[摘要]:本文给出一种家用冰蓄冷空调系统的原理、结构和设计方法, 并结合清华同方人环设备公司生产的户式空调, 进行了相应的实验研究; 检查了机组在各种工况下的运行情况, 并对家用冰蓄冷空调和常规空调在制冷量、制冷效率COP 以及过冷度等方面作以比较, 提出设计家用冰蓄冷空调的几点建议，以便提高制冷设备课题的开展。
[关键词]:家用冰蓄冷空调 蓄冷 取冷 过冷度
1. 前言
冰蓄冷作为一项成熟技术, 在大型中央空调系统中的应用越来越广泛, 它不仅使电力负荷“削峰填谷”, 提高发电设备的年利用率, 也保证制冷机组满负荷高效率运行, 降低空调系统的运行费用, 带来了显著的社会效益和经济效益，并配合我校“制冷设备的安装与管理”课题的开展，具有深远意义。但是, 随着人们生活水平的提高和全球气候变暖的影响, 小型家用空调器近几年的增长速度是相当惊人的。据统计,1995 年全国每百户城镇居民平均拥有8 台房间空调器, 到2000 年每百户城镇居民房间空调器的拥有量已达40 台; 而在部分经济发达地区, 深圳、珠海和广州, 这一比例已由1995 年的15 台/ 百户猛增至2000 年的78台/ 百。家用空调器的耗电量在总空调耗电量中也占据着相当大的份额,2000 年深圳地区为60 % , 日本的统计数据为80 % ,而且其运行特点又进一步加大了电力负荷的峰谷差异, 给电力供应造成更大的压力。本文提出将冰蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备上, 并对该冰蓄冷系统进行了全面的实验研究, 结果表明, 家用空调器配以适当的冰蓄冷系统, 能够达到提高机组出力、降低设备容量、减少运行费用的目的, 同时它起到的“削峰填谷”作用也是很可观的。
2. 实验装置和实验过程
2. 1 系统组成
家用冰蓄冷空调应具备以下特点:结构简单紧凑、蓄冷取冷方便、控制灵活有效等。图1 给出了该冰蓄冷空调的系统组成, 它将直接蒸发制冰蓄冷, 制冷剂内融冰取冷及大温差过冷有机的结合为一体, 从而大幅度提高制冷量和制冷效率。该冰蓄冷空调系统有以下三种运行工况
:
1) 蓄冷运行, 阀门V1、V2、V3 为开, 其余为关, 循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用储液器4、双阀机构5、蓄冰槽6 等部件组成;
2) 取冷供冷运行, 阀门V4、_達_⒌_pV5、V6、V7为开, 其余为关, 循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用诸液器4、蓄冰槽6、双阀机构5、蒸发器7 等部件组成;
3) 常规空调运行, 阀门V1、V4、V7 为开, 其余为关, 循环依次由压缩冷凝器
3、双阀机构5、蒸发器7 等部件组成。
1. 压缩机 2. 四通阀 3. 冷凝器4. 蓄冷用储液器 5. 双阀机构 6. 蓄冰槽 7. 蒸发器8. 气液分离器 9. 水泵 10. V1 - V7 球阀
图1 家用冰蓄冷空调系统简图机1、
2. 2 系统设计
首先分析一下家用冰蓄冷空调系统的原理, 从图2 可见:
图2 系统原理1gP - h 图
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 ℃, 过冷度为3 ℃,R22 的单位制冷量为151kJ / kg ;当利用蓄冰槽使制冷剂过冷后, 其冷凝温度会有所降低, 而过冷度却大幅度增加(可达
35 ℃以上) , 单位制冷量可达到205kJ / kg ; 比原来增加54kJ / kg , 约为35 %。系统设计的关键是蓄冰槽的设计, 它的设计思路是这样的: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。
2. 3 实验方法
本实验基于清华同方人环设备公司生产的制冷量为12kW 的户式中央空调, 增加蓄冷、取冷系统部分, 也就是说, 在取冷运行过程中, 机组提供的额定制冷量为16kW, 而不取冷时, 机组仍可提供12kW 的制冷量。同时设计白天运行时可取冷10 小时, 那么总蓄冷量为9. 8 冷吨时(127 ×103kJ ) ,蓄冰槽的尺寸为
1. 35 ×0. 6 ×0. 8m3 。在实验过程中, 针对蓄冰运行、冷机取冷供冷运行和常规空调运行三种不同方式, 利用该系统中布置的温度和压力传感器(如图1 所示) ,采集到以上三种工况的运行参数, 据此考查该冰蓄冷空调的运行情
况, 给出制冷量、性能系数COP 和过冷度, 蓄冷量和取冷量随时间的变化关系, 以及蓄冰槽内的温度分布等等, 最后得到设计家用冰蓄冷空调系统的几点建议。
3. 实验结果和分析
3. 1 机组运行情况
图3 取冷过程制冷系统的运行参数
由上图可见, 取冷运行时的蒸发温度te 平均为4 ℃, 冷凝温度tc 平均为41 ℃, 机组运行正常;
图4 蓄冷过程制冷系统的运行参数
由上图可见, 蓄冷运行时系统产生振荡, 调节膨胀阀后可得到确认, 系统振荡是由于膨胀阀特性与系统不匹配产生的, 因此, 蓄冷循环和制冷循环要使用不同的热力膨胀阀。
2 取冷供冷与常规运行结果比较
图5 取冷供冷过程与常规空调比较从上面各图的比较中, 基本上可以反应出家用冰蓄冷空调系统和常规空调之间的差别。在10 个小时的运行过程中, 取冷供冷运行制冷量平均为15. 6kW,常规空调平均为12kW, 平均增加约30 % ,性能系数COP 前者平均为3. 7 ,后者为3. 0 ,提高约0. 7 ;过冷度前者平均可达37 ℃, 而后者仅为2 ℃, 可增加约35 ℃。这些指标都进一步说明该冰蓄冷方案是十分可行的。
3. 3 蓄冷和取冷特性
首先蓄冷量和取冷量随时间基本上呈线性变化。在蓄冷过程中, 蓄冷率平均为
7. 2kW,是冷机额定制冷量12kW 的60 %;但冷机所提供的冷量并没有随冰层厚度的增加而显著减少, 这说明设计冰层厚度(20mm) 远小
于临界冰层厚度, 因此蓄冰盘管间距还可以相应增大, 从而减少盘管长度。在取冷过程中, 取冷率平均约为3. 6kW,但在取冷初期和末期较小, 因为取出的冷量为冰和水的显热, 而中期取的是冰的潜热, 这也可以从过冷度的变化中看出。实验过程中, 还记录了蓄冰槽内由上至下冰水混合物的温度分布。在蓄冷过程中, 槽内温度分布很不均匀, 存在分层现象, 这与很多有关直接蒸发蓄冰过程建模的假设不相符合, 因此以后建模时必须适当考虑这种温度不均匀性的影响。在取冷过程中, 槽内温度分层现象更加明显, 这是因为取冷运行时制冷剂和管外冰水混合物的换热温差很大, 所需换热面积远远小于蓄冷时的需要所至。
4. 结论
4. 1 采用直接蒸发制冰蓄冷, 制冷剂内融冰取冷及大温差过冷的方案, 把冰蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备上, 是行之有效的;
4. 2 蓄冷量的确定是系统设计的关键, 它关系到制冷系统的匹配运行, 系统的外形尺寸、以及初投资和运行费等技术经济问题;
4. 3 常规空调系统的膨胀阀和储液器不适用于蓄冷系统, 必须重新设计, 才能确保各种工况(蓄冷、取冷、常规供冷) 的正常运行;
4. 4 家用冰蓄冷空调系统能否被推广使用, 归根到底是用电政策方面的问题, 如果民用电也能够实行分时计价, 且峰谷电价差进一步拉大, 这必将有助于该项技术的产品化, 同时为解决电力供应高峰不足而低谷过
剩的矛盾作出很大贡献。
5. 5 同时又可提高制冷设备课题的生动灵活性，增加学生的学习兴趣，使学生学习气氛更加浓厚。
[参考文献]
1. 翟超勤等, “全国家用空调器年耗电量的估算”, 全国暖通空调制冷2000 年学术年会论文集,2000. 10
2. 刘顺波等, “冰蓄冷柜式空调器技术”, 家用电器科技,1998. 6
3. 方贵银, “直接蓄冰系统蓄冷过程动态模型研究”, 热能动力工程,1999. 3
4. 彦启森, 赵庆珠, 《冰蓄冷系统设计》, 全国蓄冷空调节能技术工程中心,1999. 7
5. 严德隆等, 《空调蓄冷应用技术》, 中国建筑工业出版社
6. 张祉祜，《制冷设备的安装与管理》，机械工业出版社，1995
电子邮箱：[email protected]
[摘要]:本文给出一种家用冰蓄冷空调系统的原理、结构和设计方法, 并结合清华同方人环设备公司生产的户式空调, 进行了相应的实验研究; 检查了机组在各种工况下的运行情况, 并对家用冰蓄冷空调和常规空调在制冷量、制冷效率COP 以及过冷度等方面作以比较, 提出设计家用冰蓄冷空调的几点建议，以便提高制冷设备课题的开展。
[关键词]:家用冰蓄冷空调 蓄冷 取冷 过冷度
1. 前言
冰蓄冷作为一项成熟技术, 在大型中央空调系统中的应用越来越广泛, 它不仅使电力负荷“削峰填谷”, 提高发电设备的年利用率, 也保证制冷机组满负荷高效率运行, 降低空调系统的运行费用, 带来了显著的社会效益和经济效益，并配合我校“制冷设备的安装与管理”课题的开展，具有深远意义。但是, 随着人们生活水平的提高和全球气候变暖的影响, 小型家用空调器近几年的增长速度是相当惊人的。据统计,1995 年全国每百户城镇居民平均拥有8 台房间空调器, 到2000 年每百户城镇居民房间空调器的拥有量已达40 台; 而在部分经济发达地区, 深圳、珠海和广州, 这一比例已由1995 年的15 台/ 百户猛增至2000 年的78台/ 百。家用空调器的耗电量在总空调耗电量中也占据着相当大的份额,2000 年深圳地区为60 % , 日本的统计数据为80 % ,而且其运行特点又进一步加大了电力负荷的峰谷差异, 给电力供应造成更大的压力。本文提出将冰蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备上, 并对该冰蓄冷系统进行了全面的实验研究, 结果表明, 家用空调器配以适当的冰蓄冷系统, 能够达到提高机组出力、降低设备容量、减少运行费用的目的, 同时它起到的“削峰填谷”作用也是很可观的。
2. 实验装置和实验过程
2. 1 系统组成
家用冰蓄冷空调应具备以下特点:结构简单紧凑、蓄冷取冷方便、控制灵活有效等。图1 给出了该冰蓄冷空调的系统组成, 它将直接蒸发制冰蓄冷, 制冷剂内融冰取冷及大温差过冷有机的结合为一体, 从而大幅度提高制冷量和制冷效率。该冰蓄冷空调系统有以下三种运行工况
:
1) 蓄冷运行, 阀门V1、V2、V3 为开, 其余为关, 循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用储液器4、双阀机构5、蓄冰槽6 等部件组成;
2) 取冷供冷运行, 阀门V4、_達_⒌_pV5、V6、V7为开, 其余为关, 循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用诸液器4、蓄冰槽6、双阀机构5、蒸发器7 等部件组成;
3) 常规空调运行, 阀门V1、V4、V7 为开, 其余为关, 循环依次由压缩冷凝器
3、双阀机构5、蒸发器7 等部件组成。
1. 压缩机 2. 四通阀 3. 冷凝器4. 蓄冷用储液器 5. 双阀机构 6. 蓄冰槽 7. 蒸发器8. 气液分离器 9. 水泵 10. V1 - V7 球阀
图1 家用冰蓄冷空调系统简图机1、
2. 2 系统设计
首先分析一下家用冰蓄冷空调系统的原理, 从图2 可见:
图2 系统原理1gP - h 图
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 ℃, 过冷度为3 ℃,R22 的单位制冷量为151kJ / kg ;当利用蓄冰槽使制冷剂过冷后, 其冷凝温度会有所降低, 而过冷度却大幅度增加(可达
35 ℃以上) , 单位制冷量可达到205kJ / kg ; 比原来增加54kJ / kg , 约为35 %。系统设计的关键是蓄冰槽的设计, 它的设计思路是这样的: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。
2. 3 实验方法
本实验基于清华同方人环设备公司生产的制冷量为12kW 的户式中央空调, 增加蓄冷、取冷系统部分, 也就是说, 在取冷运行过程中, 机组提供的额定制冷量为16kW, 而不取冷时, 机组仍可提供12kW 的制冷量。同时设计白天运行时可取冷10 小时, 那么总蓄冷量为9. 8 冷吨时(127 ×103kJ ) ,蓄冰槽的尺寸为
1. 35 ×0. 6 ×0. 8m3 。在实验过程中, 针对蓄冰运行、冷机取冷供冷运行和常规空调运行三种不同方式, 利用该系统中布置的温度和压力传感器(如图1 所示) ,采集到以上三种工况的运行参数, 据此考查该冰蓄冷空调的运行情
况, 给出制冷量、性能系数COP 和过冷度, 蓄冷量和取冷量随时间的变化关系, 以及蓄冰槽内的温度分布等等, 最后得到设计家用冰蓄冷空调系统的几点建议。
3. 实验结果和分析
3. 1 机组运行情况
图3 取冷过程制冷系统的运行参数
由上图可见, 取冷运行时的蒸发温度te 平均为4 ℃, 冷凝温度tc 平均为41 ℃, 机组运行正常;
图4 蓄冷过程制冷系统的运行参数
由上图可见, 蓄冷运行时系统产生振荡, 调节膨胀阀后可得到确认, 系统振荡是由于膨胀阀特性与系统不匹配产生的, 因此, 蓄冷循环和制冷循环要使用不同的热力膨胀阀。
2 取冷供冷与常规运行结果比较
图5 取冷供冷过程与常规空调比较从上面各图的比较中, 基本上可以反应出家用冰蓄冷空调系统和常规空调之间的差别。在10 个小时的运行过程中, 取冷供冷运行制冷量平均为15. 6kW,常规空调平均为12kW, 平均增加约30 % ,性能系数COP 前者平均为3. 7 ,后者为3. 0 ,提高约0. 7 ;过冷度前者平均可达37 ℃, 而后者仅为2 ℃, 可增加约35 ℃。这些指标都进一步说明该冰蓄冷方案是十分可行的。
3. 3 蓄冷和取冷特性
首先蓄冷量和取冷量随时间基本上呈线性变化。在蓄冷过程中, 蓄冷率平均为
7. 2kW,是冷机额定制冷量12kW 的60 %;但冷机所提供的冷量并没有随冰层厚度的增加而显著减少, 这说明设计冰层厚度(20mm) 远小
于临界冰层厚度, 因此蓄冰盘管间距还可以相应增大, 从而减少盘管长度。在取冷过程中, 取冷率平均约为3. 6kW,但在取冷初期和末期较小, 因为取出的冷量为冰和水的显热, 而中期取的是冰的潜热, 这也可以从过冷度的变化中看出。实验过程中, 还记录了蓄冰槽内由上至下冰水混合物的温度分布。在蓄冷过程中, 槽内温度分布很不均匀, 存在分层现象, 这与很多有关直接蒸发蓄冰过程建模的假设不相符合, 因此以后建模时必须适当考虑这种温度不均匀性的影响。在取冷过程中, 槽内温度分层现象更加明显, 这是因为取冷运行时制冷剂和管外冰水混合物的换热温差很大, 所需换热面积远远小于蓄冷时的需要所至。
4. 结论
4. 1 采用直接蒸发制冰蓄冷, 制冷剂内融冰取冷及大温差过冷的方案, 把冰蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备上, 是行之有效的;
4. 2 蓄冷量的确定是系统设计的关键, 它关系到制冷系统的匹配运行, 系统的外形尺寸、以及初投资和运行费等技术经济问题;
4. 3 常规空调系统的膨胀阀和储液器不适用于蓄冷系统, 必须重新设计, 才能确保各种工况(蓄冷、取冷、常规供冷) 的正常运行;
4. 4 家用冰蓄冷空调系统能否被推广使用, 归根到底是用电政策方面的问题, 如果民用电也能够实行分时计价, 且峰谷电价差进一步拉大, 这必将有助于该项技术的产品化, 同时为解决电力供应高峰不足而低谷过
剩的矛盾作出很大贡献。
5. 5 同时又可提高制冷设备课题的生动灵活性，增加学生的学习兴趣，使学生学习气氛更加浓厚。
[参考文献]
1. 翟超勤等, “全国家用空调器年耗电量的估算”, 全国暖通空调制冷2000 年学术年会论文集,2000. 10
2. 刘顺波等, “冰蓄冷柜式空调器技术”, 家用电器科技,1998. 6
3. 方贵银, “直接蓄冰系统蓄冷过程动态模型研究”, 热能动力工程,1999. 3
4. 彦启森, 赵庆珠, 《冰蓄冷系统设计》, 全国蓄冷空调节能技术工程中心,1999. 7
5. 严德隆等, 《空调蓄冷应用技术》, 中国建筑工业出版社
6. 张祉祜，《制冷设备的安装与管理》，机械工业出版社，1995
电子邮箱：[email protected]