家用空调冰蓄冷管理论文

摘要：本文给出一种家用冰蓄冷空调系统的原理、结构和设计方法，并结合清华同方人环设备公司生产的户式空调，进行了相应的实验研究；考查了机组在各种工况下的运行情况，并对家用冰蓄冷空调和常规空调在制冷量、制冷效率COP以及过冷度等方面作以比较，提出设计家用冰蓄冷空调的几点建议。

关键词：家用冰蓄冷空调；蓄冷；取冷；过冷度

AbstractResidentialice-storageairconditioningsystemisintroducedwithrespecttoitsprinciple,structure,designandexperimentalmethods.Itisalsocomparedwiththeordinaryresidentialairconditioningsysteminrefrigerating,volume,energyefficiencyandsub-coolingdegreeetc.Someimportantsuggestionsaregiventothisice-storagesystem.

Keywordsresidential,ice-storageairconditioning,sub-coolingdegree

1前言

冰蓄冷作为一项成熟技术，在大型中央空调系统中的应用越来越广泛，它不仅使电力负荷"削峰填谷"，提高发电设备的年利用率，也保证制冷机组满负荷高效率运行，降低空调系统的运行费用，带来了显著的社会效益和经济效益。

但是，随着人们生活水平的提高和全球气候变暖的影响，小型家用空调器近几年的增长速度是相当惊人的。椐统计，1995年全国每百户城镇居民平均拥有8台房间空调器，到2000年每百户居民房间空调器的拥有量已达40台；而在部分经济发达地区，如北京、上海和广州，这一比例已由1995年的15台/百户猛增至2000年的78台/百户[1]。家用空调器的耗电量在总空调耗电量中也占据着相当大的份额，2000年北京地区为60%，日本的统计数据为80%[2]，而且其运行特点又进一步加大了电力负荷的峰谷差异，给电力供应造成更大的压力。

本文提出将冰蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备上，并对该冰蓄冷系统进行了全面的实验研究，结果表明，家用空调器配以适当的冰蓄电池冷系统，能够达到提高机组出力、降低设备容量、减少运行费用的目的，同时它起到的"削峰填谷"作用也是很可观的。

2实验装置和实验过程

2.1系统组成

家用冰蓄冷空调应具备以下特点：结构简单紧凑、蓄冷取冷方便、控制灵活有效等。图1给出了该冰蓄冷空调的系统组

成，它将直接蒸发制冰蓄冷，制冷剂内融冰取冷及大温差过冷有机的结合为一体，从而大幅度提高制冷量和制冷效率。

该冰蓄冷空调系统有以下三种运行工况：

1)蓄冷运行，阀门V1、V2、V3为开，其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用储液器4、双阀机构5、蓄冰槽6等部件组成：

2)取冷供冷运行，阀门V4、V5、V6、V7为开其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用储液器4、蓄冰槽6、双阀机构5、蒸发器7等部件组成；

3)常规空调运行，阀门V1、V4、V7为开，其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、双阀机构5、蒸发器7等部件组成。

常规空调机组在标准运行工况下：蒸发温度为2℃，过热度为5℃；冷凝温度为50℃，过冷度为3℃，R22的单位制冷量为151kJ/kg;当利用蓄冰槽使制冷剂过冷后，其冷凝温度会有所降低，而过冷度却大幅度增加（可达35℃以上），单位制冷量可达到205kJ/kg,约为35%。

系统设计的关键是蓄冰槽的设计，它的设计思路是这样的：首先确定系统白天运行进需取冷的小时数，根据大温差过冷多提供35%制冷量这一指标，得到系统的总蓄冷量和蓄冰量；然后建立直接蒸发蓄冰过程的传热模型[3]，据此算出蓄冰盘管的尺寸和长度，合理设计蓄冰槽形成状和布置蓄冰盘管；最后匹配设计其它部件，诸如储液器、膨胀阀等。

2.3实验方法

本实验基于清华同方人环设备公司生产的制冷量为12kW的户式中央空调，增加蓄冷、取冷系统部分，也就是说，在取冷运行过程中，机组提供的额定制冷量为16Kw，而不取冷时机组仍可提供12Kwr制冷量。同时设计白天运行时可取冷10小时，那么总蓄冷量为9.8冷吨时（127×103kJ），蓄冰槽的尺寸为1.35×0.6×0.8m3。

在实验过程中，针对蓄冰运行、冷机取冷供冷运行和常规空调运行三种不同方式，利用该系统中布置的温度和压力传感器（如图1所示），采集到以上三种工况的运行参数，据此考查该冰蓄冷空调的运行情况，给出制冷量、性能系数COP和过冷度，蓄冷量和取冷量随时间的变化关系，以及蓄冰槽内的温度分布等等，最后得到设计家用冰蓄冷空调系统的几点建议。

3实验结果和分析

3.1机组运行情况

由上图见，蓄冷运行时系统产生振荡，调节膨胀阀后可得到确认，系统振荡是由于膨胀阀特性与系统不匹配产生的，因此，蓄冷特环和制冷循环要使用不同的热力膨胀阀。

3.2取冷供冷与常规运行结果比较

从上面各图的比较中，基本上可以反应出家用冰蓄冷空调系统和常规空调之间的差别。在10小时的运行过程中，取冷供冷运行制冷量平均为15.6kW，常规空调平均为12kW，平均增加约30%，性能系数COP前者平均为3.7,后者为3.0，提高约0.7；过冷度前者平均可达37℃，而后者仅为2℃，可增加约35℃。这些指标者进一步说明该冰蓄冷方案是十分可行的。

3.3蓄冷和取冷特性

首先蓄冷量和取冷量随时间基本上呈线性变化。

在蓄冷过程中，蓄冷率平均为7.2kW,是冷机额定制冷量12kW的60%；但冷机所提供的冷量并没有随冰层厚度的增加而显著减少，这说明设计冰层厚度（20mm）远小于临界冰层厚度，因此蓄冰盘管间距还可以相应增大，从而减少盘管长度。

在取冷过程中，取冷率平均约为3.6kW，但在取冷初期和末期较小，因为防出的冷量为冰和水的显热，而中期取的是冰的潜热，这也是可以从过冷度的变化中看出。

实验过程中，还记录了蓄冰槽内由上至下冰水混合物的温度分布。在蓄冷过程中槽内温度分布不均匀，存在分层现象，这与很多有关直接蒸发蓄冰过程建模的假设不相符合，因此以后建模时必须适当考虑这种温度不均匀性的影响。在取冷过程

中，槽内温度分层现象更加明显，这是因为取冷运行时制冷剂和管外冰水混合物的换热温差很大，所需换热面积远远小于蓄冷时的需要所至。

4结论

4.1采用直接蒸发制冰蓄冷，制冷剂内融冰取冷及大温差过冷的方案，把冰蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备

上，是行之有效的。

4.2蓄冷量的确定是系统设计的关键，它关系到制冷系统的匹配运行，系统的外形尺寸、以及初投资和运行费等技术经济问题；

4.3常规空调系统的膨胀阀和储液器不适用于蓄冷嘲热讽系统，必须重新设计，才能确保各种工况（蓄冷、取冷、常规供冷）的正常运行；

4.4家用冰蓄冷空调系统能否被推广使用，归根到底是用电政策方面的问题，如果民和电也能够实行分时计价，且峰谷电价差进一步拉大，这必将有助于该项技术的产品化，同时为解决电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾作出很大贡献。

参考文献

1.翟超勤，"全国家用空调器年耗电量的估算"，全国暖能空调制冷2000年学术年会论文集，2000.10

2.刘顺波等，"冰蓄冷柜式空调器技术"，家用电器科技，1998.6

3.方贵银，"直接蓄冰系统蓄冷过程动态模型研究"，热能动力工程，1999.3

4.彦启森，赵庆珠，《冰蓄冷系统设计》，全国蓄冷空调节能技术工程中心，1999.7

5.严德隆等，《空调蓄冷应用技术》，中国建筑工业出版社

6.ChenSih-Lietc.,"Theoreticalandexperimentalinvestigationsofapackagedice-storageair-conditioningsystem",TransactionsoftheChineseInstituteofEngineers,v18n51997,p445-457

7.张华等，"冰蓄冷空调系统的评价方法"，节能技术，1997.4