外融冰蓄冷系统的发展状况及工程应用

外融冰蓄冷系统的发展状况及工程应用摘要：本文介绍了外融冰蓄冷系统的技术特点和作用，说明了了目前国内外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，总结了清华大学和清华同方在外融冰研究和应用方面的成果，对外融冰技术的进一步发展和应用进行了评估和预测。关键字：冰蓄冷外融冰一．引言冰蓄冷技术作为一类重要的能源利用技术，近来获得了很大发展。冰蓄冷是指在用电低谷时用电制冰并暂时蓄存在蓄冰装置中，在需要时（如用电高峰）把冷量取出来进行利用，由此可以实现对电网的“削峰填谷”，有利于降低装机容量、维持电网的安全高效运行，所以包括我国在内的许多国家都采取了各种措施以鼓励蓄能技术的发展和应用。根据制冰方式的不同，冰蓄冷可以分为静态制冰、动态制冰两大类，此外还有一些特殊的制冰方式【1】。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。这一类制冰方式包括冰盘管式、封装式等多种具体形式。动态制冰方式，该方式制冰过程中有冰晶、冰浆（iceslurry）生成，且冰晶、冰浆处于运动状态。每一种具体形式都有其本身的特点和适用的场合。外融式冰盘管蓄冷在制冰方式上属于静态制冰方式，是由冷源将乙二醇溶液、盐水溶液等栽冷剂冷却到0℃以下并送入蓄冰槽内的冰盘管与管外的水进行热交换，在管外结冰以蓄存冷量，需要时进行取用，从而蓄冷过程必须克服随厚度增加越来越大的冰层热阻。与内融冰方式在取冷时仍由管内的乙二醇溶液或盐水作栽冷剂与管外冰进行二次换热不同，外融冰方式是直接采用蓄冰槽内的水作为取冷介质送出，冰是从冰柱外表面开始向内进行融化的。其工作过程决定了外融冰方式与内融冰方式等需要二次换热的冰蓄冷形式相比，取冷效率更高，而且取冷温度更低，并可长时间保持低温取冷，使取冷过程更加平稳，并使得实现大温差低温送风成为可能；同时又比冰晶式、冰片滑落式等动态制冰技术设备的材料要求低，加工、使用、管理方便。例如一般空调用表冷器处冷冻水温度约为7℃，如果采用外融冰方式，冷冻水温度可长时间保持在1～2℃，可以更大幅度地降低送风温度，增加送回风温差，实现送风量的大幅度减少。这不但大大减少风管截面积及其占用空间，而且减少了风机、水泵、阀门等的设备容量、部件尺寸，减少材料使用和设备功耗，水路、风路的机电设备、材料的初投资和系统运行费用也都不同程度减少，达到整体上降低空调系统的费用，提高经济效益。二．外融冰蓄冷技术的发展概况1．概况与其它静态蓄冷方式如内融冰方式的发展和应用相比，目前国内外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文献资料并不很多。基于外融冰系统有很好的优点，近几年已经越来越引起人们的重视，国外在其蓄冷取冷性能方面的研究有了很大深入。由于这种蓄冷方式与其它蓄冷方式在一些方面存在相似性，因而完全可以借鉴其它蓄冷方式的研究成果或研究方法，并针对外融冰的具体特点进行研究；另一方面，也必须针对外融冰的特殊性采用一些新的研究思路，以求可以更准确、全面地了解其规律性。目前美国、日本等国家在冰蓄冷研究方面已经处于领先地位，在我国包括清华大学在内的一些大学和科研单位也做了许多工作。国内外的研究者们普遍从实验方法和数值计算模拟的方法两方面进行研究，而且经常将两类方法结合起来进行研究，特别是近期以来国外就实际使用的冰盘管蓄冷装置的热特性及蓄冷系统的性能评价进行了很多现场实测研究，用以对冰蓄冷技术进行分析与评估，同时也对实验研究及模拟分析的研究成果进行验证和评价。2．蓄冷特性的研究考察冰盘管蓄冷特性常常采用蓄冷/取冷特性曲线，即在蓄冷/取冷过程中，在冰槽进口温度、出口温度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等参数随时间的变化曲线来表示。（1）、实验（实测）研究国内外普遍利用实验、实测的方法进行盘管式冰蓄冷特性的研究。日本学者山羽基从蓄冰槽内水温分布特性方面就盘管配置、蓄冷槽下部有无搅拌等因素影响对外融冰蓄冷方式进行了较为深入的研究【2】。研究发现：有搅拌时，蓄冰槽内水温分布均匀，开始结冰时间比无搅拌时要晚一些，而总结冰时间短，管外结冰均匀一致，且蓄冷量大（相同结冰率）。无搅拌时，侧部、中央配置时，无盘管部分按照水温分层，而且蓄冰结束后，盘管上部结冰偏厚；下部、上部配置时也明显的受到水的密度随温度变化而变化的特殊性的影响。配置方式对结冰时间基本无影响，有搅拌时中央配置最短，无搅拌时上部配置短；只搅拌至结冰而后停止搅拌，与全程搅拌效果几乎相同。（2）、理论研究与模拟计算方法根据有关理论建立数学模型，而后进行计算求解，或进而进行仿真，是研究冰蓄冷问题的重要方法。美国的Abraham等人对于直接蒸发型冰盘管的蓄冷过程，在作了蓄冷过程中盘管传热系数为常数的假定下，以蓄冷过程中的压缩机做功最小化为目标函数，以蒸发温度和盘管尺寸为参量，建立了数学模型，并进行了模拟计算【3】。山羽基基于蓄冷槽的分层特点，设定垂直方向温度场为线性分布，忽略水平方向温度分布的不均匀性，根据能量平衡关系，采用有限差分法，建立了温度分层型数学模型，并对冰盘管出口温度对冷机出力的影响进行了修正，由此可以计算出槽内水温分布和制冰量【2】。课中国科学川技术大学邪方贵银根莫据蓄冷传联热过程中树的能量平绕衡关系在蔬进行了一跑系列合理朋假设基础般上建立了增非线性微柏分方程组罢，对其所炊建立的数果学模型进术行了求解怖，得到冰捧层厚度（欠蓄冷量）键与蓄冰时耐间的关系葵，并用实肠测数据进须行了验证隶【舱4婆】歪。掉粉可以看出血，目前在池对冰盘管狱蓄冷槽进矮行模拟计拣算时所建半立的数学巷模型，一佛般都从物环理、数学科的角度作杀了许多假叼定，以简帮化所研究顿的问题，徐但因此也秀不可避免共地带来了拥与实际工浮作过程的阻不一致性睛，并且每良一个模拟树方法及其员研究成果烫都只能在书一定条件援下适用冲。藏裁3西．取冷特锻性的研究挖冰盘管的皂取冷过程鸣是一个伴闯随相变的谈过程，外物融式在取效冷时，不贿会大量形励成内融式吊方式出现壮的冰圈大拴量破裂形体成浮冰的件情况，而艰是冰圈在妨主要融冰尾期间基本呜不脱离盘焦管壁，因坛而管外冰钉的变化过厌程相对简锁单；但是验另一方面才，由于从陡整体上看书水槽中的剧水体是一另个流动过掘程，因此惊温度场的忠分布极大其地受到了昼流场、相阁变、物性彼等因素的却影响，其朴变化规律删的分析又族比内融式搅的融冰过渠程复杂得谅多。国内彩外已经对售内融冰取贤冷特性开蚀展了很多薯研究，但复是外融冰或取冷特性概的有关研精究资料还营比较有限屑，还有待末于进一步劈开展工作旅，应该根核据外融冰纸取冷过程熊的特点，它借鉴内融性冰取冷特叔性的方法嫁和成果来愚进行研究塑。遇禽（钉1壮）、实验灯（实测）茅研矿究饶烂山羽基对电于外融冰走槽取冷特雅性进行了揉较为深入彩的实验研晋究岂【相2抖】。研究只发现，阿武基米德政数果A烤r某（与孔口占直径成正矛比，与速雪度的平方芬成反比）存对槽内水乎温竖直温补度分布有吧很大影响钱，欲尽可勾能长时间扫地取出低巧温水，应哪使碌A粘r掏尽可能大宪；盘管数拢量及其布惩置方式对锡取冷特性械有影响，互并思与巷A唤r羊数的大小签有关；增牢大冰盘管罗含冰率后鞋在取冷初酸期取水温痛度有所降夫低；搅拌酸可使融冰绝条件均一拜化，可削浑弱进口条磁件对取冷币温度的影非响僵。缠踢（奏2械）、理论惭研究与模肆拟计算方质法鸽批对于外融见冰槽取冷筝过程的理状论研究，盲由于存在炭相变情况茄下槽内流泥场、温度迹场及其影晌响因素的芹变化极为跨复杂，很耐难进行外极融冰特性围的准确模暴拟，往往帖需要对问惭题作出一货系列的简勿化，采用悲能量平衡耀的方法进辽行近似求卖解碎。匙效山羽基对苍于外融冰椅给出了混灭和模型迷【配2阻】。将槽是内分成完闪全混和区闷和一次扩杆散分层区吹两部分，岁对于每一登部分列出未能量平衡登关系式。懂盘管在不游同区域的泽大小对混镜和模型的纪影响以修市正系数的袜形式体现报，参照实薄验结果决薄定模型中哲的有关系涝数。求解菌模型可以亡得到有关采取冷特性知参量及其缎随时间的骗变化注。耕误美国盒的锦Jero讽ldW督.Jon恢e漂s倍等人意对误ASHR吧A努E竟提出的冰伴蓄冷设备宜模东型理RP-4威5毒9赵进行了实塑际检验，垫并提出了鞠一个更为妻简化的模抛型与之对撇比，发现冬简化模型夺更接近于紧实测结果袭，这首先骄是由促于贩RP-4功5辨9酬模型需要隶输入有关库冰蓄冷系杜统实际运混行的准确灾、实时的脂信息，否我则其计算局结果无法策达到较高宫的精度材【埋5爆】滔。送绕由于到目阶前为止，邀国际上在铸外融冰方亡面的有关男理论研究丑比较而言若还不够充笛分，为了挪进一步深妻入认识外眠融冰的取喜冷特性，劲我们仍可缘以借鉴有凑关内融冰毯的理论研表究及模拟轻分析的方顶法及其成拍果哄【幕6张】然【旦7猪】衫。山愈三．清华煌大学、清伯华同方对面外融冰技不术的研发什和应用晒冰蓄冷作装为一种关裕键技术，嘉目前国际订上一般不工给提供蓄补冷、取冷序性能曲线境等基础性宾资料和研垃究成果，井为此，我巧们有必要咱进一步加咐强有关方桑面的研究尊工作。清饮华大学与染清华同方烈充分运用包双方具有杠的人才、四科技、资微金和工程叫应用方面杆的优势联棍合进行了戴外融冰蓄宗冷技术的暂研究和产盈品开发，搂并积极应搏用于实际斧工程跃。云腾1捆．外融冰淘技术的研肥究与开发良清华大学奔多年来在扰冰盘管蓄炮冷技术方切面进行了麦持续的研欣究，并取荐得了有意仰义的成果晃。毅9核4苍级研究生梯李浩对冰骗盘管蓄冷仆过程的特语点进行了贿研究，对域影响蓄冷念特性的重落要因素如仓蓄冷流量壤、蓄冷温扫度进行了聚深入考察左，并指出例对于一定仰结构的盘胳管式蓄冰谢装置，加节快蓄冷过石程的方法献首先应从卧降低蓄冷株进口温度陡入手，而丽在一定范忌围内改变闷蓄冷流量习对蓄冷速沙率的影响维不大谨【贪8箱】隙。圈9狼6作级研究生凶杨逢君进各一步研究色了单管和棋残冰工况著的蓄冷特页性，认为跟残冰对蓄意冷过程的某影响很小焰【表9劫】。同时朗，他们在扰内融冰取功冷特性方鞠面进行了膜较深入的驻研究，其慢研究方法抬和研究成尼果有助于失对外融冰偿取冷特性植作进一步厘的实验研布究慕。稳汁为了进一蹈步开发外厕融冰技术项，由清华股大学建筑艳环境与设概备研究所和和清华同与方人环公陈司合作开斩展乞了意“敌外融冰槽掀蓄冷取冷社特性的实纯验研铜究凭”秃的研发项赞目。该项躬目组在清养华大学空荐调实验室增现有的蓄起冰实验台穿基础上经壮过改造，贩并重点对奔所躁建立50RT盗H舞方形钢盘既管蓄冷槽晃进行了取乎冷特性的纽测试研究丽。实验台烛蓄冷、取准冷部分的哭原理及温孩度、流量掩测点布置泄如旁图卫1援、味2雹所示。实趴验通过改鸦变流体流妨量、温度拒等因素以权测试其对消蓄冷、取速冷特性的毒影响。实寇验期间舰以址3信0颠秒为间隔盈记录系统藏流量、蓄谎冷槽液位酒、蓄冷槽誓入口温度贪、出口温长度、蓄冰似槽内水温棉竖直分布次状况。根描据蓄冰槽点液位判断它和控制蓄饮冷、取冷奶的进展情鼠况。通过雪测量冰槽尽内不同位随置上的水桑温，可以枪得到温度溜分布及其激随时间的塘变化规律股，以此可慌以进一步腐分析蓄冰离槽的蓄冷何取冷特性犯，进而指宜导改进外若融冰蓄冷穴系统的设蛇计和应用就。晴爸图很3辈给出了一冰个典型的盯外融冰取伞冷过程的葱特性曲线援，该次实疫验的取冷浓流量保持它在胖6m3/问h膨左右，取纸冷速率保瓣持丧在菊10R宿T脱左右，从匹而使取冷漆进出口温榴差基本保景持丈在养5迎℃径，进出口途方式为下貌进上出。乒整个取冷踢过程进行梢了挤5严小时，共齐取很出压50RT省H纤的冷量胃。纤忘实验发现头，在取冷鸭过程中冰塌的融化在泡空间上是倡不均衡的骗，下部由污于最早接伴触进口的吹温度较高碗的水而融脉化得较快辉，而上部葛较慢。当草取冷过程情结束时（各取冷出口似温度达本到神7贯℃榆），水面忧上仍旧残炭存着少量淹冰碴，这北说明在整同个取冷过备程中都存奉在着融冰甚现象。巨从监图旺3殃的取冷速结率随时间龙的变化曲担线中可以掘看出，整蛮个外融冰吧取冷过程位大体上可袄以分为两咏个阶段：怪潜冷取冷获阶段和混姻合取冷阶泼段口。痛办取冷过程犯的第一阶数段是从开瘦始取冷一扯直持续到龟大分约阶3.忙5愁小时。在答这一过程伪中，取冷绳出口温度喝从环0.饿3秤℃侄升高吼到弓2坚℃振左右，曲柴线基本保专持不变并携略有上升杠。这说明脂这一阶段梳基本上是丈进行的潜淋热取冷，锈显热取冷乡量极小。殃这种情况族主要是由侵于温度较翠高的水从岸底部的布顿水器的下刃侧以极小储的速度进泛入槽内，夜然后相当居均匀的缓握慢向上流鸽动，迅速挺与冰面附储近温度接贫近载于秃0忆℃朱的低温水快混和，并辽沿着叉排慧管束中间绝的之字形什流道向上兵流动，从炸而水温也材迅速降低仙到接茅近烈0造℃悔，这使得恼位于冰槽钳上部的取晋冷出口处汗一直保持辞在较低的愈水温。从祥而外融冰前系统可以宫长时间地亚稳定地取州出低温水压，这是外脊融冰的一弃个非常重念要的优点砌。偶喉随着取冷岂过程的进车行，管外墨冰柱的融燕化使水向某上流动的涂通道增大歇，每一根绸管外的冰坟水接触面坝积减小。仔这导致了脖较高温度喝的水需要浪经过更长汤的距离才欧能得到充掉分的降温借，并且随校着时间的粱延长流到扣上部的水码温也越来绣越高了。捐当管束间被的流道增载大到一定废程度时，块依靠融冰指带来的潜屠热已经不居足以弥补末较高温度雨的水所携杠带的热量典时，显热点所承担的合负荷迅速蔬的增加了捕，取冷过晨程也进入揉到下一阶仅段，即混枝合取冷阶啄段。此时召取冷曲线捡的斜率迅名速增加并父基本保持挠稳定。在斧这一阶段尾，潜冷取犬冷在整个燃取冷量中秆所占比例止减小，而勉显冷取冷侮增加了。亚取冷曲线弊在接近取女冷过程结易束时又略烛有降低，锁这是由于娇此时附在蜡管外的冰纪出现较多际的破裂并默上浮，一辆部分被上翁部的管滞脱留，一部避分直接上阅升到水面盏上，从而犹保持了较竹大的总冰填水交界面庄，特别是辅使得冰槽速上部保持哥了较低的谜温度水平愚，引起取吼冷出口温纹度升高的欧速率有所肝放慢瓶。弄劈研究发现沿，蓄冰槽邪进出口方丸式对其取冤冷特性有照重要影响担。在其它农条件相同烤时，上进秘下出方式梳要比上述扣的下进上淹出方式出软口温度平掩均洋高麦2颠℃笔左右，这艰是由于受雀到水的密辛度随温度释变化的规希律的影响橡。同时，幼本课题还睡对影响取嗽冷特性的翼取冷流量尤、取冷温举度、取冷缝负荷、有唉无搅拌等兼因素进行折了考查，熔有关研究客成果将另罢文发表榜。太眉2储．外融冰孙技术的实川际应用晋近年来清望华同方已细经开始积辰极推动外妈融冰蓄冷隙技术在实锐际工程中赢的应用。威目前已经谎完成的四诚川成都皇扔城老妈火吉锅城外融刺冰蓄冷工哨程就是一路个典型的抄应用实例暑。该工程宅由于是为疤火锅城服栗务的，其戒用户负荷伯与一般用壤户空调负拦荷有着很鸽大不同，洗负荷非常浸集中，主忆要在每天咱下午五六挥点钟之后均投入使用鹊，此时负检荷强度亲为怪350W盛/m的2阀，大大高笑于一般用夹户负荷。谎为此采用型了外融冰盘空调系统捡，可以充贺分利用叹其能够在万较集中的励时间内持艰续平稳地链取出低温途水的特点钱满足用户银使用要求汉，同时又兰能把制冷朱机装机容压量大幅度秘降下来，鸽节省了各厚设备部件趟的初投资淹和运行费漠用，减小界占用空间镰。同时，舰由于供水形温度的降妻低也带来富可以实现劲大温差送丰风的优势详，又进一晶步节省了李冷量输送营、换热环纷节的费用怕。由于外朽融冰取冷慢环路本身甚是开式系躁统，利用恩了火锅城跑建筑结构金方面的特舞点把外融坏冰槽安装哈在其房顶誉上。因此碗，从整体乱上看，该山工程满足郊了用户的骡使用要求泽，提高了供经济效益挪，同时达情到达了匙“俩削峰填洋谷工”窝的目的严。江携四．结论泡与建议张外融冰系峡统本身具核有很好的击优点，可温以实现长券时间稳定稳地取出低铃温水，为卡实现低温眨送风、减建小设备容安量、实现脾系统经济材高效运行牢、减少占惰用空间提愤供了技术隐可行性，雹可以满足王对电网实鬼现腿“债削峰填喂谷扇”衣、提高能爹源利用率帝的需要。艳国内外对失于冰盘管阀蓄冷过程培从理论和嫂实验两个打方面进行王了较为深菠入的研究喂，取得了雄较为成熟哲的研究成次果。但是筐在取冷特禽性方面，价目前国内象外的研究降还不够深倚入，国外似的一些研严究成果还砖往往不予恭公开，国杆内这方面岩的理论和是实验研究晋也同样需侨要进一步抵加强亦。股踢发展外融丸式冰盘管风蓄冷技术近具有重要涌的实用意呈义，有必确要对外融郑式冰盘管僵的性能特醉点进行进傲一步地研驳究，并探辈讨如何更拍好地应用岔到实际系辽统中去。舰为了进一醋步促进外鞠融冰技术晕的发展和寨应用，应尸该就以下劣几个方面慨进行更深棕入的探讨麻。纳喇1励．在下一愧步的研究脏中，有必些要进一步腊探讨冰蓄营冷技术的酸评价标准只，以对包沟括外融冰农在内的各翅种冰蓄冷压形式的特坝点及其优鸭劣进行评垄估和探讨报。毙浪2请．如同区昆域供热一少样，近几哈年来区域填供冷作为吉一种具有感发展前途脑的领域，伍其对于实芒现供冷规所模化的安朋全、高效筹、经济、奸方便地运钉行所具有山的重要意替义已经开绞始为人们再所认识。统在区域供扰冷系统中扬由于可以卡采用大制仓冷系统，套采用蓄冷钥技术无疑择是非常必存要和可行威的。基于冤外融冰方纪式所具有勒的可长时战间稳定地询提供低温炕水的特性休，在区域勿供冷系统迈中采用外何融冰方式煎有其特有劫的优势。盾而且如果机采用直接理蒸发方式辩进行蓄冷注，既省去虏了二次冷疼媒系统，依又避免了奔冷热转换巴的中间环协节，减雁少了能耗姿，并且加东工、管理扒简单，比饶其它一些史蓄冷方式射更有竞争辽力。因此女有必要在白这方面进页行前瞻性沃研究锁。鸣欢3或．另一方舌面，空调差系统小型挪化以适用起于家庭（王如供冷面躲积丸10扫0佩～座20屯0狡平方米左贺右）也是威目前空调售发展的一义个重要方永向，它不浆但可以采麦用风机盘谷管送风，普还可以采独用集中空帅调系统形纱式，后者叮在一些国派家已有了纤实用和发慎展。这种仇小型空调凭系统往往梳存在运行搭费用相对容较高的问宋题，采用寸外融冰蓄恩冷可以明敲显的节省傅运行费，概可能是一纵种较好地时解决办法锯，值得做周进一步研稳究鸟。勾牛4可．外融冰贷系统直接裂把槽内冷盯水作为栽觉冷剂输送贯到用户或士者中继换含热站，利夫用系统的士这一特点界完全可以摄把夏季蓄未冷与冬季拜水蓄热结国合起来，姨以更充分蓄地利用现狮有系统，急节约投资青，提高经腾济效益，歌还可以选霸择共用热孔泵型机组廊夏季供冷岂冬季供热康以进一步宪减少采暖键系统的投歌资。另外晚，还可以芦方便的把半蓄冰槽与蹄消防水池六结合起来蜂，降低占隙用空间。雄这是对外燕融冰蓄冷扣技术进行柿应用和推茶广的一个覆很有经济训性和现实乒性的方面果。辈参考文献惠：吹【碧1绞】张寅平施，邱国。灾冰蓄冷研膊究的现状树及展望。铁暖通空调早。绕199平7必年犯第俯2勾7峰卷租第凉6剃期楼料【假2炸】山羽基鼓。空气调粥节用蓄冷侵槽热特性岔及其设计香研究。名特古屋大学尿博士论文举。秩199粮4眯年惯排【警3领】枪Abra首ham,搁M.M决.;A炮nnam哄alai排,K.群;Cl撤arid程ge,供D.E.习Opt煎imiz绣atio葡nof彼the晓sto筑rage简pro透cess悬for芳ac贼ool童ther芝mal赴stor附age厉syst太em.浆Jo