冰蓄冷空调系统乙二醇膨胀现象及系统保护

罗文海 管留日 朱海明

维沃移动通信有限公司

0 引言

能源紧缺及供需不平衡问题日益突出，当前国家出台了相关能源政策，确保了民生保障、市场供应，为稳定经济运行提供了良好支撑。国家发展改革委印发了《关于进一步完善分时电价机制的通知》，要求进一步完善目录分时电价机制，更好引导用户削峰填谷、改善电力供需状况、促进新能源消纳，其中“三、强化分时电价机制执行”的“（一）明确分时电价机制执行范围”提出：鼓励工商业用户通过配置储能、开展综合能源利用等方式降低高峰时段用电负荷、增加低谷用电量，通过改变用电时段来降低用电成本。《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，明确提出了积极支持用户侧储能多元化发展，鼓励聚合利用不间断电源、电动汽车、用户侧储能等分散式储能设施。

冰蓄冷作为一种储能技术，实现了夏季空调降温负荷时段性、灵活性的调节，既有利于降低用户空调系统运行成本，又有利于促进电力移峰填谷。部分学者从冰蓄冷空调系统的组成形式、运行工况、控制策略等方面进行了研究运用[1-3]，为实现冰蓄冷系统节能运行提供了实践经验。在乙二醇系统保护方面，对冰蓄冷空调系统中载冷剂乙二醇的腐蚀性机理做了深入分析探讨，提出了冰蓄冷空调系统的防护措施[4-5]。

乙二醇的物理性质决定了其受温度变化影响具有较大的热胀冷缩特性，体现在以乙二醇作为载冷剂的蓄冰空调系统运行期间管道内压力出现周期性膨胀现象。目前对乙二醇膨胀现象的研究相对较少，本文结合实际工程，对乙二醇膨胀效应进行浅析总结，供有关同行参考。

1 工程概况

以华南地区某综合楼的冰蓄冷空调系统为研究对象，由2 台双工况冷水机组、2 台蓄冰槽、3 台乙二醇泵、3 台冷冻泵、3 台冷却泵、2 台板式换热器以及2 台冷却塔组成，其中乙二醇泵和冷冻泵分别位于板式换热器的乙二醇水溶液侧和冷冻水侧。运行过程中因温度变化导致的乙二醇体积膨胀或缩小，会造成空调系统的压力过高或不足，为保证系统安全稳定运行，采用了定压补液泵加膨胀罐对该冰蓄冷空调系统进行定压补液和膨胀释压。整个冰蓄冷空调系统原理图如图1 所示。

图1 冰蓄冷空调系统原理图

冰蓄冷空调系统采用质量浓度为25%的乙二醇水溶液（以下简称乙二醇）。乙二醇主要存在于管道（图1 中粗线所示）以及蓄冰槽内，各部分乙二醇初始充装容量及占比如表1 所示。

表1 冰蓄冷空调系统乙二醇容量

2 工程运用

2.1 理论分析

冰蓄冷空调系统不运行时，管路最高点不应倒空；当冰蓄冷空调系统运行时，系统的压力最低点不应发生汽化。定压装置的定压点位于乙二醇泵入口前端位置，最低定压压力pdmin要求可表示为：

式中：ps为乙二醇最小饱和压力，Pa；ρ 为乙二醇的密度，kg/m3；h 为定压点与乙二醇管路最高点之间的高差，m；Δ匀为定压点与乙二醇泵入口之间的压损，Pa；p0为系统运行安全余量，可取0.03～0.05 MPa。

乙二醇密度随温度变化的关系可参考文献[6]，并做适当变形得到：

式中：ρ1为乙二醇温度t1时的密度，kg/m3；ρ2为乙二醇温度t2时的密度，kg/m3；0.0007 为乙二醇的热膨胀系数，1/℃。

乙二醇膨胀前后，总质量守恒：

式中：V1为乙二醇温度t1时的体积，m3；V2为乙二醇温度t2时的体积，m3。

温度变化引起的体积变化率η：

满液钢管内液体温度变化时的压力变化值Δp：

式中：Δp 为乙二醇对应温度变化Δt 时的压力变化值，Pa；β 为乙二醇水溶液膨胀系数，1/℃；β0钢材膨胀系数，1/℃；α 为乙二醇溶液压缩系数，1/Pa；Ω 为压力升高时钢管容积增大系数，1/Pa；Δt 为乙二醇溶液温度变化值，Δt=t2-t1，℃。

定压点的最低定压压力应保证系统压力在乙二醇温度最高时不小于饱和压力，Ps可取0.005 MPa。密度ρ 按系统运行乙二醇最低温度-5.6 ℃和最高温度10 ℃的平均值计算，为1043 kg/m3；h 按实际值，为3.5 m；定压点与乙二醇泵入口很近，可取Δ匀为0 Pa。根据式（1）有：Pdmin≥0.07～0.09 MPa。

根据式（2）～（4）有：η=0.91%。

查取钢管和25%浓度乙二醇水溶液的物性参数，β=0.0007，1/℃；α=0.0041，1/Pa；β0=12 ×10-6，1/℃；Ω=4.74×10-10，1/Pa。根据式（5）有：Δp=0.21 MPa。

考虑到乙二醇长期接触空气时会发生吸氧酸化反应[7]，尽量避免乙二醇与空气接触。根据计算得到的最小定压压力和温度变化引起的压力变化值，系统的理论最低运行定压压力为0.07 MPa、理论最高运行定压压力为0.30 MPa。冰蓄冷空调系统中压力最高点位于乙二醇泵出口处，其压力为水泵扬程与定压压力之和。乙二醇泵扬程为24 m，结合理论计算的最高运行定压压力，此时系统中理论压力最高点值pmax为0.54 MPa，此压力未超过设计工作压力0.60 MPa。

2.2 运行结果分析

为探究冰蓄冷空调系统运行压力随温度的变化情况，需要保证乙二醇流量基本不变或在一定变化范围内。该综合楼在过渡季节夜间和白天的空调负荷较为接近，选取3 月16 日的冰蓄冷空调系统运行数据进行分析。

图2 给出了乙二醇流量及流量偏差在一天24 h内的变化情况。可以看出，全天内乙二醇流量变化不大，流量最大值为1457 m3/h，最小值为1325 m3/h，平均值为1390 m3/h，流量偏差最大值为4.84%，偏差最小值为-4.66%，流量偏差值均不大于5%。因此，认为乙二醇流量变化范围满足探究系统运行压力变化的要求。

图2 系统乙二醇流量及偏差随时间变化图

冰蓄冷空调系统在0:00～7:40 蓄冰，在7:40～0:00融冰。结合图3 和图4 分析，在蓄冰和融冰切换时间点上，定压点乙二醇温度和系统定压点压力均急剧变化。在时刻0:00，由融冰切换至蓄冰后的第27 分钟内，乙二醇温度由8.39 ℃迅速降低至-3.71 ℃，压力则由0.33 MPa 迅速降低至0.07 MPa。在时刻7:40，由蓄冰切换至融冰后的第28 分钟内，乙二醇温度由-5.19 ℃迅速升高至9.51 ℃，压力则由0.07 MPa 迅速升高至0.36 MPa。而在蓄冰和融冰期间，定压点乙二醇温度和系统定压点压力均较为平稳，几乎没有变化。

图3 定压点乙二醇温度随时间变化图

图4 系统定压点压力随时间变化图

可以发现，定压点乙二醇温度和系统定压点压力变化基调相似。建立定压点乙二醇温度和系统定压点压力的关系散点图，并进行关系曲线拟合，如图5 所示。结果显示，定压点乙二醇温度和系统压力并非线性关系，但存在系统定压点压力随乙二醇温度升高而增大、降低而减小的规律。

图5 系统定压点压力与乙二醇温度的关系图

采用Boltzmann 方程进行关系曲线拟合可以得到较好的拟合方程：

由拟合方程可知，系统定压点压力与乙二醇温度的关系是一条关于指数e 的曲线函数。根据系统运行的最低温度-5.6 ℃、最高温度10 ℃分别算得，系统定压点最低运行压力为0.07 MPa、系统定压点最高运行压力为0.36 MPa。

由拟合曲线算得的定压点最低运行定压压力与理论值相同，但算得的系统定压点最高运行压力比理论值0.30 MPa 要大。为保障系统安全，取系统定压点最高运行压力为0.36 MPa，据此校核冰蓄冷空调系统最高压力pmax为0.60 MPa，与设计工作压力0.60 MPa相同，满足使用要求。

为防止乙二醇与空气过多接触，乙二醇定压装置的设定参数应避免反复对乙二醇补液、泄液。按启停压力间隔0.05 MPa 考虑，因此，乙二醇定压装置的补液泵开启压力设定为0.07 MPa、补液泵停止压力设定为0.12 MPa，超压泄压开启压力设定为0.36 MPa、泄压停止压力设定为0.31 MPa。

3 总结

1）对于全年运行的冰蓄冷空调系统，管道内乙二醇压力具有随蓄冰和融冰周期性变化膨胀的特点，变化周期为蓄冰与融冰时间之和。

2）在蓄冰和融冰切换时间点上，乙二醇温度和系统压力均急剧变化，温度变化最大可达14.7 ℃，压力变化最大可达0.29 MPa。而在蓄冰和融冰期间，乙二醇温度和系统压力则较为平稳，几乎没有变化。

3）系统压力和乙二醇温度并非线性关系，是一条关于乙二醇温度的指数e 的曲线函数，存在系统压力随乙二醇温度升高而增大、降低而减小的规律。根据拟合曲线计算结果，乙二醇定压装置的补液泵开启压力设定为0.07 MPa、补液泵停止压力设定为0.12 MPa，超压泄压开启压力设定为0.36 MPa、泄压停止压力设定为0.31 MPa。