蓄冷技术的基础知识

蓄冷技术的基础知识⑴蓄冷技术的定义蓄冷技术是一门关于低于环境温度热量的储存和应用技术，是制冷技术的补充和调节。低于环境温度的热量通常称作冷量。人们的生活和生产活动在许多时候要用到冷量，但是，有些场合缺乏制冷设备，有些时段不能使用制冷设备就需要借助蓄冷技术解决用冷需要。⑵蓄冷技术的应用场合主要用在解决制冷设备定常制冷量与用冷负荷起伏的不平衡矛盾上。⑶蓄冷技术的内容根据用户对冷量的需求选择蓄冷材料，设计蓄冷装置，实行冷量的储存和释放。一般层次的蓄冷技术 ：在已选定蓄冷材料的基础上，根据应用场合的不同，进行蓄冷量的匹配设计和蓄冷、释冷速率的计算。较深层次的蓄冷技术：蓄冷材料的探索、设计，蓄冷材料热物性测试，蓄冷、释冷过程传热特性的计算与实验。⑷蓄冷方法有显热蓄冷和相变潜热蓄冷两大类。如在蓄冷空调中的水蓄冷空调是显热蓄冷，冰蓄冷空调和优态盐水合物(PCM)是相变潜热蓄冷。蓄冷的温度受到冷源温度和用冷温度的限制，进行蓄冷工程设计和蓄冷技术的研究，一定要弄清蓄冷的特定温度范围。⑸蓄冷工程设计内容包括蓄冷负荷设计、蓄冷材料选择、蓄冷和释冷方式设计。⑹蓄冷工程设计中的主要技术参数①冷源温度、蓄冷温度、用冷温度；②比容积蓄冷量、理论最大蓄冷量、实际蓄冷量③蓄冷速率、放冷速率。1.应用背景近几年，我国电力发展很快，普遍缺电状况已得到根本改善，但随着电力消费量的增加，电网负荷在白天与深夜有很大的峰谷差的矛盾愈加突出。平衡电网负荷的方法：调节电厂发电能力或调节用户负荷。调节电厂发电能力的方法调节水电发电功率；调节火力发电机组的发电功率是困难和不经济的；核电要求供电平稳；建抽水蓄能电站，其一次性投资很大，由于水泵、电机的效率影响，储能的回收率也只60％多，蓄能成本高。例如，十三陵抽水蓄能电站，安装4台200MW机组，投资达27亿元，据测算，用它填补高峰负荷时其发电成本每千瓦时高达1.3元，为常规高峰电价的2.5倍；另外最大的问题是电网容量有限，即使电厂可以增加峰电供应，也因供电网能力的限制，对用户而言，仍然会产生高峰缺电状况。调节用户负荷的方法空调占民用电中很大的份额，用电负荷十分集中，采用蓄冷空调技术，在夜间用多余的电制冷蓄冷，在白天用储存的冷量补充空调用冷需求。蓄冷空调技术是平衡电网峰谷负荷的有效方法，它有广阔的市场前景和显著的经济效益。蓄冷空调技术的社会效益和经济效益，不仅表现在电网的峰谷平衡上，还可节省制冷主机容量、节省电力增容设备费，在夜间享受优惠电价，为用户带来效益。所以各工业发达国家均在大力开发和推广这项技术。2．蓄冷空调的基本原理⑴常规空调系统常规空调系统的原理图如图8-l(a)所示。①系统组成制冷循环子系统：包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等。制冷循环回路内流动的介质：制冷工质。供冷循环系统：包括蒸发器、循环水泵和空调换热器（即风机盘管）等。供冷管网内载冷剂：被冷却过的水。空调标准规定：流出蒸发器的供空调用的冷水温度为5-7℃，流回蒸发器的空调回水温度为12-13℃。（a）常见空调系统原理(b)空调负荷图图8-1常见空调系统原理及负荷图②空调负荷特性由于建筑围护结构的传热情况、环境气温、内部人员和发热器件的不同，使得不同场合、不同季节，不同时间的空调负荷是不同的。图8-l(b)所示的是一日内空调负荷变动示意图。③常规空调系统存在的问题1.备用容量大：通常制冷用主机满足最大空调负荷需求选择，并须留有一定备用容量（以备用户发展的需求以及制冷机组制冷能力下降时能保证正常的供冷）。2.对变动空调负荷不协调，制冷机多数情况不在满负荷下工作，工作效率不高，或有设备闲置。3.在空调负荷高峰期正是用电高峰期，电价贵。⑵蓄冷空调系统鉴于常规空调对变动空调负荷不协调，不经济，科研工作者和空调工程师提出和设计了种种蓄冷空调方案，有效地弥补了常规空调系统的不足。蓄冷空调系统基本原理图如图8-2所示。图8-2蓄冷空调系统基本原理示意图①系统组成在常规空调系统的供冷循环系统中增添了一个既与蒸发器并联，又与空调换热器并联的蓄冷槽，一个水泵和两个阀门。图8-2蓄冷空调系统基本原理示意图②供冷循环回路的循环方式（ⅰ）常规空调供冷循环：此时蓄冷槽不工作，阀1开，阀2关，水泵l、2开，制冷机直接供冷。（ⅱ）蓄冷循环：此时空调换热器不工作，阀l关，阀2开，水泵1开，水泵2关，制冷机向蓄冷槽充冷。ⅲ）联合供冷循环：此时蒸发器和蓄冷槽联合向空调换热器供冷，阀l，阀2开，水泵l、2开，此循环也称部分蓄冷空调循环。因为执行此循环时，蓄冷只是补充制冷机供冷不足部分的空调负荷。这种供冷方式是蓄冷空调遇到的大部分情况，也是以下要重点讨论的问题。（ⅳ）单蓄冷供冷循环：此时制冷机停止运行，水泵l停，阀1、2开，水泵2开，空调负荷全部由蓄冷槽的冷量来提供。此循环也称全量蓄冷空调循环。全量蓄冷空调与部分蓄冷空调在系统的设计和设备选型上是有区别的。因此，蓄冷空调的设计首先面临的是要确定采用全量蓄冷空调或是部分蓄冷空调。3．蓄冷空调设计的基本步骤①确定典型设计日的空调负荷；②选择蓄冷方式；③确定制冷主机和蓄冷装置的容量；④确定运行策略和设计系统循环流程；⑤选择配套设备；⑥计算蓄冷期和蓄冷供冷期的制冷负荷与蓄冷供冷负荷逐时运行图；⑦经济分析，求得蓄冷空调增加投资的回收期。(1)空调负荷图空调负荷一般是根据建筑物的类别按标准规范或一些经验数据来选取。夏季空调制冷系统负荷的概算指标：办公楼(全部)95~l15W／m2超高层办公楼105~145W／m2旅馆(全部)70~95W／m2旅馆中的餐厅290~350W／m2百货商店(全部)210~240W／m2医院(全部)105~130W/m2剧场(观众厅)230~350W／m2上述概算数据只能作为常规空调的制冷机容量选择和空调换热器选择的参考，不能用于蓄冷空调。蓄冷空调设计的前提：日空调负荷图、月空调负荷图。空调日负荷图：横坐标为时间轴（分24h间隔），纵坐标为空调负荷轴（用千瓦(kW)或冷吨(RT)表示）。作图方法：把每小时的空调负荷表示在空调日负荷图上即可，如图8-3所示。图8-3空调日负荷图□一蓄冷槽取冷量；■一冷机空调工况制冷量；▨一冷机蓄冷工况制冷量空调的目的：保持室内的温度和湿度在一定范围内。空调的负荷构成：室内产生的或从室外传入的热量和湿气都影响室内温度和湿度，构成空调的负荷。①室内热源产生的负荷Qin由人、灯和用电设备等构成。人体的散热和散湿量：与年龄、性别、活动情况及环境温度有关，一般来说坐着工作每人散热量约l00W，站或轻工作的约150W，一般工作或中度工作在200W以上，活动量增加所散发的热量中主要是潜热，即吐出的湿气增加。灯和电热设备散发的热量：由灯和电热设备的电功率算出。②室外热源造成的热负荷Qout由太阳直射或天空辐射穿过窗户进入室内的热量Qout,1和通过外墙、屋顶等的围护结构传入室内的热量Qout,2构成。从窗户传入的热量：与窗口朝向和太阳位置密切相关，其数量在每平方米几十至几百瓦，准确计算参考文献。对于空调房间来说，一般要求窗户在夏季有一定遮阳度，采用双层窗结构，屋内使用带反射的厚窗帘来避免太阳直射和减少室外通过玻璃窗传入室内的热量。从围护结构传入室内的实际热量：图8-4环境温度影响示意图，因为它是非稳态变边界条件的热传导问题，从围护结构传入室内的实际热量的计算十分复杂。基本的传热情况：见示意图8-4。图8-4(a)是一堵墙的传热模型，在白天从室外向室内传热，墙体内温度分布呈上凹曲线状，这是由墙壁热容影响所致，此时传入室内的热量小于稳态导热量；在晚间，室外空气降温较快，外壁对外环境散热，墙体内高温处继续向室内侧传热，墙体内温度分布呈下凸状。图8-4(b)表示墙外壁表面、墙内壁表面、室内空气的温度与室外环境温度的定性关系。墙外壁温度变化情况接近于室外环境温度的变化规律，在无太阳辐射情况下，墙外壁温度的变化略滞后于室外环境温度的变化；在有太阳辐射情况下，墙外壁温度可能高于室外环境温度；墙内壁表面的温度变化滞后于墙外壁温度的变化，滞后时间与墙的热扩散系数有关，一般来说，墙的导热能力差，热容大滞后时间就长，通常滞后时间在l-2.5h。另外，墙内壁表面温度变化的幅度远小于墙外壁温度变化的幅度，二者的变化幅值之比也与墙体情况有关，可以通过计算或实验求得。对于室内空调负荷而言，直接与墙内壁表面的温度变化相关，空调负荷的高温一般是出现在室外环境温度最高时之后l-2.5h；从室外经墙壁传入室内的平均热负荷可近似用下式算出：QOUT,2＝KF(tf-tn)(8-1)式中K--结构物(外墙或屋顶)的传热系数，W／(m2·℃)；F--结构的传热面积，m2；tn--室内空气温度，℃；tf--外墙壁当量温度，℃。外壁当量温度tf需通过详细计算后才能得到，可以认为墙外壁当量温度tf是由外环境的平均温度tOUT与当量辐射平均温度tSUN组成，用下式表示:tf＝tOUT+tSUN(8-2)当量辐射平均温度tSUN与墙的朝向、所处的纬度和太阳位置有关，竖墙的tSUN量级在3-5℃，屋顶板可高过10℃。对于蓄冷空调而言，不仅要知道平均冷负荷，还要了解变动的冷负荷，墙内壁表面温度的变化是空调负荷变动的直接因素，但它的变动与外环境温度变化成比例。因此，在不同时刻空调负荷量仍可仿式(8-1)写为：QOUT,τ＝KF(tfτ-tn)式中QOUT,τ--设计日在τ时刻经围护结构传入室内的热量，W；tn--为室内设定温度，℃；tfτ--设计日在τ时刻的当量温度，℃。tn--据设计规范或用户需求确定；tfτ可由超前Δτ2时间的室外环境温度和辐射当量温度之和近似求得，即tfτ=tτ+Δτ+tSUN,τ+Δτ(8-3)τ时刻的室外空气温度可用下式估算:tτ=tmax-ατΔtmax(8-4)式中tmax--设计日最高温度，℃；Δtmax--设计日最高气温与最低气温之差(又名日较差)，℃，见表8-1；ατ--与τ时刻有关的系数，见表8-2表8-1最高温度差(日较差)Δtmax在工程初步设计时，可以借鉴于一些统计资料作为计算指标，如表8-3。在施工设计阶段，可采用系数法根据峰值负荷估算典型设计日逐时冷负荷或典型设计日日总冷负荷。表8-4给出几种类型建筑的逐时冷负荷系数，可依此计算典型设计日逐时冷负荷。表8-3有关建筑空调房间单位面积冷负荷指标表8-4几种类型建筑的逐时冷负荷系数将室内产生和从室外传入的热量相加即可得到不同时刻的空调负荷，并作出设计日空调负荷图。并据日逐时空调负荷算出典型设计日总空调负荷Q0。(8-5)式中Qi--典型设计日的第i小时空调负荷kW·h。日空调负荷图是进行蓄冷空调设计的依据。同样根据不同月份的环境气温情况，可做出各月空调负荷图。月空调负荷图是计算空调运转费和进行蓄冷预测控制所需的资料(2)蓄冷量选择原则蓄冷空调是新技术，尚无依据标准及规范，蓄冷量选择可依据两个原则，即能量平衡原则和最佳经济效益原则。①能量平衡原则总量平衡：在一天低谷电价时间内蓄积的有效蓄冷量，应当等于日空调总负荷与空调使用期内制冷机所提供的冷量之差，即Qs＝Q0-Qd(8-6)Qs＝Q0-Qd(8-6)式中Qs--日有效蓄冷量，kW·h，Qs＝NsCOPsτsηs；Q0--日空调总负荷，kW·h，τs—日空调使用时间，h；Qd--空调使用期制冷机所提供的冷量，kW·hQd＝NdCOPdτd；τs--日低谷电价蓄冷时间，h；τd--日空调使用时间，h；ηs--蓄冷效率，与蓄冷槽热损情况有关；Ns，Nd--蓄冷制冷机和空调制冷机的电机功率，kW；COPs，COPd--蓄冷制冷机和空调制冷机的制冷系数。供冷功率与负荷平衡：在空调负荷峰值期，蓄冷设备提供冷量qsτ的能力应大于或等于峰值空调负荷q0p与空调制冷机制冷量qd之差值，即qsr＝q0p-qd(8-7)式中qop--日峰值空调负荷，kW；qd--空调期制冷机的供冷量，kW；qsr--单位时间蓄冷设备的供冷量，kW。表8-3有关建筑空调房间单位面积冷负荷指标据此原则，日有效蓄冷总量Qs为Qs＝NsηsCOPsτs(8-9)蓄冷占有率：日有效蓄冷供冷量占日空调总负荷的份额。ζ=Qs/Q0(8-10)第一最佳蓄冷占有率：根据制冷设备最充分利用原则确定的蓄冷占有率称为第一最佳蓄冷占有率。ζP1=1/(1+COPdτd/COPsτsηs)(8-11)ζP1=1/(1+COPdτd/COPsτsηs)(8-11)由式(8-11)可知，白天使用空调时间长短与蓄冷份额ζpl有密切相关，例如，C0Ps＝2，C0Pd＝3，ηs＝0.95，τs＝8，当τd＝12时，ζpl＝0.297；当τd＝8时，ζpl＝0.388，当τd＝6,ζpl＝0．458。可见，空调使用期短，蓄冷份额增大。通常，30％的蓄冷份额是经常用到的。本原则对于空调和蓄冷都用相同制冷机组的情况比较适合。(ⅱ)规定投资回收期限原则用户采用蓄冷空调可能增加初投资，但能通过夜间蓄冷期的电价优惠及节省运行费中得到好处。随各地电价政策、用户用冷需求、蓄冷空调设计方案等不同，用户回收其所增加投资的年限和在规定期内的收益是不同的。一般来说，随着当地峰谷电价差的增大和规定回收投资年限的延长，蓄冷占有率ζ增大为宜，反之，减小为宜。据此原则确定的蓄冷占有率称作第二最佳蓄冷份额，记作ζp2，由下式导出：Ms(B0-Bs)=A0-ζ(A0-As)(8-12)ζP2=[A0-ms(B0-Bs）)/(A0-As)(8-13)Ms(B0-Bs)=A0-ζ(A0-As)(8-12)ζP2=[A0-ms(B0-Bs）)/(A0-As)(8-13)式中ms--设定的回收年限，年；A0--单位日冷负荷常规空调系统制冷机组的固定费用，元／(kW·h·日-1)；As--单位日冷负荷蓄冷空调系统的制冷机和蓄冷装置的固定费用，元／(kW·h·日-1)；B0--单位日冷负荷常规空调系统的一年运行费，元／[(kW·h／日)·年]；Bs--单位日冷负荷蓄冷空调系统的一年运行费，元／[(kW·h／日)·年]。(ⅲ)空调负荷波动比原则对于在蓄冷空调的目的是用蓄冷量补偿过大的空调负荷使室温稳定的情况，在最初设计时，也可以据外环境温度波动推算空调负荷波动，从而估算所需蓄冷量。为此，定义由外环境温度变化引起的空调负荷波动量与其传入热量之比，简称随外温负荷变动比pOUT，可由下式计算：pOUT=kpΔtmax/(tf-tn)=kpΔtmax/(tOUT+tSUN-tn)(8-14)式中kp--外温负荷变动比系数；Δ