大的社会效益和经济效益。 由于直膨式冰蓄冷空调的蓄冷过程和释冷过程都涉及到制冷系统，因而其运行过程十分复杂。直膨式冰蓄冷空调在国外已有研究和应用，但对技术实行保密，现有的国内外研究文献一般是关于制冰过程传热的理论和模型分析，制冰过程和融冰过程中系统的动态特性基本都没涉及到，同时对于传热分析还是很欠缺的。基于此，要想实现直膨式冰蓄冷空调的推广应用，必须对该系统的关键技术（制冰过程和融冰过程的特点及系统的动态特性）作深入的研究。 通过本课题的实验研究，得到直膨式冰蓄冷空调系统的关键性参数，为直膨式冰蓄冷空调的开发提供实验基础和设计指导。 关 键 词：直膨式冰蓄冷空调 蓄冰过程 融冰过程 动态特性 传热特性 of by In 0of to is at in as a of to to to to be is it It in or in or is of it Its of in as an to it as a to at of By of be of be as of 5%. it of is In V of on of on on of is As a in to to be of to be of 目 录 V 目 录 摘 要 . I . 录 .一章 概述 . 1 究背景 . 1 冷技术概述 . 2 冷技术的研究意义 . 2 蓄冷技术的国内外发展历程 . 6 冷技术的技术分类 . 7 冷空调技术应用前景 . 8 冷技术的发展方向 . 9 蓄冷技术的研究现状 . 10 蓄冷空调技术的发展 . 10 蓄冷空调技术的研究现状 . 11 膨式冰蓄冷空调技术的研究现状 . 12 题的引出及研究内容 . 19 题的引出 . 19 题的主要研究内容 . 20 章小结 .二章 直膨式冰蓄冷空调系统的实验设计 . 22 验原理 . 蓄冷及释冷运行原理 . 22 热及释热运行原理 . 23 验方案及内容 . 24 验装置的设计 . 24 章小结 .三章 直膨式冰蓄冷空调实验研究 . 28 冰蓄冷过程动态特性研究 . 28 冰蓄冷过程特点 . 28 冷过程关键技术 . 29 冰释冷过程 . 38 冰释冷过程特点 . 38 冰关键技术 . 39 化换热 .膨式冰蓄冷空调关键技术研究 强化换热装置 . 44 化换热实验 . 46 热过程 . 蓄热运行及蓄热利用运行特点 . 48 热关键技术 . 48 章小结 .四章 结论与展望 . 53 论 . 53 作展望 .录 主要实验设备一览表 . 55 主要符号表 . 56 参考文献 . 57 发表专利和论文 . 61 致 谢 . 63 第一章 概述 1 第一章 概述 究背景 随着改革开放的深入，我国的综合国力和人民生活水平都有较大提高。电力工业作为国民经济的基础产业之一，也取得了长足的发展。 1996 年发电装机容量已位居世界第二位1。截止到 2004 年底，全国发电装机总容量达到 是，随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，电力的增长仍然满足不了国民经济用电和人民生活用电急剧增长的需要， 全国缺电局面依然没有得到改善。 2004年全国有 24 个省市实施拉闸限电， 2005 年，电力供需矛盾呈进一步扩大趋势， 2006年电力矛盾有所缓解，全年完成发电量 亿千瓦时，但是仍然不能满足工业和居民生活需要，目前，电力供应紧张表现为如下两个方面2： （ 1）电力总量不足 （ 2）电网峰谷差较大 为了解决电力资源短缺的矛盾，一方面靠增加对电力设备的投入，增加装机容量（预计到 2010 年全国发电装机总容量将达到 5 亿 2020 年全国发电装机总容量将达到 10 亿 一方面就是在节约用电的前提下，加强电力负荷需求侧管理（ 3） 。另一方面通过多种途径，鼓励用户节约用电，实现电力负荷移峰填谷，充分利用现有电力资源，大力开发低谷用电技术。国家计委、国家经贸委和电力部 1994 年在郑州召开节电工作会议，正式将蓄冰空调系统写入国家红头文件，将其列为十大节能措施之一，当年在深圳电子大厦建成我国第一个冰蓄冷空调系统。国家经贸委办公厅颁发的经贸厅技 1997 298 号文件将冰蓄冷空调作为今后的重点发展项目。国务院国发 1998 32 号文件更强调了加快推广包括蓄冷空调在内的各种削峰填谷的技术措施。国家电力公司国电财 2000114 号文件明确要求加大峰谷电价差推广力度。各省市也纷纷出台了分时电价政策，鼓励用户使用低谷电。一般低谷电价只相当于高峰电价的 1/2 1/5，而且有取消电力增容费、电贴费等不同程度的优惠。目前，北京、上海、天津、重庆、河北、山东、陕西、山西、江苏、浙江、江西、湖北、湖南、四川、广东等省市纷纷出台了直膨式冰蓄冷空调关键技术研究 2 分时电价政策。 表 1 主要省市电力峰 2006 年商业用电，元 /度） 省市 尖峰电价 高峰电价 平电价 谷电价 峰谷电价比 冰蓄冷谷电价 峰谷电价比北京市 上海市 季 ) 州市 深圳市 海市 天津市 重庆市 厦门市 江省 西省 陕西省 河北省 苏省 南省 冷技术概述 冷技术的研究意义 所谓蓄冷空调，即让制冷机组在夜间电力负荷低谷期运行，并将产生的冷量储存起来， 在次日再将冷量释放出来满足生产和空调的需要， 从而实现用电负荷的 “移峰填谷”，达到均衡电网负荷的目的4。 利用蓄冷空调可以将高峰期空调用电转移到电力负荷低谷期，不仅可以实现移第一章 概述 3 峰填谷、平衡电力负荷的作用，还可以改善发电机组效率、节约能耗、减少环境污染；同时可减小机组装机容量，提高制冷机组满负荷运行效率，节省空调用户的电力花费和运行费；扩大空调区域使用面积等。在当今世界能源消耗逐年增加、环保意识逐渐增强、城市空调用电负荷快速增加情 况下，应用蓄冷空调技术具有很大的社会效益和经济效益2。以下为冰蓄冷空调系统的两种运行方式。 图 1冰蓄冷空调系统的移峰运行方式 图 1冰蓄冷空调系统的削峰运行方式 （ 1）冰蓄冷技术的社会效益 蓄冷空调的应用与电力系统的政策是密不可分的，主要原因就是蓄冷系统具有巨大的社会效益。蓄冷系统能够转移电力高峰用电量，平衡电网峰谷差，因此可以直膨式冰蓄冷空调关键技术研究 4 减少新建电厂投资，提高现有发电设备和输变电设备的使用率，同时，可以减少能源使用（特别是对于火力发电）引起的环境污染，充分利用有限的不可再生资源，有利于生态平衡。 电网的峰谷差是现代电网的一大特点，而且随着经济发展有加剧的趋势。随着我国国民经济的不断发展，虽然国家电力部门耗用大量的财力物力建设电厂，但仍然满足不了每年用电量以 5 7%增长的需要。特别是近年来随着城市化进程的不断发展，城市建筑能耗呈现加速增长的趋势。据统计，国内部分大城市的高峰用电量中空调用电就占了 30%以上，这就使得电力系统峰谷差急剧增加，电网负荷率明显下降，这极大影响了发电的成本和电网的安全运行。 由于电能本身不易储存，因此通常在电用户方面考虑办法，这就是用户侧调峰。空调用电在电网中，特别是民用电中的比例越来越大。据统计，一般写字楼空调用电占 1/3 多一些，而商场建筑中空调用电占 50 60%，从空调用电入手解决电网峰谷差问题无疑是最有效的。同时，空调用能一般具如下特点，也非常适合蓄冷使用：首先，大多数空调与供暖系统可以间歇使用，如上班时供应、下班时关闭，使系统本身有可能利用原有设备在间歇期（夜间电力低谷期）进行能量蓄存，为第二天空调运行供能或补充。第二，空调用能多为 7/12冷水或 40/50 50/60热水，属于低品位能量，而电能是高源，可以转化为任意低品位的能源，而且利用制冷机或热泵的工作，每使用 1能可以获得 3 6热能，电能转化利用率非常高，而且蓄存使用也比较方便。 美国在 70 年代开始用电需求侧管理工作，在三十年时间里，政府陆续出台了鼓励用电需求侧管理项目的一系列优惠政策，包括直接提供经费、提供各种低息或无息贷款、鼓励各行业投资此类项目并给予电价政策回收投资、提供购买蓄能节能设备的价格折扣等。在亚洲，泰国、菲律宾、斯里兰卡等发展中国家都开展了需求侧管理工作，也收到了巨大的社会效益和经济效益。在国外，工厂车间、办公楼、商场、医院、学校甚至居民住宅等建筑物都可以看到蓄能技术的应用，使用范围非常广阔，可以说前途光明。 我国电力行业的技术装备和管理水平经过多年的努力，已经跃上了一个新的台阶，电网建设和改造也取得了重大进展。但是，电网负荷率低、峰谷差大的特点使第一章 概述 5 电力供应仍很紧张。例如华南电网的最大峰谷差别达到最大负荷的 40%，而 1999年电网负荷率在 95%以上的只有 12 天，而实际每天达到最高负荷的仅持续 1 2 小时。国家计委、国家经贸委协同国家电力公司历经数次研究，先后出台了一系列指令性或指导性的计划下达至 各地方经委和电力公司，要以经济手段推动电力“削峰填谷”的实现。目前绝大多数地方电力公司均 推出了峰谷分时电价政策，特别是制定了针对蓄冷空调技术推广使用的各种优惠政策，为蓄冷空调的广泛推广带来了契机。 （ 2）冰蓄冷技术的经济效益 蓄冷系统在带来巨大的社会效益的同时，也具 有良好的经济效益，如推迟或减少发电装机容量，减少环境污染治理费用，减 少电网调峰次数、降低发电成本等。对用户来说，实实在在的经济效益和运行管理的优点主要体现在以下方面： 首先，利用分时电价政策，可以大幅节省运行费用。即在电价高时用少量的电，把蓄存的能量释放出来使用，而 在电价低时多用电，把制得的冷或热量储存起来。一般情况下，峰谷时段的电价比可达 3:1 或 4:1，有的甚至达到 5:1（江苏），因此每年节省的运行电费是相当可观的。 其次，可以减少制冷主机装机容量和功率达 30 50%，相应地，减少冷却塔和水泵等的装机容量和功率。由于在空调负荷高峰时，可以依靠融冰来供冷，因此主机的装机制冷容量可以减少，而不必象常规空调系统那样按高峰负荷配备设备。相应地，设备满负荷运行比例增大，可充分提高设备利用率，而且设备运行效率也较高。 第三，减少一次电力初投资费用。由于制冷系统设备装机功率下降，电贴费、变压器和高低压配电柜等费用均可减少。另外，由于电力系统的优惠政策，蓄冷系统可以争取到电贴费减免的额外优惠。 另外，蓄冷系统可作为应急冷源，停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷；蓄热系统减少了粉尘烟尘的污染，减少或免除了消防措施等。因此，蓄冷系统在运行管理上具有更大的灵活性和更广的适应性。 直膨式冰蓄冷空调关键技术研究 6 蓄冷技术的国内外发展历程 冰蓄冷技术是 80 年代从国外首先发展起来的一项节能技术。 1979 年，美国率先编写并出版了建筑物非峰值期降温导则 ， 1981 年后推广应用蓄冷技术，并颁布相关的奖励措施。到 90 年代，美国已有 40 多家电力公司制定了分时计费电价，从事蓄冷系统开发及冰蓄冷专用制冷机开发的公司也多达数十家。欧洲、日本等经济发达国家在 80 年代开始了蓄冷技术的应用研究。日本由于战败引起的经济衰退、资金紧张， 90 年代前，主要是发展初投资较低的水蓄冷系统，近年转而大量发展冰蓄冷系统； 1990 年只有 200 个左右的冰蓄冷系统，到 2002 年已经发展到 1 万多个蓄冷空调系统；电网低谷电约有 45%被加以利用，其特点是中小型空调系统也采用蓄冷方式。韩国已经在 1999 年立法， 3000 平方以上的公共建筑必须采用蓄冷空调系统。 在我国， 94年开始建造冰蓄冷空调系统以来，由于应用蓄冷技术带来多方面效益而受到企业欢迎，在各地电力企业的鼓励和指导下，全国已有 20多个地区开始推广应用6。其中，浙江省对冰蓄冷项目采取奖励电量措施和实行峰谷电价最积极。目前在浙江，冰蓄冷空调工程项目已有杭州国际大厦、杭州水电大厦等 蓄冰量达 105175 0050此外，北京、上海、天津、四川、福建等地均采取减免电力增容费、供配电贴费方式，华北电力集团于 1994年就率先公布峰谷电价比为 1，这些政策有力地鼓励用户使用冰蓄冷技术，也收到了较好效果。 国家电力部为推广冰蓄冷空调，首先在本系统树立样板工程，第一个样板工程是电力部国家电力调度控制中心 (北京 )的冰蓄冷空调系统，总蓄冰量为 16660 760 该项目被定为电力部重点工程；第 2个样板工程是国家电力部办公大楼 (北京 )的空调项目，总蓄冰量 24920 7120有了电力部的样板工程做先导，北京陆续有了中国中央电视台小型区域性冰蓄冷空调供冷站 (总蓄冰量达 24413中央人民广播电台、北京国际贸易中心、北京嘉里中心、北京新兴宾馆等 这里还值得一提的是上海市重点项目一上海科技城冰蓄冷项目，该项目总面积为 蓄冰量达 32200200由于采用低温 (大温差 )送风，系统初投资甚至低于常规空调系统。上海电力公司还将该项目专门作个案处理，第一章 概述 7 除了全免供配电贴费外，在其投入运行后，还把峰谷电价比从原来的 3： 1拉大到 4：1，使业主受到很大的实惠。截止到 2002年底，我国已建成和正在建的水蓄冷和冰蓄冷空调系统共计 259项5。 根据 1997年国家电力总公司委托清华大学进行的工程运行情况调研，绝大部分蓄冰系统都在正常运行，成功率很高，项目已全部实现自动控制，基本上可无人值守自动运行。随着我国经济的快速发展，电力需求与日俱增，峰谷用电的差值会越来越大，矛盾会越发突出。这必将进一步地促进冰蓄冷空调技术在我国的应用与发展，这方面存在着巨大的市场潜力。 冷技术的技术分类 按蓄冷介质的不同可分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷等7。 (1)水蓄冷：水蓄冷就是利用水的显热来储存冷量的一种蓄冷方式，蓄冷温度在 4 7之间，蓄冷温差 6 11，单位体积的蓄冷容量为 要空间条件许可，水蓄冷系统是一种较为经济的储存大冷量的方式，而且蓄冷罐体积越大，单位蓄冷量的投资越低；当蓄冷量大于 7000蓄冷容积大于 760蓄冷是最为经济的。这种蓄冷方式系统简单、投资少、技 术要求低、维修方便，并可以使用常规空调制冷机组蓄冷，冬季还可蓄热，适宜于既制冷又取暖的空调热泵机组。水蓄冷空调系统的主要缺点是蓄冷槽容积大、占地面积大，这在人口密集、土地利用率高的大城市是一个问题，也是它的使用受到制约的主要原因。水蓄冷技术适用于现有常规制冷系统的扩容或改造，可以在不增加或少增加制冷机容量的情况下提高供冷能力。另外，水蓄冷系统还可利用消防水池、蓄水设施或建筑物地下室作为蓄冷容器，从而进一步降低系统的初投资，提高系统的经济性。 (2)冰蓄冷：冰蓄冷是利用水相变潜热 (一种蓄冷方式。 0冰的蓄冷密度高达 335 kJ/存同样多的冷量，冰蓄冷所需的体积仅为水蓄冷的几十分之一。但是，由于冰蓄冷的制冷主机要求冷水出口端的温度低于 与常规空调冷水机组出水温度 7相比，冰蓄冷制冷机组剂的蒸发温度、蒸发压力大大降低，制冷量约降低 30 40%，制冷系数 (有所下降，耗电量约增加 20%。由于制冰槽及冰水管路温度常低于 0，直膨式冰蓄冷空调关键技术研究 8 还需增加绝热层厚度，以避免外部结露，减少冷损失。另外，冰蓄冷蓄冷温度几乎恒定；设备容易标准化、系列化；对蓄冷槽的要求比较低，可以就地制造，为广泛应用创造了有利条件。当然，冰蓄冷空调系统设备与管路复杂，低温送风还会造成空气中的水分凝结，导致送到空调区空气量不足和空气倒灌。在常规空调系统改造为冰蓄冷空调时，会因为制冷主机的工况变化太大、空调末端设备 (风机盘管 )的不适应和保温层厚度不符合要求等变得很困难。 (3)共晶盐蓄冷：共晶盐蓄冷是利用固液相变特性蓄冷的一种蓄冷方式。介质主要是由无机盐、水成核剂和稳定剂组成的混合物，也称优态盐，目前应用较广泛的相变温度约 8 9，相变潜热约为 95 kJ/些蓄冷介质大多装在板状、球状或其它形状的密封件中，再放置在蓄冷槽中。共晶盐蓄冷能力比冰蓄冷小，但比水蓄冷大，所以共晶盐蓄冷槽的体积比冰蓄冷槽大，比水蓄冷槽小。共晶盐蓄冷的主要优点是相变温度较高，可以克服冰蓄冷要求很低的蒸发温度的弱点，并可以使用普通的空调冷水机组。但共晶盐蓄冷在蓄冷释冷过程中换热性能较差，设备投资也较高，而且共晶盐的性能也不是很稳地，易老化，这些阻碍了该技术的推广应用。 20世纪 80年代美国橡树岭国家试验室开始以 机理是在一定的温度和压力下，水在某些气体分子周围会形成坚实的网铬状结晶体，同时释放出固化相变热。 对于冰蓄冷系统，根据制冷方法、制冷设备、融冰方式的不同，冰蓄冷有多种分类方法8。 冰蓄冷按照制冰方式的不同可分为静态冰蓄冷和动态冰蓄冷（静态制冰方式，即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态；动态制冰方式，该方式制冰过程中有冰晶、冰浆生成，且冰晶、冰浆处于运动状态） ； 按冷媒来分可分为制冷剂直接蒸发式与载冷剂循环式（制冷剂直接蒸发式蓄冷效率较高，但对系统的要求较高） ； 按融冰方式可分为内融冰、外融冰与内外同时融冰等等。 冷空调技术应用前景 根据蓄冷空调的优点，蓄冷空调主要应用于以下场合： 第一章 概述 9 （ 1） 热负荷比冷负荷大的建筑物； （ 2） 峰值负荷较大的建筑物； （ 3） 夜间空调负荷小的建筑物； （ 4） 重新建造的不受电容量限制的建筑物等。 由于蓄冷技术是一种投资少、见效快的电力调荷措施，目前已成为许多经济发达国家积极推广的一项促进能源、经济和环境协调发展的实用系统节能技术，具有广阔的发展前景。在我国，由于经济的快速发展，电力需求与日俱增，峰谷用电的差值会越来越大，矛盾会越发突出。这必将进一步地促进冰蓄冷空调技术在我国的应用与发展，这方面存在着巨大的市场潜力。同时国家出台的相关电力政策（如目前推出的峰谷分时电价政策），特别是制定的针对蓄冷空调技术推广使用的各种优惠政策，为蓄冷空调的推广提供了坚实的基础。 冷技术的发展方向 蓄冷技术作为一种移峰填谷调节能量供需、节约运行费用、实现能量的高效合理利用的手段已经引起了人们的高度重视，许多国家的研究机构都在积极进行研究开发，其目标集中在如下几个方面8： (1) 区域性蓄冷空调供站。已经证明，区域性供冷或供热系统对节能较为有利，可以节约大量初期投资和运行费用，而且减少了电力消耗及环境污染，建立区域性蓄冷空调供冷站已成为各国热点。这种供冷站可根据区域空调负荷的大小分类自动控制系统，用户取用低温冷水进行空调就像取用自来水、煤气一样方便。 目前最大的区域供冷系统安装在美国芝加哥市， 蓄冷总容量达 1250001996年 7月成功投入运行。 (2) 冰蓄冷低温送风空调系统。蓄冷与低温送风系统相结合是蓄冷技术在建筑物空调中应用的一种趋势，是暖通空调工程中继变风量系统之后最重大的变革。这种系统能够充分利用冰蓄冷系统所产生的低温冷水，一定程度上弥补了因设置蓄冷系统而增加的初投资，进而提高了蓄冷空调系统的整体竞争力，在建筑空调系统建设和工程改造中具有优越的应用前景，在 21世纪将得到广泛的应用。 直膨式冰蓄冷空调关键技术研究 10 (3) 开发新型的蓄冷空调机组。对于分散的、暂时还不具备建造集中式供冷站条件的建筑，可以采用中小型蓄冷空调机组。目前，中小型建筑物大量采用的商用或家用空调机，夏季白天所耗电量占空调总用电量相大的份额。国外研究表明，为商用或家用空调机增加紧凑式冰蓄冷单元是可行且有效的，冰蓄