小型冰蓄冷空调研究

2012-06-19曹红奋

制冷 2012年2期

李楠,曹红奋

(上海海事大学商船学院,上海200135)

1 引言

随着国民经济的快速发展和人民生活用能的急剧增长,用电高峰与低谷差距不断拉大,负荷率逐年下降,电网运行日趋困难,资源利用不合理。蓄冷空调设备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欢迎。冰蓄冷空调技术作为蓄冷技术中发展比较成熟的一种,已在大型中央空调系统中有较多应用,具有显著的社会和经济效益。然而在目前的家庭用电构成中,冰箱和空调两项的耗电量就占总量的85%。全国范围内,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%。此外,其使用时间的集中性,更加剧了电力负荷的负担。因此开展对小型蓄冷空调系统的研究很有必要。

2 国内外技术发展现状

目前国内对小型蓄冷空调设备有一定的研究,其研究主要集中在以下三个方面:

(1)蓄冷材料

方贵银等通过相关实验确定了一种可作为小型蓄冷空调使用的蓄冷材料,其凝固温度为5.7～3.9℃,溶解温度为 5.3～8.4℃,溶解热为222.5kJ/kg[1]。刘辉等对瑞典Climator公司的名为C7的相变材料进行了蓄放冷特性的研究,其相变温度为7℃,相变潜热为288.5kJ/kg[2]。

(2)整个系统的试验研究

赵力等建立试验台,对小型系统进行选型匹配及初步的实际运行实验,采集了基本数据,所得到的研究成果为理论的完善提供了依据[3]。黄易等对采用制冷剂直接蒸发制冰蓄冷,内融冰盘管式取冷及大温差过冷方案的小型冰蓄冷空调进行研究,实验表明,与常规空调循环相比,平均制冷量提高3.12kW,COP提高了约26.9%[4]。

(3)蓄冰装置

朱煜等人在名义蓄冷量为63.3kW的导热塑料盘管蓄冰槽实验台上研究了外融冰取冷动态过程,为今后设计同时具有高蓄冰率和低出水温度的蓄冰槽提供了参考[5]。杜艳利等人进行了直接蒸发式内融冰蓄冷空调的蓄冷和释冷特性研究,发现直接蒸发式内融冰蓄冷空调系统可以使空调电力负荷转移率达到23%左右[6]。

其他国家中,日本在这方面走在前列。近年来,日本BAC等5家公司联合开发了几种10马力以下的小型冰蓄冷空调器,可以蓄冷5个小时。日本三菱公司研究开发出功率为0.75kW的蓄冷空调机组,其室外部分与常规空调相同,是目前世界上最小的蓄冷空调机组之一。

3 某别墅21kW冰蓄冷系统

别墅蓄能空调系统,是一个小型化的独立空调系统,在制冷方式和基本构造上类似于中央空调,与中央空调不同之处在于增加了蓄冰循环。制冷量范围大致在7～80kW,可供面积在80～600m2的住房使用。它是介于传统中央空调和家用空调器两者之间的一种形式。

3.1 系统组成

对于普通家庭来说,要求小型冰蓄冷空调器简单可靠,在满足负荷要求的同时,应具备结构简单紧凑、蓄冷取冷方便、控制灵活等特点。在参考国内外大型冰蓄冷空调系统和冰蓄冷中央空调研究成果的基础上,结合小型冰蓄冷空调系统的特点,提出小型冰蓄冷空调系统的方案。该系统由制冷剂系统、乙二醇溶液系统和空调水系统并联而成,采用全部蓄冷策略,选取25%的乙二醇水溶液为载冷剂冻结冰。图1给出了该冰蓄冷空调系统的流程图。在该系统中,主机在夜间电力低谷时段运行,将冷量以冰的形式储存于蓄冰槽中;所蓄冰在白天融化,其冷量为空调系统冷水所用提供房间每天所需8小时冷量。

图1 系统流程图

3.2 蓄冰装置

本系统重点为蓄冰装置设计,其它主要部件如冷凝器、蒸发器和压缩机在设计和选型时需考虑系统在制冰工况下运行的特殊情况,在此基础上可参考小型家用空调器设计,在此不做说明。

3.2.1 确定蓄冰装置类型

蓄冰装置分为冰盘管式、完全冻结式、冰片滑落式、封装式、冰晶式等。针对小型冰蓄冷空调的特点,主要从以下几方面进行选择考虑:

(1)可靠性方面

冰晶式所需的特殊介质,目前还处于研发阶段,其性能不够稳定,可靠性欠佳,不符合小型冰蓄冷空调对可靠性的要求,因此排除冰晶式。

(2)占用空间方面

完全冻结式蓄冷空间效率最低,即同等蓄冷量下,该方式占用空间最大,不符合小型冰蓄冷空调对占用空间的要求,因此排除完全冻结式。

(3)结构和控制方面

冰片滑落式需要机械装置将制冷机上结到一定厚度的冰刮下,或提高制冰机表面温度,使冰脱离制冰机,由于该方式需要额外的机械装置或在蓄冰过程中不断切换四通换向阀,从而导致其结构不够简单,控制不够方便;另外该方式的制冰和蓄冰装置分离,因而结构不够紧凑,因此其不符合小型冰蓄冷空调对结构和控制的要求,故将其排除。

(4)蓄融冰方面

盘管式蓄冰装置,分为外融冰和内融冰两种方式。对于外融冰系统,因其蓄冰槽的蓄冰率 (IPF)不大于50%,故蓄冰槽容积大。同时,由于蓄冰槽局部易形成永不融化的冰层,故需采取搅拌措施,以促进冰的融化,因而又增加了额外机械能耗。而内融冰系统冰层自内向外融化时,由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层,其导热系数仅为冰的25%左右,故融冰换热热阻较大,影响取冷速率。另外,盘管在任何情况下不允许泄露,一旦泄露将影响整个系统。且安装过程要求严格、流程阻力大。故而排除盘管式蓄冷装置。

综合考虑筛选,封装式蓄冷装置最符合小型冰蓄冷空调的特性需求。该形式的特点是结构简单,安装工艺要求不高,不会发生堵塞现象,可靠性高,水阻力小,换热性能好。冰球能保证球体50年不破损,即使个别冰球损坏也不会影响整个系统的正常运行。因而无论在安全可靠性和运行可靠性方面都有绝对优势;其蓄冰装置可布置在室外或也可埋入地下,特别适合小型用户对占地空间的苛刻要求。

3.2.2 蓄冰装置设计

(1)冰球选型及蓄冰槽设计

该别墅系统制冷总功率为21kW,要求为住宅提供8小时冷量,则日总负荷为:

式中:

N—供冷时间,h;Q—制冷总功率,kW

采用全部蓄冷策略,夜间蓄冰,考虑蓄冷过程冷损失,若以3%计,则蓄冷量为:

蓄冰温度为:

式中:

Tct—蓄冰时蓄冰槽乙二醇进口温度,℃;

Tcr—蓄冰时蓄冰槽乙二醇出口温度,℃

其平均温为:

释冷时进出换热器的乙二醇溶液温度为 (其中供水温度7℃/12℃,换热器两侧温差2℃):

式中:

Tdt—供冷时蓄冰槽乙二醇出口温度,℃;

Tdr—供冷时蓄冰槽乙二醇进口温度,℃

选择法国Cristopia公司的S00型冰球,该冰球的外壳由高密度聚乙烯材料制成,内注具有高凝固融化潜热性的蓄冷溶液,其直径为77mm,每立方米可堆放2550个冰球。其性能参数如表1。

表1 S00型冰球技术性能参数

按照产品样本,该冰球蓄能密度D可按下式计算:

式中:

d1—冰球的相变潜热密度,kWh/m3;

d2—冰球的液相显热蓄热密度,kWh/(m3·K);

d3—冰球的固相显热蓄冷密度,kWh/(m3·K);

t0—冰球相变温度,℃蓄冰槽必要容积为:

由于每立方米可堆放2550个冰球,因此共需该型号冰球个数为7832个。

图2 冰球结构图

蓄冰槽体积为:

根据安装场地的实际情况,选用立式结构,直径定为R=1500 mm,则高度为:

(2)保温层设计:

已知当地夏季最高温度45℃,空气露点温度28.2℃。设计隔热层厚度时,需限定隔热结构外表面的最低温度,取保温层外表面最低温度为29.2℃,使其高于环境空气露点温度1℃,以免外表面产生凝露现象。按最大温差计算,蓄冰槽内最低温度为蓄冰时蓄冰槽进口处乙二醇温度-5℃,则最大温差为:

由前知,冷损为3%,则损失的热流量为:

选取聚苯乙烯泡沫塑料为保温材料,其导热系数λ=0.042W/(m·K),设 δ为保温层厚度,由于δ≪R,因此换热面积近似为:

由导热傅里叶定律:

代入数据,得 δ=0.027m。

保温层外表面最低温度为29.2℃,夏季室外空气最高温度为45℃,则此时温差为:

空气的对流传热系数为h=9.5W/(m2·K),可得蓄冷槽外表面与空气的热流量为:

因此,保温层厚度 δ=0.027m,满足要求。

综上,蓄冰槽的外形尺寸:直径R=1500mm,高度H=1.71m,制作材料为1mm厚的镀锌铁板。蓄冰槽外保温材料聚苯乙烯泡沫塑料的厚度为 δ=0.027m。冰球外形对称,在蓄冰槽成包装排列,且注意要密集堆放,防止载冷剂从自由水面或无球空间通过。为防止流体在蓄冰槽中发生短路而引起换热性能下降,在蓄冰槽的进、出口均设匀化格栅,使流体在蓄冰槽内流速均匀。

图3 蓄冰槽示意图

蓄冰槽结构示意图如图3。

4 目前遇到的一些问题

4.1 技术问题

首先,本系统每日所需冷量需要制冷机在夜间运转提供,因此夜间运行的噪声就需要进行较好的控制;其次,由于增加了蓄冰装置,如何使蓄冰装置小型化以最大限度减小占用额外空间,需要进一步探讨;另外,有关相变温度高、传热速率快、储热密度大的蓄冷工质的研发也是影响蓄冷技术发展的重要因素。此外,为了更好的增强竞争力,如何把已取得的负荷预测及优化控制的研究成果与小型家用蓄冷空调实际工程相结合,仍需要做很多工作。最后,考虑将蓄冰装置模块化,将制冷机组、蓄冰槽及其它重要部件的选型、容量配置和安装在生产工厂一次完成,这不仅有利于降低蓄冷系统设计和安装难度,而且在很大程度上可以提高冰蓄冷系统的整体性能。

4.2 推广障碍

首先,推广冰蓄冷空调的关键是峰谷电价比至少应为3∶1,目前只有部分省份达到,如福建省为3.5∶1,因此,应该在全国范围内建立完善的鼓励低谷用电的优惠政策。其次,通常在不计电力增容费的前提下,其一次性投资比常规空调大。最后,由于诸多原因蓄冷空调工程经济比较分析和设计与调试要比常规空调工程复杂很多,而这也是影响推广应用的重要因素。