清华同方——蓄能空调技术应用手册

清华同方蓄能空调技术应用手册清华同方股份有限公司人工环境工程公司2前言环境污染和能源危机已成为当今社会的两大难题，如何合理的利用能源为人类创造现代生活已经成为当今社会的共识。在人类共同警视的时期，蓄能空调应运而生。蓄能空调：就是利用蓄能设备在空调系统不需要能量的时间内将能量储存起来，在空调系统需要的时间将这部分能量释放出来。将蓄能空调和电力系统的分时电价相结合，从宏观上可以起到平衡电网，微观上可以为空调用户节省大量运行费用。清华同方股份有限公司多年来潜心研究空调蓄能技术，并在该领域获得了骄人的成绩，于96年研制出国内唯一的RH-ICU系列冰盘管式蓄冰设备，并于99年在国内推出第一例蓄冰和蓄热相结合的蓄能空调系统。一、蓄能定义1.1蓄能定义潜热蓄能：将物质发生相变时所吸收或释放的热能储存起来，从而达到降低外界温度的结果。冰蓄冷：利用潜热蓄能的原理将冷量以冰的形式储存起来。每1千克冰变成水需要吸收80千卡的热量。显热蓄能：将物质发生温度变化时所吸收或释放的热能储存起来，如较高温度的水降低温度需要向外界释放热能，从而达到升高外界温度的结果。水蓄冷/热：就是利用显热蓄能将冷量/热量储存起来。每1千克水发生1℃的温度变化会向外界吸收/释放1千卡的热能。1.2蓄能空调的效益1.2.1宏观效益转移电力高峰用电量，平衡电网峰谷差减少新建电厂投资减少环境污染，有利于生态平衡充分利用有限的不可再生资源1.2.2微观（用户）效益减少主机装机容量和功率可达30%--50%相应减少冷却塔的装机容量和功率设备满负荷运行比例增大，可充分提高设备利用率减少一次电力投资费用，包括电贴费、变压器、配电柜等利用分时电价，可节省大量的运行费用可作为应急冷源，停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷二、蓄能的类别根据空调系统冷负荷分布情况或者当地的电价结构情况将蓄能类别分成下列三种形式。2.1部分负荷蓄能部分负荷蓄能就是全天所需要的冷/热量部分由蓄冷/热装置供给，如图所示，夜间用电低谷期利3用制冷机蓄存一定冷量，补充电力高峰时间所需要的冷量。冰槽供冷量等于夜间冰槽储存的冷量。2.2、全负荷蓄能将电力高峰期的冷负荷全部转移到电力低谷期，如图所示：全天空调时段所需要的冷量均由电力低谷时段所蓄存的冷量供给。2.3、部分时段蓄能某些地区对高峰用电量有所限制，这样电力高峰时段的冷量/热量就需要由蓄能设备来提供，在这种情况下，制冷机夜间蓄存的冷量全部用于限电时段供冷。蓄能设备的设置主要用来解决限电时段内的空调需求。部分负荷蓄能负荷分布图0408012016001234567891011121314151617181920212223时间冷负荷冷机蓄冰制冷机供冷冰槽供冷全负荷蓄冰负荷分布图040801201601234567891011121314151617181920212223时间冷负荷冰槽蓄冰冰槽供冷冰槽蓄冰04080120160123456789101112131415161718192021222324冰槽供冷冰槽蓄冰冷机供冷4三、蓄能设备3.1、前言蓄能设备广义地分为显热式蓄能和潜热式蓄能。最常用的蓄能介质是水、冰和其他相变材料，不同蓄冷介质具有不同的单位体积蓄能能力和不同的蓄冷温度。3.2、蓄冰设备冰盘管式蓄冰装置属于潜热式蓄冰装置，是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冰装置。在蓄冷过程中，载冷剂（一般为重量百分比25%的乙烯乙二醇水溶液）和制冷剂在盘管内循环，吸收水槽内水的热量，在盘管外表面形成冰层，使冷量以冰的形式储存起来。3.3、内融冰与外融冰内融冰：在融冰供冷过程中，来自空调负荷的回水进入蓄冰盘管，由于回水温度较高，使得最接近盘管的冰层开始融化，随着融冰过程的进行，冰层由内向外逐步融化，所以这种融冰过程被称为内融冰。由于冰层的自然浮升力作用，使得冰层在整个融化过程中与盘管表面的接触面积可以保持基本不变，因而保证了在整个取冷过程中，取冷水温相当稳定。外融冰：温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化，这种融冰过程称为外融冰。由于空调回水与冰直接接触，换热效果好，取冷快，来自蓄冰槽的供水温度可低达1℃左右。为了使外融冰系统能达到快速融冰放冷，蓄冰槽内水的空间应占一半，即蓄冰槽的蓄冰率（IPF）不大于50%，故蓄冰槽容积较大。3.4、RH系列蓄冰设备清华同方股份有限公司生产的RH系列蓄冰设备，该设备内的主体装置是蛇形金属冰盘管。RH系列蓄冰设备各项性能参数如下：3.4.1性能特点清华大学多年传热学研究的结晶—独特的蛇型盘管排列组合结构以不完全冻结方式控制蓄冰量，在制冰完成后，盘管间仍存有水钢管具有较高的传热效率单根盘管长100米，换热流程长，热交换极为充分结冰速度快、融冰量稳定冰结在盘管外，盘管不承受内应力内融冰稳定的低温(4oC)出口温度外融冰实现大温差送水和低温送风乙二醇用量少便于组成各种尺寸的非标产品通过ISO9001质量体系认证高科技焊接技术钢盘管外表面采用热锓锌工艺防腐严格的质量管理及质检工艺制度53.4.2标准蓄冰槽性能参数RH-ICT内融冰系列标准蓄冰槽性能参数型号项目RH-ICT200400600800潜冷蓄冷量RTH200400600800全冷量RTH228454677902盘管内溶液量m30.51.01.52.0槽内水容量m311.923.133.444.2冰盘管组数组1234空载重量Kg504098801472018760运行重量Kg16940329804812062960长度mm6100610061006100宽度mm1210215030303940高度mm2150215021502150接管尺寸mm2DN654DN656DN658DN65RH-ICTW外融冰系列标准蓄冰槽性能参数型号项目RH-ICTW200400600800潜冷蓄冷量RTH200400600800全冷量RTH240464692916盘管内溶液量m30.51.01.52.0槽内水容量m312.425.636.848.0冰盘管组数组1234空载重量Kg504098801472018760运行重量Kg16940329804812062960长度mm6380638063806380宽度mm1730292841265324高度mm2480248024802480接管尺寸mm2DN654DN656DN658DN6563.4.3、标准盘管外形尺寸RH-ICU标准内融冰蓄冰盘管外形尺寸型号长宽高接管尺寸RH-ICU200582691018052DN65RH-ICU4005826910X218054DN65RH-ICU6005826910X318056DN65RH-ICU8005826910X418058DN65RH-ICUW标准外融冰蓄冰盘管外形尺寸型号长宽高接管尺寸RH-ICU200W6073119819152XDN65RH-ICU400W60731198*219154XDN65RH-ICU600W60731198*319156XDN65RH-ICU800W60731198*419158XDN65标准蓄冰槽外形图标准冰盘管外形图W进水口出水口进水口出水口LH5820mm5620mm22001805910510200单位:mm73.4.4、制冰曲线下图为盘管的入口温度随蓄冷时间变化的过程，如图所示根据允许蓄冷时间的长短来确定运行温度和选择乙二醇溶液浓度。3.4.5、盘管取冷曲线如图所示，这种蓄冰盘管的结构使得融冰时出口温度稳定。由于盘管式蓄冰设备取冷后期存在碎冰期，所以后期取冷温度进一步下降。每组盘管蓄冷过程温度曲线-7-6-5-4-3-201234567891011蓄冷时间（小时）乙二醇水溶液入口温度-5-6-7内融冰盘管取冷曲线图-2024681000.511.522.533.544.555.566.577.58取冷时间（小时）温度（OC）0102030405060取冷量（RTH）取冷入口温度取冷出口温度取冷量外融冰装置融冰曲线图0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.50102030405060708090100融冰率温度(摄氏度)1小时2小时4小时6小时12小时83.4.6、阻力曲线不同容量蓄冰槽组合时，基本保持了各盘管支路阻力相等的原则，所以不同型号蓄冰槽并联组合，只要其流量保持一致，其流动阻力相差不大。如下图：注:图中组的含义表示200RTH。3.4.7、载冷剂冰盘管式蓄冰设备所用的载冷剂为乙二醇水溶液。乙二醇（C2H(OH)2）是无色、无味的液体，其挥发性低、腐蚀性低，易溶解于水及多种有机化合物。乙二醇水溶液的凝固点、潜热、密度、比热、导热系数、粘度随溶液浓度不同而变化。蓄冰系统乙二醇水溶液的凝固点应低于最低运行温度3-4℃。此外，乙二醇腐蚀性很低，但乙二醇的水溶液呈弱酸性，因此，在使用过程中乙二醇溶液中需加入添加剂。添加剂包括防腐剂和稳定剂。防腐剂可以在金属表面形成阻蚀层；稳定剂可以使乙二醇溶液维持弱碱性（PH7）。溶液中添加剂的添加量为800—1200ppm。乙二醇水溶液的密度与粘度稍大于水，而比热稍小于水，所以在计算载冷剂流量和管道阻力时应予以注意。不同浓度的乙二醇溶液参数详见下表。乙二醇水溶液凝固点质量%101520253035404550体积%8.913.618.122.927.732.637.542.547.6凝固点-3.2-5.4-7.8-10.7-14.7-17.9-22.3-27.5-33.8四、系统形式4.1、内融冰系统蛇形冰盘管式内融冰蓄冰设备可以用于各种并、串联系统。由于其取冷水温低而稳定，往往将其用于主机上游的串联蓄冰系统。主机置于循环回路的上游，可提高主机的工作效率，仍可保证恒定的低温乙二醇出口温度，系统中水泵配置方便，水温控制效果好。阻力曲线0408012016020010121416182022242628单位流量（m3/h.组）压降（KPa）9主机上游的串联系统存在四种运行工况：制冷机蓄冰、蓄冰槽融冰供冷、制冷机供冷、制冷机联合蓄冰槽共同供冷。制冷机蓄冰（在空调系统不运行的时间段，如商场、办公楼夜间）制冷机自动转换为蓄冰工况，关闭V2、V4阀门，开启V1、V3阀门，使得乙二醇溶液在制冷机和蓄冰槽之间循环。随着制冰时间的延长，乙二醇温度逐步降低，在管外完成要求冰量的冻结。制冷机供冷为维持较高的制冷效率，当制冷机需直接加入制冷时，按空调工况运行。乙二醇溶液在制冷机和板换之间循环，系统关闭V1、V3、V4，开启V2阀门。通过板换降温后的冷冻水向用户供冷。冷机冰槽板换用户乙二醇泵冷冻泵V1V2V3V4冷机冰槽板换用户乙二醇泵冷冻泵V1V2V3V4冷机冰槽板换用户乙二醇泵冷冻泵V1V2V3V410蓄冰槽供冷当需要蓄冰槽通过融冰提供冷量，制冷机停止运行，但是仍作为系统的通路。通过乙二醇泵将乙二醇溶液送入蓄冰槽，经过降温后的乙二醇溶液进入板换换热。关闭阀3，为了控制进入板换的乙二醇温度，将V2、V1阀门设为调节状态。制冷机联合蓄冰槽供冷为了满足空调高峰期时的用冷量，乙二醇溶液经过两次降温，即乙二醇溶液先经过制冷机进行一次降温，然后经过蓄冰槽进行二次降温。所以乙二醇溶液在板换前后的温差达到7℃。为了控制进入板换的乙二醇溶液温度，调节V2、V1阀门来达到目的。冷机冰槽板换用户乙二醇泵冷冻泵V1V2V3V4通过调节V1、V2阀门来调节此处流量分配冷机冰槽板换用户乙二醇泵冷冻泵V1V2V3V4通过调节V1、V2阀门来调节此处流量分配114.2、主机上游串联系统优点稳定的低温乙二醇出口温度可最大限度降低系统其他设备的容量。主机置于蓄冰设备上游，主机在较高的蒸发温度下工作，提高主机工作效率，降低蓄冰设备的一次投资。系统简单，结构紧凑。板式换热器换热面积及水泵的功率最小。自控系统相对简单，易于控制。4.3、外融冰系统外融冰系统的主要特点是释冷温度能稳定地维持在1-3℃，因此可方便地用于工业的冷水供应系统，也可以为