外融冰蓄冷系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及工程應(yīng)用

外融冰蓄冷系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及工程應(yīng)用

簡介：本文介紹了外融冰蓄冷系統(tǒng)的技術(shù)特點和作用，說明了了目前國內(nèi)外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，總結(jié)了清華大學(xué)和清華同方在外融冰研究和應(yīng)用方面的成果，對外融冰技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用進行了評估和預(yù)測。

關(guān)鍵字：冰蓄冷外融冰

一．引言

冰蓄冷技術(shù)作為一類重要的能源利用技術(shù)，近來獲得了很大發(fā)展。冰蓄冷是指在用電低谷時用電制冰并暫時蓄存在蓄冰裝置中，在需要時把冷量取出來進行利用，由此可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的“削峰填谷”，有利于降低裝機容量、維持電網(wǎng)的安全高效運行，所以包括我國在內(nèi)的許多國家都采取了各種措施以鼓勵蓄能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

根據(jù)制冰方式的不同，冰蓄冷可以分為靜態(tài)制冰、動態(tài)制冰兩大類，此外還有一些特殊的制冰方式【1】。靜態(tài)制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內(nèi)結(jié)冰，冰本身始終處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。這一類制冰方式包括冰盤管式、封裝式等多種具體形式。動態(tài)制冰方式，該方式制冰過程中有冰晶、冰漿生成，且冰晶、冰漿處于運動狀態(tài)。每一種具體形式都有其本身的特點和適用的場合。

外融式冰盤管蓄冷在制冰方式上屬于靜態(tài)制冰方式，是由冷源將乙二醇溶液、鹽水溶液等栽冷劑冷卻到0℃以下并送入蓄冰槽內(nèi)的冰盤管與管外的水進行熱交換，在管外結(jié)冰以蓄存冷量，需要時進行取用，從而蓄冷過程必須克服隨厚度增加越來越大的冰層熱阻。與內(nèi)融冰方式在取冷時仍由管內(nèi)的乙二醇溶液或鹽水作栽冷劑與管外冰進行二次換熱不同，外融冰方式是直接采用蓄冰槽內(nèi)的水作為取冷介質(zhì)送出，冰是從冰柱外表面開始向內(nèi)進行融化的。其工作過程決定了外融冰方式與內(nèi)融冰方式等需要二次換熱的冰蓄冷形式相比，取冷效率更高，而且取冷溫度更低，并可長時間保持低溫取冷，使取冷過程更加平穩(wěn)，并使得實現(xiàn)大溫差低溫送風(fēng)成為可能；同時又比冰晶式、冰片滑落式等動態(tài)制冰技術(shù)設(shè)備的材料要求低，加工、使用、管理方便。例如一般空調(diào)用表冷器處冷凍水溫度約為7℃，如果采用外融冰方式，冷凍水溫度可長時間保持在1～2℃，可以更大幅度地降低送風(fēng)溫度，增加送回風(fēng)溫差，實現(xiàn)送風(fēng)量的大幅度減少。這不但大大減少風(fēng)管截面積及其占用空間，而且減少了風(fēng)機、水泵、閥門等的設(shè)備容量、部件尺寸，減少材料使用和設(shè)備功耗，水路、風(fēng)路的機電設(shè)備、材料的初投資和系統(tǒng)運行費用也都不同程度減少，達到整體上降低空調(diào)系統(tǒng)的費用，提高經(jīng)濟效益。

二．外融冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展概況

1．概況

與其它靜態(tài)蓄冷方式如內(nèi)融冰方式的發(fā)展和應(yīng)用相比，目前國內(nèi)外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文獻資料并不很多?；谕馊诒到y(tǒng)有很好的優(yōu)點，近幾年已經(jīng)越來越引起人們的重視，國外在其蓄冷取冷性能方面的研究有了很大深入。由于這種蓄冷方式與其它蓄冷方式在一些方面存在相似性，因而完全可以借鑒其它蓄冷方式的研究成果或研究方法，并針對外融冰的具體特點進行研究；另一方面，也必須針對外融冰的特殊性采用一些新的研究思路，以求可以更準(zhǔn)確、全面地了解其規(guī)律性。

目前美國、日本等國家在冰蓄冷研究方面已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，在我國包括清華大學(xué)在內(nèi)的一些大學(xué)和科研單位也做了許多工作。國內(nèi)外的研究者們普遍從實驗方法和數(shù)值計算模擬的方法兩方面進行研究，而且經(jīng)常將兩類方法結(jié)合起來進行研究，特別是近期以來國外就實際使用的冰盤管蓄冷裝置的熱特性及蓄冷系統(tǒng)的性能評價進行了很多現(xiàn)場實測研究，用以對冰蓄冷技術(shù)進行分析與評估，同時也對實驗研究及模擬分析的研究成果進行驗證和評價。

2．蓄冷特性的研究

考察冰盤管蓄冷特性常常采用蓄冷/取冷特性曲線，即在蓄冷/取冷過程中，在冰槽進口溫度、出口溫度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等參數(shù)隨時間的變化曲線來表示。

、實驗研究

國內(nèi)外普遍利用實驗、實測的方法進行盤管式冰蓄冷特性的研究。

日本學(xué)者山羽基從蓄冰槽內(nèi)水溫分布特性方面就盤管配置、蓄冷槽下部有無攪拌等因素影響對外融冰蓄冷方式進行了較為深入的研究【2】。研究發(fā)現(xiàn)：有攪拌時，蓄冰槽內(nèi)水溫分布均勻，開始結(jié)冰時間比無攪拌時要晚一些，而總結(jié)冰時間短，管外結(jié)冰均勻一致，且蓄冷量大。無攪拌時，側(cè)部、中央配置時，無盤管部分按照水溫分層，而且蓄冰結(jié)束后，盤管上部結(jié)冰偏厚；下部、上部配置時也明顯的受到水的密度隨溫度變化而變化的特殊性的影響。配置方式對結(jié)冰時間基本無影響，有攪拌時中央配置最短，無攪拌時上部配置短；只攪拌至結(jié)冰而后停止攪拌，與全程攪拌效果幾乎相同。

、理論研究與模擬計算方法

根據(jù)有關(guān)理論建立數(shù)學(xué)模型，而后進行計算求解，或進而進行仿真，是研究冰蓄冷問題的重要方法。

美國的Abraham等人對于直接蒸發(fā)型冰盤管的蓄冷過程，在作了蓄冷過程中盤管傳熱系數(shù)為常數(shù)的假定下，以蓄冷過程中的壓縮機做功最小化為目標(biāo)函數(shù)，以蒸發(fā)溫度和盤管尺寸為參量，建立了數(shù)學(xué)模型，并進行了模擬計算【3】。

山羽基基于蓄冷槽的分層特點，設(shè)定垂直方向溫度場為線性分布，忽略水平方向溫度分布的不均勻性，根據(jù)能量平衡關(guān)系，采用有限差分法，建立了溫度分層型數(shù)學(xué)模型，并對冰盤管出口溫度對冷機出力的影響進行了修正，由此可以計算出槽內(nèi)水溫分布和制冰量【2】。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)方貴銀根據(jù)蓄冷傳熱過程中的能量平衡關(guān)系在進行了一系列合理假設(shè)基礎(chǔ)上建立了非線性微分方程組，對其所建立的數(shù)學(xué)模型進行了求解，得到冰層厚度與蓄冰時間的關(guān)系，并用實測數(shù)據(jù)進行了驗證【4】。

可以看出，目前在對冰盤管蓄冷槽進行模擬計算時所建立的數(shù)學(xué)模型，一般都從物理、數(shù)學(xué)的角度作了許多假定，以簡化所研究的問題，但因此也不可避免地帶來了與實際工作過程的不一致性，并且每一個模擬方法及其研究成果都只能在一定條件下適用。

3．取冷特性的研究

冰盤管的取冷過程是一個伴隨相變的過程，外融式在取冷時，不會大量形成內(nèi)融式方式出現(xiàn)的冰圈大量破裂形成浮冰的情況，而是冰圈在主要融冰期間基本不脫離盤管壁，因而管外冰的變化過程相對簡單；但是另一方面，由于從整體上看水槽中的水體是一個流動過程，因此溫度場的分布極大地受到了流場、相變、物性等因素的影響，其變化規(guī)律的分析又比內(nèi)融式的融冰過程復(fù)雜得多。國內(nèi)外已經(jīng)對內(nèi)融冰取冷特性開展了很多研究，但是外融冰取冷特性的有關(guān)研究資料還比較有限，還有待于進一步開展工作，應(yīng)該根據(jù)外融冰取冷過程的特點，借鑒內(nèi)融冰取冷特性的方法和成果來進行研究。

、實驗研究

山羽基對于外融冰槽取冷特性進行了較為深入的實驗研究【2】。研究發(fā)現(xiàn)，阿基米德數(shù)Ar對槽內(nèi)水溫豎直溫度分布有很大影響，欲盡可能長時間地取出低溫水，應(yīng)使Ar盡可能大；盤管數(shù)量及其布置方式對取冷特性有影響，并與Ar數(shù)的大小有關(guān)；增大冰盤管含冰率后在取冷初期取水溫度有所降低；攪拌可使融冰條件均一化，可削弱進口條件對取冷溫度的影響。

、理論研究與模擬計算方法

對于外融冰槽取冷過程的理論研究，由于存在相變情況下槽內(nèi)流場、溫度場及其影響因素的變化極為復(fù)雜，很難進行外融冰特性的準(zhǔn)確模擬，往往需要對問題作出一系列的簡化，采用能量平衡的方法進行近似求解。

山羽基對于外融冰給出了混和模型【2】。將槽內(nèi)分成完全混和區(qū)和一次擴散分層區(qū)兩部分，對于每一部分列出能量平衡關(guān)系式。盤管在不同區(qū)域的大小對混和模型的影響以修正系數(shù)的形式體現(xiàn)，參照實驗結(jié)果決定模型中的有關(guān)系數(shù)。求解模型可以得到有關(guān)取冷特性參量及其隨時間的變化。

美國的Jerold等人對ASHRAE提出的冰蓄冷設(shè)備模型RP-459進行了實際檢驗，并提出了一個更為簡化的模型與之對比，發(fā)現(xiàn)簡化模型更接近于實測結(jié)果，這首先是由于RP-459模型需要輸入有關(guān)冰蓄冷系統(tǒng)實際運行的準(zhǔn)確、實時的信息，否則其計算結(jié)果無法達到較高的精度【5】。

由于到目前為止，國際上在外融冰方面的有關(guān)理論研究比較而言還不夠充分，為了進一步深入認識外融冰的取冷特性，我們?nèi)钥梢越梃b有關(guān)內(nèi)融冰的理論研究及模擬分析的方法及其成果【6】【7】。

三．清華大學(xué)、清華同方對外融冰技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用

冰蓄冷作為一種關(guān)鍵技術(shù)，目前國際上一般不給提供蓄冷、取冷性能曲線等基礎(chǔ)性資料和研究成果，為此，我們有必要進一步加強有關(guān)方面的研究工作。清華大學(xué)與清華同方充分運用雙方具有的人才、科技、資金和工程應(yīng)用方面的優(yōu)勢聯(lián)合進行了外融冰蓄冷技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)，并積極應(yīng)用于實際工程。

1．外融冰技術(shù)的研究與開發(fā)

清華大學(xué)多年來在冰盤管蓄冷技術(shù)方面進行了持續(xù)的研究，并取得了有意義的成果。94級研究生李浩對冰盤管蓄冷過程的特點進行了研究，對影響蓄冷特性的重要因素如蓄冷流量、蓄冷溫度進行了深入考察，并指出對于一定結(jié)構(gòu)的盤管式蓄冰裝置，加快蓄冷過程的方法首先應(yīng)從降低蓄冷進口溫度入手，而在一定范圍內(nèi)改變蓄冷流量對蓄冷速率的影響不大【8】。96級研究生楊逢君進一步研究了單管和殘冰工況的蓄冷特性，認為殘冰對蓄冷過程的影響很小【9】。同時，他們在內(nèi)融冰取冷特性方面進行了較深入的研究，其研究方法和研究成果有助于對外融冰取冷特性作進一步的實驗研究。

為了進一步開發(fā)外融冰技術(shù)，由清華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備研究所和清華同方人環(huán)公司合作開展了“外融冰槽蓄冷取冷特性的實驗研究”的研發(fā)項目。該項目組在清華大學(xué)空調(diào)實驗室現(xiàn)有的蓄冰實驗臺基礎(chǔ)上經(jīng)過改造，并重點對所建50RTH方形鋼盤管蓄冷槽進行了取冷特性的測試研究。實驗臺蓄冷、取冷部分的原理及溫度、流量測點布置如圖1、2所示。實驗通過改變流體流量、溫度等因素以測試其對蓄冷、取冷特性的影響。實驗期間以30秒為間隔記錄系統(tǒng)流量、蓄冷槽液位、蓄冷槽入口溫度、出口溫度、蓄冰槽內(nèi)水溫豎直分布狀況。根據(jù)蓄冰槽液位判斷和控制蓄冷、取冷的進展情況。通過測量冰槽內(nèi)不同位置上的水溫，可以得到溫度分布及其隨時間的變化規(guī)律，以此可以進一步分析蓄冰槽的蓄冷取冷特性，進而指導(dǎo)改進外融冰蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。

圖3給出了一個典型的外融冰取冷過程的特性曲線，該次實驗的取冷流量保持在6m3/h左右，取冷速率保持在10RT左右，從而使取冷進出口溫差基本保持在5℃，進出口方式為下進上出。整個取冷過程進行了5小時，共取出50RTH的冷量。

實驗發(fā)現(xiàn)，在取冷過程中冰的融化在空間上是不均衡的，下部由于最早接觸進口的溫度較高的水而融化得較快，而上部較慢。當(dāng)取冷過程結(jié)束時，水面上仍舊殘存著少量冰碴，這說明在整個取冷過程中都存在著融冰現(xiàn)象。

從圖3的取冷速率隨時間的變化曲線中可以看出，整個外融冰取冷過程大體上可以分為兩個階段：潛冷取冷階段和混合取冷階段。

取冷過程的第一階段是從開始取冷一直持續(xù)到大約小時。在這一過程中，取冷出口溫度從℃升高到2℃左右，曲線基本保持不變并略有上升。這說明這一階段基本上是進行的潛熱取冷，顯熱取冷量極小。這種情況主要是由于溫度較高的水從底部的布水器的下側(cè)以極小的速度進入槽內(nèi)，然后相當(dāng)均勻的緩慢向上流動，迅速與冰面附近溫度接近于0℃的低溫水混和，并沿著叉排管束中間的之字形流道向上流動，從而水溫也迅速降低到接近0℃，這使得位于冰槽上部的取冷出口處一直保持在較低的水溫。從而外融冰系統(tǒng)可以長時間地穩(wěn)定地取出低溫水，這是外融冰的一個非常重要的優(yōu)點。

隨著取冷過程的進行，管外冰柱的融化使水向上流動的通道增大，每一根管外的冰水接觸面積減小。這導(dǎo)致了較高溫度的水需要經(jīng)過更長的距離才能得到充分的降溫，并且隨著時間的延長流到上部的水溫也越來越高了。當(dāng)管束間的流道增大到一定程度時，依靠融冰帶來的潛熱已經(jīng)不足以彌補較高溫度的水所攜帶的熱量時，顯熱所承擔(dān)的負荷迅速的增加了，取冷過程也進入到下一階段，即混合取冷階段。此時取冷曲線的斜率迅速增加并基本保持穩(wěn)定。在這一階段，潛冷取冷在整個取冷量中所占比例減小，而顯冷取冷增加了。取冷曲線在接近取冷過程結(jié)束時又略有降低，這是由于此時附在管外的冰出現(xiàn)較多的破裂并上浮，一部分被上部的管滯留，一部分直接上升到水面上，從而保持了較大的總冰水交界面，特別是使得冰槽上部保持了較低的溫度水平，引起取冷出口溫度升高的速率有所放慢。

研究發(fā)現(xiàn)，蓄冰槽進出口方式對其取冷特性有重要影響。在其它條件相同時，上進下出方式要比上述的下進上出方式出口溫度平均高2℃左右，這是由于受到水的密度隨溫度變化的規(guī)律的影響。同時，本課題還對影響取冷特性的取冷流量、取冷溫度、取冷負荷、有無攪拌等因素進行了考查，有關(guān)研究成果將另文發(fā)表。

2．外融冰技術(shù)的實際應(yīng)用

近年來清華同方已經(jīng)開始積極推動外融冰蓄冷技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用。目前已經(jīng)完成的四川成都皇城老媽火鍋城外融冰蓄冷工程就是一個典型的應(yīng)用實例。該工程由于是為火鍋城服務(wù)的，其用戶負荷與一般用戶空調(diào)負荷有著很大不同，負荷非常集中，主要在每天下午五六點鐘之后投入使用，此時負荷強度為350W/m2，大大高于一般用戶負荷。為此采用了外融冰空調(diào)系統(tǒng)，可以充分利用其能夠在較集中的時間內(nèi)持續(xù)平穩(wěn)地取出低溫水的特點滿足用戶使用要求，同時又能把制冷機裝機容量大幅度降下來，節(jié)省了各設(shè)備部件的初投資和運行費用，減小占用空間。同時，由于供水溫度的降低也帶來可以實現(xiàn)大溫差送風(fēng)的優(yōu)勢，又進一步節(jié)省了冷量輸送、換熱環(huán)節(jié)的費用。由于外融冰取冷環(huán)路本身是開式系統(tǒng)，利用了火鍋城建筑結(jié)構(gòu)方面的特點把外融冰槽安裝在其房頂上。因此，從整體上看，該工程滿足了用戶的使用要求，提高了經(jīng)濟效益，同時達到了“削峰填谷”的目的。

四．結(jié)論與建議

外融冰系統(tǒng)本身具有很好的優(yōu)點，可以實現(xiàn)長時間穩(wěn)定地取出低溫水，為實現(xiàn)低溫送風(fēng)、減小設(shè)備容量、實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟高效運行、減少占用空間提供了技術(shù)可行性，可以滿足對電網(wǎng)實現(xiàn)“削峰填谷”、提高能源利用率的需要。國內(nèi)外對于冰盤管蓄冷過程從理論和實驗兩個方面進行了較為深入的研究，取得了較為成熟的研究成果。但是在取冷特性方面，目前國內(nèi)外的研究還不夠深入，國外的一些研究成果還往往不予公開，國內(nèi)這方面的理論和實驗研究也同樣需要進一步加強。

發(fā)展外融式冰盤管蓄冷技術(shù)具有重要的實用意義，有必要對外融式冰盤管的性能特點進行進一步地研究，并探討如何更好地應(yīng)用到實際系統(tǒng)中去。為了進一步促進外融冰技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，應(yīng)該就以下幾個方面進行更深入的探討。

1．在下一步的研究中，有必要進一步探討冰蓄冷技術(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)，以對包括外融冰在內(nèi)的各種冰蓄冷形式的特點及其優(yōu)劣進行評估和探討。

2．如同區(qū)域供熱一樣，近幾年來區(qū)域供冷作為一種具有發(fā)展前途的領(lǐng)域，其對于實現(xiàn)供冷規(guī)?；陌踩?、高效、經(jīng)濟、方便地運行所具有的重要意義已經(jīng)開始為人們所認識。在區(qū)域供冷系統(tǒng)中由于可以采用大制冷系統(tǒng)，采用蓄冷技術(shù)無疑是非常必要和可行的?；谕馊诒绞剿哂械目砷L時間穩(wěn)定地提供低溫水的特性，在區(qū)域供冷系統(tǒng)中采用外融冰方式有其特有的優(yōu)勢。而且如果采用直接蒸發(fā)方式進行蓄冷，既省去了二次冷媒系統(tǒng)，又避免了冷熱轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，減少了能耗，并且加工、管理簡單，比其它一些蓄冷方式更有競爭力。因此有必要在這方面進行前瞻性研究。

3．另一方面，空調(diào)系統(tǒng)小型化以適用于家庭也是目前空調(diào)發(fā)展的一個重要方向，它不但可以采用風(fēng)機盤管送風(fēng)，還可以采用集中空調(diào)系統(tǒng)形式，后者在一些國家已有了實用和發(fā)展。這種小型空調(diào)系統(tǒng)往往存在運行費用相對較高的問題，采用外融冰蓄冷可以明顯的節(jié)省運行費，可能是一種較好地解決辦法，值得做進一步研究。

4．外融冰系統(tǒng)直接把槽內(nèi)冷水作為栽冷劑輸送到用戶或者中繼換熱站，利用系統(tǒng)的這一特點完全可以把夏季蓄冷與冬季水蓄熱結(jié)合起來，以更充分地利用現(xiàn)有系統(tǒng)，節(jié)約投資，提高經(jīng)濟效益，還可以選擇共用熱泵型機組夏季供冷冬季供熱以進一步減少采暖系統(tǒng)的投資。另外，還可以方便的把蓄冰槽與消防水池結(jié)合起來，降低占用空間。這是對外融冰蓄冷技術(shù)進行應(yīng)用和推廣的一個很有經(jīng)濟性和現(xiàn)實性的方面。

參考文獻：

【1】張寅平，邱國。冰蓄冷研究的現(xiàn)狀及展望。暖通空調(diào)。1997年第27卷第6期

【2】山羽基?？諝庹{(diào)節(jié)用蓄冷槽熱特性及其設(shè)計研究。名古屋大學(xué)博士論文。1994年

【3】Abraham,;Annamalai,K.;Claridge,Optimiz