【中國制冷網(wǎng)】簡(jiǎn)介：本文介紹了外融冰蓄冷系統的技術(shù)特點(diǎn)和作用，說(shuō)明了了目前國內外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，總結了清簡(jiǎn)介：本文介紹了外融冰蓄冷系統的技術(shù)特點(diǎn)和作用，說(shuō)明了了目前國內外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，總結了清華大學(xué)和清華同方在外融冰研究和應用方面的成果，對外融冰技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應用進(jìn)行了評估和猜測。關(guān)鍵字：冰蓄冷外融冰

    一．引言

    冰蓄冷技術(shù)作為一類(lèi)重要的能源利用技術(shù)，近來(lái)獲得了很大發(fā)展。冰蓄冷是指在用電低谷時(shí)用電制冰并暫時(shí)蓄存在蓄冰裝置中，在需要時(shí)把冷量取出來(lái)進(jìn)行利用，由此可以實(shí)現對電網(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)展和應用。

    根據制冰方式的不同，冰蓄冷可以分為靜態(tài)制冰、動(dòng)態(tài)制冰兩大類(lèi)，此外還有一些非凡的制冰方式1。靜態(tài)制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內結冰，冰本身始終處于相對靜止狀態(tài)。這一類(lèi)制冰方式包括冰盤(pán)管式、封裝式等多種具體形式。動(dòng)態(tài)制冰方式，該方式制冰過(guò)程中有冰晶、冰漿生成，且冰晶、冰漿處于運動(dòng)狀態(tài)。每一種具體形式都有其本身的特點(diǎn)和適用的場(chǎng)合。

    外融式冰盤(pán)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的冰盤(pán)管與管外的水進(jìn)行熱交換，在管外結冰以蓄存冷量，需要時(shí)進(jìn)行取用，從而蓄冷過(guò)程必須克服隨厚度增加越來(lái)越大的冰層熱阻。與內融冰方式在取冷時(shí)仍由管內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的水作為取冷介質(zhì)送出，冰是從冰柱外表面開(kāi)始向內進(jìn)行融化的。其工作過(guò)程決定了外融冰方式與內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(cháng)時(shí)間保持低溫取冷，使取冷過(guò)程更加平穩，并使得實(shí)現大溫差低溫送風(fēng)成為可能；同時(shí)又比冰晶式、冰片滑落式等動(dòng)態(tài)制冰技術(shù)設備的材料要求低，加工、使用、治理方便。例如一般空調用表冷器處冷凍水溫度約為7℃，假如采用外融冰方式，冷凍水溫度可長(cháng)時(shí)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(shí)現送風(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(mén)等的設備容量、部件尺寸，減少材料使用和設備功耗，水路、風(fēng)路的機電設備、材料的初投資和系統運行費用也都不同程度減少，達到整體上降低空調系統的費用，提高經(jīng)濟效益。二．外融冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展概況

    1．概況

    與其它靜態(tài)蓄冷方式如內融冰方式的發(fā)展和應用相比，目前國內外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文獻資料并不很多?；谕馊诒到y有很好的優(yōu)點(diǎn)，近幾年已經(jīng)越來(lái)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(diǎn)進(jìn)行研究；另一方面，也必須針對外融冰的非凡性采用一些新的研究思路，以求可以更準確、全面地了解其規律性。

    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)在內的一些大學(xué)和科研單位也做了許多工作。國內外的研究者們普遍從實(shí)驗方法和數值計算模擬的方法兩方面進(jìn)行研究，而且經(jīng)常將兩類(lèi)方法結合起來(lái)進(jìn)行研究，非凡是近期以來(lái)國外就實(shí)際使用的冰盤(pán)管蓄冷裝置的熱特性及蓄冷系統的性能評價(jià)進(jìn)行了很多現場(chǎng)實(shí)測研究，用以對冰蓄冷技術(shù)進(jìn)行分析與評估，同時(shí)也對實(shí)驗研究及模擬分析的研究成果進(jìn)行驗證和評價(jià)。

    2．蓄冷特性的研究

    考察冰盤(pán)管蓄冷特性經(jīng)常采用蓄冷/取冷特性曲線(xiàn)，即在蓄冷/取冷過(guò)程中，在冰槽進(jìn)口溫度、出口溫度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等參數隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)來(lái)表示。

    國內外普遍利用實(shí)驗、實(shí)測的方法進(jìn)行盤(pán)管式冰蓄冷特性的研究。

    日本學(xué)者山羽基從蓄冰槽內水溫分布特性方面就盤(pán)管配置、蓄冷槽下部有無(wú)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：有攪拌時(shí)，蓄冰槽內水溫分布均勻，開(kāi)始結冰時(shí)間比無(wú)攪拌時(shí)要晚一些，而總結冰時(shí)間短，管外結冰均勻一致，且蓄冷量大。無(wú)攪拌時(shí)，側部、中心配置時(shí)，無(wú)盤(pán)管部分按照水溫分層，而且蓄冰結束后，盤(pán)管上部結冰偏厚；下部、上部配置時(shí)也明顯的受到水的密度隨溫度變化而變化的非凡性的影響。配置方式對結冰時(shí)間基本無(wú)影響，有攪拌時(shí)中心配置z*短，無(wú)攪拌時(shí)上部配置短；只攪拌至結冰而后停止攪拌，與全程攪拌效果幾乎相同。

    理論研究與模擬計算方法

    根據有關(guān)理論建立數學(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(wèn)題的重要方法。

    美國的Abraham等人對于直接蒸發(fā)型冰盤(pán)管的蓄冷過(guò)程，在作了蓄冷過(guò)程中盤(pán)管傳熱系數為常數的假定下，以蓄冷過(guò)程中的壓縮機做功z*小化為目標函數，以蒸發(fā)溫度和盤(pán)管尺寸為參量，建立了數學(xué)模型，并進(jìn)行了模擬計算。

    山羽基基于蓄冷槽的分層特點(diǎn)，設定垂直方向溫度場(chǎng)為線(xiàn)性分布，忽略水平方向溫度分布的不均勻性，根據能量平衡關(guān)系，采用有限差分法，建立了溫度分層型數學(xué)模型，并對冰盤(pán)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水溫分布和制冰量。

    中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)方貴銀根據蓄冷傳熱過(guò)程中的能量平衡關(guān)系在進(jìn)行了一系列合理假設基礎上建立了非線(xiàn)性微分方程組，對其所建立的數學(xué)模型進(jìn)行了求解，得到冰層厚度與蓄冰時(shí)間的關(guān)系，并用實(shí)測數據進(jìn)行了驗證。

    可以看出，目前在對冰盤(pán)管蓄冷槽進(jìn)行模擬計算時(shí)所建立的數學(xué)模型，一般都從物理、數學(xué)的角度作了許多假定，以簡(jiǎn)化所研究的問(wèn)題，但因此也不可避免地帶來(lái)了與實(shí)際工作過(guò)程的不一致性，并且每一個(gè)模擬方法及其研究成果都只能在一定條件下適用。

    3．取冷特性的研究

    冰盤(pán)管的取冷過(guò)程是一個(gè)伴隨相變的過(guò)程，外融式在取冷時(shí)，不會(huì )大量形成內融式方式出現的冰圈大量破裂形成浮冰的情況，而是冰圈在主要融冰期間基本不脫離盤(pán)管壁，因而管外冰的變化過(guò)程相對簡(jiǎn)單；但是另一方面，由于從整體上看水槽中的水體是一個(gè)流動(dòng)過(guò)程，因此溫度場(chǎng)的分布極大地受到了流場(chǎng)、相變、物性等因素的影響，其變化規律的分析又比內融式的融冰過(guò)程復雜得多。國內外已經(jīng)對內融冰取冷特性開(kāi)展了很多研究，但是外融冰取冷特性的有關(guān)研究資料還比較有限，還有待于進(jìn)一步開(kāi)展工作，應該根據外融冰取冷過(guò)程的特點(diǎn)，借鑒內融冰取冷特性的方法和成果來(lái)進(jìn)行研究。

    實(shí)驗研究

    山羽基對于外融冰槽取冷特性進(jìn)行了較為深入的實(shí)驗研究2。研究發(fā)現，阿基米德數Ar對槽內水溫豎直溫度分布有很大影響，欲盡可能長(cháng)時(shí)間地取出低溫水，應使Ar盡可能大；盤(pán)管數量及其布置方式對取冷特性有影響，并與Ar數的大小有關(guān)；增大冰盤(pán)管含冰率后在取冷初期取水溫度有所降低；攪拌可使融冰條件均一化，可削弱進(jìn)口條件對取冷溫度的影響。

    理論研究與模擬計算方法

    對于外融冰槽取冷過(guò)程的理論研究，由于存在相變情況下槽內流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及其影響因素的變化極為復雜，很難進(jìn)行外融冰特性的準確模擬，往往需要對問(wèn)題作出一系列的簡(jiǎn)化，采用能量平衡的方法進(jìn)行近似求解。

    山羽基對于外融冰給出了混和模型。將槽內分成完全混和區和一次擴散分層區兩部分，對于每一部分列出能量平衡關(guān)系式。盤(pán)管在不同區域的大小對混和模型的影響以修正系數的形式體現，參照實(shí)驗結果決定模型中的有關(guān)系數。求解模型可以得到有關(guān)取冷特性參量及其隨時(shí)間的變化。

    美國的JeroldW.Jones等人對ASHRAE提出的冰蓄冷設備模型RP-459進(jìn)行了實(shí)際檢驗，并提出了一個(gè)更為簡(jiǎn)化的模型與之對比，發(fā)現簡(jiǎn)化模型更接近于實(shí)測結果，這s*先是由于RP-459模型需要輸入有關(guān)冰蓄冷系統實(shí)際運行的準確、實(shí)時(shí)的信息，否則其計算結果無(wú)法達到較高的精度。

    由于到目前為止，國際上在外融冰方面的有關(guān)理論研究比較而言還不夠充分，為了進(jìn)一步深入熟悉外融冰的取冷特性，我們仍可以借鑒有關(guān)內融冰的理論研究及模擬分析的方法及其成果67。三．清華大學(xué)、清華同方對外融冰技術(shù)的研發(fā)和應用

    冰蓄冷作為一種關(guān)鍵技術(shù)，目前國際上一般不給提供蓄冷、取冷性能曲線(xiàn)等基礎性資料和研究成果，為此，我們有必要進(jìn)一步加強有關(guān)方面的研究工作。清華大學(xué)與清華同方充分運用雙方具有的人才、科技、資金和工程應用方面的優(yōu)勢聯(lián)合進(jìn)行了外融冰蓄冷技術(shù)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，并積極應用于實(shí)際工程。

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    1．外融冰技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)

    清華大學(xué)多年來(lái)在冰盤(pán)管蓄冷技術(shù)方面進(jìn)行了持續的研究，并取得了有意義的成果。94級研究生李浩對冰盤(pán)管蓄冷過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，對影響蓄冷特性的重要因素如蓄冷流量、蓄冷溫度進(jìn)行了深入考察，并指出對于一定結構的盤(pán)管式蓄冰裝置，加快蓄冷過(guò)程的方法s*先應從降低蓄冷進(jìn)口溫度入手，而在一定范圍內改變蓄冷流量對蓄冷速率的影響不大。96級研究生楊逢君進(jìn)一步研究了單管和殘冰工況的蓄冷特性，認為殘冰對蓄冷過(guò)程的影響很小。同時(shí)，他們在內融冰取冷特性方面進(jìn)行了較深入的研究，其研究方法和研究成果有助于對外融冰取冷特性作進(jìn)一步的實(shí)驗研究。

    為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)外融冰技術(shù)，由清華大學(xué)建筑環(huán)境與設備研究所和清華同方人環(huán)公司合作開(kāi)展了“外融冰槽蓄冷取冷特性的實(shí)驗研究”的研發(fā)項目。該項目組在清華大學(xué)空調實(shí)驗室現有的蓄冰實(shí)驗臺基礎上經(jīng)過(guò)改造，并重點(diǎn)對所建50RTH方形鋼盤(pán)管蓄冷槽進(jìn)行了取冷特性的測試研究。實(shí)驗臺蓄冷、取冷部分的原理及溫度、流量測點(diǎn)布置。實(shí)驗通過(guò)改變流體流量、溫度等因素以測試其對蓄冷、取冷特性的影響。實(shí)驗期間以30秒為間隔記錄系統流量、蓄冷槽液位、蓄冷槽入口溫度、出口溫度、蓄冰槽內水溫豎直分布狀況。根據蓄冰槽液位判定和控制蓄冷、取冷的進(jìn)展情況。通過(guò)測量冰槽內不同位置上的水溫，可以得到溫度分布及其隨時(shí)間的變化規律，以此可以進(jìn)一步分析蓄冰槽的蓄冷取冷特性，進(jìn)而指導改進(jìn)外融冰蓄冷系統的設計和應用。

     給出了一個(gè)典型的外融冰取冷過(guò)程的特性曲線(xiàn)，該次實(shí)驗的取冷流量保持在6m3/h左右，取冷速率保持在10RT左右，從而使取冷進(jìn)出口溫差基本保持在5℃，進(jìn)出口方式為下進(jìn)上出。整個(gè)取冷過(guò)程進(jìn)行了5小時(shí)，共取出50RTH的冷量。

    實(shí)驗發(fā)現，在取冷過(guò)程中冰的融化在空間上是不均衡的，下部由于z*早接觸進(jìn)口的溫度較高的水而融化得較快，而上部較慢。當取冷過(guò)程結束時(shí)，水面上仍然殘存著(zhù)少量冰碴，這說(shuō)明在整個(gè)取冷過(guò)程中都存在著(zhù)融冰現象。

    從的取冷速率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)中可以看出，整個(gè)外融冰取冷過(guò)程大體上可以分為兩個(gè)階段：潛冷取冷階段和混合取冷階段。

    取冷過(guò)程的第一階段是從開(kāi)始取冷一直持續到大約3.5小時(shí)。在這一過(guò)程中，取冷出口溫度從0.3℃升高到2℃左右，曲線(xiàn)基本保持不變并略有上升。這說(shuō)明這一階段基本上是進(jìn)行的潛熱取冷，顯熱取冷量極小。這種情況主要是由于溫度較高的水從底部的布水器的下側以極小的速度進(jìn)入槽內，然后相當均勻的緩慢向上流動(dòng)，迅速與冰面四周溫度接近于0℃的低溫水混和，并沿著(zhù)叉排管束中間的之字形流道向上流動(dòng)，從而水溫也迅速降低到接近0℃，這使得位于冰槽上部的取冷出口處一直保持在較低的水溫。從而外融冰系統可以長(cháng)時(shí)間地穩定地取出低溫水，這是外融冰的一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)。

    隨著(zhù)取冷過(guò)程的進(jìn)行，管外冰柱的融化使水向上流動(dòng)的通道增大，每一根管外的冰水接觸面積減小。這導致了較高溫度的水需要經(jīng)過(guò)更長(cháng)的距離才能得到充分的降溫，并且隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)流到上部的水溫也越來(lái)越高了。當管束間的流道增大到一定程度時(shí)，依靠融冰帶來(lái)的潛熱已經(jīng)不足以彌補較高溫度的水所攜帶的熱量時(shí)，顯熱所承擔的負荷迅速的增加了，取冷過(guò)程也進(jìn)入到下一階段，即混合取冷階段。此時(shí)取冷曲線(xiàn)的斜率迅速增加并基本保持穩定。在這一階段，潛冷取冷在整個(gè)取冷量中所占比例減小，而顯冷取冷增加了。取冷曲線(xiàn)在接近取冷過(guò)程結束時(shí)又略有降低，這是由于此時(shí)附在管外的冰出現較多的破裂并上浮，一部分被上部的管滯留，一部分直接上升到水面上，從而保持了較大的總冰水交界面，非凡是使得冰槽上部保持了較低的溫度水平，引起取冷出口溫度升高的速率有所放慢。

    研究發(fā)現，蓄冰槽進(jìn)出口方式對其取冷特性有重要影響。在其它條件相同時(shí)，上進(jìn)下出方式要比上述的下進(jìn)上出方式出口溫度平均高2℃左右，這是由于受到水的密度隨溫度變化的規律的影響。同時(shí)，本課題還對影響取冷特性的取冷流量、取冷溫度、取冷負荷、有無(wú)攪拌等因素進(jìn)行了考查，有關(guān)研究成果將另文發(fā)表。

    2．外融冰技術(shù)的實(shí)際應用

    近年來(lái)清華同方已經(jīng)開(kāi)始積極推動(dòng)外融冰蓄冷技術(shù)在實(shí)際工程中的應用。目前已經(jīng)完成的四川成都皇城老媽火鍋城外融冰蓄冷工程就是一個(gè)典型的應用實(shí)例。該工程由于是為火鍋城服務(wù)的，其用戶(hù)負荷與一般用戶(hù)空調負荷有著(zhù)很大不同，負荷非常集中，主要在天天下午五六點(diǎn)鐘之后投入使用，此時(shí)負荷強度為350W/m2，大大高于一般用戶(hù)負荷。為此采用了外融冰空調系統，可以充分利用其能夠在較集中的時(shí)間內持續平穩地取出低溫水的特點(diǎn)滿(mǎn)足用戶(hù)使用要求，同時(shí)又能把制冷機裝機容量大幅度降下來(lái)，節省了各設備部件的初投資和運行費用，減小占用空間。同時(shí)，由于供水溫度的降低也帶來(lái)可以實(shí)現大溫差送風(fēng)的優(yōu)勢，又進(jìn)一步節省了冷量輸送、換熱環(huán)節的費用。由于外融冰取冷環(huán)路本身是開(kāi)式系統，利用了火鍋城建筑結構方面的特點(diǎn)把外融冰槽安裝在其房頂上。因此，從整體上看，該工程滿(mǎn)足了用戶(hù)的使用要求，提高了經(jīng)濟效益，同時(shí)達到了“削峰填谷”的目的。

     四．結論與建議

    外融冰系統本身具有很好的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間穩定地取出低溫水，為實(shí)現低溫送風(fēng)、減小設備容量、實(shí)現系統經(jīng)濟高效運行、減少占用空間提供了技術(shù)可行性，可以滿(mǎn)足對電網(wǎng)實(shí)現“削峰填谷”、提高能源利用率的需要。國內外對于冰盤(pán)管蓄冷過(guò)程從理論和實(shí)驗兩個(gè)方面進(jìn)行了較為深入的研究，取得了較為成熟的研究成果。但是在取冷特性方面，目前國內外的研究還不夠深入，國外的一些研究成果還往往不予公開(kāi)，國內這方面的理論和實(shí)驗研究也同樣需要進(jìn)一步加強。

    發(fā)展外融式冰盤(pán)管蓄冷技術(shù)具有重要的實(shí)用意義，有必要對外融式冰盤(pán)管的性能特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步地研究，并探討如何更好地應用到實(shí)際系統中去。為了進(jìn)一步促進(jìn)外融冰技術(shù)的發(fā)展和應用，應該就以下幾個(gè)方面進(jìn)行更深入的探討。

    1．在下一步的研究中，有必要進(jìn)一步探討冰蓄冷技術(shù)的評價(jià)標準，以對包括外融冰在內的各種冰蓄冷形式的特點(diǎn)及其優(yōu)劣進(jìn)行評估和探討。

    2．如同區域供熱一樣，近幾年來(lái)區域供冷作為一種具有發(fā)展前途的領(lǐng)域，其對于實(shí)現供冷規?；陌踩?、高效、經(jīng)濟、方便地運行所具有的重要意義已經(jīng)開(kāi)始為人們所熟悉。在區域供冷系統中由于可以采用大制冷系統，采用蓄冷技術(shù)無(wú)疑是非常必要和可行的?；谕馊诒绞剿哂械目砷L(cháng)時(shí)間穩定地提供低溫水的特性，在區域供冷系統中采用外融冰方式有其特有的優(yōu)勢。而且假如采用直接蒸發(fā)方式進(jìn)行蓄冷，既省去了二次冷媒系統，又避免了冷熱轉換的中間環(huán)節，減少了能耗，并且加工、治理簡(jiǎn)單，比其它一些蓄冷方式更有競爭力。因此有必要在這方面進(jìn)行前瞻性研究。

    3．另一方面，空調系統小型化以適用于家庭也是目前空調發(fā)展的一個(gè)重要方向，它不但可以采用風(fēng)機盤(pán)管送風(fēng)，還可以采用集中空調系統形式，后者在一些國家已有了實(shí)用和發(fā)展。這種小型空調系統往往存在運行費用相對較高的問(wèn)題，采用外融冰蓄冷可以明顯的節省運行費，可能是一種較好地解決辦法，值得做進(jìn)一步研究。

    4．外融冰系統直接把槽內冷水作為栽冷劑輸送到用戶(hù)或者中繼換熱站，利用系統的這一特點(diǎn)完全可以把夏季蓄冷與冬季水蓄熱結合起來(lái)，以更充分地利用現有系統，節約投資，提高經(jīng)濟效益，還可以選擇共用熱泵型機組夏季供冷冬季供熱以進(jìn)一步減少采暖系統的投資。另外，還可以方便的把蓄冰槽與消防水池結合起來(lái)，降低占用空間。這是對外融冰蓄冷技術(shù)進(jìn)行應用和推廣的一個(gè)很有經(jīng)濟性和現實(shí)性的方面。

    參考文獻：

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    9楊逢君。內融式冰盤(pán)管蓄冷槽熱工特性若干問(wèn)題的實(shí)驗研究。清華大學(xué)碩士論文。1999年6月

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