小型冰蓄冷空调系统运行方式分析

frtyeee

摘要：提出和比较了将冰蓄冷技术应用于家用空调器等小型空调系统上的各种实施方案以寻求较为理想的系统运行方式,从而充分发挥小型冰蓄冷空调移峰填谷作用且可增强系统的稳定性进步经济效率。  关键词：小型空调系统 冰蓄冷 移峰填谷 1 引言目前,据统计,北美、欧洲、日本蓄冷空调的市场占有率分别达到了70 %、30 %、75 %[1] 。在我国,蓄冷技术基本上只用于大型空调系统,如贸易建筑、宾馆、办公楼和体育馆、影剧院等的大型集中空调系统。但事实上,我国小型家用空调近年来的增长速度十分惊人。仅以北京市为例, 1995年小型家用空调器的使用量为15 台/ 百户, 而2000 年这一数据猛增至78 台/ 百户, 1997 年家用空调器的耗电量占总空调耗电量的比例也已达到了70 %[2] 。因此,在这一领域引入蓄冷技术无疑会有效缓解国家电网压力,带来可观的经济效益。2 传统运行方案2.1 全量蓄冰全量蓄冰是利用电价谷时段或非空调时段蓄冰,以满足全天空调负荷的要求[3] 。这种方案转移的尖峰电量最多, 节省电费开支效果最明显。然而,由于制冷机制冷与融冰装置供冷完全在不同的时间内进行,这就需要:一方面,制冷机容量不能减少(与常规空调相比) ;另一方面,所需蓄冰量大,加重了蓄冰装置的负担,蓄冰设备容量大,并且伴有较大的冷量损失。因此,这种方案仅适用于空调负荷较大而使用时间短的场合, 如电影院、运动场等,对于小型家用空调系统,为防止因蓄冰装置大而引起的初投资过高和长时间供冷所造成的冷量损失严重等问题, 应尽量避免采用此方案。2.2 分量蓄冰分量蓄冰是利用电价谷时段或非空调时段蓄冰,到空调时间融冰供冷,并配合制冷机运行,与制冷机共同分担空调负荷[3] 。这种方案与全量蓄冰方案相比,转移的尖峰电量小。但在空调负荷较大时,制冷机制冷与蓄冰装置融冰供冷同时进行,使得制冷机容量和蓄冰量均明显减少,与全量蓄冰方案相比,其初投资大幅度降低。同时,由于转移了一定量的尖峰电量,与常规空调系统相比,运行用度明显降低。因此,这种方案的适用范围很广,也非常适合小型家用空调。由于该方案中,制冷机与蓄冰装置工作状态的组合方式灵活多样,从而产生了多种具有不同特色的运行方案。从蓄冷角度考虑, 可以选择单蓄冷和蓄供同时两种方案。单蓄冷, 即制冷机工作只为制冰。此种方案是理想的夜间电价谷时段的蓄冰方案。它最大程度地实现了“填谷”的作用, 优点突出。但它的条件是夜间为非空调时间,对于家庭用户,在一般情况下可以采纳这种方案, 而在个别夜间炎热的情况下就应当选择蓄供同时的方案。而蓄供同时,即制冷机工作一方面为制冰,另一方面向用户提供冷量。显然,与单蓄冷方案相比,它为了满足用户在夜间对冷量的需求而没有最大程度地利用制冷机在夜间制冰。但对于大部分地区的家庭用户,在整个供冷的空调季节中夜间需要冷量的情况较少,即使在有需冷量的情况下,对冷量的需求也较小。因而这种方案可以弥补单蓄冷方案在功能上的不足,成为理想的替补蓄冷方案。从供冷角度考虑, 可以选择单供冷和制冷机协作供冷两种方案。单供冷,即由蓄冰装置单独为用户提供冷量,它可最大程度地实现“移峰”作用。固然这是全量蓄冰采用的供冷方式,而在分量蓄冰中,为了优化系统运行方案, 使各时段内运行方案都能够更贴近用户需求,更为经济公道,在电价峰时段且用户需求的空调冷量较低时采用这种方案较为理想。制冷机协作供冷, 即制冷机与蓄冰装置同时工作为用户提供冷量。这种方案体现了分量蓄冰的各种优点。根据用户所需的换热器进出口温差大小的不同,可以采取制冷机与蓄冰装置串联或并联的方式。当用户需要的换热器进出口温差较小(如5～6 ℃) 时,采用并联方式;当用户需要的换热器进出口温差较大(如8～12 ℃) 时, 采用串联方式。不论串联还是并联都将面临一个问题,即运行时以谁为主,或以谁优先。并联系统中,如以制冷机为主,蓄冷装置的蓄冷容量就得不到充分的发挥, 因此应采用以蓄冰装置融冰供冷为主,制冷机辅助供冷的方式;串联系统中,若以制冷机优先供冷,同样会碰到不能充分发挥蓄冷装置容量的问题;若以蓄冰装置优先,由于工质经换热器换热, 温度升高后首先进入蓄冰装置,其温度有所下降后才进入制冷机,这导致了制冷机性能系数COP 值降低。因而对于串联系统,究竟该采取那种优先方式还应从经济综合分析的角度来考虑。3 新型过冷运行方案由于在制冷过程中采取制冷机过冷方案会增加蒸发器进出口的焓差(即单位制冷量增加) , 同时,比功不变,因而从理论上来讲,过冷必然会进步COP。如对R22 ,过冷度每进步1 ℃,制冷量就会进步约0.8 %[5] 。对高COP 值的追求一直是制冷界的一大目标,方案也很多,但鉴于一次性投资,运行用度及地区条件等限制,很多过冷方案,如利用深井水等都无法实施。在此,推荐以下两种适用于小型家用空调器的过冷方案。3.1 高温水过冷 长期以来, 受空调送回水温度(5 ℃/ 12 ℃) 的限制,人们总是在寻求较低温度的介质(如深井水) 用于过冷。事实上,从冷凝器流出的制冷剂液体温度高达38 ℃或45 ℃以上,而日常使用的自来水温度为12～38 ℃[5] 。因此可以用自来水冷却从冷凝器流出的高压制冷剂液体,使之过冷,从而进步单位制冷量及COP。同时,吸收了热量的自来水可供生活洗浴等之用。因此,对于家庭用户,一方面,此种方案的双重作用使用户充分感受到了它的经济性;另一方面,它需要另配备一套换热设备和一个蓄水装置从而使初投资增加。3.2 大温差过冷很多实验及工程反映, 传统蓄冰装置的融冰供冷过程非常不稳定, 影响了空调系统的正常运作。这主要是由于在融冰供冷过程中,其初末期分别提供的是冰与水的显热, 而中期提供的是冰的潜热。显热与潜热的巨大差值( 水的比热为4.2kJ / (kg·K) ,冰的融解热为355kJ / kg) , 使供冷初末期提供的冷量远远小于中期提供的冷量, 而这一现象的产生完全是由水的物理性质所决定的,也是蓄冰设备的固有弊端。因而只能寻求另一种方案以减少这种弊端所造成的不良影响。将蓄冰装置提供的冷量用来增加工质的过冷度,而不直接用于向空调系统供冷,可以避免其释冷不稳定性的直接影响。由于制冷机工作的弥补, 其不良影响程度也大幅度减弱,这就是用蓄冷装置来营造大温差过冷的方案。这种方案的优点不仅在于进步了蓄冷空调系统运行的稳定性, 而且由于蓄冷装置提供的大量冷量,使得过冷度大幅度进步,从而制冷量与制冷机COP 也相应进步。有关研究职员所作的相关实验表明, 对以R22 为制冷剂,机组制冷量为12kW的小型家用空调, 如采用蓄冷装置来进步过冷度, 可获得35 ℃的过冷度, 单位制冷量进步了35 % ,制冷机COP 进步了0.7 , 同时机组制冷量也可进步到15.6kW[2] 。显然,采用蓄冷设备实现大温差过冷是现行小型家用蓄冷空调各种运行方案中的首选方案。4 结语通过以上比较与分析发现分量蓄冰及大温差过冷方案对于普通家庭用户是较为理想的方案;而其它方案则适用条件较为苛刻, 可在特殊条件下使用。当然,在工程实际中还应以经济、安全与稳定综合评价分析为依据来选取最佳运行方案。