空调蓄冷技术在我国的研究进展

本文摘抄自:王宝龙,石文星,李先庭.空调蓄冷技术在我国的研究进展[J]. 暖通空调,2010,40(06):6-12. 本文仅筛选摘取部分原文,不代表原著完整内容。

空调蓄冷的主要优点包括:降低发电设备装机容量,提高发电设备平均效率,提高电网运行的安全性;降低制冷机的装机容量,提高设备的运行效率;降低用户电费支出等。

此外,利用蓄冷技术可实现将非供冷时段的自然冷能蓄存后在供冷时段使用,降低建筑供冷能耗。

空调用蓄冷方式主要可分为两种:显热蓄冷和相变蓄冷。

1)显热蓄冷(水蓄冷)

空调用显热蓄冷主要是指水蓄冷,通过水温在4 ~ 12 ℃之间的变化来蓄存显热。

水蓄冷系统在蓄冷工况和制冷机供冷工况下对制冷机的要求相差无几,所以不需要设置双工况的制冷机组,并且能够保持较高的制冷机效率。

水蓄冷系统的主要缺点是蓄冷密度小,占用空间大。水蓄冷系统应用的技术难点在于冷、温水的有效隔离,常用的隔离方式包括:自然分层式、槽组式、空槽式和隔膜式等。

2)相变蓄冷(冰蓄冷、高温相变材料蓄冷)

相变蓄冷则包括冰蓄冷和其他高温相变材料(相变温度为6 ~ 10 ℃之间)蓄冷。

由于相变过程具有等温性好、蓄冷密度大等优点,相比于水蓄冷,相变蓄冷具有更为广阔的应用前景。由于冰的相变潜热大,本身无毒性,可与冷水直接接触,因此冰蓄冷系统得以广泛的应用。国内外建成的蓄冷工程中,75 %以上采用冰蓄冷。

一、冰蓄冷

按照制冰和释冷方式的不同,空调用冰蓄冷系统可分为:冰球/冰板蓄冷系统、内融冰系统、外融冰系统和动态冰系统

1.1、冰球/冰板蓄冷系统

将去离子水或者其他具有高凝固-融化潜热的蓄能溶液注入由高密度聚合烯烃材料制成的球或者板内,并将其堆积于槽体内就构成了冰球/冰板蓄冷冰槽。冰球/冰板蓄冷系统的蓄冷和释冷均需要通过载冷剂在冰槽内的流通实现。

冰球/冰板蓄冷系统主要优点是:系统结构相对简单,易调整蓄冷容量,易隔离蓄能溶液与载冷剂。

冰球/冰板蓄冷系统主要缺点是:堆积空隙可能降低单位容积蓄冷量,球壳或者板壳增加了换热热阻,取冷过程冰与壳体的接触面积小,取冷速率低。

国内对该系统的研究多集中于单个冰球及其堆积冰槽的蓄冰和融冰特性研究。

1.2、内融冰系统

蓄冷时,将冷水机组制出的低温载冷剂送入蓄冰槽(桶)中的塑料管或金属管内,使管外的水结成冰;释冷时,将温热的载冷剂送入塑料管或金属管内取出冷量,而后通过换热器转换给冷水,这种系统形式即为内融冰系统。与冰球系统相同,其蓄冷/释冷过程均需要载冷剂参与。

内融冰系统的主要特点是:1)冰槽蓄冰率(IPF)高(对于完全冻结式,IPF >90 %);2)盘管外冻结和融冰均匀,无冻坏的危险;3)由于要经过多次换热,释冷速率受限,释冷温度(冷水)较高。

国内对于内融冰系统的研究集中在内融冰冰槽的蓄冷/释冷特性模拟和实验上。

1.3、外融冰系统

外融冰的蓄冷过程与内融冰完全相同,只是在释冷过程中通过管外水的流动实现取冷。因此,外融冰系统能获得较大的取冷速率和较低的释冷温度。

为防止管冰搭接(ice-bridging)损坏盘管并留出融冰水流通道,外融冰的蓄冰率一般小于70 %。冰槽蓄冷/取冷特性,尤其是取冷特性,是外融冰系统的重点研究内容。

对于高层建筑,开式的外融冰冰槽(一般与制冷机一起设置在地下室或者地面)直接与冷水系统连接存在冷水倒灌问题,所以需要将融冰水与冷水隔离。部分外融冰冰槽通过在冰槽内设置换热器实现两者的隔离,但增加换热器提高了冷水的温度,消弱了外融冰相对于内融冰的优势。闭式外融冰冰槽是解决这一问题的较好方法。

1.4、动态冰系统

动态冰系统是指冰在制取和融解过程中发生了空间位置变化的冰蓄冷系统形式,主要包括:冰片滑落式(热气脱冰和机械刮冰)、过冷水制冰、直接接触式制冰等。

大、中型空调系统有望采用的动态冰系统主要包括冰片滑落式和过冷水制冰等。

冰片滑落式蓄冷系统通过在板式蒸发器表面或者套筒式蒸发器内壁喷洒冷水结冰,当冰厚达到设定厚度时,采用热气脱冰或者机械刮冰方式使冰片脱落到冰槽中。

过冷水制冰则是指通过对水成分和换热器/管道表面的处理,使水在换热器中被冷却至低于凝固点时并不发生凝结,当被输送到冰槽中时,在促晶表面和过冷释放板的引导下发生部分凝结,冰堆积在冰槽中,水则返回换热器再次进行过冷制冰。

动态冰蓄冷系统的显著优点在于:制冰过程由于冰层厚度小(冰片滑落式)或者为流体(过冷水制冰),蓄冷效率高;相对于外融冰系统,可获得更大的融冰速率,取冷温度可更低;可将冰浆直接输送到用户端用于供冷,极大地降低了输配能耗。

动态冰蓄冷系统的主要缺点是:热气脱冰会融化部分冰量,整体蓄冷效率下降10 %左右,机械脱冰系统较易发生故障,冰浆稳定性和防堵塞技术有待于进一步提高。

二、高温相变蓄冷材料

由于冰的凝固点为0 ℃,所以冰蓄冷过程中制冷机的蒸发温度较低(-10 ~ -3 ℃),导致能效水平较低。同时由于制冰蓄冷工况与直接供冷工况有较大差别,所以一般需要使用双工况制冷机,增加了初投资和控制复杂性,因此,寻找、研制相变温度为6 ~ 10 ℃的相变材料成为空调蓄冷技术基础研究的另外一个重点方向。

2.1、优态盐

优态盐为传统相变材料的一种。根据成分的不同,优态盐的相变温度可以在-114 ~ 164 ℃之间调整,能满足各种范围的蓄冷蓄热要求。用于常规空调系统的优态盐一般要求其相变温度为6 ~10 ℃。常用优态盐的主要成分为十水硫酸钠,辅助成分包括NH4Cl,NH4Br和NaCl等。

优态盐蓄冷的主要特点为:1)相变温度与普通空调系统冷水温度相近,所以可使用普通冷水机组实现蓄冷;2)初次相变潜热较大,但多次循环后有较大幅度的下降;3)多次运行后存在层化现象。但随着技术的发展,性能衰减和层化问题基本得到有效解决。

优态盐在蓄冷中的应用方式基本与冰蓄冷中的冰球和冰板相似,即通过封装后放置于蓄冷槽内使用。

2.2、气体水合物

气体水合物是一种新型的蓄冷相变材料,它是一种特殊的包含化合物,其基本结构为水分子的刚性笼形晶格中包孕着一个气体分子。通过气体水合物的溶解和生成,实现冷量的释放和蓄存。

对于空调蓄冷用的气体水合物,水分子内包含的气体一般为合适的制冷剂,如HFC-134a,HFC-152a ,HCFC-141b 以及HFC-134a/HCFC-141b 和HFC-152a/HCFC-141b 的混合气体。制冷剂水合物一般能在5 ~ 12 ℃条件下形成,且结晶相变潜热大(HCFC-141b 水合物的熔解热为330 kJ/kg),同时在蓄冷、释冷过程中具有很高的传热效率(HCFC-141b 水合物的导热系数为0 .506 4 W/ (m·K)),因此是一种非常有前途的空调用蓄冷介质

2.3、水/油蓄冷材料

水/油蓄冷系统中,水作为传热流体,油(一般采用石蜡)作为相变蓄冷介质。蓄冷时,冷水流入蓄冷槽,液态石蜡也被喷入蓄冷槽并迅速凝固,由于石蜡密度比水小,石蜡颗粒漂浮在水面上;释冷时,热水与石蜡接触换热,石蜡融化同时吸收热水放出的热量,由于液态石蜡与水的密度不同,因此可方便地将水与液态石蜡分离,冷水供空调系统使用,液态石蜡回储存罐,供再次喷射使用。

空调蓄冷较常采用的石蜡为十四烷,其融点为5 .8 ℃,相变潜热为229 .1 kJ/kg 。油、水分离是影响该蓄冷技术成功与否的关键。

2.4、功能热流体

在普通传热流体中混入性能稳定的细微相变材料就构成了功能热流体。与水/油蓄冷系统相比,功能热流体将传热流体和储热流体合二为一,因此输配管路可作为蓄冷槽的一部分,同时由于流体表观比热变大,输配管道尺寸可相应减小。

按照相变材料颗粒的制作方式,功能热流体可分为:潜热型微乳剂和潜热型微封装材料。

潜热型微乳剂是在石蜡(一般为十四烷)中加入表面活性剂后制成石蜡微粒,将其混入水中构成的微乳剂,性能较为稳定。在溶液中将悬浮的细微相变材料用薄膜包裹则构成了潜热型微封装材料。

与其他高温相变蓄冷方式不同,功能热流体需要在冷量输配系统中运行,因此,长期的碰撞、摩擦和热胀冷缩有可能导致包裹的薄膜破裂,使流体黏度增加,引起输运能耗的增加和换热效率的降低。

蓄冷技术在建筑空调系统中的应用不但有助于电力需求的移峰填谷,降低发电设备和制冷机组的装机容量,提高设备的运行效率,降低用户电费支出,同时可以实现免费冷能的利用,降低建筑的空调能耗。在蓄冰槽、高温蓄冷相变材料、蓄冷负荷预测、蓄冷装置小型化、季节性蓄冷、蓄冷装置模块化、在热电冷联供领域的应用和在建筑围护结构中直接使用等方向的研究,必将推动蓄冷技术在空调领域的进一步发展。

参考资料:
[1] 王宝龙,石文星,李先庭.空调蓄冷技术在我国的研究进展[J]. 暖通空调,2010,40(06):6-12.

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