蓄冷技術(shù)的基礎(chǔ)知識

蓄冷技術(shù)的基礎(chǔ)知識

⑴蓄冷技術(shù)的定義

蓄冷技術(shù)是一門關(guān)于低于環(huán)境溫度熱量的儲存和應(yīng)用技術(shù)，是制

冷技術(shù)的補充和調(diào)節(jié)。低于環(huán)境溫度的熱量通常稱作冷量。

人們的生活和生產(chǎn)活動在許多時候要用到冷量，但是，有些場合

缺乏制冷設(shè)備，有些時段不能使用制冷設(shè)備就需要借助蓄冷技術(shù)解決

用冷需要。

⑵蓄冷技術(shù)的應(yīng)用場合

主要用在解決制冷設(shè)備定常制冷量與用冷負荷起伏的不平衡矛

盾上。

⑶蓄冷技術(shù)的內(nèi)容

根據(jù)用戶對冷量的需求選擇蓄冷材料，設(shè)計蓄冷裝置，實行冷量

的儲存和釋放。

一般層次的蓄冷技術(shù)：在已選定蓄冷材料的基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用

場合的不同，進行蓄冷量的匹配設(shè)計和蓄冷、釋冷速率的計算。

較深層次的蓄冷技術(shù)：蓄冷材料的探索、設(shè)計，蓄冷材料熱物性

測試，蓄冷、釋冷過程傳熱特性的計算與實驗。

⑷蓄冷方法

有顯熱蓄冷和相變潛熱蓄冷兩大類。

如在蓄冷空調(diào)中的水蓄冷空調(diào)是顯熱蓄冷，冰蓄冷空調(diào)和優(yōu)態(tài)鹽

水合物(PCM)是相變潛熱蓄冷。

蓄冷的溫度受到冷源溫度和用冷溫度的限制，進行蓄冷工程設(shè)計

和蓄冷技術(shù)的研究，一定要弄清蓄冷的特定溫度范圍。

⑸蓄冷工程設(shè)計內(nèi)容

包括蓄冷負荷設(shè)計、蓄冷材料選擇、蓄冷和釋冷方式設(shè)計。

⑹蓄冷工程設(shè)計中的主要技術(shù)參數(shù)

①冷源溫度、蓄冷溫度、用冷溫度；

②比容積蓄冷量、理論最大蓄冷量、實際蓄冷量

③蓄冷速率、放冷速率。

1.應(yīng)用背景

近幾年，我國電力發(fā)展很快，普遍缺電狀況已得到根本改善，但

隨著電力消費量的增加，電網(wǎng)負荷在白天與深夜有很大的峰谷差的矛

盾愈加突出。

?平衡電網(wǎng)負荷的方法：調(diào)節(jié)電廠發(fā)電能力或調(diào)節(jié)用戶負荷。

?調(diào)節(jié)電廠發(fā)電能力的方法

-調(diào)節(jié)水電發(fā)電功率；

-調(diào)節(jié)火力發(fā)電機組的發(fā)電功率是困難和不經(jīng)濟的；

-核電要求供電平穩(wěn)；

-建抽水蓄能電站，其一次性投資很大，由于水泵、電機的

效率影響，儲能的回收率也只60%多，蓄能成本高。

-例如，十三陵抽水蓄能電站，安裝4臺200MW機組，投

資達27億元，據(jù)測算，用它填補高峰負荷時其發(fā)電成本

每千瓦時高達1.3元，為常規(guī)高峰電價的2.5倍；另外最

大的問題是電網(wǎng)容量有限，即使電廠可以增加峰電供應(yīng),

也因供電網(wǎng)能力的限制，對用戶而言，仍然會產(chǎn)生高峰缺

電狀況。

-調(diào)節(jié)用戶負荷的方法

-空調(diào)占民用電中很大的份額，用電負荷十分集中，采用蓄

冷空調(diào)技術(shù)，在夜間用多余的電制冷蓄冷，在白天用儲存

的冷量補充空調(diào)用冷需求。

-蓄冷空調(diào)技術(shù)是平衡電網(wǎng)峰谷負荷的有效方法，它有廣闊

的市場前景和顯著的經(jīng)濟效益。

-蓄冷空調(diào)技術(shù)的社會效益和經(jīng)濟效益，不僅表現(xiàn)在電網(wǎng)的

峰谷平衡上，還可節(jié)省制冷主機容量、節(jié)省電力增容設(shè)備

費，在夜間享受優(yōu)惠電價，為用戶帶來效益。所以各工業(yè)

發(fā)達國家均在大力開發(fā)和推廣這項技術(shù)。

2.蓄冷空調(diào)的基本原理

⑴常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的原理圖如圖8-l(a)所示。

①系統(tǒng)組成

制冷循環(huán)子系統(tǒng)：包括壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器

③常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題

1.備用容量大：通常制冷用主機滿足最大空調(diào)負荷需求選擇，并

須留有一定備用容量(以替用戶發(fā)展的需求以及制冷機組制冷能力下

降時能保證正常的供冷)。

2.對變動空調(diào)負荷不協(xié)調(diào)，制冷機多數(shù)情況不在滿負荷下工作，

工作效率不高，或有設(shè)備閑置。

3.在空調(diào)負荷高峰期正是用電高峰期，電價貴。

(2)蓄冷空調(diào)系統(tǒng)

鑒于常規(guī)空調(diào)對變動空調(diào)負荷不協(xié)調(diào)，不經(jīng)濟，科研工作者和空

調(diào)工程師提出和設(shè)計了種種蓄冷空調(diào)方案，有效地彌補了常規(guī)空調(diào)系

統(tǒng)的不足。

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)基本原理圖如圖8-2所示。

圖8?2蓄冷空調(diào)系統(tǒng)基本原理示意圖

①系統(tǒng)組成

在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的供冷循環(huán)系統(tǒng)中增添了一個既與蒸

發(fā)器并聯(lián)，又與空調(diào)換熱器并聯(lián)的蓄冷槽，一個水泵和兩個

閥門。

空

調(diào)

冷

換

凝

熱

器

器

圖8-2蓄冷空調(diào)系統(tǒng)基本原理示意圖

②供冷循環(huán)回路的循環(huán)方式

(i)常規(guī)空調(diào)供冷循環(huán)：此時蓄冷槽不工作，閥1開,

閥2關(guān)，水泵1、2開，制冷機直接供冷。

(ii)蓄冷循環(huán)：此時空調(diào)換熱器不工作，閥1關(guān),

閥2開，水泵1開，水泵2關(guān)，制冷機向蓄冷槽充冷。

iii)聯(lián)合供冷循環(huán)：此時蒸發(fā)器和蓄冷槽聯(lián)合向空調(diào)換熱器

供冷，閥1,閥2開，水裒1、2開，此循環(huán)也稱部分蓄冷空

調(diào)循環(huán)。因為執(zhí)行此循環(huán)時，蓄冷只是補充制冷機供冷不足

部分的空調(diào)負荷。這種供冷方式是蓄冷空調(diào)遇到的大部分情

況，也是以下要重點討論的問題。

(iv)單蓄冷供冷循環(huán)：此時制冷機停止運行，水泵1停，

閥1、2開，水泵2開，空調(diào)負荷全部由蓄冷槽的冷量來提

供。此循環(huán)也稱全量蓄冷空調(diào)循環(huán)。

全量蓄冷空調(diào)與部分蓄冷空調(diào)在系統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)備選型

上是有區(qū)別的。因此，蓄冷空調(diào)的設(shè)計首先面臨的是要確定

采用全量蓄冷空調(diào)或是部分蓄冷空調(diào)。

3.蓄冷空調(diào)設(shè)計的基本步驟

①確定典型設(shè)計日的空調(diào)負荷；

②選擇蓄冷方式；

③確定制冷主機和蓄冷裝置的容量；

④確定運行策略和設(shè)計系統(tǒng)循環(huán)流程；

⑤選擇配套設(shè)備；

⑥計算蓄冷期和蓄冷供冷期的制冷負荷與蓄冷供冷負荷逐

時運行圖；

⑦經(jīng)濟分析，求得蓄冷空調(diào)增加投資的回收期。

(1)空調(diào)負荷圖

空調(diào)負荷一般是根據(jù)建筑物的類別按標準規(guī)范或一些

經(jīng)驗數(shù)據(jù)來選取。夏季空調(diào)制冷系統(tǒng)負荷的概算指標：

辦公樓(全部)95?115W/m2

超高層辦公樓105745W/m2

旅館（全部）70?95W/m2

旅館中的餐廳290-350W/m2

百貨商店（全部）210?240W/m2

醫(yī)院（全部）105-130W/m2

劇場（觀眾廳）230-350W/m2

上述概算數(shù)據(jù)只能作為常規(guī)空調(diào)的制冷機容量選擇和

空調(diào)換熱器選擇的參考，不能用于蓄冷空調(diào)。

?蓄冷空調(diào)設(shè)計的前提：日空調(diào)負荷圖、月空調(diào)負荷圖。

?空調(diào)日負荷圖：橫坐標為時間軸（分24h間隔），縱坐

標為空調(diào)負荷軸（用千瓦（kW）或冷噸（RT）表示）。

?作圖方法：把每小時的空調(diào)負荷表示在空調(diào)日負荷圖

上即可，如圖8-3所示。

900

800

700

600

500

400

300

200

1OO

O

時間.h

圖8-3空調(diào)日負荷圖

口一蓄冷槽取冷量;■一冷機空調(diào)工況制冷量;

一冷機蓄冷工況制冷量

空調(diào)的目的：保持室內(nèi)的溫度和濕度在一定范圍內(nèi)。

空調(diào)的負荷構(gòu)成：室內(nèi)產(chǎn)生的或從室外傳入的熱量和濕氣都影響室

內(nèi)溫度和濕度，構(gòu)成空調(diào)的負荷。

①室內(nèi)熱源產(chǎn)生的負荷Qin由人、燈和用電設(shè)備等構(gòu)成。人體的散熱

和散濕量：與年齡、性別、活動情況及環(huán)境溫度有關(guān)，一般來說坐著

工作每人散熱量約100W,站或輕工作的約150W,一般工作或中度

工作在200W以上，活動量增加所散發(fā)的熱量中主要是潛熱，即吐出

的濕氣增加。

燈和電熱設(shè)備散發(fā)的熱量：由燈和電熱設(shè)備的電功率算出。

②室外熱源造成的熱負荷Qout

由太陽直射或天空輻射穿過窗戶進入室內(nèi)的熱量Qout』和通過

外墻、屋頂?shù)鹊膰o結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的熱量Qout,2構(gòu)成。

從窗戶傳入的熱量：與窗口朝向和太陽位置密切相關(guān)，其數(shù)量在每平

方米幾十至幾百瓦，準確計算參考文獻。

對于空調(diào)房間來說，一般要求窗戶在夏季有一定遮陽度，采用雙層窗

結(jié)構(gòu)，屋內(nèi)使用帶反射的厚窗簾來避免太陽直射和減少室外通過玻璃

窗傳入室內(nèi)的熱量。

從圍護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的實際熱量：圖8.4環(huán)境溫度影響示意圖,

因為它是非穩(wěn)態(tài)變邊界條件的熱傳導(dǎo)問題，從圍護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的實

際熱量的計算十分復(fù)雜?；镜膫鳠崆闆r：見示意圖8-4。

圖8-4(a)是一堵墻的傳熱模型，在白天從室外向室內(nèi)傳熱，墻體

內(nèi)溫度分布呈上凹曲線狀，這是由墻壁熱容影響所致，此時傳入室內(nèi)

的熱量小于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱量；

在晚間，室外空氣降溫較快，外壁對外環(huán)境散熱，墻體內(nèi)高溫處

繼續(xù)向室內(nèi)側(cè)傳熱，墻體內(nèi)溫度分布呈下凸狀。

(a)

?圖8-4(b)表示墻外壁表面、墻內(nèi)壁表面、室內(nèi)空氣的溫

墻外壁溫度變化情況接近于室外環(huán)境溫度的變化規(guī)律，在無太陽

輻射情況下，墻外壁溫度的變化略滯后于室外環(huán)境溫度的變化；在有

太陽輻射情況下，墻外壁溫度可能高于室外環(huán)境溫度;

墻內(nèi)壁表面的溫度變化滯后于墻外壁溫度的變化，滯后時間與墻

的熱擴散系數(shù)有關(guān)，一般來說，墻的導(dǎo)熱能力差，熱容大滯后時間就

長，通常滯后時間在l?2.5h。

另外，墻內(nèi)壁表面溫度變化的幅度遠小于墻外壁溫度變化的幅

度，二者的變化幅值之比也與墻體情況有關(guān)，可以通過計算或?qū)嶒炃?/p>

得。

對于室內(nèi)空調(diào)負荷而言，直接與墻內(nèi)壁表面的溫度變化相關(guān),

空調(diào)負荷的高溫一般是出現(xiàn)在室外環(huán)境溫度最高時之后l-2.5h；

從室外經(jīng)墻壁傳入室內(nèi)的平均熱負荷可近似用下式算出：

Q0UT,2=KF(tf-tn)(8-1)

式中K--結(jié)構(gòu)物(外墻或屋頂)的傳熱系數(shù)，W/(m2?°C)；

F--結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m2；

tn—室內(nèi)空氣溫度，℃；

tf—外墻壁當量溫度，℃。

?外壁當量溫度tf需通過詳細計算后才能得到，可以認為墻外壁

當量溫度tf是由外環(huán)境的平均溫度SUT與當量輻射平均溫度

tsUN組成，用下式表示：

tf—toUT+tsUN(8-2)

?當量輻射平均溫度tsUN與墻的朝向、所處的緯度和太陽位置有

關(guān)，豎墻的tsUN量級在3.5℃,屋頂板可高過10℃。

?對于蓄冷空調(diào)而言，不僅要知道平均冷負荷，還要了解變動的

冷負荷，墻內(nèi)壁表面溫度的變化是空調(diào)負荷變動的直接因素，

但它的變動與外環(huán)境溫度變化成比例。因此，在不同時刻空調(diào)

負荷量仍可仿式(8-1)寫為：

QOUT,T=KF(tfi-tn)

式中QOUT,T-設(shè)計日在T時刻經(jīng)圍護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的熱量，

W；

tn-為室內(nèi)設(shè)定溫度，℃；

tf7—設(shè)計日在7時刻的當量溫度，°C。

tn-據(jù)設(shè)計規(guī)范或用戶需求確定；

tft可由超前AT2時間的室外環(huán)境溫度和輻射當量溫度

之和近似求得，即

tfr=tT+AT+tSUN,T+AT(8-3)

T時刻的室外空氣溫度可用下式估算:

ti=tmax-aiAtmax（8-4）

式中tmax--設(shè)計日最高溫度，℃；

△tmax-設(shè)計日最高氣溫與最低氣溫之差（又名日較

差），℃,見表8-1；

。T--與T時刻有關(guān)的系數(shù)，見表8-2

表8-1最高溫度差（日較差）Atmax

地名Atax地名地名△?max地名

齊齊哈爾10.913.3合肥7.56.0

哈爾濱9.711.7杭州7.37.0

長春9.49.6寧波7.38.0

沈陽8.97.9南昌8.08.9

大連5.6石家莊9.8福州8.38.8

烏?木齊12.09.1廈門6.77.8

西寧13.06.7鄭州9.9重慶8.1

蘭州12.7上海7.1洛陽9.6貴陽8.0

銀川11.58.3武漢8.1昆明7.1

南京

西安7.7長沙85拉薩11.8

無

11.3錫

呼和浩特12.57.2

時間r123456789101112

St0.860.920.960.991.000.950.850.700.540.980.250.14

時間r131415161718192021222324

0.81

Ox0.070.020.i)00.030.100.200.330.460.570.660.74

?在工程初步設(shè)計時，可以借鑒于一些統(tǒng)計資料作為計算指標,

如表8-3o

?在施工設(shè)計階段，可采用系數(shù)法根據(jù)峰值負荷估算典型設(shè)計日

逐時冷負荷或典型設(shè)計日日總冷負荷。表8?4給出幾種類型建

筑的逐時冷負荷系數(shù)，可依此計算典型設(shè)計日逐時冷負荷。

表8-3有關(guān)建筑空調(diào)房間單位面積冷負荷指標

表8-4幾種類型建筑的逐時冷負荷系數(shù)

時間寫字樓寅飾的場曾斤4廳夜總會保齡，東情

10.16

20.16

30.25

40.25

50.25

60.50

70.310.59

80.430.670.400.340.32

90.700.670.500.400.37

100.890.750.760.540.480.30

110.910.840.800.720.700.38

120.860.90O.8H0.910.S6U.4OO.4H

130.861.000.941.CM)0.970.400.62

140.891.000.960.931.000.400.76

151.000.921.000.861.000.410.80

161.000.840.960.720.960.470.84

170.900.840.850.62O.K70.600.84

180.570.740.800.610.810.760.86

190.310.740.640.650.750.890.93

200.220.500.500.690.651.001.00

210.180.500.400.610.480.920.98

220.180.330.870.85

230.160.780.48

240.160.710.30

將室內(nèi)產(chǎn)生和從室外傳入的熱量相加即可得到不同時刻的空調(diào)負荷，

并作出設(shè)計日空調(diào)負荷圖。并據(jù)日逐時空調(diào)負荷算出典型設(shè)計日總空

調(diào)負荷Q0。

24

Qo=ZQi

i=1(8-5)

式中Qi-典型設(shè)計日的第i小時空調(diào)負荷kW?h。

日空調(diào)負荷圖是進行蓄冷空調(diào)設(shè)計的依據(jù)。同樣根據(jù)不同月份的環(huán)境

氣溫情況，可做出各月空調(diào)負荷圖。月空調(diào)負荷圖是計算空調(diào)運轉(zhuǎn)費

和進行蓄冷預(yù)測控制所需的資料

(2)蓄冷量選擇原則

蓄冷空調(diào)是新技術(shù)，尚無依據(jù)標準及規(guī)范，蓄冷量選擇可依據(jù)兩個原

則，即能量平衡原則和最佳經(jīng)濟效益原則。

①能量平衡原則

總量平衡：在一天低谷電價時間內(nèi)蓄積的有效蓄冷量，應(yīng)當?shù)扔?/p>

日空調(diào)總負荷與空調(diào)使用期內(nèi)制冷機所提供的冷量之差，即

Qs=QO-Qd(8-6)

Qs=QO-Qd(8-6)

式中Qs--日有效蓄冷量，kW-h,

Qs=NsCOPsTsns；

QO—日空調(diào)總負荷，kW-h,

TS—日空調(diào)使用時間，h；

Qd-空調(diào)使用期制冷機所提供的冷量，kW-h

Qd=NdCOPdTd；

TS-日低谷電價蓄冷時間，h；

Td-日空調(diào)使用時間，h；

ns-蓄冷效率，與蓄冷槽熱損情況有關(guān)；

Ns,Nd-蓄冷制冷機和空調(diào)制冷機的電機功率，kW；

COPs,COPd-W冷制冷機和空調(diào)制冷機的制冷系數(shù)。

?供冷功率與負荷平衡：在空調(diào)負荷峰值期，蓄冷設(shè)備提供冷量

qsr的能力應(yīng)大于或等于峰值空調(diào)負荷qop與空調(diào)制冷機制冷量

qd之差值，即

Qsr-Qop-qd(8-7)

式中q°p-日峰值空調(diào)負荷，kW；

qd-空調(diào)期制冷機的供冷量，kW；

qsr—單位時間蓄冷設(shè)備的供冷量，kWo

表8-3有關(guān)建筑空調(diào)房間單位面積冷負荷指標

?據(jù)此原則，日有效蓄冷總量Qs為

=

QsNsr|sCOPSTS(8-9)

?蓄冷占有率：日有效蓄冷供冷量占日空調(diào)總負荷的份額。

GQ/Qo(8-10)

?第一最佳蓄冷占有率：根據(jù)制冷設(shè)備最充分利用原則確定的蓄

冷占有率稱為第一最佳蓄冷占有率。

(Pl=l/(l+COPdTd/COPsTsris)(8-11)

CPl=l/(l+COPdTd/COPsTsns)(8-11)

由式(8-11)可知，白天使用空調(diào)時間長短與蓄冷份額Cpl有密切

相關(guān)，例如，C0Ps=2,C0Pd=3,ns=0.95,TS=8,當T<1=12

時，Cpl=0.297；當id=8時，Cpl=0.388,當Td=6,Cpl=0.458。

可見，空調(diào)使用期短，蓄冷份額增大。

通常，30%的蓄冷份額是經(jīng)常用到的。本原則對于空調(diào)和蓄冷都用相

同制冷機組的情況比較適合。

(ii)規(guī)定投資回收期限原則

用戶采用蓄冷空調(diào)可能增加初投資，但能通過夜間蓄冷期的電價

優(yōu)惠及節(jié)省運行費中得到好處。隨各地電價政策、用戶用冷需求、蓄

冷空調(diào)設(shè)計方案等不同，用戶回收其所增加投資的年限和在規(guī)定期內(nèi)

的收益是不同的。

一般來說，隨著當?shù)胤骞入妰r差的增大和規(guī)定回收投資年限的延

長，蓄冷占有率c增大為宜，反之，減小為宜。據(jù)此原則確定的蓄冷

占有率稱作第二最佳蓄冷份額，記作Cp2,由下式導(dǎo)出：

Ms(BO-Bs)=AO-<(AO-As)(8-12)

CP2=[A0-ms(B0-Bs))/(AO-As)(8-13)

Ms(BO-Bs)=AO-<(AO-As)(8-12)

CP2=[A0-ms(B0-Bs))/(AO-As)(8-13)

式中ms-設(shè)定的回收年限，年；

AO-單位日冷負荷常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)制冷機組的固定費用，元/

(kW?h?S-l)；

As-單位日冷負荷蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷機和蓄冷裝置的固定

費用,元/(kW?h?S-l);

B0-單位日冷負荷常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的一年運行費，元/[(kW-h

/日)?年];

Bs-單位日冷負荷蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的一年運行費，元/[(kW?h

/日)?年]。

(iii)空調(diào)負荷波動比原則

?對于在蓄冷空調(diào)的目的是用蓄冷量補償過大的空調(diào)負荷使室溫

穩(wěn)定的情況，在最初設(shè)計時，也可以據(jù)外環(huán)境溫度波動推算空

調(diào)負荷波動，從而估算所需蓄冷量。為此，定義由外環(huán)境溫度

變化引起的空調(diào)負荷波動量與其傳入熱量之比，簡稱隨外溫負

荷變動比pOUT,可由下式計算：

POUT二kpAtmax/(t「tn)=kpAtmax/(toUT+tsUN-tn)(8-14)

式中kp-外溫負荷變動比系數(shù)；

Atmax-日最大溫差，℃。

?kp可通過對實際墻體結(jié)構(gòu)的溫度場的計算或?qū)嶒灚@得，一般小于

0.5；

?Atmax見表8?1。

表8」最高溫度差(日較差)Atmax

4.蓄冷空調(diào)的蓄冷劑選擇原則

(1)溫度條件

?蓄冷劑蓄冷型式：有利用顯熱和相變潛熱兩種蓄冷型式。

?顯熱蓄冷：通?？捎糜诳照{(diào)的溫度限在空調(diào)回水溫度(12℃)以

下。

?相變潛熱的蓄冷：蓄冷相變溫應(yīng)高于制冷機蒸發(fā)溫度并低于空