冰蓄冷小型化装置设计和蓄冷槽特性研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 6.69MB 76 页 15积分

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摘要

近年来，由于城市用电与电网之间的供需矛盾日趋严重，传统空调模式受到

了挑战，开发和应用新型环保、蓄能型空调成为制冷空调领域今后发展的重要方

向。冰蓄冷空调由于其对电网有“移峰填谷”的特点，一直是新型空调系统研究

的重点。

冰蓄冷空调是制冷机利用电网低谷时段的电力制取冷量，在电网的高峰时段

将冷量释放以满足生活和生产工艺的需求，达到电网“移峰填谷”的效果。二十

世纪 70 年代以来，世界范围内由于受到能源危机的影响，冰蓄冷空调受到了极大

的关注。我院自 2006 年以来，对冰蓄冷空调展开了大量研究，并在此基础上以实

验室为研究对象搭建了一台小型冰球式蓄冷空调实验台。

本论文分为四个部分，第一部分首先是对国内外冰蓄冷技术的应用和研究情

况进行了归纳，着重介绍了国内外小型化冰蓄冷空调系统的具体情况；第二部分

介绍了本实验台的设计和实验设备；第三部分采用 FLUENT 软件对单个冰球恒温

水浴中的蓄冰、融冰以及蓄冷槽的蓄冷和释冷实验进行了 CFD 数值模拟；最后一

部分进行了单个冰球和实验台的蓄冷和释冷的实验研究，并将实验结果和模拟情

况进行了对比分析。

本论文通过实验和采用 FLUENT 软件对蓄冷槽的蓄冷、释冷性能模拟得到，

当乙二醇溶液在蓄冷槽竖直切面上的流速大于 0.3m/s 时，能在设计的 8h 内完成蓄

冷、5h 以内能完成释冷，较好的达到了设计期望。通过实验和模拟得到冰球外部

乙二醇溶液的流速和温度对冰球的蓄冰和融冰速率起到很大的作用，在乙二醇泵

频率的可调范围内，可以通过增大系统中乙二醇溶液的流量和降低溶液温度来加

快冰球的结冰速率，缩短蓄冷槽的蓄冷时间；在融冰过程中，同样可以增大溶液

流速来增大蓄冷槽单位时间内的释冷量。

关键词：冰蓄冷，FLUENT 模拟，冰球，蓄冷与释冷

ABSTRACT

In recent years, the contradiction between supply and demand of city electricity is

growing. The traditional home air-conditioning is being challenged, development and

application new environmental and energy storage types air-conditioning system has

become an important direction for future development. Because of its power of "load

shifting", ice storage air conditioning has been the focus of the new air conditioning

systems study.

The ice storage air conditioning is that refrigeration unit works during the low use

of electricity grid system and release the cooling at peak of grid to meet the needs of life

and production, it could "load shifting". Since the 70s of the 20th century, due to the

energy crisis in the world wide, ice storage air conditioning had become the focus of

energy study. Since 2006, we have made a lot of research on the ice storage air

conditioning, and we have build a small hockey-style ice storage air-condition system.

This thesis is divided into four parts. In the first part, it introduces the situation of

ice-storage technology at home and abroad, and highlight the small ice storage

technology in the world. In the second part, it introduces design and equipment of this

bench. In the third part, it uses FLUENT software simulate single hockey storaging and

melting in the constant temperature water bath, and also simulate cold storage tank

storage and release cold. And in the last part, it finishs the storage and release cold

experiments of single hockey and cold storage tank, also the results of the experiment

and simulation is compared.

Through the storage and release cold simulation and experiment of the cold storage

tank,the results shows that when the flow rate of the ethylene glycol solution at 0.3m / s

in the tank, cold storage can be completed within 8 hours, and also cold could be

released complete within 5 hours, which better meets the design requirements. Through

simulation and experiment, we can find that the flow rate and temperature of the

ethylene glycol solution played a significant role of the cold storage and release rate of a

single hockey. Resulting in the condition to the extent permitted, we can increase the

flow of ethylene glycol solution or reduce the temperature of the solution to speed up

ice storage. And in the ice-melting process, we can also increase the flow rate to

increase the discharging rate.

Key Words: Ice Storage, FLUENT Software Simulate, Hockey, Storage

And Release Cold

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

§1.1 课题背景 ................................................... 1

§1.2 冰蓄冷技术国内外发展历史和研究现状 ......................... 2

§1.2.1 国外的发展历史 ........................................ 2

§1.2.2 国内的发展历史 ........................................ 3

§1.2.3 小型化冰蓄冷空调器国内外的研究现状 .................... 4

§1.2.4 “小型化”定义的探讨 .................................. 5

§1.3 本课题的主要工作 ........................................... 6

§1.4 本章小结 ................................................... 7

第二章冰蓄冷空调技术概况 .......................................... 8

§2.1 蓄冷空调的基本概念 ......................................... 8

§2.2 蓄冷形式的分类及其特性比较 ................................. 8

§2.2.1 蓄冷形式的分类以及介绍 ................................ 8

§2.2.2 冰蓄冷与其他蓄冷形式比较 .............................. 9

§2.2.3 冰蓄冷形式的分类以及介绍 ............................. 11

§2.3 冰蓄冷的运行策略 .......................................... 13

§2.4 冰蓄冷的运行模式 .......................................... 14

§2.5 冰蓄冷的工作流程 .......................................... 15

§2.6 冰蓄冷的控制策略 .......................................... 16

§2.7 本章小结 .................................................. 16

第三章冰蓄冷装置实验台的设计 .................................... 17

§3.1 实验台设计对象的介绍及实验系统方案的确定 .................. 17

§3.1.1 实验台设计对象的介绍 ................................. 17

§3.1.2 系统方案的确定 ....................................... 18

§3.1.3 系统原理图 ........................................... 18

§3.1.4 各模式下系统阀门开度与调节 ........................... 19

§3.1.5 各工况下系统原理图 ................................... 19

§3.2 实验台系统参数和实验设备的确定 ............................ 19

§3.2.1 系统主要参数 ......................................... 19

§3.2.2 实验台主要设备设计与选型 ............................. 19

§3.2.3 蓄冰球的介绍以及蓄冷槽的设计 ......................... 28

§3.3 本章小结 .................................................. 31

第四章蓄冷槽蓄冰、融冰的 FLUENT 模拟 .............................. 32

§4.1 FLUENT 的介绍 ........................................... 32

§4.2 单个蓄冰球数值模型的建立 ...................................34

§4.2.1 蓄冰球内相变传热过程分析 ............................. 34

§4.2.2 冰球的数学建模 ....................................... 34

§4.2.3 蓄冷槽传热模型 ....................................... 36

§4.3 单个冰球结构模型的建立 .....................................37

§4.3.1 单个冰球的结构模型 ................................... 37

§4.3.2 单个冰球的结构网格 ................................... 38

§4.4 单个冰球恒温水浴中的模拟研究 ...............................38

§4.4.1 单个冰球蓄冰模拟 ..................................... 40

§4.4.2 单个冰球的融冰模拟 ................................... 42

§4.5 蓄冰槽结构模型的建立 .......................................45

§4.6 蓄冰槽蓄冰模拟 .............................................46

§4.7 蓄冰槽融冰模拟 .............................................50

§4.8 本章小结 ...................................................52

第五章蓄冷槽蓄冷、释冷实验及实验结果的对比与分析 ................ 53

§5.1 单个冰球恒温水浴中的蓄冰、融冰实验 ........................ 53

§5.1.1 恒温水箱中单个冰球蓄冰实验 ........................... 54

§5.1.2 恒温水箱中单个冰球融冰实验 ........................... 55

§5.2 单个冰球蓄冷槽中的蓄冰、融冰实验 .......................... 56

§5.2.1 单个冰球在蓄冷槽中的蓄冰实验 ..........................56

§5.2.2 单个冰球在恒温水箱中、蓄冷槽中蓄冷温度曲线对比分析 ....57

§5.2.3 单个冰球在蓄冷槽中融冰实验 ............................57

§5.2.4 单个冰球在恒温水箱中、蓄冷槽中蓄冷温度曲线对比分析 ....58

§5.2.5 单个冰球的蓄冷槽中蓄冷、融冰实验与模拟实验温度曲线对比 59

§5.3 蓄冷槽在乙二醇溶液泵不同流量下的蓄冷、释冷实验 .............59

§5.3.1 蓄冷槽蓄冷实验 ........................................60

§5.3.2 蓄冷槽释冷实验 ........................................61

§5.4 实验结果分析 ...............................................63

§5.5 本章小结 ...................................................64

结论与展望 ........................................................ 65

§6.1 研究工作 ...................................................65

§6.2 主要结论 ...................................................65

§6.3 今后研究工作的展望 .........................................66

参考文献 .......................................................... 66

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 ............................ 72

致谢 .......................................................... 73

第一章绪论

§1.1 课题背景

改革开放以来，电力工业作为我国的基础产业取得了长足的进步，目前我国

的电力装机容量已经跃居世界前列[1],但电力的增长仍满足不了生产和生活的需

要，缺电的情况仍然存在。大中型城市，特别是东南沿海以及长江流域一带的一

些大中型城市，工业用电和商业用电需求不断地增长,以上海为例，用电高峰负荷

每年的增长速度接近 10%[2,3]，这些电力需求主要集中在用电的高峰时段，而电力

低谷时段的用电却增长缓慢，甚至有下降的趋势，这造成我国各大电网高峰时段

电力不足、低谷电力严重过剩的局面。在白天高峰负荷增长过快和夜间低谷电力

缓慢增长的共同作用下，如今各大电网的峰谷差值均已超过最大电力负荷的 30%，

华北电网甚至达到了 40%，

2003 年至 2005 年全国用电峰谷差年平均增长 11.5%[4]。

为了解决电力需求增长过快、电网供应与负荷需求不相适应、电网峰谷电荷

严重不平衡、高峰时段有电送不出、低谷时段电荷大量过剩、能源利用率大大下

降的矛盾，电力部门在增加装机容量的同时重视和加强了对用户侧用电负荷的管

理，推出分时电价及其他的优惠政策以引导用户多用低谷时段的电力，将高峰负

荷转移到低谷时段，达到“移峰填谷”的效果。在电费价格杠杆的推动下，我国

的冰蓄冷技术得到了快速的发展。

冰蓄冷空调技术是人类面对能源危机时为了满足自身享受的需要对能源的一

种转移，是一项调整冷能供应和需求在时间差异方面矛盾的技术。该技术是通过

凝固介质，将冷量以显热和潜热的形式储存起来，需要用冷的时候再通过融化介

质将冷量释放出来，以满足生产和生活的需要。冰蓄冷是在电力低谷或电价较低

的时段制取冷量，在电力高峰或电价较高时释放冷量，从而达到用电负荷在时间

上的转移的效果，节省运行成本[6]。

冰蓄冷系统的推广与政府的电价政策密切相关。在我国的大部分地区，分时

电价政策只适用于用电大户，例如工厂、宾馆、办公楼和体育馆等，冰蓄冷技术

被用于这些建筑的大型空调系统中，已经达到了较好“移峰填谷”的作用和效果，

提高了发电设备的年利用率，同时也保证了制冷机组满负荷高效运行，大大降低

了用户的运行费用，收到了良好的社会、经济效应。随着小型家用空调器的快速

增长，其用电量已占空调器总用电量很大的份额，而在小型家用空调系统中，国

内还没实现冰蓄冷技术的应用。

随着人民生活水平的提高和受全球变暖气候的影响，家用空调正以惊人的速

冰蓄冷小型化装置设计和蓄冷槽特性研究

度普及（1995 年小型家用空调器全国各地区城镇居民家庭平均每百户空调器拥有

量，1995 年为 8.09 台，其中最高收入户平均也只有 18.67 台，到 2004 年底全国各

地区城镇居民家庭平均每百户空调拥有量已达 69.81 台，其中北京 135.66 台，上

海159.20 台，广东 155.95 台；

2004 年底全国各地区农村居民家庭平均每百户空调

拥有量也已有 4.70 台，其中北京 42.13 台，上海 54.83 台，广东 9.30 台），家用空

调成为十足耗电大户，其耗电量已达到总的空调耗电量的 70%，2005 年，家用空

调的耗电量达到了 400 亿千瓦时，相当三峡水电站最大发电量的 50%，给电力供

应带来了巨大的压力[7,8,9]。小型家用空调器已成为影响我国电力负荷的重要因素，

而随着小型家用中央空调系统逐渐走进现代家庭，开发、应用小型化冰蓄冷中央

空调系统具有很好的发展前景，能在大型冰蓄冷空调系统的基础上更好的发挥冰

蓄冷“移峰填谷”的作用，带来更大的经济、社会效益。

§1.2 冰蓄冷技术国内外发展历史和研究现状

§1.2.1 国外的发展历史

蓄冷空调最早出现在上世纪三十年代，当时美国在间歇使用、负荷比较集中

的场所，例如教堂、剧院和乳品厂等使用蓄冷供冷的方式。但随着机械设备制造

业的不断发展，加上蓄冷设备价格昂贵和耗电多等不利因素，该技术的应用停滞

了相当长的一段时间。上世纪七十年代以来，由于受到世界范围内的能源危机以

及日本、美国、加拿大和欧洲一些国家夏季负荷快速增长和峰谷差的拉大的影响，

冰蓄冷技术有了快速的发展。在这些国家冰蓄冷技术不仅被引入大型空调系统，

还积极开发相关的设备和系统，同时世界范围内研究冰蓄冷相关技术的公司不断

崛起，例如美国的 BAC、FAFCO、CALMAC，法国的 CRISTOPIA-STL，加拿大

的SUNWELL 等，更加快了冰蓄冷技术应用的快速推广，于是实施的冰蓄冷项目

逐年增多。在 1990 年，日本冰蓄冷项目只有 200 多个，到 1999 年已经有 7000 多

[12,13]，发展到 2002 年，日本国内已有集中式冰蓄冷项目 2039 个，分散式冰蓄冷项

目14813 个；到 1994 年年底，美国有冰蓄冷空调系统 3000 多个；到上世纪末，

英国已有大型冰蓄冷项目 300 多个，总容量达到 4.2×106m3；韩国政府明令规定面

积大于 2000m2的建筑物必须配置成冰蓄冷空调系统或吸收式空调系统[14]。

世界上对蓄冷技术研究和应用最广泛的是日本，日本的蓄冷空调技术经历了

三个发展阶段：大型水蓄冷、大型冰蓄冷和小型冰蓄冷，小型化冰蓄冷空调器是

日本国内目前主要研究和发展的方向。日本政府为了加强对蓄冷蓄热工作的指导，

1997 年将日本热泵技术开发中心改名为日本热泵·蓄热技术发展中心，并将冰蓄

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摘要：

摘要近年来，由于城市用电与电网之间的供需矛盾日趋严重，传统空调模式受到了挑战，开发和应用新型环保、蓄能型空调成为制冷空调领域今后发展的重要方向。冰蓄冷空调由于其对电网有“移峰填谷”的特点，一直是新型空调系统研究的重点。冰蓄冷空调是制冷机利用电网低谷时段的电力制取冷量，在电网的高峰时段将冷量释放以满足生活和生产工艺的需求，达到电网“移峰填谷”的效果。二十世纪70年代以来，世界范围内由于受到能源危机的影响，冰蓄冷空调受到了极大的关注。我院自2006年以来，对冰蓄冷空调展开了大量研究，并在此基础上以实验室为研究对象搭建了一台小型冰球式蓄冷空调实验台。本论文分为四个部分，第一部分首先是对国内外冰蓄冷技...

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