应急避难场所蓄冷空调性能和运行策略研究

2022-04-27茅靳丰王起伟

陆军工程大学学报 2022年2期

袁丽，茅靳丰，王起伟

(陆军工程大学国防工程学院，江苏南京 210007)

蓄冷空调是应急避难场所的重要环境控制手段之一。蓄冷空调系统平时进行制冰并储存在蓄冰槽内，当避险人员进驻后需要对应急避难场所降温时，开启融冰释冷系统，利用蓄冰槽储存的冷量为应急避难场所内的空气降温除湿[1]。蓄冷空调系统设计简单[2-4]，释冷时电能消耗少，且冰安全无毒，不会对避险人员造成伤害，在矿用救生舱[5-7]和避难硐室[8-12]、防护工程应急避难室[13]、方舱[14]等应急避难场所的温湿度控制系统中应用广泛。

蓄冷空调安装在应急避难场所，平时处于日常维护状态，有险情需要时能够立即投入使用，蓄冰槽内一直要储存有足够量的冰保证避险期间的有效保障时间。而蓄冰槽内的传热状况是影响蓄冷空调运行能效的重要因素[15]。研究表明，直接蒸发式盘管蓄冰槽换热损失小，传热效率高，但是，随着蓄冷盘管外冰层的增厚，冰的热阻也随之增大，导致蓄冰槽内的换热恶化，蓄冷空调的性能系数会越来越小，也就是说随着蓄冷空调运行时间的增加，其经济性逐渐下降[16-20]。如何选择有效的蓄冷空调运行控制策略，是既保证避险时有足够的冰，又使得平时运行不致耗能过大的关键。吴磊等[21]提出一种全年不同负荷运行下的冰蓄冷空调控制策略，结果表明：采用基于全年不同负荷运行的冰蓄冷空调控制策略，增大了系统的需求响应潜力，在电网侧可以起到削峰填谷的作用，在用户侧能在保障用户用电舒适度的基础上，提高用电经济性。林建泉[22]对比分析了优化控制、逐步逻辑判断优化以及主机优先3种控制策略下小型过冷式冰蓄冷多联空调系统的经济性。王修岩等[23]提出了基于非线性多目标模型的冰蓄冷空调系统优化控制策略。孙悦等[24]对比分析了冰蓄冷空调常见运行策略，分析总结了国内外冰蓄冷空调系统优化运行控制的研究现状，并对其未来发展方向提出了建议。目前对蓄冷空调控制策略研究主要集中在传统冰蓄冷空调系统，缺少对于应急避难场所使用的蓄冷释冷一体化蓄冷空调的运行控制策略研究。

应急避难场所蓄冷空调的运行控制策略与其蓄冷过程中制冷系统的运行特性、停机保温性能、融冰释冷过程的性能以及有效保障时间密切相关，课题组成员研究了应急避难场所蓄冷空调的融冰释冷性能[25]，而未涉及蓄冷空调蓄冷过程中制冷系统的运行特性和停机保温性能的研究。本文采用试验的方法对某避难方舱内的蓄冷空调蓄冷运行特性和停机保温性能进行了研究，结合文献[25]中融冰释冷试验的结论，通过图解和理论分析的方法，得到了蓄冷空调的运行控制策略。

1 试验系统

1.1 蓄冷空调系统

如图1所示，蓄冷空调由制冷系统和释冷系统两部分组成。

图1 蓄冷装置的结构原理和实物图

制冷系统由制冷压缩机1、冷凝器和冷凝风机2、膨胀阀3和蒸发器盘管4组成，其中蒸发器盘管4放置在蓄冰槽9内，并在每组盘管的上下直管段之间安装平板状肋片，如图2所示，用来扩大换热面积，提高蓄冷和释冷的换热效率。蓄冰机组外壳内部使用20 mm聚氨酯材料(导热系数0.034 W/m·K)进行保温。蓄冷时，关闭分离式热管控制阀5，接通制冷压缩机1的电源，制冷剂在蒸发器盘管4中发生相变，通过管壁吸收蓄冰槽内水的热量，使水降温制冰，当冰体平均温度降到-5 ℃时，即认为完成了制冰。

释冷系统由分离式热管控制阀5、循环风机6、分离式热管冷凝段8、分离式热管蒸发段10组成，融冰释冷时，切断压缩机1的电源，开启循环风机6，打开分离式热管控制阀5，使热管蒸发段和冷凝段连通。应急避难场所内温湿度较高的空气流经热管蒸发段时，将热量传给热管中的制冷剂，温度降低，当温度降到空气露点以下时便有水分析出，达到除湿的目的。降温后的空气再通过系统内风道，与蓄冰槽壁面进行二次换热，温湿度进一步降低，最后由循环风机6将其从送风口7送出。热管中的制冷剂在蒸发段吸热蒸发变成气态，沿着蒸气上升管流入热管冷凝段8，被蓄冷槽内的冰冷凝成液态，经过液体下降管流回到热管蒸发段，就这样循环往复，完成将蓄冰槽内冰的冷量传递给空气。

图2 蓄冰槽内制冰融冰盘管位置图

蓄冷空调系统主要参数指标如表1所示。

表1 蓄冷空调系统主要参数指标

1.2 数据采集系统

试验过程中，使用Pt100铂电阻测量温度。分别在蓄冰槽中心位置、槽体壁面长边、短边的中间位置和两组蒸发盘管之间的中间位置，由下到上间隔300 mm布置测温点，共16个测点，如图3所示。在压缩机吸、排气管上和膨胀阀进出口管路上分别布置温度测点，记录管内制冷剂的温度变化。在蓄冷空调机组附近布置测点记录环境温度并监测冷凝器的进出风温度。采用风量罩测量风冷冷凝器的风量。压缩机的电流电压分别采用穿孔式电流变送器和电压变送器输出信号，再由联测无纸记录仪记录存储数据。通过真空压力表读取压缩机吸气、排气压力。采用人工目测的方法进行液位的测量，每30 min记录一次数据。

图3 蓄冰槽内温度测点布置图

将温度采集模块YC1013和YC1002 (模块的测温范围为-200～600 ℃，精度为0.1 ℃)串联组成一个24路的数据采集系统，通过485通讯接口，采用标准Modbus协议实现与力控组态软件的通讯，实现数据的读取、可视化和记录，数据采集记录与存储周期均设置为1 min。数据采集现场如图4所示。测量仪表及设备参数如表2所示。

图4 数据采集现场图

表2 测量仪表及设备参数

1.3 试验数据处理方法

(1)蓄冷量

蓄冷量Qw包括显热和潜热蓄冷量

Qw=mwcw(tcw-tzw)+mici(tci-tzi)+mir

(1)

式中：Qw为蓄冷量；mw、mi分别为水和冰的质量；cw、ci分别为水和冰的比热容；tcw、tzw分别为初始和终了时水的温度；tci、tzi分别为初始和终了时冰的温度；r为水的凝固潜热，其值为335 kJ/kg。

(2)压缩机输入功率

研究的蓄冷空调使用全封闭涡旋压缩机，蓄冷空调运行过程中，压缩机的输入功率可通过测量电压和流过的电流计算

(2)

式中：η为电机效率，约0.9；V为电压；A为电流。

(3)制冷系统性能系数的计算

蓄冷空调制冷系统的性能系数可使用蒸发器的换热量与压缩机输入功率的比值进行计算，蒸发器的换热量包括蓄冷量和漏冷量，由于蓄冰槽采取了保温措施，漏冷量远小于蓄冷量，并且漏冷量并不影响COP(Coefficient of performance)的变化趋势，因此本文中使用蓄冷量与压缩机输入功率的比值来计算COP

(3)

(4)剩余冰量

剩余冰量为

(4)

式中：σ为剩余冰量百分比；δi为某时刻液面变化量；δ为蓄冰结束时液面的总变化量。

剩余保障时间表达式为

式中：Δt为剩余保障时间；Vi为蓄冰结束时冰的体积；Qz为蓄冰机组制冷量。

2 蓄冷性能试验

2.1 蓄冷空调运行特性

压缩机排气压力的升高和吸气压力的降低，即压缩比的增大，会使蓄冷空调的制冷量下降，耗能增加。图5为蓄冷时机组吸排气压力和压缩比随时间的变化，由图5可知，机组开始运行后压缩比不断增大，从3.73增加到7.19，增幅达92.8%。压缩比在蓄冰前期增加较快，随后至蓄冰结束缓慢增加。这是因为在机组运行开始阶段，制冷剂在蒸发器盘管内与蓄冰槽中的水进行换热，处于显热换热阶段，传热温差比较大，盘管的换热能力强，所以压缩机吸气温度和吸气压力较高，压缩比较小。随着蓄冰槽内的水不断发生相变，由于冰层的影响盘管的换热能力逐渐下降，导致机组的制冷能力不断下降，造成排气温度和排气压力逐渐升高，吸气温度和吸气压力不断下降，压缩比不断升高。

图5 吸排气压力和压缩比随时间的变化

蓄冷过程中制冷系统的性能指标用COP表示，为单位耗功量所获得的制冷量，可用式(3)进行计算。机组COP的大小，体现了机组制冷性能的优劣。图6是蓄冷过程中机组COP随时间的变化情况。从图6可以看到，机组的COP值呈现先增加后减小的趋势，主要是因为蓄冷初期为显热蓄冷，换热温差大，水的自然对流强，换热系数较大，蓄冷功率大。当水温下降时，蒸发温度也随之下降，换热系数下降，特别是管外结冰后，冰层热阻随着其厚度的增加而逐渐增大，使换热恶化，导致蓄冷功率下降，并且越到蓄冷后期，蓄冷功率越小。在蓄冰运行前期，机组COP在3.0以上，之后逐渐减小，在540 min后降到2.0以下，800 min后甚至降到了1.0以下，此时机组运行效率很低，蓄冰运行非常不经济。

图6 机组COP随时间的变化

2.2 蓄冷过程中蓄冰率变化规律

蓄冷过程中，每隔30 min记录一次液面高度，依此来计算出蓄冰量。试验结束时，液面上升了5.7 cm，蓄冰率为87.12%，蓄冰槽内的水并未完全结冰，由此可计算出总蓄冰量为261.3 kg。

图7为蓄冷过程中蓄冰率随时间的变化曲线，从图7可以看出，蓄冷前期，蓄冰率缓慢增加，蓄冰100 min时蓄冰率为4.6%。这是因为，一方面盘管外侧冰层较薄，热阻较小，冷量能够迅速向盘管外传递，再加上由于温度分层，蓄冰槽内出现自然对流，增强了换热，使蓄冰槽内的温度趋于均匀，盘管壁面附近区域降温速度不是很快，蓄冰率增加缓慢；另一方面，蓄冷初期晶胚的形成不稳定，时聚时散，再加上水的自然对流对晶胚的破坏，所以蓄冰率的增速缓慢。

where q0is the mean density of air.The wall impedance boundary condition for a locally reacting liner can be described as follows22,23:

图7 蓄冷过程中蓄冰率随时间的变化

蓄冷中期，由于蓄冰槽内的温差减小，自然对流减弱，再加上已形成了一定量的晶胚，冰在晶胚上继续生成较容易，因此蓄冰率增速较快，蓄冷空调运行到510 min时，蓄冰率达到了67.5%。蓄冷后期，由于两列盘管间的冰层出现了搭接，冰层热阻增大，传热恶化，蓄冰率增速逐渐减慢，从510 min至750 min，蓄冰率增加了16.9%，750 min至990 min，蓄冰率仅增加了2.7%。

根据蓄冰率随时间的变化规律，用多项式拟合的方式得到蓄冰率与蓄冰时间的关系式为

式中：εx为蓄冰率；tx为蓄冷时间。

2.3 蓄冰槽保温性能试验

蓄冷结束后，关闭蓄冷空调机组，保持避难场所内环境温度18 ℃，记录蓄冰槽内各测点温度的变化以及蓄冰槽液面随时间的变化，画出变化曲线。

图8是保温期间蓄冰槽内平均温度随时间的变化规律。可以看出，蓄冰槽内的冰经历了升温—融化—升温的过程。蓄冰机组停止运行后，虽然有保温层的隔热作用，但由于蓄冰槽与外界环境存在温差，外界热量还是不断向蓄冰槽传递。从开始保温到大约156 min时，蓄冰槽中的冰处于快速升温过程，温度从零下十几度升高到0 ℃左右。156 min之后开始发生相变，部分冰融化成水，蓄冰槽内温度几乎不变。大约到7 500 min左右，蓄冰槽内的冰几乎融化完毕，槽内温度开始上升，进入水的升温过程，此时剩余冷量已经较少，保温10 260 min即171 h的时候，蓄冰槽内平均温度达到13.7 ℃，此时蓄冰槽内的冷量已剩余很少。

图8 蓄冰槽内平均温度随时间的变化

图9是蓄冰槽内的剩余冰量随时间的变化。从图9可以看出，随着时间的延长，剩余冰量下降，到7 500 min即125 h左右的时候，剩余冰量为0，冰完全融化。剩余冰量与保温时间的函数关系可以拟合为

σ=86.972 2-0.017 5tb+8.253 98×10-7tb2

(7)

式中：tb为保温时间。

图9 保温期间剩余冰量随时间的变化

3 蓄冷空调运行控制策略

蓄冷空调安装在应急避难场所，平时处于日常维护状态，有险情时需能够立即投入使用，蓄冰槽内一直要储存有足够量的冰保证避险期间的有效保障时间。由图6、7可知，在蓄冷后期蓄冷机组的COP越来越小，蓄冰率的增加速度也越来越小，也就是说，蓄冷机组在蓄冷后期运行不经济，需要研究日常维护期间的运行策略，使蓄冷机组既能够满足设计的保障时间，又能够节约能源。

课题组成员进行了隔绝生存试验和3种环境工况下(24 ℃、50%，28 ℃、55%，33 ℃、65%)的融冰释冷试验[25]，结果表明：当避险场所内有12名避险人员时，为了维持应急舱内28 ℃、55%的环境，所需冷量最低为2.5 kW。

根据热管融冰释冷量和剩余冰量，由式(5)计算出不同剩余冰量下的保障时间，得到保障时间与剩余冰量的关系如图10所示。从图10可以看出，保障时间与剩余冰量呈正比例关系，若应急避难场所设计保障时间为6 h，考虑一定的余量，所需的剩余冰量为45%。

图10 保障时间随剩余冰量的变化规律

由以上研究分析可知：蓄冰率超过75%，制冰系统COP太低；蓄冰率低于45%，不能满足应急保障时间需求。根据图6可知，蓄冷空调蓄冷运行期间，前600 min的COP都大于2.0，之后COP不断降低，并逐渐低于1.0，处于不经济运行状态。根据图7可知，600 min时蓄冰率达到了75.6%，蓄冰率由45%增加到75.6%花费的时间为242 min即约4 h。再根据图9保温期间保温时间和剩余冰量的关系可知，剩余冰量由75%降低到45%，经历了2 044 min即约34 h。由此可得出蓄冰机组的运行方案如下：蓄冰机组首次开机，或者关机时间较长蓄冰槽内的水未结冰或者冰已完全融化，机组需要至少运行600 min即10 h，使蓄冰率达到75%左右，然后即可按照图11所示的停机保温时间和再运行时间(机组蓄冰到75%以上停机后再启动运行的时间)的变化规律进行控制。比如，当蓄冷机组运行600 min停机保温840 min，若此时开机再运行127 min即可将蓄冰率达到75%左右，以保证蓄冰槽内有足够的冰量来满足生存保障时间。需要注意的是，停机保温时间不能超过2 040 min，即不能使蓄冰槽内的冰量降到45%以下，否则将造成生存保障时间不足6 h。