蓄冷技术及其应用现状_刘道平.pdf

一3于,科技综述暖 通 空调199 5.4蓄冷技术及其应用现状华东工业大学能源工程研究所刘道平提要本文介绍 了蓄冷方 式和特点,并对蓄冷水和蓄冰的应用条件进行了比较,指出 了蓄冷技术的应用领 域,介绍 了蓄冷技术在国内外的应用现状及目前研究的主要问题。关链词蓄冷冰蓄冷水蓄冷应用研究Thermalstoragete ehn olog ya nditsaPPlieationB少LiuDaoPingAbstra etThispape rde s e ribe sse v erale om monwaystor e alizethermalstor ageandtheirr e spe etivefe atures,e or nparestheap plie abilitie softheie estor ageandtheehilled waterthe rmalstor agesystems,andrepo rtstheutilizationandr e-s e a r eha spe etsofthete ehn olog ybothinC hinaandabroad.Key wordsthermalenerg ysto rage,ie estorage.ehilledwate rthermalstor-age,ap plieation,rese arehand de v elopment1概述蓄冷就是在夜间用电低谷期,采用电动制冷机制冷,利用物质的显热或潜热特性将冷量储存在某种物质之中,在白天用电高峰时,将冷量释放出来,满足建筑物空调或生产工艺用冷的需求。这样,制冷系统 的大部分耗电发生在夜间用 电低峰期,而在白天用电高峰期只有辅助设备在运行,从而实现用电负荷的“移峰填谷”。应用该技术可以改善电厂发电机组运行状况,减少对矿物燃料的消耗和运行费用高、效率低的调峰电站的投入;在核电带基本负荷的电网里,可稳定其负荷水平,多使用清洁 的核 电,减少烟尘和COZ的排放,减少环境污染,从而全面改善能源使用状况和利用率。使用电制冷蓄冷方式进行供冷可以减小用户制冷系统设备的容量,减少对设备的初投资;减少制冷剂消耗量和泄漏量及其对环境的污染。另外,蓄冷系统可使制冷机在稳定的、效率高的经济负荷下运行,而且,夜间环境温度的降低会使制冷设备的制冷量有所提高。因此,在一定冷负荷下制冷机的运行耗能要低。在电力公司为转移负荷而制定的高峰、低谷用电差价下,应用蓄冷技术可以减少可观的电费,获取较大的经济效益。而 且,采用蓄冷系统后,制冷机组的噪声水平会有明显 下降。所以,在能源消费逐年增加的情况下,应用蓄冷技术具有较大的社会效益和经济效益,并且在整个能源系统范围上实现节约能源。2蓄冷的类型、特点及运行棋式蓄冷主要有两种形式:一是显热储存,通过降低介质的温度进行蓄冷,常用介质有水和盐水,另一种是潜热储存,利 用介质的物态变化来蓄冷,常用的介质为冰、共晶盐水化合物等相变材料。从能量密度的角度来讲,潜热储存的冷量要比显热储存的大很多.在蓄冷技术应用中,采用的形式多为蓄冷水、蓄冰。蓄冷系统的组成部件和常规制冷系统的主要区别是增加了蓄冷容器和一些附件。图1即为蓄冷系统的示意 图。2.1水蓄冷系统:它是最简单的蓄冷系统,在常规供冷系统中增加了蓄冷水罐,利 用比热最大的水进行负荷冷凝器负荷压机缩且!占膨胀阀!系统泵制冷机泵制冷机(a)水蓄冷系统蓄冰罐系统泵(b冰蓄冷系统图1蓄冷系统示意 图作者通讯地址:200 093上海军工路51 6号 2 8信箱暖通空调1”5.4科技综述一3 1一冷量储存。通过令回流热水处于罐的上部,储存冷水位于卞部,依靠冷、热水自身的密度差实现冷热分层。在水蓄冷系统中,冷热水温度变化在51 5之间,密度差是很小的,只要进、出水流扰动较小,可以不考虑冷热水之间的混合问题,能够保证所蓄冷水的蓄冷量。地面蓄冷水罐多采用 由钢材建造的直立圆罐,地下蓄冷水罐多采用混凝土结构的圆罐,采用立方体结构的较少,如在美国德州达拉斯一家电子制造厂所采用的蓄冷水系统,蓄冷水容器就是一个预应力混凝土直立圆罐,体积为1016 1m“,在进出口平均温差 1 0,容积效率9 2%时,蓄冷量为38 0GJ阅显然,利用已有的蓄水池、消防水池或废弃的水池作为蓄冷容器,可以显著减少蓄冷水系统的初投资闭,因为储存容积大,水蓄冷系统除了在夏季用于蓄冷外,还可以在冬季用于蓄热。2.2冰蓄冷系统:将水制成冰储存冷量。冰的相变潜热为33 5k J/kg 所以,冰的单位体积蓄冷量要大得多。因此,在满足 同样冷负荷时,蓄冰所需容器体积要小得多。但是,蓄冰罐并不是都用于蓄冰,使用制冰率来表示蓄冰罐中冰所占的份额,若制冰率为10%,和水蓄冷相比,储存容积可减少到1/3,这种特点促进了冰蓄冷机组的工业化发展。蓄冰 系统的技术水平要求较高,它必须使用特定的制冷机组,要求制冷剂的蒸发压力要低,所以压缩机耗能高。而且,冰蓄冷系统的设计和控制比蓄冷水系统复杂得多。采用的制冰形 式主要有:管内、管外蓄冰,密封件蓄冰罐的静态制冰和冰收获器、接触式制冰浆机的动态制冰。值得注意的是:当空调系统采用蓄冰和低温送风相结合的形式后,系统的管网,风门、天窗、风扇和盘管,泵,配电设施以及冷却塔等附件,在材料、尺寸和容量方面要比无蓄冰的制冷系统要小,可 实现系统设备投资上的节约。在建设过程中,施工量和材料消耗量相对也要减少。另外,由于减少了管网和空气分配系统的体积,建筑物的可用空间会有所增加,在运行时,由于风扇和水泵设备容量的减少,其耗电量也要降低。所以,在空调工程中,选用蓄冰和低温送风系统相结合在 初投资上是可以和常规制冷空调系统相竟争的,且在分时计费的电价结构下,其运行费用要比常规制冷空调系统低得多。2.3蓄冷水系统和蓄冰系统的比较蓄冷水系统和蓄冰系统的简单比较见表1。可以看出,蓄冷水系统和蓄冰系统各有利弊。一般讲,在空间容许的情况下,在进行系统改造时,为了充分利用原有制冷设备多选用蓄冷水 系统。在可用空间和电力供应比较紧张的大都市,在对新、旧建筑物空调系统进行设计和改造时,应用蓄冰空调系统的较多。所以,在选择蓄冷系统类型时,必须进行技术经济分析和比较,以确定最佳方案。表1蓄冷水系统和蓄冰系统的比较蓄冷水!蓄冰所需设备空间设备初投资费用制冷机组选择耗 电情况冷水泵耗 电维修费用技术要求程度大蓄冷水的低l/5一1/8高自由选择0.200.24kw/kw专用机组0.140.37kw/kw低高中高高喝,r容2.4蓄冷系统的运行模式为了提高蓄冷系统运行的灵活性和经济性,采用的运行模式主要包括:部分蓄冷运行模式:在非用 电高峰期,使用制冷机制冷并储存在蓄冷器中,在用电高峰期以蓄冷器为主供冷,而制冷机制冷作为补 充;或者制冷机制冷为主,蓄冷器为辅。全部蓄冷运行模式:在夜间非用电高峰期使用制冷机生产出次日所需全部冷量,并储存在蓄冷器中,在 白天用电高峰期,蓄冷器释放出冷量来满足用户的要求,这时只有一些附属设备使用高峰电。由此可 知,蓄冷系统的运行模式对蓄冷系统的设计特别是蓄冷容器的设计有很大影 响,部分蓄冷运行模式要求蓄冷器的容量 小,而全部蓄冷运行模式要求的大。当然蓄冷容器的大小也取决于系统采用蓄冷水还是蓄冰。3蓄冷技术应用及研究现状3.1应用范围蓄冷技术的应用领域十分广泛,特别是在对原有空调系统供(制)冷系统改造方面具有巨大的潜力。蓄冷技术可应用于下列领域:3.1.1商业建筑、宾馆、饭店、银行、办公大楼的中央空调:在这些建筑物中,夏季空调负荷相当大,冷负荷持续在工作时间内,且 随着白天气温 的变化而变化。冷负荷高峰期基本上是在午后,这和供电高峰期相同。所以说,空调耗电是造成电力公司繁重调峰任务和 电力短缺的主要因素。一32一科技综述暖 通 空调1995.43.1.2居民空调:居民空调用电特点是用电集中,数量大,持续时间长,常常是持续至深夜。3.1。3用冷:制药,食品加工,啤酒、奶制品加工业等工艺这部分特点是持续时间短,但耗量大,且不随气温变化,所以常规制冷设备容量特大。3.1.4体育馆、影剧院的空调系统:其冷负荷量大,持续时间短,且无规律性。3.LS调峰电站:燃气轮机调峰电站在夏季白天高峰期运行期间,由于环境温度的升高,其发电负荷会下降,采用非用电高峰期所蓄冷量来冷却燃气轮机入口空气温度可使其在调峰运行时提高发电负荷困。3.2应用现状美国自7 0年代初就开始了对蓄冷技术的应用研究,初期主要应用在用冷时间短的场所,如教堂、剧场、乳制品厂等。现在,蓄冷技术已经作为一种电力负荷的调峰手段广泛地 应用在建筑 物 的空调上了,而且在美国已形成一个蓬勃发展的市场。.在美国,1987年就有 4 0多家电力公司实行了诸如制定多种分时计费的电价结构,对采用蓄冷技术的用户给予资助或奖励等措施,来推动蓄冷技术的应用。许多制造厂家和公司也在积极研制和生产冰蓄冷系统,为用户提供多种产品,特别是成套的蓄冰空 调机组。南加 利福尼亚爱迪生电力公司1978年就开始制定分时计费的电费结构。1 97 9年编写并印发了建筑物非峰期冷却导则。198 1年开始推广蓄冷技术,并颁布奖励措施,如在夏季用电高峰期进行移峰,每kw负荷奖励20 0美元,并分担5 0%的可行性研究费用。其所辖范围内,198。年只有两套蓄冷系统投入运行,到1987年就增至1 00多套,将4 OMW 的用电负荷移至非高峰期川。1985年,威斯康星州Tr an e技术中心的冰蓄冷空调系统实现了采用能源管理系统控制蓄冷系统的运行8。日本8 0年代初期就开 始了蓄冷技术的 应用研究工作,1985年在 2 2项工程中应用了蓄冰 技术。对蓄冷技术的应用研究现 仍在继续进行,并较为广泛地推广蓄冰空调技术,在研究开发家用蓄冷、蓄热式空调产品和成套蓄冷设备方面也取得了一定的成果,如开发通用型蓄冰空调系统,在蓄冷器中,夏天通入不冻液制冰,冬天通入水蓄热图。蓄冰技术己成功地应用在建筑物的空调、海产品的加工和储藏及食品加工行业,o、“、,。在英国,大型蓄冷系统就有30 0 多台,总容量达4.2XI护ms l l3。在加拿大、德国、澳大利亚等国,蓄冷技术也得到了应用。近年来,蓄冷技术在中国也得到了重视,在空调行业和工厂节能应用方面,对蓄冷水系统的设计、运行取得了一些经验,如将北京首都体育馆的空调系统改造为蓄冷水空调系统川。广东已成功地将蓄冷水技术应用于制药行业哪。对蓄冰技术的研究也已开展6、,。3.3研究现状蓄冷技术作为一种电力调荷手段已经引起了人们的高度重视,许多国家和研究机构都在积极地进行研究,主要有以下几个方面。3.3.1蓄冰及低温送风空调系统蓄冰与低温送风系统相结合是蓄冷技术在建筑物空调中应用的一种趋势。在美国,这种技术被称为暖通 空调工程中继变风量系统之后最重大的变革。198 3年,在第三次“蓄冰在冷气工程中的应用”国际会议上,美国能源部就介绍了冰蓄冷与低温送风相结合的系统,认为低温送风能够进一步发挥蓄冰系统的优势,在初投资上可以和非蓄冰系统相竞争。开发新型蓄冰制冷机组成套产品以及与低温送风 系统配套的末端设备,如适用于低温系统的冷却盘管,性能良好的高诱导比末端散流器,是目前研究的主要内容,美国ASHAR E和E PRI正在积极从事这方 面的研究工作 l s、幻。_另外,对于利用和水不相溶的传热液进行接触式制冰,利用含有共晶盐或其它低温相变材料的密封件蓄冰,直接利 用制冷系统的蒸发器进行管内外蓄冰的基础研究以及利用有机二元溶液的结晶和解析进行蓄冰的研究仍在进行咖、川。332冷水储蓄技术22、2 3、24在冷水的储蓄方面,为提高蓄冷水罐的蓄冷质量,减少充、排水过程的影响,研究人员对一些减少抚动的设想进行了实验和理论研究后,应用了迷宫型蓄水仓,分隔多级蓄水罐,多级蓄水罐空罐和带缓释器的分配管。最新研究结果表明,在蓄冷水罐中,控制住充、排水温度,采用自然温度分层技术可以保证较高的储蓄效果。目前对蓄冷水罐的研究主要是通过两种手段进行的,一是利用现有的蓄冷水罐设备进行现场实验或测量;一是根据建立的数学模型进行数值模拟。重点都是考察二维或三维情况下,蓄冷水罐在充水、排水过程中暖通空调1”5.4科技综述一3 3-一冷热水的流动和扰动、罐保温层散热对罐内分层情况的影响。3.3.3蓄冷系统的热经济优化川、5、2幻主要是在充分研究蓄冰系统各个部件的基础上,建立各个部件的数学模型,应用计算机数值模拟技术进行系统合成后的分析和优化。这也是目前进行蓄冰空调系统研究的一个方向。在开始阶段,蓄热技术的优化研究一般是根据热力学第一定律进行的。现在,热力学第二定律分析方法已成为分析蓄能系统的有效手段,通过对蓄热系统在完成蓄热和放热循环过程中嫡增情况的研究,对蓄热器进行热经济分析和优化。它已经发展成为热 能储存系统设计和研究的一个新领域。在蓄冷技术应用水平较高的国家,正在开展对蓄冷系统的节能技术研究,对蓄冷系统采取节能措施后年费用可以节约1/5 阁。3.3.4蓄冷系统的技术经济分析和评估卿、2 8、侧在进行蓄冷系统可行性研究时,如何综合评价冰蓄冷空调系统转移负荷能力、总能耗费水平和用户效益,根据何种方法对常规制冷系统、带峰期限荷的常规系统以及冰蓄冷系统进行比较,也是人们所关心的一个间题。而且,蓄冷系统并非适用于所有场合,必须通过认真评估,以确保能够降低运行费用,降低制冷设备投资,从而缩短投资回收期。因此,需要一个合理可行的评估方法。3.3.5蓄冷介质的研究开发 s 0滋润蓄冷技术的普遍应用也激励人们去研究开发新型蓄冷介质。目前应用的蓄冷介质主要包括水、冰和共晶盐。但新型的、便于放置的、无腐蚀性的有机蓄冷介质也在不断出现,如常温下胶状的可凝胶,它在不易流动,不易泄漏,无污染方面要优于共晶盐溶液,也可用于密封件蓄冷.利用水合物的恃注进行蓄冷也是目前研究较多的扁个课题 aa j o4结束语在世界上,电制冷蓄冷技术已经成为改善电力供应状况,提高机组负荷率,充分利用现有发电资源的重要手段。在中国,经济的高速发展和人们物质生活水平的不断提高,已经对电力供应提出了挑战。改善电力供应紧张的局势和电力负荷环境已成为当务之急。充分利用现有发电设备来满足对电力的需求,在大城市空调负荷快速增长的情况下,研究、开发及推广应用电制冷蓄冷技术是非常必要的。:1213141516171819-2829参考文献A S H R AEHa ndbo ok.ThermalSto r age.Chapte r46.1一251 98 7.ASHRA E Ha ndbo ok.The rmalStorage,Chapte r3 9.1一17.199 1.D en ald P.Chill edwate rstor agesystemr edue e sene rgyeosts.AS H R A EJ.AprH199 3.30一33.Go rdo nVR.Combinedehilled waterthe rmale ne rg丫storageand fir eprote etionsto ragesystems.AsHRA EJ.Mayl99 2.16一22-Thoma sWBrady.De signe o nside r atio nforfirste oste ontrolofie esto rage12thEne rgyTe ehnolog yCo nf.4 14一420.Je r ryA.Ie estorageeo olingbo ostsC Teffieie ney.Powe rEngi-n e e ring1 992,96(9).DonaldL G.Utilitiesl ooktosystemload fa etor.ASH R A EJ.May,1987.Mieha el He tal.T hermalsto r agew ithEMSe o ntrol.A S H R A EJ.May,1 989.29一34.山崎良信In v e rte raireo nditione rsw iththe rmalstor ageu nitandfu:zylogieeontrolsystem.冷凉,1 992,67(7 72)14一22李克欣.冰蓄能 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