蓄冷空调节电技术

2017-07-22

空气调节是现代文明的象征，它是在自然环境下将室内空气的温度、湿度、清新度等控制在人们需要的某种范围之内，为工作、生产、生活提供一种环境条件，借以维护人们的身心健康和提高生产工效。随着社会的进步和生活质量的提高，空气调节已成为社会生活不可缺少的一个组成部分。

　　空气调节的种类繁多，按温度调节的范围来看基本上有两种类型：一种是只有降温调节功能的称为冷气空调；另一种是除有降温调节功能外还具有升温调节功能的称为冷暖空调。按空调的规模大小划分也有两大类：一类是集中冷源的中央空间，主要用于大面积多房间的空气调节，如宾馆、商厦、公寓、酒楼、写字楼、展览馆、图书馆、体育馆、医院、影剧院、康乐中心、车间等大中型活动场所；另一类是自带冷源的分散空调，如柜式、窗式、分体式空调器等，主要用于小面积单房间的空气调节，如居室、旅馆、饭馆、商店、写字间等小型活动场所。蓄冷空调指的是在传统中央冷气空调装置系统的基础上加装一套蓄冷设备所组成的蓄冷中央冷气空调，它的主要节电功能不是节约电量，而是在用户终端为电网移峰填谷节约电力。一、空气调节的工作原理

　　1．空气调节装置的基本结构

　　空气调节装置主要由三部分组成。

　　（1）制冷系统：它包括压缩机、膨胀阀（或毛细管）、蒸发器、冷凝器和连接管路组成的封闭系统，其中充灌制冷剂，一般用氟里昂，通常把压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器几大部件称之为制冷机组，完成制冷功能和向空调箱输送冷媒的任务。

　　（2）空气系统：它主要包括空气处理设备、管道送风设备和末端设备，完成空气净化功能和向空调室送风、回风的任务。

　　（3）电气控制系统：它主要包括对空气净化和温、湿度的控制，各种阀门和风门的调节，以及完成各种保护功能和操作监控的任务。

　　2．空气调节的工作循环

　　空气调节的工作过程就是制冷系统和空气系统不断循环的过程。（1）蒸发器是制冷剂从冷冻水回水摄取热量的装置。在蒸发器中，低压液态制冷剂从冷冻水回水摄取热量后蒸发为低温低压的蒸汽。

　　（2）压缩机是提高蒸发后的低温低压制冷剂蒸汽压力，使其在冷凝器中容易液化的装置。在压缩机中，蒸发后的低温低压蒸汽制冷剂被压缩到可以液化的高温高压蒸汽。

　　（3）冷凝器是把压缩后的高温高压蒸汽制冷剂进行冷却液化的装置。在冷凝器中，把制冷剂从冷冻水回水摄取的汽化潜热和压缩机产生的压缩热传递给冷却水，使制冷剂冷凝为高压液体

　　（4）膨胀阀（或毛细管）是把冷凝后的液化制冷剂的压力降到能使其达到蒸发压力状态的装置。高压液态制冷剂经过膨胀阀（或毛细管）降到低压制冷剂，以便使它能够在低压蒸发器中膨胀蒸发，从而完成制冷循环。

　　（5）冷却塔是冷却循环水的装置。经过冷凝器的冷却水吸收了制冷剂的冷凝热而升温，为了使冷却水能循环使用，使它在流经冷却塔的过程中进行强制降温，然后返回冷凝器，从而完成冷却水的循环。

　　（6）在完成上述制冷工作循环的同时，经蒸发器降温了的冷冻水进入空调箱，在其中把空气系统中的回风和新风冷却后送入风道至末端空调室，在空调室升温的空气进入回风道，经过部分减排后回到空调箱与新风一起再行冷却，从而完成空气循环。周而复始，空气调节工作过程持续不断地进行下去。二、蓄冷系统的类别

　　1．蓄冷方式

　　蓄冷方式是指从热力学角度观察所采用的蓄冷方法。蓄冷空调的蓄冷方式基本上有两种：一种是显热蓄冷，它是在蓄冷介质状态不变的情况下，使其降温释放热量后蓄存冷量的方法；另一种是潜热蓄冷，它是在蓄冷介质温度不变的情况下，使其状态变化释放相变潜热后蓄存冷量的方法。

　　根据蓄冷介质的不同，蓄冷系统分为三种基本类型：一类是水蓄冷，即以水作为蓄冷介质的蓄冷系统；另一类是冰蓄冷，即以冰作为蓄冷介质的蓄冷系统；再一类是共晶盐蓄冷，即以共晶盐作为蓄冷介质的蓄冷系统。水蓄冷属于显热蓄冷，冰蓄冷和共晶盐蓄冷属于潜热蓄冷。

　　水的热容量较大，冰的相变潜热很高，而且都是易于获取和廉价的物质，是采用多的蓄冷介质，因此水蓄冷和冰蓄冷是应用广泛的两种蓄冷系统。

　　2．蓄冷方式的分类

　　蓄冷方式的分类方法有多种。按蓄冷设备结构的不同来区分，水蓄冷主要有迷宫式、隔膜式、多槽式和水温分层式几种,冰蓄冷主要有冰盘管式、容积式（封装式、冰球式）、冰片滑落式和冰晶式（冰泥式）几种。冰蓄冷是蓄冷空调发展的主流。蓄冷方式各种设备的结构和工作特性这里不作介绍，请参阅有关文献。

　　3．蓄冷空调的特点

　　（l）蓄冷中央空调系统：蓄冷中央空调系统是在传统中央空调装置中，加装一套蓄冷装置形成蓄放冷循环后的空调系统。

　　蓄冷中央空调系统与传统中央空调系统相比，突出的优点是：可全部或部分地转移制冷设备的运行时间，从而能较大幅度地降低电网的高峰负荷、充填低谷负荷、进行移峰填谷，是在终端用户移峰填谷的主要技术手段。它一方面可在供电方提高电网运行的可靠性和经济性，降低了供电成本；另一方面可在需电方使空调用电避开电网负荷高峰时段的高价电力，充分利用负荷低谷时段的廉价电力，节省了电费开支。对于供电资源短缺的电网还可以部分地缓解电力供应的压力，对于负荷增长较快的电网会减少增建电厂和输配电系统的电力投资。对于要求较高的空调用户，采用蓄冷空调相当设置一个备用冷源，一旦临时停电可作为应急冷源，启用蓄冷装置和自备电源投入运行，可以保障主要部位的空调负荷。蓄冷空调能给电力供需双方带来更多的功效，为供需双方开展合作共同推动蓄冷空间的应用创造了更多的机会，这也是为什么近六年来我国蓄冷空调起步较快的重要因素。随着市场经济的发展和劳动生活条件的改善，电网负荷的峰谷差还会增大，尤其是南方大中城市的空调负荷估计要占地区电网的20％～40％，其中中央空调将占相当大的比例，蓄冷空调必将成为需求方管理在节约电力方面一个重要的技术支持手段。

　　当然，蓄冷空间也存在明显的缺欠：一是它的系统运行效率比传统中央空调要低，主要是增添了蓄冷系统后增加了换热、传热和工质损失，以及冰蓄冷制冷机蒸发温度低导致制冷效率下降；二是它的占地比传统中央空调要大，主要是增加了蓄冷设备及其管路和附属部件等。

　　（2）水蓄冷中央空调系统：水蓄冷与冰蓄冷相比，它的主要优点是它的制冷效率高、蓄冷设备简单、易于改造、见效快。其一，传统中央空调的制冷机、风机、水泵、空调箱、管路等主要部件不必更换，可直接使用；

　　其二，以水作为蓄冷介质，它的获取方便，价格低廉；

　　其三，不需降低制冷机的蒸发温度，制冷深度不变，可保持较高的制冷效率；

　　其四，蓄冷设备比较简单，容易将传统中央空调系统改造为水蓄冷空间系统，投资少，工期短，见效快。

 　它的主要缺欠是蓄冷介质的蓄冷密度低，蓄冷设备占地大和蓄冷效率低。

　　水的比热是4.1868kJ/（kg·K）（1.0kcal/kg·℃），冰的相变温度是O℃、相变潜热333.3kJ/kg（79.6kcal/kg）。在水蓄冷方式中，通常的蓄冷温差在5℃左右，lm3水的蓄冷能力为20.9×103kJ，相当5.8kW·h。在冰蓄冷方式中，lm3的冰（相当924kg）其蓄冷能力为308×103kJ，相当85.6kW·h。理论上，在水和冰两种蓄冷介质同样体积下，冰蓄冷能力约为水蓄冷能力的15倍。因此，在提供相同蓄冷量条件下，水蓄冷设备用占地要比冰蓄冷占地大得多，因而受场地条件约束大。若能够与消费水池共用，不但可以节省占地，而且还可以减少投资。

　　水蓄冷的蓄冷槽内不同温度的冷冻水易于掺混，以及庞大蓄冷槽的水表面散热损失较大等因素的影响，使它的蓄冷效率偏低。

　　（3）冰蓄冷中央空调系统：冰蓄冷与水蓄冷相比，它的主要优点是蓄冷密度大，蓄冷能力强，蓄冷效率高，并可实现低温送水运风，水泵和风机容量较小。

　　其一，由于它蓄冷介质的蓄冷密度大，故蓄冷设备占地比水蓄冷设备占地小得多，这在大中城市高层楼宇设置蓄冷空调是一个相对有利的条件；

　　其二，冰蓄冷设备内的蓄冷温度虽比水蓄冷设备内的蓄冷温度低，蓄冷设备内外温差大，但它的外表面积远小于水蓄冷设备的外表面积，故而散热损失低，蓄冷效率高；其三，冰蓄冷可提供低温冷冻水和低温送风系统，使得水泵和风机的容量减少，也相应地减少了管路直径，有利于降低蓄冷空调的造价；

　　其四，冰蓄冷能力强，临时停电时，可以作为一个蓄冷库当做应急冷源。

　　它的主要缺欠是在蓄冷工况时的制冷效率低，制冷能力下降。制冷机有个特征，制冷剂的蒸发温度越低制冷效率就越低，在提供相同冷量的条件下降低了制冷机的可用功率，一般制冷剂的蒸发温度每下降1℃，它的可用功率要下降3％。水蓄冷空调制冷机制冷剂的蒸发温度与传统式中央空调相同，一般在2～3℃，而在蓄冰工况时制冷剂的蒸发温度一般在-7～-8℃，大致相差10℃。因此，相同容量的制冷机，冰蓄冷的制冷能力要下降30％左右，即相当水蓄冷空调制冷机容量的70％。理论上，在环境条件不变的前提下蓄冷工况的单位冷吨用电量，冰蓄冷约为水蓄冷的1.43倍。应当指出：蓄冷用电量是填谷电量，既可以缓解电网压电的困难，又有利于平稳系统负荷；对用户来说，从移峰填谷电价差中所获得的收益，往往高于效率损失的花费。

　　此外，冰蓄冷系统的装置比较复杂，操作技术要求高，投资也比较大，施工期也比较长，更适合于大中型新建筑物采用。

　　冷吨（Rt）是冷量强度的一种计量单位，1Rt相当把1t0℃的纯水在24h内制成O℃的冰所需要的凝固热。1日制冷吨等于3317kcal／h，即13.9×103kJ，相当于3.86kW。1美制冷吨等于3024kcal／h，即12.7×103kJ，相当于3.52kW。通常采用美制冷吨。三、蓄冷系统的工作循环

　　蓄冷空调系统与传统空调系统不同的是增添一套蓄冷系统，为了解蓄冷空调的移峰境谷作用，这里以一种冰球式蓄冷系统为例，简单介绍一下蓄冷系统的工作过程。

　　1．蓄冰系统的设置

　　制冷系统的主体设备是制冷机，使用多的有活塞式、离心式和螺杆式三种压缩制冷机。蓄冰式空调使用的制冷机要在空调工况和制冰工况两种工况下运行，普通传统空调的离心式制冷机不适用于蓄冰式空调，须选用双工况制冷机组，螺杆式制冷机的性能更适合作为双工况制冷机。

　　蓄冰系统的主体设备是蓄冷罐。罐内堆装着蓄冰球，球壳是由高密度聚合稀烃硬质材料制成的圆球体，其机械性能和化学性能与蓄冰介质和载冷介质性质相容。目前使用的蓄冰球外征多为77mm和95mm两种，球壳内充注具有高凝固潜热的相变物质盐水作为蓄冷介质，并把它封装起来。当从制冷机蒸发器出来的低于相变温度的载冷剂（冷冻液）透过蓄冷罐时，蓄冰球将其热量传递给载冷剂，使蓄冷介质结冻蓄冷；当高于相变温度的载冷剂遇过蓄冷罐时，蓄冷球就会吸收载冷剂的热量，把冷量释放给载冷剂使蓄冷介质解冻融化，从而完成蓄冷和释冷过程。载冷剂是介于制冷剂和蓄冷介质之间，作为冷量传递的中间介质的冷冻液，通常采用的是含乙二醇的水溶液。乙二醇水溶液有个特性，它的凝固点很低并随其浓度不同而变化，浓度越高相变温度越低，在蓄冷循环中为保证冷冻液液体不被固化，乙二醇水溶液的浓度应使其凝固点低于低蒸发温度。一般用25％浓度的乙二醇水溶液，其相变温度在-12℃，低于蒸发器-8℃的低蒸发温度。

　　蓄冰系统的工作过程是由两个并联的蓄冷回路和释冷回路完成的。蓄冷回路（abcd）又称初级回路，主要完成蓄冷功能；释冷或放冷回路（biefghjc）又称次级回路，主要完成释冷或放冷功能。它们的载冷介质为乙二醇水溶准的冷冻液，在次级回路它通过板式换热器与以水为介质的空调用冷冻水分开。整个蓄冰系统的工作循环是在自动控制下完成的。

　　2．蓄冰系统的工作过程

　　蓄冰系统的工作过程，有以下四种典型运行工况。

　　（l）单蓄冷工况：单蓄冷工况是空调终端不需冷量时的运行工况。如写字楼和商务大厦等一般在上夜或下夜电网负荷低落或负荷谷期停止工作不需空调的时候，关闭放冷回路，蓄冷回路投入运行，起全量填谷作用。

　　此时，次级泵P2停止运转，三通阀V3的1通道关闭，以隔断制冷机与次极回路的联系，形成制冷机、蓄冷罐与水泵P1之间的循环。制冷机首先使蓄冷回路的冷冻液降温，直到蓄冷球的相变温度，蓄冷球吸收冷冻液的冷量后蓄冷介质开始发生相变固化结冰。随着冷冻液温度的降低终到蓄冷球的蓄冷介质完全固化为止，此时冷冻液的降温速度很快，表明蓄冷阶段的结束，从而完成了蓄冷循环。单蓄冷循环的路线。

　　（2）蓄冷和直供冷工况：蓄冷和直供冷工况是空调终端需冷量低于制冷机过冷能力时的运行工况。如歌舞厅、建身房、写字楼、夜总会、商厦、酒楼、车间等，在清晨或午夜前的一段时间常常出现的空调工况。此时，蓄冷回路和放冷回路均投入运行，起部分填谷作用，有较大的填谷能力。

　　这时，初级泵和次级泵均处于运行状态，三通伐V3调节第1、2通道的开通状况，以便使第1通道的流量低于初级泵P2通过的流量，多出的部分流经蓄冷罐已进行蓄冷，从而达到制冷机的一部分冷量直供空调，多余的冷量用于蓄冷的目的，使制冷机也得到了充分的利用。蓄冷和直供冷循环的路线。

　　（3）放冷和直供冷工况：放冷和直供冷工况是空调终端所需冷量大于制冷机能力时的运行工况。在通常情况下，中央空调大需量时段正处于电网负荷的高峰期，是蓄冷空调发挥削峰作用的好机会，此时制冷机和放冷回路均投入运行。

　　这时，初级泵P1和次级泵P2均处于运行状态，三通阀V3调节第1、2通道的开通状况，在大需量时以便使第一通道的流量大于初级泵P1通过的流量。除制冷机将全部制冷量直供空调外，放冷回路将增补短缺的空调负荷，起部分削峰的作用，从而完成放冷和直供冷循环。它主要应用在电网负荷峰期的空调利用时间长，蓄冷容量小于空调时段需冷量的场合。它能够充分利用制冷能力和蓄冷容量，是蓄冷空调多见的一种运用方式。

　　（4）单放冷工况：单放冷工况是停用制冷机，终端需冷量只用蓄冷设备供冷的运行工况。主要应用在电网负荷峰期的空调时间不长，但空调负荷很大，蓄冷容量大于或等于空调时段需冷量的场合，如体育场馆、大会堂等的空调会遇到这种运用方式。