外融冰蓄冷系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及工程應(yīng)用

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　簡介： 本文介紹了外融冰蓄冷系統(tǒng)的技術(shù)特點和作用，說明了了目前國內(nèi)外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，總結(jié)了清華大學(xué)和清華同方在外融冰研究和應(yīng)用方面的成果，對外融冰技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了評估和預(yù)測。

　　關(guān)鍵字：冰蓄冷 外融冰

　　一、引言

　　冰蓄冷技術(shù)作為一類重要的能源利用技術(shù)，近來獲得了很大發(fā)展。冰蓄冷是指在用電低谷時用電制冰并暫時蓄存在蓄冰裝置中，在需要時（如用電高峰）把冷量取出來進(jìn)行利用，由此可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的“削峰填谷”，有利于降低裝機容量、維持電網(wǎng)的安全高效運行，所以包括我國在內(nèi)的許多國家都采取了各種措施以鼓勵蓄能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

　　根據(jù)制冰方式的不同，冰蓄冷可以分為靜態(tài)制冰、動態(tài)制冰兩大類，此外還有一些特殊的制冰方式「1」。 靜態(tài)制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內(nèi)結(jié)冰，冰本身始終處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。這一類制冰方式包括冰盤管式、封裝式等多種具體形式。動態(tài)制冰方式，該方式制冰過程中有冰晶、冰漿（iceslurry）生成，且冰晶、冰漿處于運動狀態(tài)。每一種具體形式都有其本身的特點和適用的場合。

　　外融式冰盤管蓄冷在制冰方式上屬于靜態(tài)制冰方式，是由冷源將乙二醇溶液、鹽水溶液等栽冷劑冷卻到0℃以下并送入蓄冰槽內(nèi)的冰盤管與管外的水進(jìn)行熱交換，在管外結(jié)冰以蓄存冷量，需要時進(jìn)行取用，從而蓄冷過程必須克服隨厚度增加越來越大的冰層熱阻。與內(nèi)融冰方式在取冷時仍由管內(nèi)的乙二醇溶液或鹽水作栽冷劑與管外冰進(jìn)行二次換熱不同，外融冰方式是直接采用蓄冰槽內(nèi)的水作為取冷介質(zhì)送出，冰是從冰柱外表面開始向內(nèi)進(jìn)行融化的。其工作過程決定了外融冰方式與內(nèi)融冰方式等需要二次換熱的冰蓄冷形式相比，取冷效率更高，而且取冷溫度更低，并可長時間保持低溫取冷，使取冷過程更加平穩(wěn)，并使得實現(xiàn)大溫差低溫送風(fēng)成為可能；同時又比冰晶式、冰片滑落式等動態(tài)制冰技術(shù)設(shè)備的材料要求低，加工、使用、管理方便。例如一般空調(diào)用表冷器處冷凍水溫度約為7℃，如果采用外融冰方式，冷凍水溫度可長時間保持在1～2℃，可以更大幅度地降低送風(fēng)溫度，增加送回風(fēng)溫差，實現(xiàn)送風(fēng)量的大幅度減少。這不但大大減少風(fēng)管截面積及其占用空間，而且減少了風(fēng)機、水泵、閥門等的設(shè)備容量、部件尺寸，減少材料使用和設(shè)備功耗，水路、風(fēng)路的機電設(shè)備、材料的初投資和系統(tǒng)運行費用也都不同程度減少，達(dá)到整體上降低空調(diào)系統(tǒng)的費用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　二、外融冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展概況

　　1.概況

　　與其它靜態(tài)蓄冷方式如內(nèi)融冰方式的發(fā)展和應(yīng)用相比，目前國內(nèi)外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文獻(xiàn)資料并不很多?；谕馊诒到y(tǒng)有很好的優(yōu)點，近幾年已經(jīng)越來越引起人們的重視，國外在其蓄冷取冷性能方面的研究有了很大深入。由于這種蓄冷方式與其它蓄冷方式在一些方面存在相似性，因而完全可以借鑒其它蓄冷方式的研究成果或研究方法，并針對外融冰的具體特點進(jìn)行研究；另一方面，也必須針對外融冰的特殊性采用一些新的研究思路，以求可以更準(zhǔn)確、全面地了解其規(guī)律性。

　　目前美國、日本等國家在冰蓄冷研究方面已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，在我國包括清華大學(xué)在內(nèi)的一些大學(xué)和科研單位也做了許多工作。國內(nèi)外的研究者們普遍從實驗方法和數(shù)值計算模擬的方法兩方面進(jìn)行研究，而且經(jīng)常將兩類方法結(jié)合起來進(jìn)行研究，特別是近期以來國外就實際使用的冰盤管蓄冷裝置的熱特性及蓄冷系統(tǒng)的性能評價進(jìn)行了很多現(xiàn)場實測研究，用以對冰蓄冷技術(shù)進(jìn)行分析與評估，同時也對實驗研究及模擬分析的研究成果進(jìn)行驗證和評價。

　　2.蓄冷特性的研究

　　考察冰盤管蓄冷特性常常采用蓄冷/取冷特性曲線，即在蓄冷/取冷過程中，在冰槽進(jìn)口溫度、出口溫度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等參數(shù)隨時間的變化曲線來表示。

　?。?）、實驗（實測）研究

　　國內(nèi)外普遍利用實驗、實測的方法進(jìn)行盤管式冰蓄冷特性的研究。

　　日本學(xué)者山羽基從蓄冰槽內(nèi)水溫分布特性方面就盤管配置、蓄冷槽下部有無攪拌等因素影響對外融冰蓄冷方式進(jìn)行了較為深入的研究「2」。研究發(fā)現(xiàn)：有攪拌時，蓄冰槽內(nèi)水溫分布均勻，開始結(jié)冰時間比無攪拌時要晚一些，而總結(jié)冰時間短，管外結(jié)冰均勻一致，且蓄冷量大（相同結(jié)冰率）。無攪拌時，側(cè)部、中央配置時，無盤管部分按照水溫分層，而且蓄冰結(jié)束后，盤管上部結(jié)冰偏厚；下部、上部配置時也明顯的受到水的密度隨溫度變化而變化的特殊性的影響。配置方式對結(jié)冰時間基本無影響，有攪拌時中央配置最短，無攪拌時上部配置短；只攪拌至結(jié)冰而后停止攪拌，與全程攪拌效果幾乎相同。

　?。?）、理論研究與模擬計算方法

　　根據(jù)有關(guān)理論建立數(shù)學(xué)模型，而后進(jìn)行計算求解，或進(jìn)而進(jìn)行仿真，是研究冰蓄冷問題的重要方法。

　　美國的Abraham等人對于直接蒸發(fā)型冰盤管的蓄冷過程，在作了蓄冷過程中盤管傳熱系數(shù)為常數(shù)的假定下，以蓄冷過程中的壓縮機做功最小化為目標(biāo)函數(shù)，以蒸發(fā)溫度和盤管尺寸為參量，建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了模擬計算「3」。

　　山羽基基于蓄冷槽的分層特點，設(shè)定垂直方向溫度場為線性分布，忽略水平方向溫度分布的不均勻性，根據(jù)能量平衡關(guān)系，采用有限差分法，建立了溫度分層型數(shù)學(xué)模型，并對冰盤管出口溫度對冷機出力的影響進(jìn)行了修正，由此可以計算出槽內(nèi)水溫分布和制冰量「2」。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)方貴銀根據(jù)蓄冷傳熱過程中的能量平衡關(guān)系在進(jìn)行了一系列合理假設(shè)基礎(chǔ)上建立了非線性微分方程組，對其所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解，得到冰層厚度（蓄冷量）與蓄冰時間的關(guān)系，并用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證「4」。

　　可以看出，目前在對冰盤管蓄冷槽進(jìn)行模擬計算時