摘要：介紹了再冷式冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行原理，利用模擬計(jì)算的方法對(duì)影響再冷式冰蓄冷系統(tǒng)性能的因素進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明該系統(tǒng)制冷機(jī)夜間運(yùn)行的COP值比傳統(tǒng)蓄冰系統(tǒng)高出約14%，可把夜間制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度提高2℃且不需要任何附加能量。
關(guān)鍵詞：冰蓄冷 再冷器 性能系數(shù) 節(jié)能
Abstract Presents operation principles of the sub-cooled ice-storage system, analyses affecting factors of this system by use of simulation calculation. The results reveal that the COP of this system is about 14% higher than that of the conventional system, and it can raise the evaporation temperature by 2℃ at night but needs no extra energy.
Keywords ice-storage, sub-cooler, COP, energy saving
★TsinghuaUniversity, China
0 引言
冰蓄冷技術(shù)是利用峰谷電價(jià)的差別將用電高峰時(shí)的空調(diào)負(fù)荷轉(zhuǎn)移到電價(jià)較為便宜的夜間從而節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。傳統(tǒng)的冰蓄冷系統(tǒng)可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用但不節(jié)能，但這主要是制冰運(yùn)行期間為了得到0℃的冰，制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度往往需要降低至-8℃，從而造成夜間蓄冷過程中制冷機(jī)運(yùn)行的性能系數(shù)（COP）僅是白天的60%～70%，造成了能源的浪費(fèi)。
冰蓄冷的制冰方式主要分為兩種。第一種是靜態(tài)制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內(nèi)結(jié)冰，冰本身處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。第二種是動(dòng)態(tài)制冰方式，即冰相對(duì)于制冰介質(zhì)是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
靜態(tài)制冰法系統(tǒng)簡單，現(xiàn)已成為應(yīng)用中的主流。然而，靜態(tài)制冰法也存在著由于冰層厚度的增加使熱阻增大，導(dǎo)致制冷機(jī)的性能系統(tǒng)（COP）降低的缺點(diǎn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，產(chǎn)生了制冰法中的收獲（harvest）制冰法。收獲制冰法利用熱量使一定厚度的冰脫落從而減小冰層厚度。
收獲制冰法有兩個(gè)階段：①制冰階段，采用的方法有水從冷卻表面流下和冷卻表面浸在水中；② 脫冰階段，有機(jī)械剝離法和熱融解剝離法。但收獲制冰法也存在剝離能耗較大的缺點(diǎn)，而再冷式蓄冷系統(tǒng)利用了新型的冰層剝離法--再冷器剝離法，減少了剝離能耗，較傳統(tǒng)收獲制冰法的效率有較大的提高。
1 再冷式冰蓄冷系統(tǒng)原理
1．1 系統(tǒng)簡圖及其原理
圖1為再冷式冰蓄冷系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖。它與傳統(tǒng)冰蓄冷系統(tǒng)的最大區(qū)別是在冷凝器與膨脹閥之間加裝了再冷器（sub-cooler）。再冷器剝離法利用冷凝器后較熱的制冷劑將乙二醇溶液加熱到0℃以上，通過泵1送入蓄冰槽后將冰融化并使之脫離。
圖1系統(tǒng)原理簡圖
再冷式冰蓄冷系統(tǒng)有三種運(yùn)行工況，其運(yùn)行原理如下（以蓄冰槽1為例，其它蓄冰槽以此類推）：
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當(dāng)制冷機(jī)制冰時(shí)，可以有以下兩種運(yùn)行狀態(tài)：
a 全部冷量用來制冰，閥2，3，22開，閥1，4，21，23關(guān)時(shí)，蓄冰槽1制冰；
b 在制冰的同時(shí)對(duì)用戶供冷，閥2，3，22，23開，閥1，4，21關(guān)時(shí)，調(diào)節(jié)閥22，23的開度改變通過板式換熱器的流量，從而蓄冰槽1制冰的同時(shí)對(duì)用戶供冷。
?、?脫冰工況
脫冰是指利用再冷器得到的高于0℃的載冷劑，將蓄冰槽內(nèi)制冰介質(zhì)上的冰融化并使之脫離表面。當(dāng)閥1，4開，閥2，3關(guān)閉時(shí)，蓄冰槽1脫冰，其它以此類推。
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閥21，23開，閥1，2，3，4，22關(guān)時(shí)，制冷機(jī)不進(jìn)行制冰而直接向用戶供冷。
現(xiàn)冷式蓄冰式系統(tǒng)蓄冰槽制冰、脫冰兩種工況下的切換是在制冷機(jī)制冷循環(huán)沒有變化的條件下得到的，因此可以避免制冷機(jī)制冷/熱泵循環(huán)轉(zhuǎn)換時(shí)所帶來的損失及對(duì)制冷機(jī)壽命的影響。
1．2 再冷式蓄冰系統(tǒng)制冷循環(huán)分析
圖2所示T-s圖表示制冷系統(tǒng)的循環(huán)過程。在沒有再冷器的制冷循環(huán)中，1-2為壓縮過程、2-5為冷凝過程、5-6為節(jié)流過程、6-1為蒸發(fā)過程。當(dāng)使用再冷器進(jìn)行制冷循環(huán)時(shí)，設(shè)制冷劑通過再冷器從5點(diǎn)冷卻到5′點(diǎn)，那么節(jié)流過程就由5-6變?yōu)?′-6′了，而蒸發(fā)過程則由6-1變?yōu)?′-1。需要說明的是，圖中5-5′下陰影所示的Q2與6-6′下的Q1面積相同（即Q1=Q2），即用于冷卻再冷器的那部分冷量通過蒸發(fā)器的再度變?yōu)槔淞慷]有損失。顯然由于減少了制冷機(jī)的節(jié)流損失而提高了制冷機(jī)效率。
圖2 制冷循環(huán)圖
2 再冷式冰蓄冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
為了對(duì)再冷式蓄冰系統(tǒng)和傳統(tǒng)靜態(tài)蓄冰系統(tǒng)進(jìn)行比較，需要建立數(shù)學(xué)模型以對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。為突出問題本質(zhì)，便于分析比較再冷式與傳統(tǒng)式冰蓄冷系統(tǒng)的性能，我們以板式系統(tǒng)為例。
蓄冰系統(tǒng)由制冷機(jī)和蓄冰槽兩大部分組成，下面就對(duì)這兩大部分分別建立數(shù)學(xué)模型。模型中次要的因素如水泵的影響均忽略不計(jì)。
2．1 制冷機(jī)模型
為了簡化上述兩種蓄冰系統(tǒng)的能耗比較，這里只考慮蒸發(fā)器和再冷器兩部分。
蒸發(fā)器的計(jì)算采用的是傳熱單元數(shù)法。蒸發(fā)器中的制冷劑側(cè)大部分處于沸騰狀態(tài)下，為了計(jì)算方便將其簡化成為整個(gè)蒸發(fā)器均處于沸騰狀態(tài)。因此效能ε=1-e-NTU, 其中NTU=KF/Cmin[1],K，F(xiàn)分別為傳熱系數(shù)和傳熱面積； 
，即換熱器兩側(cè)流量乘以較小比熱值。通過換熱器交能就可以計(jì)算出其余參數(shù)。
再冷器模型也是采用傳熱單元數(shù)法，但它與蒸發(fā)器的模型不同之處在于它不經(jīng)歷相變過程。由于再冷為逆流換熱：
（1）
式中
，即換熱器兩側(cè)流量乘以較大比熱值。
2．2 蓄冰槽模型
再冷式系統(tǒng)中蓄冰時(shí)有制冰和脫冰兩種工況，應(yīng)分別建立相應(yīng)的模型。為了簡化制冰模型，不考慮沿蓄冰槽內(nèi)換熱器方向冰層厚度的變化即取平均厚度 。板式蓄冰槽的制冰模型見圖3，建立如下方程：
（2）
（3）
邊界條件：t( 0)=tin , t(l)=tout
初始條件：t=0℃ ，ΔH=0，式中R主要分為三部分：第一是板內(nèi)載冷劑熱阻，第二是制冷板的傳導(dǎo)熱阻，第三是冰層熱阻， 這三部分熱阻中冰層熱阻占的比重最大；tm，t分別為冰層與水相變界面的溫度值和蓄冰板內(nèi)載冷劑溫度值；tin , tout為蓄冰槽的進(jìn)出口溫度值。
，ρ，cp，l，rm分別為載冷劑流量、水的密度、載冷劑的定壓比熱容、蓄冰槽的總長度和水的單位質(zhì)量凝固熱。
圖3 蓄冰槽示意圖
由于上述兩式為微分表達(dá)式，為了計(jì)算的簡便對(duì)其進(jìn)行積分得到：
?。?）
?。?）
式中Δ
是冰層厚度的增加值。
脫冰模型依據(jù)的公式與上面兩個(gè)公式非常相似，這里就不再贅述。
3 傳統(tǒng)冰蓄冷系統(tǒng)熱性能分析
藉上述模型進(jìn)行模擬計(jì)算得到圖4，5所示的結(jié)果。該系統(tǒng)的具體參數(shù)為蓄冰槽內(nèi)板間距70mm，制冷板寬0.25m，總長500m。制冷機(jī)的制冷為R12，蒸發(fā)溫度-8℃，在蓄冰剛開始時(shí)制冷量為60kW。模擬冰蓄冷系統(tǒng)載冷劑為乙二醇溶液，流量為10L/s。
圖4 冰槽出口溫度、冰層厚度與時(shí)間關(guān)系 圖5 蓄冰速率與蓄冰時(shí)間關(guān)系
圖4所示的蓄冰過程是在制冷機(jī)蒸發(fā)溫度保持恒定在-8℃得到的。圖中隨著時(shí)間的增加，盤管上冰層的逐漸加厚，盤管內(nèi)乙二醇溶液與管外尚未結(jié)冰的水之間傳熱熱阻增大，蓄冷速率減慢，從而導(dǎo)致冰槽的乙二醇溶液出口溫度逐漸降低。從圖4中可以看出當(dāng)蓄冰開始時(shí)蓄冰槽乙二醇溶液的出口溫度為0℃，但3h和7h后，出口溫度分別降低到-2.7℃-和4.1℃。
圖5所示的是隨著冰層厚度的增加蓄冰速率的變化。所謂蓄冰的速率是指冰層厚度。當(dāng)開始時(shí)冰層厚度為0mm，5min后冰層厚度變?yōu)?.57mm，可知這時(shí)的蓄冰速率為1.62%（盤管間距為7cm），而3，7h后其值分別變?yōu)?6.6mm，1.08%與32mm，0.8%。由此不難得出，蓄冰結(jié)束時(shí)的蓄冰束率僅為蓄冰開始時(shí)的50%左右。蓄冰槽速率受冰層厚度的影響很大，冰層熱阻是阻礙蓄冰的主要因素之一，減小冰層厚度就可以有效地提高蓄冰速率從而提高制冷機(jī)效率。
圖4，5都是在蓄冰過程中制冷機(jī)蒸發(fā)溫度保持在-8℃條件下得到的。當(dāng)蒸發(fā)溫度不同時(shí)，冰槽滿蓄耗時(shí)也不同。圖6反映了蒸發(fā)溫度對(duì)于蓄冰周期的影響。由圖中可能看出隨著蒸發(fā)溫度的不斷上升，冰槽蓄滿所需的時(shí)間呈指數(shù)形式上升。在蒸發(fā)溫度-8℃附近，若蒸發(fā)溫度上升1℃，蓄冰周期就增加1h。
圖6 不同蒸發(fā)溫度下冰槽蓄滿所用時(shí)間 圖7 不同盤管間距蓄冰所需時(shí)間
以上分析是針對(duì)盤管間距為7cm的冰槽而言，在盤管間距不同時(shí)冰槽滿蓄耗時(shí)也不同。在蓄冰總體積不變的條件下，不同盤管間距的冰槽滿蓄耗時(shí)如圖7所示。蓄冰時(shí)冰在盤管上連續(xù)形成，冰層厚度不斷增加，理論上冰蓄滿時(shí)盤管上冰層厚度即為盤管間距離的一半，所以盤管間距也就反映了冰蓄滿時(shí)的冰層厚度。當(dāng)盤管間距較大如9cm時(shí)，則間距每縮短10%滿蓄耗就可減少1h；而當(dāng)盤管間距較小如4cm時(shí)，則間距每縮短10%滿蓄耗時(shí)僅減少約15min。盤管間距離越大，其間距的縮短使蓄冰滿所花費(fèi)時(shí)間減少得就越多。
由上可知，冰層越薄制冷速率越快。因此當(dāng)保持制冷機(jī)蒸發(fā)溫度不變、維持冰層較薄時(shí)就可以縮短制冷的時(shí)間；或者說，當(dāng)要求冰槽蓄滿所用時(shí)間不變，維持冰層較薄時(shí)就可以使蒸發(fā)溫度提高和制冷機(jī)效率上升，從而減少能耗。
4 再冷式冰蓄冷系統(tǒng)
4．1 再冷式蓄冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析
再冷式蓄冰系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的模型儲(chǔ)換熱分析相似。為了便于比較，對(duì)再冷式系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)所采用的參數(shù)（包括制冷機(jī)性能、蓄冰槽總蓄冰體積、蓄冰槽總傳熱面積、載冷劑流量）與傳統(tǒng)系統(tǒng)相同。下面從以下幾個(gè)方面分析。
4．1．1 單個(gè)蓄冰槽
再冷式系統(tǒng)蓄冰槽的制冷--脫冰工況在不斷切換，因此蓄冰槽的載冷劑進(jìn)出口溫度在兩個(gè)工況下變化。圖8所示的就是制冷機(jī)蒸發(fā)溫度在-6℃時(shí)，蓄冰槽一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)冰槽載冷劑進(jìn)出口溫度的變化。在整個(gè)蓄冰過程由制冷機(jī)制冷周期不斷循環(huán)且每個(gè)循環(huán)均很相似，所以用一個(gè)循環(huán)就可以代表整個(gè)蓄冰過程冰槽載冷劑進(jìn)出口溫度的變化。
圖8 蓄冰槽入口及出口溫度隨時(shí)狀態(tài)的變化
當(dāng)冰槽處于制冷過程和脫冰過程時(shí)，蓄冰槽內(nèi)分別流通的是經(jīng)蒸發(fā)器冷卻的載冷劑和經(jīng)再冷器加熱過的載冷劑。從圖8中看到蓄冰過程冰槽載冷劑入口溫度低于出口溫度，冰槽在制冰。而脫冰過程冰槽載冷劑入口溫度高于出口溫度，載冷劑放出熱量進(jìn)行融冰。
如何確定通過再冷器的載冷劑流量是很重要的。因?yàn)槿魧⒘髁吭O(shè)計(jì)得較小會(huì)導(dǎo)致融化冰的熱量不夠，而使在脫冰期內(nèi)冰無從蓄冰介質(zhì)表面上脫離，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響下一個(gè)循環(huán)的制冰過程。而若流量設(shè)計(jì)得過大，則會(huì)導(dǎo)致泵耗的增大和能源的浪費(fèi)。
圖9 冰槽內(nèi)蓄冰最隨時(shí)間變化圖
圖9所示的是整個(gè)蓄冰過程中蓄冰率的變化。由圖中顯見整個(gè)蓄冰過程的蓄冰率呈波浪型上升，每個(gè)波浪的上升部分對(duì)應(yīng)的即是制冷過程，而下降的部分即是脫冰過程，蓄冰過程是在制冷機(jī)蒸發(fā)溫度為-6℃的條件下完成的，比靜態(tài)蓄冰系統(tǒng)蒸發(fā)溫度提高了2℃。查R12的 lgp-h圖，夜間制冷機(jī)的效率提高了7%左右。
4．1．2 循環(huán)周期的選擇
循環(huán)周期是指蓄冰槽完成一個(gè)制冷和脫冰周期所需的時(shí)間。當(dāng)選擇循環(huán)周期時(shí)，首先要考慮處于脫冰工況時(shí)的時(shí)間是否滿足使冰脫落的條件。當(dāng)計(jì)算得到冰脫落所需的時(shí)間后，可將脫冰的時(shí)間選擇比需要的稍微長一些。所有蓄冰槽都是循環(huán)脫冰，為控制簡便，將每一個(gè)蓄冰槽的脫冰循環(huán)周期都設(shè)計(jì)為相同。一般只有一個(gè)蓄冰槽在脫冰，則一個(gè)蓄冰槽的制冰時(shí)間就是其它蓄冰槽脫冰時(shí)間之和。例如圖1所示系統(tǒng)有5個(gè)蓄冰槽，每個(gè)蓄冰槽制冰板上冰層平均厚度 融化掉1mm即可視為脫冰。再冷器所釋放的熱量使1個(gè)蓄冰槽脫冰的時(shí)間為12min，則可選擇脫冰階段為15min，制冷階段為60min，這個(gè)蓄冰槽的循環(huán)周期為75min。
4．1．3 蓄冰槽的個(gè)數(shù)
蓄冰槽的個(gè)數(shù)會(huì)影響再冷式系統(tǒng)的能耗的節(jié)省。圖1所示的系統(tǒng)有5個(gè)蓄冰槽，總面積與傳統(tǒng)蓄冰系統(tǒng)中的蓄冰槽總面積相同。因?yàn)樵谛畋拿恳粫r(shí)刻均有4個(gè)蓄冰槽在制冷而一個(gè)蓄冰槽在脫冰，制冷機(jī)的蒸發(fā)器就對(duì)應(yīng)了蓄冰槽總面積的4/5，充分地利用了蓄冰槽的面積。而若此系統(tǒng)僅有兩個(gè)蓄冰槽的時(shí)候，那么必然一個(gè)蓄冰槽制冷另一個(gè)脫冰，制冷機(jī)就僅僅對(duì)應(yīng)蓄冰槽總面積的1/2，蓄冰槽沒有被充分利用，從而會(huì)使制冷機(jī)的出力不足而減慢蓄冰速度。
選取多個(gè)蓄冰槽對(duì)縮短制冷周期有很大的好處。但過多的蓄冰槽將增加設(shè)備的投資，而且每增加一個(gè)蓄冰槽就需增加4個(gè)閥門，會(huì)使控制更為復(fù)雜而不利于此系統(tǒng)的應(yīng)用。所以再冷式系統(tǒng)蓄冰槽的選取應(yīng)視情況而定，在蓄冰槽總面積不變的條件下，出于節(jié)約初投資的考慮就可以選取2個(gè)蓄冰槽，節(jié)能效果略差，只提高5左右。而若出于節(jié)能的考慮就可以選擇多個(gè)蓄冰槽。
4．2 取冷方案的選擇
以上分析了提高蓄冰時(shí)制冷機(jī)效率的辦法。而若選擇適當(dāng)?shù)娜±浞桨?，則可以進(jìn)一步提高制冷機(jī)的效率。最佳的取冷方案是當(dāng)開始取冷時(shí)，采用傳統(tǒng)的取冷方式進(jìn)行取冷，而當(dāng)釋冰過程結(jié)束水池內(nèi)的溫度上升至0℃以上后，再采用從再冷器取冷的方式。
以圖1中的蓄冰槽1（制冷介質(zhì)浸在水中）為例，所謂的傳統(tǒng)取冷方式是將閥門（1，2，3，23打開，閥門21關(guān)閉，載冷劑經(jīng)過制冷機(jī)和蓄冰槽后將制冷機(jī)制得的冷量和蓄冰槽釋放出的冷量直接通過換熱器供給用戶。再冷器取冷是將閥門2，3關(guān)閉而將閥門1，4打開，這樣流過蓄冰槽的載冷劑就只經(jīng)過再冷器，并將蓄冰槽內(nèi)剩余的冷量傳遞給再冷器。同時(shí)閥門23，21均打開，制冷機(jī)直接向用戶供冷而不通過蓄冰槽。
再冷器取冷方式可以一直運(yùn)行到水池內(nèi)的溫度上升至20～25℃無法再進(jìn)行冷卻為止。通過使用再冷器取冷的方式可以利用蓄冰槽內(nèi)剩余的冷水來提高制冷機(jī)白天的制冷效率。而到了夜間，制冷機(jī)首先冷卻蓄冰槽內(nèi)的水到0℃，然后再把蒸發(fā)溫度降到較低的溫度制冰。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用蓄冰槽。它不僅利用冰的相變熱蓄冷，而且利用水的顯熱蓄冷。由于夜間對(duì)蓄冰槽內(nèi)的水進(jìn)行冷卻時(shí)制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度在0℃左右，且這時(shí)的室外溫度較低，就使制冷機(jī)的制冷效率與白天正常制冷時(shí)大致相當(dāng)。把這部分折合到夜間的制冷機(jī)運(yùn)行里，就相當(dāng)于將制冷機(jī)的效率又提高了5%～10%。
5 總結(jié)
與傳統(tǒng)蓄冰系統(tǒng)相比再冷式蓄冰系統(tǒng)可減少運(yùn)行能耗。它的優(yōu)勢是由于制冰介質(zhì)上的冰達(dá)到一定厚度后就會(huì)脫離，所以使制冰介質(zhì)上的冰不會(huì)增加到較大的厚度而減少冰層熱阻對(duì)蓄冰的影響。同時(shí)比起傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)蓄冰系統(tǒng)，它在融冰時(shí)沒有消耗掉任何的能量，這樣就為減少運(yùn)行能耗打下了良好的基礎(chǔ)。再冷式系統(tǒng)中制冷機(jī)夜間的COP提高7%左右，再加上采用良好的取冷方案COP提高的7%，再冷式系統(tǒng)可有效地提高COP14%左右，從而達(dá)到良好的節(jié)能效果。雖然這種蓄冰系統(tǒng)復(fù)雜一些，初投資高于傳統(tǒng)的冰蓄冷系統(tǒng)，但從節(jié)能的角度分析，仍具有研究價(jià)值。
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作者簡介：
狄喆，男，1976年10月生，碩士研究生
100084 清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系
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