第-八-章-蓄-能-空-调

第八章蓄能空调一．蓄能空调基本概念空调蓄能技术是九十年代以来在国内兴起的一门实用综合技术，由于可以对电网的电力起到移峰填谷的作用，有利于整个社会的优化资源配置；同时，由于峰谷电价的差额，使用户的运行电费大幅下降，因此是一项利国利民的双赢举措。定义蓄能空调，就是利用蓄能设备在空调系统不需要能量或用能量小的时间内将能量蓄存起来，在空调系统需求量大的时间将这部分能量释放出来。根据使用对象和蓄存温度的高低，可以分为蓄冷和蓄热。结合电力系统的分时电价政策，以冰蓄冷系统为例，在夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将制得冷量以冰（或其它相变材料）的形式蓄存起来，在白天空调负荷（电价）高峰期将冰融化释放冷量，用以部分或全部满足供冷需求。潜热蓄能是利用物质发生相变将所吸收或释放的热能蓄存起来，而显热蓄能则是将物质发生温度变化时所吸收或释放的热能蓄存起来。例如，每1千克水发生1℃的温度变化会向外界吸收或释放1千卡的热量，为显热蓄能；而每1千克0℃冰发生相变融化成0℃水需要吸收80千卡的热量，为潜热蓄能。很明显，同一物质的潜热蓄能量(相变温度)大大高于显热蓄能量(1℃温差)，因此采用潜热蓄能方式将大大减少介质的用量和设备的体积。二．蓄能空调的由来与发展早在几千年前，我国《诗经》中就有“凿冰冲冲，纳于凌阴”的记载，当时还没有机械制冷，我们的祖先利用大自然的造化将冬天的冰蓄存起来到夏天使用，这应该是最古老的蓄冰工程了。国外利用机械制冷机的蓄能空调最早出现在二十世纪三十年代的教堂，由于平时人员少、负荷需求少，而礼拜日人员多、负荷需求大，由于制造工艺所限，当时制冷机的制冷容量均较小，因此平日制冷并蓄冰，到礼拜日冷机和融冰同时使用以提供冷量。充分体现了蓄能系统的优点，可减少设备容量并提高设备的使用率。当时主要应用于类似的剧院和乳品厂等负荷集中、间歇供冷的场所内。随着机械制造业的进步，蓄冷技术的发展很快停滞下来。到了二十世纪七十年代中期，随着世界范围内的能源危机出现，蓄冷技术的发展得到了新的、更强大的推动力。美国南加利福尼亚爱迪生电力公司于1978年率先制定分时计费的电费结构，1979年编写并出版了《建筑物非峰值期降温导则》，1981年后推广应用蓄冷技术，并颁布相关的奖励措施。到90年代，美国已有40多家电力公司制定了分时计费电价，从事蓄冷系统开发及冰蓄冷专用制冷机开发的公司也多达数十家。欧洲、日本等经济发达国家以及我国的台湾地区也在80年代开始了蓄冷技术的应用研究。日本由于战败引起的经济衰退、资金紧张，90年代前，主要是发展初投资较低的水蓄能系统，近年转而大量发展冰蓄冷系统；1990年只有200个左右的冰蓄冷系统，到2002年已经发展到1万多个蓄冷空调系统；电网低谷电约有45%被加以利用，其特点是中小型空调系统也采用蓄能方式。我国的台湾地区已经有600多幢建筑采用蓄能空调系统。韩国已经在1999年立法，三千平方米以上的公共建筑必须采用蓄能空调系统。我国在94年电力部郑州会议上，正式将蓄冰空调系统写入国家红头文件，被列为十大节能措施之一，当年在深圳电子大厦建成第一个冰蓄冷空调系统。国家经贸委办公厅颁发的经贸厅技[1997]298号文件将冰蓄冷空调作为今后的重点发展项目。国务院国发[1998]32号文件更强调了加快推广包括蓄冷空调在内的各种削峰填谷的技术措施。国家电力公司国电财[2000]114号文件明确要求加大峰谷电价推广力度。目前，辽宁、吉林、黑龙江、北京、天津、河北、山东、陕西、新疆、青海、甘肃、宁夏、上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、河南、四川、重庆、云南、广西、贵州、广东等省市纷纷出台了分时电价政策，一般低谷电价只相当于高峰电价的1/2甚至1/5，而且有取消电力增容费、电贴费等不同程度的优惠。我国从70年代起，在体育馆建筑中多处采用水蓄冷空调系统。94年开始建造冰蓄冷空调系统以来，截止到2002年底，已建成和正在建的水蓄冷和冰蓄冷空调系统共计259项。根据1997年国家电力总公司委托清华大学进行的工程运行情况调研，绝大部分蓄冰系统都在正常运行，成功率很高(使用动态蓄冰设备的系统运行调试比较困难)，而且96年以后的项目已全部实现自动控制，现在基本上可无人值守自动运行。2.1蓄冷式空调系统简介众所周知，许多工程材料都具有蓄热（冷）的特性。材料的这种特性。材料的这种特性往往伴随着温度变化、物态变化或化学反应过程而发生。因此，对于由冷源设备、蓄冷装置及管道所构成的蓄冷系统，按热能形态可大致划分为显热蓄冷、潜热蓄冷和化学蓄冷三大类，其中涉及到的蓄冷材料则可包括固体、冰、水、水合物及笼形包合物KS等。蓄冷方法从利用建筑物基础蓄水的显热蓄冷，再发展到采用冰蓄冷（潜热蓄冷）。它主要是利用水的显热或水、水相变过程的潜热迁移等特性，尽可能利用非峰值电力负荷，让制冷机在满负荷条件下经济运转，将空调所需全部或部分冷量以显热或潜热形式蓄存，一旦出现空调负荷，则令冷冻水循环运转提供空调需冷量或令冰吸收熔解热融化后以低温水提供空调需冷量。当制冷设备用热泵方式或与其他热源设备组合运行时，系统就具有空调供冷、供热两种功能。从结构上来讲，蓄冷式空调系统的主要特征是比传统式空调系统多了一套蓄冷设备，而制冷系统及空调箱循环风系统基本上与传统式空调系统是一样的。在设计普通的空调系统时，冷负荷是按照计算出所需要的“冷吨（Rt）”衡量的，而蓄冷系统则是用“冷吨·小时（Rth）来计算的。如图8-1所示，图中阴影部分代表100冷吨维持10小时冷却的一个理论上的冷负荷，也就是一个1000“冷吨·小时”的冷负荷，图上100个方格中的每一格是代表10“冷吨·小时”。图8-1事实上，大楼的空调系统在全天的制冷周期中是不可能都以100％的容量运行的。空调负荷的高峰多数是出现在下午2：00～5：00之间，此时环境的温度最高。图1-3代表了一大楼空调系统一个设计工作日中的负荷曲线。正如图8-2所示，容量为100冷吨的冷水机组在10个小时的“制冷周期”中只有2个小时在满负荷下运行，在其他8个小时中，冷水机组只在“部分负荷”里操作，如果你数一数小方格，就会发现总数为75个方格，每格代表10“冷吨·小时”，所以此大楼的实际冷负荷仅为750“冷吨·小时”，但必须选用100冷吨的冷水机组来应付100冷吨的峰值负荷，这使系统的投资回报率降低。将大楼总的“冷吨·小时”被“制冷机工作小时”数除而得到的商，即为大楼在整个制冷周期中的平均负荷，如果可以将空调负荷转移到峰值以外的时间去，或者与平均负荷相平衡，则只需选用较小制冷能力的冷水机组，且能得到较好的投资回报率。图8-2采用蓄冷式空调系统时，有两种负荷管理策略可以考虑。当电费价格在不同时间里有较大的差别时，我们可以将全部负荷转移到廉价电费的时间里运行，即谷电运行，此时可选用一台能蓄存足够冷量的传统冷水机组，将整个负荷转移到高峰以外的时间去，这称之为“全部蓄冷系统”。图8-3表示了同一大楼空调负荷的曲线，是将全部冷负荷转移到峰值以外的14个小时里，冷水机组在夜间由蓄冷槽制冷蓄冰，白天将蓄存的能量释放以完成750“冷吨·小时”的制冷量需求。平均负荷已进一步减少到53.6冷吨（750冷吨·小时÷14小时＝53.6冷吨），这样大大地减少了耗电费用。图8-3在新的建筑中，采用部分蓄冷系统是最实用的，并且也是一种最低投资的负荷管理策略。在这种负荷均衡的方式中，冷水机组连续运行，它在夜间用来制冰蓄冷，在白天利用蓄存的冷量及冷水机组的制冷量为大楼提供空调。该方案将运行时数从14小时扩展为全天24小时，可以得到最低的平均负荷31.25冷吨（750冷吨·小时÷24小时＝31.25冷吨），如图8-4所示，其耗电费用减小，而且冷水机组的功率也可减小50％～60％。图8-42.2蓄冷式与传统式空调系统比较蓄冷式空调的最大特点是比传统空调增加了一套蓄冷装置。图8-5和图8-6分别为传统式空调系统与蓄冷式空调系统的简单原理图。图8-5传统空调原理图图8-6蓄冷式空调系统原理图与传统空调系统相比，蓄冷式空调系统不仅可获得很大的节能效果和经济效益，而且还能均衡电网峰谷负荷，提高电厂发电效益，从而使各行各业受益，具有很大的国民经济意义。据现在的一些工程实例统计，蓄冷式空调系统与常规空调系统相比，可节能5％～45％左右。其节能效果随空调负荷特点的不同（连续还是间歇运行，峰谷负荷比等），电价体制的不同，蓄冷系统的不同，设备价格的不同，以及气象参数的差别等，在一个很大的范围内变化。例如，美国广播公司（ABC）办公大楼采用冰蓄冷空调系统，比常规空调可节能5％～45％左右。虽然其初投资增加了19.5％但可在1.79年内从所节约的能耗中得到回收。美国基督教广播中心大楼，采用冰蓄冷系统后，可节约能耗11％，且设备费降低16.5％。美国某商场采用冰蓄冷系统后，能耗节省4.3％，设备费降低达31％。总之，蓄冷式空调系统比传统空调系统更为节能是无疑的，而且蓄冷式空调对电网的削峰填谷作用相当于扩大了电力再生产，对发展社会生产力具有现实意义。蓄冷式空调系统（尤其是冰蓄冷空调系统）之所以具有良好的节能特性和经济效益，主要归结如下：（1）充分利用夜间谷值负荷的廉价电力，可大幅度节省电费开支，且峰谷电价愈大，其经济效益愈显著。（2）通常蓄冷式空调系统的制冷机容量可减小，其附属运转设备和电力设施的容量或功率均相应减小，从而节省了设备投资费用。（3）蓄冷式空调系统的制冷设备经常处于满负荷运行状态，用利于主机运行效率的提高。（4）蓄冷式空调系统的连续运行，避免了间歇运行中起动、停机使造成的不必要的能量浪费。（5）充分利用夜间大气的相对低温，降低了冷凝温度，从而提高了制冷机的产冷量和性能系数COP（冷凝温度降低1℃约可提高产冷量2％左右）。（6）蓄冷式空调系统，尤其是冰蓄冷系统，提供的冷冻水工作温差大，水流量可相应地减小，水管、水泵、阀门等型号也均可减小，系统阻力降低。（7）因冷冻水的工作温差大，使空调供风的温差也随之变大，从而使风道、风机、阀门、风口等型号均可减小，风阻力降低，而且提供的空调舒适性更佳。（8）蓄冷式空调系统由于水温差大，可通过热交换器形成闭式水系统，大大节约了水的高度提升能耗，对高层建筑特别有利。（9）由于水、风的有关设备、配管尺寸相对减小和电力设备配线、配管尺寸的减小，使建筑物可用空间相应扩大。（10）由于蓄冷式空调系统的蓄冷槽内蓄有冷能，一旦发生意外停电、可启用小功率应急发电机带动循环水泵和风机，可以保证局部重要区域的空调要求。蓄冷式空调系统除存在以上诸多优点外，也存在着不足的一面，主要归结如下：（1）蓄冷式空调系统，尤其是冰蓄冷系统，冷媒蒸发温度降低，与常规空调系统相比，制冷机处于更低的温度下运转，使其运行效率降低.（2）蓄冷式空调系统比传统空调系统增添了蓄冷设备，除了增加这部分设备投资费用外，还必须占用一定的空间以设置蓄冷系统。（3）蓄冷式空调系统的运行时间不同于传统空调系统，一则在夜间，二则运行时间往往大大延长，这就给系统管理增加了难度。（4）由于蓄冷式空调系统的冷冻水温度、供风温度均低于常规空调系统，因此，水管和风道的保温要求也必然提高。三蓄冷空调系统基本原理蓄冷空调系统是在非空调使用时间或利用用电低谷时的电力运转制冷机，将冷能以显热或潜热方式蓄存起来，在用电高峰且需要空调时将蓄存的冷气放出，以达到转移尖峰电力、节省电费、减轻电力负荷和降低设备容量的目的。蓄冷空调系统的应用对象主要是建筑物空调、食品冷冻冷藏和工业过程冷却三个方面。建筑物空调如办公大楼、旅馆饭店、医院、车站、餐厅、会议厅、展览馆、学校等室内空调以及纺织厂、电子仪器厂、制药厂等厂房空调；食品冷冻冷藏方面如鱼、虾、肉类的冷冻，蔬菜、水果、饮料的冷藏以及食物快速冻结前的预冷过程等；工业过程冷却如鲜乳生产中的速冷、塑料成型、润滑油冷却、化纤厂聚酯生产中的纯水冷却；等等。图8-7建筑物电力负荷分布建筑物空调采用蓄冷系统的目的主要是转移空调电力的高峰负荷，如图8-7所示，建筑物的电力需求主要包括空