小型冰蓄冷空調(diào)研究

李 楠,曹紅奮

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海200135)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活用能的急劇增長,用電高峰與低谷差距不斷拉大,負(fù)荷率逐年下降,電網(wǎng)運(yùn)行日趨困難,資源利用不合理。蓄冷空調(diào)設(shè)備具有明顯的移峰填谷效果,因而受到政府和電力部門的鼓勵(lì)和支持,同時(shí)也因減少電費(fèi)支出而受到用戶歡迎。冰蓄冷空調(diào)技術(shù)作為蓄冷技術(shù)中發(fā)展比較成熟的一種,已在大型中央空調(diào)系統(tǒng)中有較多應(yīng)用,具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。然而在目前的家庭用電構(gòu)成中,冰箱和空調(diào)兩項(xiàng)的耗電量就占總量的85%。全國范圍內(nèi),僅家用空調(diào)一項(xiàng)年耗電量就為400億kWh以上,相當(dāng)于三峽水電站最高發(fā)電量的50%。此外,其使用時(shí)間的集中性,更加劇了電力負(fù)荷的負(fù)擔(dān)。因此開展對(duì)小型蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的研究很有必要。

2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對(duì)小型蓄冷空調(diào)設(shè)備有一定的研究,其研究主要集中在以下三個(gè)方面:

(1)蓄冷材料

方貴銀等通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)確定了一種可作為小型蓄冷空調(diào)使用的蓄冷材料,其凝固溫度為5.7～3.9℃,溶解溫度為 5.3～8.4℃,溶解熱為222.5kJ/kg[1]。劉輝等對(duì)瑞典Climator公司的名為C7的相變材料進(jìn)行了蓄放冷特性的研究,其相變溫度為7℃,相變潛熱為288.5kJ/kg[2]。

(2)整個(gè)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

趙力等建立試驗(yàn)臺(tái),對(duì)小型系統(tǒng)進(jìn)行選型匹配及初步的實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn),采集了基本數(shù)據(jù),所得到的研究成果為理論的完善提供了依據(jù)[3]。黃易等對(duì)采用制冷劑直接蒸發(fā)制冰蓄冷,內(nèi)融冰盤管式取冷及大溫差過冷方案的小型冰蓄冷空調(diào)進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)表明,與常規(guī)空調(diào)循環(huán)相比,平均制冷量提高3.12kW,COP提高了約26.9%[4]。

(3)蓄冰裝置

朱煜等人在名義蓄冷量為63.3kW的導(dǎo)熱塑料盤管蓄冰槽實(shí)驗(yàn)臺(tái)上研究了外融冰取冷動(dòng)態(tài)過程,為今后設(shè)計(jì)同時(shí)具有高蓄冰率和低出水溫度的蓄冰槽提供了參考[5]。杜艷利等人進(jìn)行了直接蒸發(fā)式內(nèi)融冰蓄冷空調(diào)的蓄冷和釋冷特性研究,發(fā)現(xiàn)直接蒸發(fā)式內(nèi)融冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)可以使空調(diào)電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移率達(dá)到23%左右[6]。

其他國家中,日本在這方面走在前列。近年來,日本BAC等5家公司聯(lián)合開發(fā)了幾種10馬力以下的小型冰蓄冷空調(diào)器,可以蓄冷5個(gè)小時(shí)。日本三菱公司研究開發(fā)出功率為0.75kW的蓄冷空調(diào)機(jī)組,其室外部分與常規(guī)空調(diào)相同,是目前世界上最小的蓄冷空調(diào)機(jī)組之一。

3 某別墅21kW冰蓄冷系統(tǒng)

別墅蓄能空調(diào)系統(tǒng),是一個(gè)小型化的獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng),在制冷方式和基本構(gòu)造上類似于中央空調(diào),與中央空調(diào)不同之處在于增加了蓄冰循環(huán)。制冷量范圍大致在7～80kW,可供面積在80～600m2的住房使用。它是介于傳統(tǒng)中央空調(diào)和家用空調(diào)器兩者之間的一種形式。

3.1 系統(tǒng)組成

對(duì)于普通家庭來說,要求小型冰蓄冷空調(diào)器簡(jiǎn)單可靠,在滿足負(fù)荷要求的同時(shí),應(yīng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、蓄冷取冷方便、控制靈活等特點(diǎn)。在參考國內(nèi)外大型冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和冰蓄冷中央空調(diào)研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合小型冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn),提出小型冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)由制冷劑系統(tǒng)、乙二醇溶液系統(tǒng)和空調(diào)水系統(tǒng)并聯(lián)而成,采用全部蓄冷策略,選取25%的乙二醇水溶液為載冷劑凍結(jié)冰。圖1給出了該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的流程圖。在該系統(tǒng)中,主機(jī)在夜間電力低谷時(shí)段運(yùn)行,將冷量以冰的形式儲(chǔ)存于蓄冰槽中;所蓄冰在白天融化,其冷量為空調(diào)系統(tǒng)冷水所用提供房間每天所需8小時(shí)冷量。

圖1 系統(tǒng)流程圖

3.2 蓄冰裝置

本系統(tǒng)重點(diǎn)為蓄冰裝置設(shè)計(jì),其它主要部件如冷凝器、蒸發(fā)器和壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)和選型時(shí)需考慮系統(tǒng)在制冰工況下運(yùn)行的特殊情況,在此基礎(chǔ)上可參考小型家用空調(diào)器設(shè)計(jì),在此不做說明。

3.2.1 確定蓄冰裝置類型

蓄冰裝置分為冰盤管式、完全凍結(jié)式、冰片滑落式、封裝式、冰晶式等。針對(duì)小型冰蓄冷空調(diào)的特點(diǎn),主要從以下幾方面進(jìn)行選擇考慮:

(1)可靠性方面

冰晶式所需的特殊介質(zhì),目前還處于研發(fā)階段,其性能不夠穩(wěn)定,可靠性欠佳,不符合小型冰蓄冷空調(diào)對(duì)可靠性的要求,因此排除冰晶式。

(2)占用空間方面

完全凍結(jié)式蓄冷空間效率最低,即同等蓄冷量下,該方式占用空間最大,不符合小型冰蓄冷空調(diào)對(duì)占用空間的要求,因此排除完全凍結(jié)式。

(3)結(jié)構(gòu)和控制方面

冰片滑落式需要機(jī)械裝置將制冷機(jī)上結(jié)到一定厚度的冰刮下,或提高制冰機(jī)表面溫度,使冰脫離制冰機(jī),由于該方式需要額外的機(jī)械裝置或在蓄冰過程中不斷切換四通換向閥,從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)不夠簡(jiǎn)單,控制不夠方便;另外該方式的制冰和蓄冰裝置分離,因而結(jié)構(gòu)不夠緊湊,因此其不符合小型冰蓄冷空調(diào)對(duì)結(jié)構(gòu)和控制的要求,故將其排除。

(4)蓄融冰方面

盤管式蓄冰裝置,分為外融冰和內(nèi)融冰兩種方式。對(duì)于外融冰系統(tǒng),因其蓄冰槽的蓄冰率 (IPF)不大于50%,故蓄冰槽容積大。同時(shí),由于蓄冰槽局部易形成永不融化的冰層,故需采取攪拌措施,以促進(jìn)冰的融化,因而又增加了額外機(jī)械能耗。而內(nèi)融冰系統(tǒng)冰層自內(nèi)向外融化時(shí),由于在盤管表面與冰層之間形成薄的水層,其導(dǎo)熱系數(shù)僅為冰的25%左右,故融冰換熱熱阻較大,影響取冷速率。另外,盤管在任何情況下不允許泄露,一旦泄露將影響整個(gè)系統(tǒng)。且安裝過程要求嚴(yán)格、流程阻力大。故而排除盤管式蓄冷裝置。

綜合考慮篩選,封裝式蓄冷裝置最符合小型冰蓄冷空調(diào)的特性需求。該形式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝工藝要求不高,不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象,可靠性高,水阻力小,換熱性能好。冰球能保證球體50年不破損,即使個(gè)別冰球損壞也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因而無論在安全可靠性和運(yùn)行可靠性方面都有絕對(duì)優(yōu)勢(shì);其蓄冰裝置可布置在室外或也可埋入地下,特別適合小型用戶對(duì)占地空間的苛刻要求。

3.2.2 蓄冰裝置設(shè)計(jì)

(1)冰球選型及蓄冰槽設(shè)計(jì)

該別墅系統(tǒng)制冷總功率為21kW,要求為住宅提供8小時(shí)冷量,則日總負(fù)荷為:

式中:

N—供冷時(shí)間,h;Q—制冷總功率,kW

采用全部蓄冷策略,夜間蓄冰,考慮蓄冷過程冷損失,若以3%計(jì),則蓄冷量為:

蓄冰溫度為:

式中:

Tct—蓄冰時(shí)蓄冰槽乙二醇進(jìn)口溫度,℃;

Tcr—蓄冰時(shí)蓄冰槽乙二醇出口溫度,℃

其平均溫為:

釋冷時(shí)進(jìn)出換熱器的乙二醇溶液溫度為 (其中供水溫度7℃/12℃,換熱器兩側(cè)溫差2℃):

式中:

Tdt—供冷時(shí)蓄冰槽乙二醇出口溫度,℃;

Tdr—供冷時(shí)蓄冰槽乙二醇進(jìn)口溫度,℃

選擇法國Cristopia公司的S00型冰球,該冰球的外殼由高密度聚乙烯材料制成,內(nèi)注具有高凝固融化潛熱性的蓄冷溶液,其直徑為77mm,每立方米可堆放2550個(gè)冰球。其性能參數(shù)如表1。

表1 S00型冰球技術(shù)性能參數(shù)

按照產(chǎn)品樣本,該冰球蓄能密度D可按下式計(jì)算:

式中:

d1—冰球的相變潛熱密度,kWh/m3;

d2—冰球的液相顯熱蓄熱密度,kWh/(m3·K);

d3—冰球的固相顯熱蓄冷密度,kWh/(m3·K);

t0—冰球相變溫度,℃蓄冰槽必要容積為:

由于每立方米可堆放2550個(gè)冰球,因此共需該型號(hào)冰球個(gè)數(shù)為7832個(gè)。

圖2 冰球結(jié)構(gòu)圖

蓄冰槽體積為:

根據(jù)安裝場(chǎng)地的實(shí)際情況,選用立式結(jié)構(gòu),直徑定為R=1500 mm,則高度為:

(2)保溫層設(shè)計(jì):

已知當(dāng)?shù)叵募咀罡邷囟?5℃,空氣露點(diǎn)溫度28.2℃。設(shè)計(jì)隔熱層厚度時(shí),需限定隔熱結(jié)構(gòu)外表面的最低溫度,取保溫層外表面最低溫度為29.2℃,使其高于環(huán)境空氣露點(diǎn)溫度1℃,以免外表面產(chǎn)生凝露現(xiàn)象。按最大溫差計(jì)算,蓄冰槽內(nèi)最低溫度為蓄冰時(shí)蓄冰槽進(jìn)口處乙二醇溫度-5℃,則最大溫差為:

由前知,冷損為3%,則損失的熱流量為:

選取聚苯乙烯泡沫塑料為保溫材料,其導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.042W/(m·K),設(shè) δ為保溫層厚度,由于δ?R,因此換熱面積近似為:

由導(dǎo)熱傅里葉定律:

代入數(shù)據(jù),得 δ=0.027m。

保溫層外表面最低溫度為29.2℃,夏季室外空氣最高溫度為45℃,則此時(shí)溫差為:

空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)為h=9.5W/(m2·K),可得蓄冷槽外表面與空氣的熱流量為:

因此,保溫層厚度 δ=0.027m,滿足要求。

綜上,蓄冰槽的外形尺寸:直徑R=1500mm,高度H=1.71m,制作材料為1mm厚的鍍鋅鐵板。蓄冰槽外保溫材料聚苯乙烯泡沫塑料的厚度為 δ=0.027m。冰球外形對(duì)稱,在蓄冰槽成包裝排列,且注意要密集堆放,防止載冷劑從自由水面或無球空間通過。為防止流體在蓄冰槽中發(fā)生短路而引起換熱性能下降,在蓄冰槽的進(jìn)、出口均設(shè)勻化格柵,使流體在蓄冰槽內(nèi)流速均勻。

圖3 蓄冰槽示意圖

蓄冰槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

4 目前遇到的一些問題

4.1 技術(shù)問題

首先,本系統(tǒng)每日所需冷量需要制冷機(jī)在夜間運(yùn)轉(zhuǎn)提供,因此夜間運(yùn)行的噪聲就需要進(jìn)行較好的控制;其次,由于增加了蓄冰裝置,如何使蓄冰裝置小型化以最大限度減小占用額外空間,需要進(jìn)一步探討;另外,有關(guān)相變溫度高、傳熱速率快、儲(chǔ)熱密度大的蓄冷工質(zhì)的研發(fā)也是影響蓄冷技術(shù)發(fā)展的重要因素。此外,為了更好的增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力,如何把已取得的負(fù)荷預(yù)測(cè)及優(yōu)化控制的研究成果與小型家用蓄冷空調(diào)實(shí)際工程相結(jié)合,仍需要做很多工作。最后,考慮將蓄冰裝置模塊化,將制冷機(jī)組、蓄冰槽及其它重要部件的選型、容量配置和安裝在生產(chǎn)工廠一次完成,這不僅有利于降低蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝難度,而且在很大程度上可以提高冰蓄冷系統(tǒng)的整體性能。

4.2 推廣障礙

首先,推廣冰蓄冷空調(diào)的關(guān)鍵是峰谷電價(jià)比至少應(yīng)為3∶1,目前只有部分省份達(dá)到,如福建省為3.5∶1,因此,應(yīng)該在全國范圍內(nèi)建立完善的鼓勵(lì)低谷用電的優(yōu)惠政策。其次,通常在不計(jì)電力增容費(fèi)的前提下,其一次性投資比常規(guī)空調(diào)大。最后,由于諸多原因蓄冷空調(diào)工程經(jīng)濟(jì)比較分析和設(shè)計(jì)與調(diào)試要比常規(guī)空調(diào)工程復(fù)雜很多,而這也是影響推廣應(yīng)用的重要因素。

5 結(jié)束語

本文簡(jiǎn)要介紹了小型冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的原理組成,通過實(shí)例分析探討了蓄冰槽的選型設(shè)計(jì),希望能為后續(xù)相關(guān)的研究提供參考。假如上述諸多技術(shù)及推廣障礙得到較好解決,則小型冰蓄冷空調(diào)將會(huì)在移峰填谷、提高能源利用率、減少用戶運(yùn)行費(fèi)用、保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮其獨(dú)特的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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