关于小型冰蓄冷空调的探讨

摘要: 随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高 ,城镇用电量不断的增加,电力峰谷差不断的扩大 ,特别是第三产业的发展和居民空调的普及 ,加剧了供电的峰谷矛盾。冰蓄冷空调技术具有明显的移峰填谷效果 ,因而受到政府和电力部门的鼓励和支持 ,同时也因减少电费支出而受到用户的青睐。本文介绍了小型冰蓄冷空调的发展前景概况, 从技术角度阐述了家用冰蓄冷空调系统的组成、原理与蓄冰槽设计方法, 并提出了完善系统的有关设想。

关键词: 冰蓄冷；小型空调；蓄冰槽；技术

中图分类号： TU831.3+7文献标识码： A

1、小型冰蓄冷系统简介

1.1.1 小型冰蓄冷空调发展前景

中国已经成为世界上电力消费第二大国, 造成电力紧张的诸多原因中, 居民家庭电器用电, 特别是空调用电的大幅度增长不可忽视。随着人们生活水平的提高及空调技术的发展, 小型家用空调器已经走进了千家万户。冰箱和空调两项的耗电量, 就占家庭用电的85%。仅家用空调一项年耗电量就为400 亿kWh 以上, 相当于三峡水电站最高发电量的50% , 超过电网负荷的30%。

家用空调使用时间的集中性更加重了电力负荷的负担。如果能把蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备上, 它们所起到的移峰填谷作用将是很可观的。冰蓄冷空调技术的发展日益成熟, 其在大型中央空调系统中的“削峰填谷”作用已经得到人们的广泛认同。由于电力的发展已远跟不上用电负荷的增长, 因此对适宜于家用的小型蓄冷空调的需求也应运而生, 开展对小型蓄冷空调系统的研究很有必要。

2、系统组成、原理与蓄冰槽设计

2.1.1 系统组成及运行工况

与常规空调相比该系统增加了蓄冰槽、蓄冷用储液器以及相应的转换阀门; 在大型冰蓄冷系统中, 所蓄冰在白天直接融化, 其冷量为空调系统冷水所用; 而在小型冰蓄冷系统中, 所蓄冷量在白天空调工况运行时对制冷剂进行过冷，以达到提高制冷系数的作用。小型冰蓄冷空调应具备结构简单紧凑、蓄冷取冷方便、控制灵活等特点。图1 给出了该冰蓄冷空调的原理图，该系统采用直接蒸发制冰蓄冷, 制冷剂内融冰取冷及大温差过冷有机地结合为一体, 从而大幅度提高了制冷量和制冷性能系数COP。

1—压缩机2—冷凝器3— 储液器

4—膨胀阀5— 蓄冰槽6— 蒸发器

蓄冷运行: K1、K4、K5 开; 取冷供冷运行: k2、

K3、K6、K7 开; 常规空调运行: K1、K6、K7 开

图 1 小型冰蓄冷原理图

冷凝器出口的高温制冷剂通入蓄冷槽内。由于蓄冰槽释放的冷量对制冷剂的过冷却作用, 制冷剂进入蒸发器的过冷度大幅度增加, 提高了循环冷量及循环COP, 同时也使压缩机的排气压力减低, 耗电量减少, 较好的起到了移峰填谷的作用。另一方面, 当冷凝器结构一定时, 受夏季炎热高温的室外环境影响, 少量制冷剂气体未完全冷凝成液体, 致使其冷凝压力适当升高。由于增加过冷器后, 这部分气体全部冷凝成液体, 并使所有冷凝器内液体在节流前成为过冷液体, 从而有效改善了制冷效果。

如图2所示, 常规空调机组在标准运行工况下蒸发温度为2℃ , 过热度为5℃, 冷凝温度为50℃,

图 2 制冷剂 R22 系统原理 lgP- h图

过冷度为3℃ , R22 的单位制冷量为151 kJ/ kg; 采用冰蓄冷系统时, 其冷凝温度会有所降低, 蓄冰槽所释放的冷量可使制冷剂过冷, 其过冷度大幅度增加 (可达35℃以上) , 单位制冷量可达到 205 kJ/kg, 比原来增加54kJ/kg, 约为35%。

2.1.3蓄冰装置

蓄冰槽形式按装置结构分为盘管式、封装式、冰片滑落式和冰晶式等几种形式。其中, 盘管式按融冰方式分为内融冰式和外融冰式。对于冰片滑落式和冰晶式, 制冰和融冰不在同一装置进行, 因而成为动态制冰。从我国蓄冷空调工程的应用情况来看, 内融盘管式和封装冰球式应用较多, 冰晶式和制冰滑落式 (动态制冰装置) 相对较少。

冰蓄冷系统设计的关键是蓄冰槽设计。以盘管式蓄冰形式为例, 首先确定系统白天运行时需取冷的小时数, 根据大温差过冷多提供35%制冷量这一指标, 得到系统的总蓄冷量和蓄冰量; 然后建立直接蒸发蓄冰过程的传热模型, 据此算出蓄冰盘管的尺寸和长度, 合理设计蓄冰槽形状和布置蓄冰盘

管;最后匹配设计其它部件,诸如储液器、膨胀阀等。

蓄冰盘管有蛇形、螺旋形、U 型立式等形式。

一般蛇形、U 型立式盘管通常与箱体相匹配, 螺旋形与罐体相匹配。为实现紧凑、低价及高充冰率的要求, 蓄冷单元的热交换器采用直接膨胀式结冰盘管。系统采用直接蒸发式制冰蓄冷, 选择盘管内融冰式蓄冰槽, 优化设计合适的管径、管间距、管路数和恰当的结冰厚度, 其充冷温度一般为- 3~ - 6℃, 放冷温度一般为 1~ 3℃ , 结冰率通常在50%以上, 最高可达70% 。

由于机组每天的负荷随室外气象条件, 室内人员、设备工作情况等有所变化, 所以夜间开始蓄冷时, 蓄冷单元内会不同程度地存在着残冰。残冰量代表着剩余蓄冷量, 由残冰量可计算出需要增加的蓄冷量, 从而决定蓄冷运行时间。因此可考虑对蓄冷量的优化控制以减少蓄冷运行时间和能耗, 进一步显出蓄冷空调的优越性。

3、若干问题探讨

3.1.1 需解决的相关技术问题

冰蓄冷空调机与同容量的常规空调机相比, 压缩机功率有所减小, 这有利于降低其白天运行噪声。但是, 冰蓄冷机组的夜间制冰蓄冷又增加了机组的夜间运行时间, 所以设计时要全面考虑运转噪声问题。

蓄冷介质的研究开发应该为冰蓄冷的应用提供良好的技术支持, 选用相变温度高、传热速率快、储热密度大、体积小的优质蓄冷介质仍困扰着国内外专家。

由于蓄冷空调比常规空调增加了蓄冷装置, 因此会占用一部分额外空间。在运用小型蓄冷装置时, 为充分利用冷量而通常将蓄冷槽置于室内。如何减小室内机体积也是有待进一步探讨的问题。

3.1.2负荷预测控制

设备、流程以及运行方式、控制策略的确定直接影响系统的初投资和运行费用, 这也是确定冰蓄冷空调系统方案的重要一步。冰蓄冷的控制问题一直是大家研究关注的焦点, 目前, 国内外在负荷预测及优化控制方面已经取得了较多的研究成果, 但在如何使之与工程应用相结合方面, 仍有很多实际工作要做。在此基础上, 小型冰蓄冷空调出于节能考虑, 也应着手研究住宅类建筑物空调负荷预测及基于负荷预测的优化控制方法, 以取得更好的社会及用户经济效益。

3.1.3冷凝热回收

冷凝热的排放使周围环境温度上升, 冷凝压力提高, 机组的COP值下降, 空调机效率降低。考虑将冷凝热的全部或部分回收, 用于加热生活热水, 则不但可以减少家用空调的热污染, 节约能源, 而且可以减少用户使用生活热水的费用, 达到一举两得的目的。但目前该技术还尚未应用于冰蓄冷家用空调中, 有待进一步研究开发。

4、小结

小型冰蓄冷系统可以起到较好的削峰填谷作用, 并提高质量制冷循环效率。冰蓄冷空调的小型化具有广泛的发展前景和巨大的社会效益及经济效益。在全国范围内, 应该建立完善鼓励低谷用电的优惠政策, 推广并支持户型冰蓄冷技术的开发规划, 进一步研究解决噪声控制、负荷预测、热回收等技术问题,加快小型冰蓄冷空调系统的应用进程。

参考文献

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