外融冰蓄冷系统的发展状况以及工程应用
【中国制冷网】简介：本文介绍了外融冰蓄冷系统的技术特点和作用，说明了了目前国内外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，总结了清简介：本文介绍了外融冰蓄冷系统的技术特点和作用，说明了了目前国内外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，总结了清华大学和清华同方在外融冰研究和应用方面的成果，对外融冰技术的进一步发展和应用进行了评估和猜测。关键字：冰蓄冷外融冰
一．引言
冰蓄冷技术作为一类重要的能源利用技术，近来获得了很大发展。冰蓄冷是指在用电低谷时用电制冰并暂时蓄存在蓄冰装置中，在需要时把冷量取出来进行利用，由此可以实现对电网的“削峰填谷”，有利于降低装机容量、维持电网的安全高效运行，所以包括我国在内的许多国家都采取了各种措施以鼓励蓄能技术的发展和应用。
根据制冰方式的不同，冰蓄冷可以分为静态制冰、动态制冰两大类，此外还有一些非凡的制冰方式1。静态制冰方式，即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态。这一类制冰方式包括冰盘管式、封装式等多种具体形式。动态制冰方式，该方式制冰过程中有冰晶、冰浆生成，且冰晶、冰浆处于运动状态。每一种具体形式都有其本身的特点和适用的场合。
外融式冰盘管蓄冷在制冰方式上属于静态制冰方式，是由冷源将乙二醇溶液、盐水溶液等栽冷剂冷却到0℃以下并送入蓄冰槽内的冰盘管与管外的水进行热交换，在管外结冰以蓄存冷量，需要时进行取用，从而蓄冷过程必须克服随厚度增加越来越大的冰层热阻。与内融冰方式在取冷时仍由管内的乙二醇溶液或盐水作栽冷剂与管外冰进行二次换热不同，外融冰方式是直接采用蓄冰槽内的水作为取冷介质送出，冰是从冰柱外表面开始向内进行融化的。其工作过程决定了外融冰方式与内融冰方式等需要二次换热的冰蓄冷形式相比，取冷效率更高，而且取冷温度更低，并可长时间保持低温取冷，使取冷过程更加平稳，并使得实现大温差低温送风成为可能；同时又比冰晶式、冰片滑落式等动态制冰技术设备的材料要求低，加工、使用、治理方便。例如一般空调用表冷器处冷冻水温度约为7℃，假如采用外融冰方式，冷冻水温度可长时间保持在1～2℃，可以更大幅度地降低送风温度，增加送回风温差，实现送风量的大幅度减少。这不但大大减少风管截面积及其占用空间，而且减少了风机、水泵、阀门等的设备容量、部件尺寸，减少材料使用和设备功耗，水路、风路的机电设备、材料的初投资和系统运行费用也都不同程度减少，达到整体上降低空调系统的费用，提高经济效益。二．外融冰蓄冷技术的发展概况
1．概况
与其它静态蓄冷方式如内融冰方式的发展和应用相比，目前国内外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文献资料并不很多。基于外融冰系统有很好的优点，近几年已经越来越引起人们的重视，国外在其蓄冷取冷性能方面的研究有了很大深入。由于这种蓄冷方式与其它蓄冷方式在一些方面存在相似性，因而完全可以借鉴其它蓄冷方式的研究成果或研究方法，并针对外融冰的具体特点进行研究；另一方面，也必须针对外融冰的非凡性采用一些新的研究思路，以求可以更准确、全面地了解其规律性。
目前美国、日本等国家在冰蓄冷研究方面已经处于领先地位，在我国包括清华大学在内的一些大学和科研单位也做了许多工作。国内外的研究者们普遍从实验方法和数值计算模拟的方法两方面进行研究，而且经常将两类方法结合起来进行研究，非凡是近期以来国外就实际使用的冰盘管蓄冷装置的热特性及蓄冷系统的性能评价进行了很多现场实测研究，用以对冰蓄冷技术进行分析与评估，同时也对实验研究及模拟分析的研究成果进行验证和评价。
2．蓄冷特性的研究
考察冰盘管蓄冷特性经常采用蓄冷/取冷特性曲线，即在蓄冷/取冷过程中，在冰槽进口温度、出口温度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等参数随时间的变化曲线来表示。
国内外普遍利用实验、实测的方法进行盘管式冰蓄冷特性的研究。
日本学者山羽基从蓄冰槽内水温分布特性方面就盘管配置、蓄冷槽下部有无搅拌等因素影响对外融冰蓄冷方式进行了较为深入的研究2。研究发现：有搅拌时，蓄冰槽内水温分布均匀，开始结冰时间比无搅拌时要晚一些，而总结冰时间短，管外结冰均匀一致，且蓄冷量大。无搅拌时，侧部、中心配置时，无盘管部分按照水温分层，而且蓄冰结束后，盘管上部结冰偏厚；下部、上部配置时也明显的受到水的密度随温度变化而变化的非凡性的影响。配置方式对结冰时间基本无影响，有搅拌时中心配置最短，无搅拌时上部配置短；只搅拌至结冰而后停止搅拌，与全程搅拌效果几乎相同。
理论研究与模拟计算方法
根据有关理论建立数学模型，而后进行计算求解，或进而进行仿真，是研究冰蓄冷问题的重要方法。
美国的Abraham等人对于直接蒸发型冰盘管的蓄冷过程，在作了蓄冷过程中盘管传热系数为常数的假定下，以蓄冷过程中的压缩机做功最小化为目标函数，以蒸发温度和盘管尺寸为参量，建立了数学模型，并进行了模拟计算。
山羽基基于蓄冷槽的分层特点，设定垂直方向温度场为线性分布，忽略水平方向温度分布的不均匀性，根据能量平衡关系，采用有限差分法，建立了温度分层型数学模型，并对冰盘管出口温度对冷机出力的影响进行了修正，由此可以计算出槽内水温分布和制冰量。
中国科学技术大学方贵银根据蓄冷传热过程中的能量平衡关系在进行了一系列合理假设基础上建立了非线性微分方程组，对其所建立的数学模型进行了求解，得到冰层厚度与蓄冰时间的关系，并用实测数据进行了验证。
可以看出，目前在对冰盘管蓄冷槽进行模拟计算时所建立的数学模型，一般都从物理、数学的角度作了许多假定，以简化所研究的问题，但因此也不可避免地带来了与实际工作过程的不一致性，并且每一个模拟方法及其研究成果都只能在一定条件下适用。
3．取冷特性的研究
冰盘管的取冷过程是一个伴随相变的过程，外融式在取冷时，不会大量形成内融式方式出现的冰圈大量破裂形成浮冰的情况，而是冰圈在主要融冰期间基本不脱离盘管壁，因而管外冰的变化过程相对简单；但是另一方面，由于从整体上看水槽中的水体是一个流动过程，因此温度场的分布极大地受到了流场、相变、物性等因素的影响，其变化规律的分析又比内融式的融冰过程复杂得多。国内外已经对内融冰取冷特性开展了很多研究，但是外融冰取冷特性的有关研究资料还比较有限，还有待于进一步开展工作，应该根据外融冰取冷过程的特点，借鉴内融冰取冷特性的方法和成果来进行研究。
实验研究
山羽基对于外融冰槽取冷特性进行了较为深入的实验研究2。研究发现，阿基米德数Ar对槽内水温竖直温度分布有很大影响，欲尽可能长时间地取出低温水，应使Ar尽可能大；盘管数量及其布置方式对取冷特性有影响，并与Ar数的大小有关；增大冰盘管含冰率后在取冷初期取水温度有所降低；搅拌可使融冰条件均一化，可削弱进口条件对取冷温度的影响。
理论研究与模拟计算方法
对于外融冰槽取冷过程的理论研究，由于存在相变情况下槽内流场、温度场及其影响因素的变化极为复杂，很难进行外融冰特性的准确模拟，往往需要对问题作出一系列的简化，采用能量平衡的方法进行近似求解。
山羽基对于外融冰给出了混和模型。将槽内分成完全混和区和一次扩散分层区两部分，对于每一部分列出能量平衡关系式。盘管在不同区域的大小对混和模型的影响以修正系数的形式体现，参照实验结果决定模型中的有关系数。求解模型可以得到有关取冷特性参量及其随时间的变化。
美国的JeroldW.Jones等人对ASHRAE提出的冰蓄冷设备模型RP-459进行了实际检验，并提出了一个更为简化的模型与之对比，发现简化模型更接近于实测结果，这首先是由于RP-459模型需要输入有关冰蓄冷系统实际运行的准确、实时的信息，否则其计算结果无法达到较高的精度。
由于到目前为止，国际上在外融冰方面的有关理论研究比较而言还不够充分，为了进一步深入熟悉外融冰的取冷特性，我们仍可以借鉴有关内融冰的理论研究及模拟分析的方法及其成果67。三．清华大学、清华同方对外融冰技术的研发和应用
冰蓄冷作为一种关键技术，目前国际上一般不给提供蓄冷、取冷性能曲线等基础性资料和研究成果，为此，我们有必要进一步加强有关方面的研究工作。清华大学与清华同方充分运用双方具有的人才、科技、资金和工程应用方面的优势联合进行了外融冰蓄冷技术的研究和产品开发，并积极应用于实际工程。
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1．外融冰技术的研究与开发
清华大学多年来在冰盘管蓄冷技术方面进行了持续的研究，并取得了有意义的成果。94级研究生李浩对冰盘管蓄冷过程的特点进行了研究，对影响蓄冷特性的重要因素如蓄冷流量、蓄冷温度进行了深入考察，并指出对于一定结构的盘管式蓄冰装置，加快蓄冷过程的方法首先应从降低蓄冷进口温度入手，而在一定范围内改变蓄冷流量对蓄冷速率的影响不大。96级研究生杨逢君进一步研究了单管和残冰工况的蓄冷特性，认为残冰对蓄冷过程的影响很小。同时，他们在内融冰取冷特性方面进行了较深入的研究，其研究方法和研究成果有助于对外融冰取冷特性作进一步的实验研究。
为了进一步开发外融冰技术，由清华大学建筑环境与设备研究所和清华同方人环公司合作开展了“外融冰槽蓄冷取冷特性的实验研究”的研发项目。该项目组在清华大学空调实验室现有的蓄冰实验台基础上经过改造，并重点对所建50RTH方形钢盘管蓄冷槽进行了取冷特性的测试研究。实验台蓄冷、取冷部分的原理及温度、流量测点布置。实验通过改变流体流量、温度等因素以测试其对蓄冷、取冷特性的影响。实验期间以30秒为间隔记录系统流量、蓄冷槽液位、蓄冷槽入口温度、出口温度、蓄冰槽内水温竖直分布状况。根据蓄冰槽液位判定和控制蓄冷、取冷的进展情况。通过测量冰槽内不同位置上的水温，可以得到温度分布及其随时间的变化规律，以此可以进一步分析蓄冰槽的蓄冷取冷特性，进而指导改进外融冰蓄冷系统的设计和应用。
给出了一个典型的外融冰取冷过程的特性曲线，该次实验的取冷流量保持在6m3/h左右，取冷速率保持在10RT左右，从而使取冷进出口温差基本保持在5℃，进出口方式为下进上出。整个取冷过程进行了5小时，共取出50RTH的冷量。
实验发现，在取冷过程中冰的融化在空间上是不均衡的，下部由于最早接触进口的温度较高的水而融化得较快，而上部较慢。当取冷过程结束时，水面上仍然残存着少量冰碴，这说明在整个取冷过程中都存在着融冰现象。
从的取冷速率随时间的变化曲线中可以看出，整个外融冰取冷过程大体上可以分为两个阶段：潜冷取冷阶段和混合取冷阶段。
取冷过程的第一阶段是从开始取冷一直持续到大约3.5小时。在这一过程中，取冷出口温度从0.3℃升高到2℃左右，曲线基本保持不变并略有上升。这说明这一阶段基本上是进行的潜热取冷，显热取冷量极小。这种情况主要是由于温度较高的水从底部的布水器的下侧以极小的速度进入槽内，然后相当均匀的缓慢向上流动，迅速与冰面四周温度接近于0℃的低温水混和，并沿着叉排管束中间的之字形流道向上流动，从而水温也迅速降低到接近0℃，这使得位于冰槽上部的取冷出口处一直保持在较低的水温。从而外融冰系统可以长时间地稳定地取出低温水，这是外融冰的一个非常重要的优点。
随着取冷过程的进行，管外冰柱的融化使水向上流动的通道增大，每一根管外的冰水接触面积减小。这导致了较高温度的水需要经过更长的距离才能得到充分的降温，并且随着时间的延长流到上部的水温也越来越高了。当管束间的流道增大到一定程度时，依靠融冰带来的潜热已经不足以弥补较高温度的水所携带的热量时，显热所承担的负荷迅速的增加了，取冷过程也进入到下一阶段，即混合取冷阶段。此时取冷曲线的斜率迅速增加并基本保持稳定。在这一阶段，潜冷取冷在整个取冷量中所占比例减小，而显冷取冷增加了。取冷曲线在接近取冷过程结束时又略有降低，这是由于此时附在管外的冰出现较多的破裂并上浮，一部分被上部的管滞留，一部分直接上升到水面上，从而保持了较大的总冰水交界面，非凡是使得冰槽上部保持了较低的温度水平，引起取冷出口温度升高的速率有所放慢。
研究发现，蓄冰槽进出口方式对其取冷特性有重要影响。在其它条件相同时，上进下出方式要比上述的下进上出方式出口温度平均高2℃左右，这是由于受到水的密度随温度变化的规律的影响。同时，本课题还对影响取冷特性的取冷流量、取冷温度、取冷负荷、有无搅拌等因素进行了考查，有关研究成果将另文发表。
2．外融冰技术的实际应用
近年来清华同方已经开始积极推动外融冰蓄冷技术在实际工程中的应用。目前已经完成的四川成都皇城老妈火锅城外融冰蓄冷工程就是一个典型的应用实例。该工程由于是为火锅城服务的，其用户负荷与一般用户空调负荷有着很大不同，负荷非常集中，主要在天天下午五六点钟之后投入使用，此时负荷强度为350W/m2，大大高于一般用户负荷。为此采用了外融冰空调系统，可以充分利用其能够在较集中的时间内持续平稳地取出低温水的特点满足用户使用要求，同时又能把制冷机装机容量大幅度降下来，节省了各设备部件的初投资和运行费用，减小占用空间。同时，由于供水温度的降低也带来可以实现大温差送风的优势，又进一步节省了冷量输送、换热环节的费用。由于外融冰取冷环路本身是开式系统，利用了火锅城建筑结构方面的特点把外融冰槽安装在其房顶上。因此，从整体上看，该工程满足了用户的使用要求，提高了经济效益，同时达到了“削峰填谷”的目的。
四．结论与建议
外融冰系统本身具有很好的优点，可以实现长时间稳定地取出低温水，为实现低温送风、减小设备容量、实现系统经济高效运行、减少占用空间提供了技术可行性，可以满足对电网实现“削峰填谷”、提高能源利用率的需要。国内外对于冰盘管蓄冷过程从理论和实验两个方面进行了较为深入的研究，取得了较为成熟的研究成果。但是在取冷特性方面，目前国内外的研究还不够深入，国外的一些研究成果还往往不予公开，国内这方面的理论和实验研究也同样需要进一步加强。
发展外融式冰盘管蓄冷技术具有重要的实用意义，有必要对外融式冰盘管的性能特点进行进一步地研究，并探讨如何更好地应用到实际系统中去。为了进一步促进外融冰技术的发展和应用，应该就以下几个方面进行更深入的探讨。
1．在下一步的研究中，有必要进一步探讨冰蓄冷技术的评价标准，以对包括外融冰在内的各种冰蓄冷形式的特点及其优劣进行评估和探讨。
2．如同区域供热一样，近几年来区域供冷作为一种具有发展前途的领域，其对于实现供冷规模化的安全、高效、经济、方便地运行所具有的重要意义已经开始为人们所熟悉。在区域供冷系统中由于可以采用大制冷系统，采用蓄冷技术无疑是非常必要和可行的。基于外融冰方式所具有的可长时间稳定地提供低温水的特性，在区域供冷系统中采用外融冰方式有其特有的优势。而且假如采用直接蒸发方式进行蓄冷，既省去了二次冷媒系统，又避免了冷热转换的中间环节，减少了能耗，并且加工、治理简单，比其它一些蓄冷方式更有竞争力。因此有必要在这方面进行前瞻性研究。
3．另一方面，空调系统小型化以适用于家庭也是目前空调发展的一个重要方向，它不但可以采用风机盘管送风，还可以采用集中空调系统形式，后者在一些国家已有了实用和发展。这种小型空调系统往往存在运行费用相对较高的问题，采用外融冰蓄冷可以明显的节省运行费，可能是一种较好地解决办法，值得做进一步研究。
4．外融冰系统直接把槽内冷水作为栽冷剂输送到用户或者中继换热站，利用系统的这一特点完全可以把夏季蓄冷与冬季水蓄热结合起来，以更充分地利用现有系统，节约投资，提高经济效益，还可以选择共用热泵型机组夏季供冷冬季供热以进一步减少采暖系统的投资。另外，还可以方便的把蓄冰槽与消防水池结合起来，降低占用空间。这是对外融冰蓄冷技术进行应用和推广的一个很有经济性和现实性的方面。
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