多功能建筑中的冰水混合蓄热系统.doc

翻译题目：多功能建筑中的冰水混合蓄冷系统 专业班级：热能与动力工程01-2 姓名：张志英 学号：09
Heat and Mass Transfer 37(2001)597-604 Springer-Verlag 2001
多功能建筑中的冰水混合蓄冷系统

M．J．Wang,N．Kusumoto
摘要 冰水混合系统在房间取暖和制冷用电新模式中起到了重要作用，该系统提出了在能效率、运行节能、负荷变动和柔性设备方面优于常规蓄冷技术的固有优点。本文针对冰水混合液的生成和运行机理、冰水混合蓄冷系统的运行原则进行了探讨。通过对日本一栋大型综合建筑Herbis Osaka设备实例给出了系统设计的细节、控制策略和运行工况。对冰水混合蓄热系统不同设备的测定揭示了该系统是一项有效的技术，为建筑空气调节工程提供了有效的节能操作，并改善了现代社会中能量的再利用效率。
符号目录
A 建筑面积，㎡
COP 透湿系数
E 年消耗功率，KW·h
IPF 冰堆积因数，%wt
Q 制冷量，W
P 额定功率，W
T 温度，℃
下标
ac 空气调节
c 供冷
h 供热
hs 热源
ig 冰生成
n 夜间
t 合计
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引言
冰水混合液是冰晶体和液体的一种混合物，一般液体是由水和冰点下降的二元溶液组成，如乙二醇、乙醚、氯化钠溶液。
由于冰晶的融解潜热，冰水混合液拥有很高的蓄能密度，又因为大量冰晶的产生增加了传热面积使之拥有很高的了冷却速率，在冷却过程中能继续保持低温，冰水混合液
的这种特性使其应用广泛。例如，冰水混合液直接作为冷媒成功地用于鱼和其它产品的冷藏[1]，作为自然制冷剂用于铁路货物冷藏[2]。
随着人们对能源的节约和环境保护的重视，冰水混合系统在空调业中的使用始于80年代中期，在过去的一段时间内，由于多功能建筑中自动办公设备和工作时间的集中急剧增长产生了很高的冷负荷，这导致了能耗需求的不平衡，因为空气调节所需的能量一般占到了所有运行费用的一半，而在白天已被用完。为平衡用电负荷和改善能源可利用率，众多事业单位通常采取集中措施——鼓励夜间用电。在日本用电费用包括基本费用和仪表测量费用，前者通常以提供的最大用电量KW确定，后者以功率消耗KW·h确定，同时商业用电在夏季(6月-9月)、夜间（10pm-8am）使用特殊电价来调节用电冲突，进一步通过调节峰值用电来缓解这种矛盾，平均开来，夜间用电费用之占白天用电的1/5。
蓄冷系统有益于事业单位和用电户，靠削减峰值用电负荷，转移用电负荷使之均匀化或采用移峰策略到夜间使用廉价电。对于现代建筑群，蓄冷系统的冷媒水根据透湿系数也是有效的，但由于大的建筑空间要求扩展的管道、高的维护费用、无效的蓄冷而没引起人们的关注。相反地，拥有50%冰堆积因数的蓄冷系统，可以将蓄能罐的尺寸减小到原来尺寸的1/9，这归因于（0-13℃）冰的熔解与（7-13℃）水的热量之差。冰水混合蓄热系统进一步显示了自身的优点，例如有较小偏差低的排水温度、弹性符合的控制和较高能量的夜间转移费用。甚至，冰水混合系统在含有30%冰碎片时，靠减小水循环的体积超过80%来改善烯烃的能耗率而维持同等的冷负荷和泵功率，在相同流量和泵功率条件下，它可能增加六倍的制冷能力。
由于90年代初，首批大型冰蓄能系统在日本The Crystal Tower Of Osaka成功安装[3]，冰水混合蓄热系统被世界各国广泛接纳，用于不同范围的建筑工程和改造工程。在本文，首先探讨了冰水混合液的生成和运行机制，然后对给出的不同的冰蓄能系统作了简单的评论，并对冰水混合蓄冷系统的运行操作做了相关描述，Herbis Osaka设备选用的实例研究揭示了系统的设计细节，控制和运行，从系统不同设备的运行测定做出了总结。
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冰水混合液的生成和运行
传统制冰过程涉及到制冷机表面的冰设备，如薄片式/平板式冰系统，或盘管系统。由于在这些系统表面生成的冰层增加了额外的热阻，导致有效热传递降低，因此，这类型的设备通常占地面积大，如果不是应用于集中式系统或昂贵的机械运输机或混合过程把冰转化成可泵冰水混合物是必须的，冰运输机仅仅可能用在冰系统的动力设备中。
冰水混合系统在能耗率、制冰能力和冰传输中有其内在的优势，一种普通的制冰方法是用带有旋转油环[2]或振动拉杆[4]等内置可移动部分的壳管式热交换器。另一种有效制冰方法是直接用冷却介质在冰点喷雾[5]。然而，由于水蒸汽的存在，出口必须用合适的制冷剂和重新设计系统组件。另一种制冷方法是：离开蒸发器的过冷液随流体阻塞而结晶[6]，由于在冰水混合液中，冰碎片很小，并且管道中的过冷物融化可能引起管道阻塞而受限制。用水作为制冷剂是冰水混合液生成的唯一方法[7]，冰水混合液的生成是在真空室中喷淋而成。除这种系统的出口需求、带有非常多的活塞排量的蒸汽压缩机需求空间外，在建筑物中还存在一些问题，使其在工业应用中受到限制。
在所有冰水混合液生成的过程中，应用最广、最受欢迎的技术是由Sunwell Technologies of canada于20世纪70年代末研究的切削表面型过程[2]。图1给出了成冰器的图样。它用于典型的蒸汽压缩机制冷循环，由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。在蒸发器中，制冷剂在圆柱体外壳内蒸发，在内侧空间冷却为二元溶液，一旦溶液温度降到冰点，它在最低温区域自行成核。浮力和旋转油环的作用阻止内聚力的效果，并且阻止冰晶在圆柱体表面达到冰点，冰晶继续生长直到到达蒸发器。冰水混合液由于冰点降低和溶液温度降低可能在大范围条件下生成。冰碎片根据操作条件的不同存在范围0-35%（作为一种方便的冷却剂）在成冰器外的冰晶在含有6-10%乙二醇的二元溶液中拥有典型尺寸约100mm。

图1.日本Sunwell有限公司CLIS冰水混合成冰器
冰水混合系统工况取决于冰晶尺寸、冰水混合液的生成和存储手段、二元溶液的类型和其他流动参数。目前冰水混合系统的基础研究主要由加拿大国家研究委员会和丹麦技术研究所[11,12]。基于把乙二醇作为添加剂，图2给出了冰水混合液在管道传送时的推荐状态。最近对冰水混合液的分离措施是在直径为48mm的管道（T.M.Hansen个人言论）表明带有10%乙醚的不推荐状态甚至小于表格中的数据，无堵塞河结块视为冰水混合安全输送状态。理想状态为无急剧降低通过管道设备和球阀[8]，带有冰碎片的冰水混合液采用离心泵可高达40%，高出了所观察到的水泵叶轮。根据Kanffeld et al [11],冰水混合液在含0-10%冰碎片时压力降低，速度显示了与工况在直径为13mm管路
中不同冰点下降的水相似，在含有高比例冰碎片时，压降迅速增加，在管道系统中，对乙二醇冰水混合液测试Snoek研究了一种两相放大器来计算压降[9]。
图2.冰水混合液传递推荐工况
冰水混合系统的热传递工况看起来似乎受到运行流体粘度和流体速度的很大影响，
文献11揭示了乙醚冰水混合系统在管道的热传递系数高于一般水，带有风冷腔的冷藏陈列柜的测定也得出了类似结论，这归因于运行过程边界层冰晶体的存在。Snoek和Bellamy[10]发现带有乙二醇水溶液的混合系统随冰碎片的增长紊流而下降，因为随着冰晶的大量生成紊流系数衰减。高的运行流体速率阻碍冰晶进入边界层，在溶解测试中采用表面积0.134㎡的板式热交换器，最小板空间2.1mm。当冰碎片含量从0增加到15%以上时[8]，乙二醇混合系统热系数下降了原来的17-20%，虽然记录表明在溶冰过程中温度依然很高，但热交换器的设计依然有效。
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冰水混合蓄热系统
在市场上有许多种类的冰蓄能系统：冰盘管、压缩冰、冰采集机或冰水混合系统。大多数系统的运行原则在文献13的零件图上描述，表1对冰水混合系统和主要常规冰蓄能系统作了比较。
从表中可以得出，在不同的系统中成冰器传递、储存和系统运行，冰水混合系统是
表1.不同冰蓄能系统的比较

最引起关注的。这里有Sunwell Japan Corporation设计的名为“冰晶液体蓄热”的两种系统。第一种CLIS专门用于房间制冷，第二种CLIS-HR是CLIS系列的扩展，可以用于房间制冷和取暖，后者尤其适用于要求全年供冷和多功能建筑。
图3.CLIS-HR冰蓄能系统运行原理
图3给出的是CLIS-HR系统的流程图，它可以以不同的目的运行，在成冰器运行的基础上，风冷成冰器相对于蓄冰槽在封闭式盘管工作，含水的二元溶液从蓄冰槽压到成冰器，在此冰晶成形，之后冰水混合液释放返回蓄冰槽底部，在蓄冰槽内部冰晶堆积在蓄冰槽的上部形成多孔冰床。制冷运行靠二元冷冻溶液输出蓄冰槽到热交换器，释放冷量到与空气处理单元相结合的水管，返回温度较高的溶液喷射到位于蓄冰槽上部的冰床，以冰晶融化形式重新冷却。在制冷运行过程中系统可回收废热，在所谓的热回收运行中，水冷冷凝单元取代风冷冷凝器，目的是在冷凝器释放的热量回收到空气处理单元以供取暖，供暖操作以制冷剂相反的流向在蒸汽压缩循环系统中实现。在成冰器模型中代替冷凝器，空气热交换作为蒸发器工作，而水热交换器作为冷凝器在制冷系统中运行，为空气处理设备提供热水。
通过表格中CLIS-HR系统的主要特性比较总结如下：
● 在冷凝温度为25℃、透湿系数为2.4时，成冰器高效率生成冰水混合液，它可自动适应其冷负荷运行时的偏差，还可以作为冷冻水有效运行。
● 在蓄冰槽，由于冰晶的尺寸小，高的蓄冰密度46.5KW·h/m3，导致排气温度高出1℃，冰晶在蓄冰槽中增大了热传递面积，可以满足短寿命设备非常大的负荷，而保养温度相对不变。
● 系统主要组成部分，成冰器和蓄冰槽，结构简单紧凑，由于冰水混合液的输送量，他们可以安装在不同的区域，例如在空间相对有限的建筑物中，柔性系统是非常有价值的。
● 有许多回收废热的节能运行模式。
● 系统提供了一项经济方案进行空气调节，经测定运行寿命超过25年，在运行费用、电费、维护费、设备零件磨损、折旧费用优于其它系统。例如，每年的运行费用仅占吸收系统的2/3。
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实例研究：Herbis Osaka
工程背景
Herbis Osaka，也名Ritz Carlton Plaza of Osaka于1997年2月完工，采用了相当新的设备。图4 是综合建筑的照片，它拥有5层地下层，40层地面空间和一个塔层，其总高181m，总建筑面积136，823㎡。在该建筑里有商业办公室、 The Ritz
图4.日本Herbis Osaka建筑照片
Carlton饭店、展览厅、零售店、停车场等等。因此需要有合理的空气调节系统来满足负荷的波动，由于办公自动设备的集中使用，在白天冷负荷急剧增长，甚至在冬季也会出现，不过峰值热负荷仅占峰值冷负荷的近一半。
系统设计
多功能场所在不同的地域随季节和时间的不同增加冷负荷分布，常规集中式空调系统在局部空气调节时可能会消耗大量能量来传递热，因此，空气调节系统应该在需要的基础上独立控制来提供更舒适的工作环境。在白天和夏季高的电费为采用负荷从白天转移到夜间提出了合理的理由。通过蓄热和移峰填谷缓解矛盾，运行费用将最终胜过设备投资费用。基于这些事实，Herbis Osaka 的热源设计应符合以下原则：选用的热源机组（带回热系统的热泵成冰器）要占到峰值负荷的一半，同时依然要求蓄热系统在蓄冰槽中回收热量，这些机组通过热回收过程能处理峰值热负荷和冬季冷负荷生成冰。
系统规格和控制
基于建筑物冷负荷的分布，整套设备包括容量为260kw引导热量回收的成冰器，16套体积为140或70m3的蓄冰槽，分配给饭店、商店、展览厅和办公室，总蓄热能力往往为80，750。系统中制冷剂采用环保R134a,制冰冷媒采用乙二醇二元溶液。由于热源单独安装在楼层附近的小容器里，设备尺寸仅占建筑空间的60%，相比较之下，在相同范围的综合型建筑物集中式空调系统约占10%，水泵和空气调节设备能耗比传统方案也降低了8个百分点。
图5给出了安装在建筑物中的CLIS-HR工艺流程图，表2给出了系统规格，根据季节（夏季、冬季或过渡时期）有不同模式的操作，在冬季冰蓄冷系统在夜间运行，冰被储存在蓄冰槽内并在白天释放溶解潜热。当成冰器运行时，作为能量回收手段冷凝水
图5.冰水混合蓄能系统流程图
流入蓄冰槽，这是符负荷转移操作；在夏季成冰器在白天不间断地运行来提供夜间储冰补充负荷冷量，这是符合平衡策略。在夏冬季节的过渡时期，依制冷量的需求局部负荷平衡或负荷转移策略被使用。蓄冰槽外冷冻液的设计温度上午为-2℃，晚上为2℃，一旦从曲线中发现转折点，系统将在白天额外运行来满足需求，这是一种由第二天的需求量确定成冰器运行数量的自动控制。
表2. Herbis Osaka中CLIS-HR系统说明
常规制冷剂循环系统
在Herbis Osaka采用的设备中，CLIS-HR系统与常规制冷循环系统相结合来传递冷量和热量，在图5可以显示出冷量传递在表冷器和有内部控制单元的蒸发器组成的常规制冷循环中运行，冰水混合液从蓄冰槽输送到冷凝器，在冷凝器中制冷剂蒸汽液化，并以重力作用自然流到蒸发器，在空气控制单元通过气化过程释放冷量。热传递以相反方式实现，在CLIS-HR系统外热水流入蒸发器，使制冷剂气化，制冷剂蒸汽靠冷凝器和蒸发器之间的压力差流入空气处理单元，当空气受热液化后制冷剂流体返回到蒸发器。
常规制冷循环系统有较高的负荷波动能力和以小功率运行，它在空气传递、冷却水

图6.1997年9月总能量需求分布 图9.热源夜间转移率和装载率
和冷媒传递降低了60%的能量，并在二次空气调节设备中降低了空间要求。
实际功率需求
与三种不同情况的电需求偏差相比较，图6显示了在夏季典型日建筑每年功率消耗是随时间变化的函数。粗实线记录了总的功率需求，细实线记录了冰蓄冷系统的功率需求，虚线模拟了在没有蓄冰系统采用相同透湿系数热源设备的电需求。从表可以观察到冰蓄冷系统有效降低了峰值负荷约1/3，参照8.2MW的最大负荷，每年功负荷约55%，在8月功负荷高达72%，这意味着热源设备在夏季不得不全负荷运行来满足制冷需求。
图7记录了在同一天同一建筑不同区域能量需求的分布。The Ritz Carlton宾馆在高层有2套CLIS-HR系统；低层有4套带有一套制冰单元和一个70m3的蓄冰槽。它需要最大的能量，在白天和夜间商店的能量需求有很大的区别，在这些区域配有4套CLIS-HR系统。在展览区配有4套CLIS-HR系统的办公区域和配有1套CLIS-HR系统得展览厅和停车场需要最小的负荷。
图7.1997年8月9日不同区域能量需求分布

能量消耗
图8给出了1997年6月到1998年4月超过一年的热源每月电消耗量，消耗记录显示了白天和夜间的冷却运行和热运行。给图清晰地说明了冰蓄冷系统的设计思想，在夏季系统在负荷均匀工况下运行，由于热源设备白天不间断地运行，消耗功率在白天和夜间冷却运行是十分相似的，消耗比在春秋季节随着冷却露点越来越大而变化，在冬季系
图8.每年热源能量消耗分布
统运行供房间取暖，房间制冷不计算在负荷转移策略内。每年制冷转移占81%。
图9给出了1997年4月到2000年连续三年转移到夜间的月能量。房间供冷和取暖转移率等于夜间功耗与热源总能耗之比，该图揭示了每年有60%地能量以热的形式在白天被消耗，通过从事业单位蓄热的有效节能运行被接纳，同时，以热源的功耗与建筑总的功耗之比作为参照，依季节而定，热源功耗在冬季占20-47%，在夏季每年平均约占31%。
表3.对安装有CLIS蓄能系统建筑的能量消耗调查

设备测定和总结
因为其在能源保护和能量节约方面所起的平衡作用，CLIS冰水混合系蓄热系统引起了广大注意并被广泛接纳。到2000年末，在日本有197套95.6MW或27173吨的制冷设备被安装。
表3对10家安装有CLIS冰水混合系统的典型建筑进行了调研，从而得出以下结论：
● 每平方米建筑面积要求的功率约为16.7-26.3W/㎡,仅占没有蓄冷系统建筑的40-50%，这组数据清晰地表明，冰蓄冷系统在降低发电站负荷漂移是相当有效的。
● 无论是大型建筑还是小型建筑，通过CLIS蓄冷系统60-75.5%的能量转移被接受，这意味着大部分时间系统可以经济运行。随着建筑物中冰蓄冷空气调节的交替，在蓄冰槽外的水温高于之前带到热源设备系统达到的低温水平，因此，能量转移率通常较低约为40-50%。
● 房间取暖功耗、地理位置影响其运行费用，在实例中7/8的建筑位于东京南部，热能耗与总热源能耗比高于20%，唯一的例外是在北阴面的建筑。
到目前为止，当夜间蓄能不够，主要设计CLIS蓄冷系统来满足白天使用。随着最近极地热源技术的发展，一项CLIS和地热源相结合的负荷转移将进一步改善运行的经济性和蓄冷环境工程系统，这种系统对象日本这种用电负荷极度不平衡、空间又非常有限的多功能建筑是非常重要的。

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