第七章-载冷和蓄冷要点课件

第7章载冷与蓄冷概念概念载冷剂：载冷剂：在间接冷却在间接冷却系统中用以系统中用以蓄冷剂：蓄冷剂：第二制冷剂第二制冷剂Secondary Refrigerant冷量的中冷量的中间介质间介质传递传递贮存贮存间接冷却：间接冷却：以载冷剂或蓄冷剂为中间介质，利用制冷机将以载冷剂或蓄冷剂为中间介质，利用制冷机将载冷剂或蓄冷剂冷却，再以它们作为用冷场所的冷源，使载冷剂或蓄冷剂冷却，再以它们作为用冷场所的冷源，使被冷却对象冷却。被冷却对象冷却。直接蒸发冷却直接蒸发冷却：将制冷机的蒸发器直接安装在用冷将制冷机的蒸发器直接安装在用冷场所，使被冷却对象冷，用制冷剂为冷源直接与被场所，使被冷却对象冷，用制冷剂为冷源直接与被冷却对象热交换。冷却对象热交换。概念概念采用载冷剂的优点：采用载冷剂的优点：将制冷系统集中在机房安装，将制冷系统集中在机房安装，减小制冷剂的充灌量；载冷剂热容大，易于保持减小制冷剂的充灌量；载冷剂热容大，易于保持恒温；冷量容易分配和控制；恒温；冷量容易分配和控制；缺点：缺点：系统更加复杂；增大了被冷却对象与制冷系统更加复杂；增大了被冷却对象与制冷剂间的温差，需要较低的蒸发温度。剂间的温差，需要较低的蒸发温度。蓄冷剂的作用：蓄冷剂的作用：在无用冷需求或用冷需求量少时将制冷在无用冷需求或用冷需求量少时将制冷机产出的冷量贮存起来，而当需要用冷或冷量需求量大机产出的冷量贮存起来，而当需要用冷或冷量需求量大时再将贮存的冷量释放出来，以提供全部的冷量需求时再将贮存的冷量释放出来，以提供全部的冷量需求(制冷机不工作制冷机不工作)或补充制冷机产冷量的不足。或补充制冷机产冷量的不足。7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂7.1.1 对载冷剂性质的要求对载冷剂性质的要求 (1)无毒、不可燃、无刺激性气味、化学稳定性好，在大气压无毒、不可燃、无刺激性气味、化学稳定性好，在大气压力下不分解、不氧化、不改变其物理、化学性质。力下不分解、不氧化、不改变其物理、化学性质。(2)在使用温度范围内呈液态。它的凝固点应低于制冷机的蒸在使用温度范围内呈液态。它的凝固点应低于制冷机的蒸发温度，沸点应远高于使用温度。发温度，沸点应远高于使用温度。(3)密度小、粘度小、传热性好、比热容大。这样可以使载冷密度小、粘度小、传热性好、比热容大。这样可以使载冷系统的液体循环量少，流动阻力小，消耗的泵功少，并可减小系统的液体循环量少，流动阻力小，消耗的泵功少，并可减小热交换器的尺寸。热交换器的尺寸。(4)腐蚀性小。腐蚀性小。(5)价格便宜。价格便宜。保持液态，不挥发；对设备无腐蚀，对保持液态，不挥发；对设备无腐蚀，对人体无危害；载冷能力强；输送耗功小人体无危害；载冷能力强；输送耗功小7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂7.1.2 常用的传统载冷剂常用的传统载冷剂(1)水水集中式空气调节中，水是最适宜的载冷剂。机房的冷水机集中式空气调节中，水是最适宜的载冷剂。机房的冷水机组中产生出组中产生出7左右的冷水，送到建筑物房间的末端冷却左右的冷水，送到建筑物房间的末端冷却设备设备(风机盘管风机盘管)中，供房间空调降温使用。冷水还可以直中，供房间空调降温使用。冷水还可以直接喷入空气，实现温度和湿度调节。水的冰点为接喷入空气，实现温度和湿度调节。水的冰点为0，所，所以只适用于载冷温度在以只适用于载冷温度在0以上的使用场合。以上的使用场合。(2)无机盐水溶液（无机盐水溶液（Brine）无机盐水溶液有较低的凝固点温度，适合在中、低温制冷无机盐水溶液有较低的凝固点温度，适合在中、低温制冷装置中载冷。最广泛使用的是：装置中载冷。最广泛使用的是：氯化钙氯化钙(CaCl2)水溶液水溶液 氯化钠氯化钠(NaCI)水溶液：水溶液：可用于直接接触食品冷藏可用于直接接触食品冷藏 氯化镁氯化镁(MgCI2)水溶液水溶液无机盐水溶液对金属有较强腐蚀性无机盐水溶液对金属有较强腐蚀性水、无机盐水溶液、有机液或有机液的水溶液盐水溶液的相图盐水溶液的相图溶液区冰+溶液区晶体盐+饱和溶液区固体区(冰+晶体盐)7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂析冰线A-B-E析盐线E-F-G共晶浓度 wE共晶点 EAGEBTETEwwF共晶温度 TE7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂7.1.2 常用的传统载冷剂常用的传统载冷剂在配制盐水溶液载冷剂时，在配制盐水溶液载冷剂时，盐质量分数不宜超过其共晶质量盐质量分数不宜超过其共晶质量分数。分数。否则，不仅要否则，不仅要多消耗盐多消耗盐，而且溶液密度增大使输送过，而且溶液密度增大使输送过程的阻力和程的阻力和泵的功耗增大泵的功耗增大，凝固点温度还反而升高。配制溶，凝固点温度还反而升高。配制溶液的盐质量分数值只要满足使其对应的析冰温度液的盐质量分数值只要满足使其对应的析冰温度比制冷剂的比制冷剂的蒸发温度低蒸发温度低58即可即可。Cacl2、NaCl和和Mgcl2水溶液的共水溶液的共晶温度分别是晶温度分别是-55、-21和和-34。盐水溶液的密度和比热容都比较大，因此传递一定的冷量所盐水溶液的密度和比热容都比较大，因此传递一定的冷量所需盐水溶液的需盐水溶液的体积循环量较小体积循环量较小。盐水溶液。盐水溶液具有腐蚀性具有腐蚀性，尤其，尤其是略呈酸性的稀盐水溶液，在使用条件又是与空气相接触的是略呈酸性的稀盐水溶液，在使用条件又是与空气相接触的情况下，对金属的腐蚀性很强。为此，必须采取缓蚀措施：情况下，对金属的腐蚀性很强。为此，必须采取缓蚀措施：在盐水溶液中添加缓蚀剂。缓蚀剂通常采用二水铬酸钠在盐水溶液中添加缓蚀剂。缓蚀剂通常采用二水铬酸钠(Na2Cr2O7-2H2O)溶液，其添加比例为溶液，其添加比例为1.52.0 gL。(2)无机盐水溶液无机盐水溶液7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂7.1.2 常用的传统载冷剂常用的传统载冷剂1)甲醇、乙醇和它们的水溶液甲醇、乙醇和它们的水溶液 甲醇的冰点为甲醇的冰点为-97，乙醇的冰点为，乙醇的冰点为-117，可以用在，可以用在低温载冷中低温载冷中。它们的。它们的纯液体密度和比热容都比盐水小纯液体密度和比热容都比盐水小。甲醇比乙醇的水溶液粘性稍大一些，它。甲醇比乙醇的水溶液粘性稍大一些，它们的流动性都比较好。甲醇和乙醇都具有挥发性和可燃性，所以使用中要们的流动性都比较好。甲醇和乙醇都具有挥发性和可燃性，所以使用中要注意防火。特别是当机器停止运行、系统处于室温条件下时，更要格外小注意防火。特别是当机器停止运行、系统处于室温条件下时，更要格外小心。心。2)乙二醇、丙二醇和丙三醇水溶液乙二醇、丙二醇和丙三醇水溶液丙三醇丙三醇(甘油甘油)是极稳定的化合物，无毒，其水溶液对金属无腐蚀，可以与是极稳定的化合物，无毒，其水溶液对金属无腐蚀，可以与食品直接接触，是很好的载冷剂。乙二醇和丙二醇水溶液的特性相似，它食品直接接触，是很好的载冷剂。乙二醇和丙二醇水溶液的特性相似，它们的共晶温度可达们的共晶温度可达-60左右左右(对应的共晶质量分数为对应的共晶质量分数为0.6左右左右)。它们的。它们的比比重和比热容较大重和比热容较大，溶液粘性较大，略有毒性，但无危害。，溶液粘性较大，略有毒性，但无危害。3)纯有机液体纯有机液体纯有机液体如二氯甲烷、三氯乙烯和其他氟利昂液体。它们的凝固点很低，纯有机液体如二氯甲烷、三氯乙烯和其他氟利昂液体。它们的凝固点很低，可低达可低达-100左右甚至更低，可以用做低温载冷剂。这类载冷剂的特点是左右甚至更低，可以用做低温载冷剂。这类载冷剂的特点是密度大、粘度小、传热性好、比热容大。密度大、粘度小、传热性好、比热容大。(3)有机载冷剂有机载冷剂7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂7.1.3 传统的蓄冷剂（共晶冰）传统的蓄冷剂（共晶冰）7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂7.1.3 传统的蓄冷剂（共晶冰）传统的蓄冷剂（共晶冰）对相变蓄冷材料性能的要求对相变蓄冷材料性能的要求：具有较高的相变潜热。具有较高的相变潜热。相变潜热大，只需较少的相变潜热大，只需较少的蓄冷材料和较小的蓄冰槽容积就能储存相同的冷量。蓄冷材料和较小的蓄冰槽容积就能储存相同的冷量。具有合适的相变温度。具有合适的相变温度。对空调蓄冷系统而言，要对空调蓄冷系统而言，要求相变温度在求相变温度在58，以便制冷主机在空调工况下，以便制冷主机在空调工况下高效运行。对于低温工业蓄冷而言，需要根据生产工高效运行。对于低温工业蓄冷而言，需要根据生产工艺对冷源温度的要求，在保证运行效率的前提下，选艺对冷源温度的要求，在保证运行效率的前提下，选择具有相应相变温度的蓄冷材料。择具有相应相变温度的蓄冷材料。相变温度保持恒定。相变温度保持恒定。相变蓄冷材料在结冰的过程相变蓄冷材料在结冰的过程中，应始终保持一定的凝固温度，以使制冷机组的运中，应始终保持一定的凝固温度，以使制冷机组的运行工况稳定和提高结冰率。同样，在融冰的过程中，行工况稳定和提高结冰率。同样，在融冰的过程中，也需要稳定的熔解温度，这样有利于控制输出冷量的也需要稳定的熔解温度，这样有利于控制输出冷量的大小。大小。7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂7.1.3 传统的蓄冷剂（共晶冰）传统的蓄冷剂（共晶冰）对相变蓄冷材料性能的要求对相变蓄冷材料性能的要求：过冷度小。过冷度小。有些蓄冷材料在冷却的过程中有些蓄冷材料在冷却的过程中,当温度下当温度下降到其冰点时，并不会立即发生相变结冰，而是继续保持降到其冰点时，并不会立即发生相变结冰，而是继续保持液相状态，直到温度降至冰点以下某一温度（即过冷温液相状态，直到温度降至冰点以下某一温度（即过冷温度），才开始出现结晶，这种现象称为度），才开始出现结晶，这种现象称为过冷现象过冷现象。过冷度。过冷度越大，需要越低的蒸发温度，导致制冷机组的效率降低。越大，需要越低的蒸发温度，导致制冷机组的效率降低。具有较大的导热系数和密度。具有较大的导热系数和密度。导热系数大，有利于减导热系数大，有利于减小蓄冷释冷时的温度梯度和传热温差；密度大，有利于小蓄冷释冷时的温度梯度和传热温差；密度大，有利于减小蓄冷槽容积。减小蓄冷槽容积。无相分离现象。无相分离现象。相分离是指共晶冰在加热熔化时，相分离是指共晶冰在加热熔化时，一部分盐从溶液中析出而不再溶于水，在溶液中形成浓度一部分盐从溶液中析出而不再溶于水，在溶液中形成浓度梯度甚至沉淀下来，使蓄冷材料液相和固相的化学组成发梯度甚至沉淀下来，使蓄冷材料液相和固相的化学组成发生改变的现象。出现相分离的蓄冷材料，经过反复多次凝生改变的现象。出现相分离的蓄冷材料，经过反复多次凝固熔解循环过程后就会老化变质而失效。固熔解循环过程后就会老化变质而失效。7.1 7.1 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂7.1.3 传统的蓄冷剂（共晶冰）传统的蓄冷剂（共晶冰）对相变蓄冷材料性能的要求对相变蓄冷材料性能的要求：具有较大的比热具有较大的比热，以提供额外的显热效果。，以提供额外的显热效果。相变过程体积变化小相变过程体积变化小，以使盛装容器结构简，以使盛装容器结构简化。化。满足一定的化学标准满足一定的化学标准：相变蓄冷材料应该具：相变蓄冷材料应该具有高稳定性，不发生分解，对构件材料无腐蚀作有高稳定性，不发生分解，对构件材料无腐蚀作用，无毒性、不燃、无爆炸性。用，无毒性、不燃、无爆炸性。成本低廉，量大易得成本低廉，量大易得。实际上，获取满足全部要求的相变蓄冷材料是非实际上，获取满足全部要求的相变蓄冷材料是非常困难的。因此，工程领域中应首先考虑具有合常困难的。因此，工程领域中应首先考虑具有合适的相变温度和较大的相变潜热的蓄冷材料，然适的相变温度和较大的相变潜热的蓄冷材料，然后再采取一定措施改善其他热物理性能。后再采取一定措施改善其他热物理性能。7.2 7.2 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展7.2.1 流态冰流态冰流态冰流态冰(Flo-Ice)是具有流动性的冰。它由微小的冰晶组成，每粒冰晶的尺是具有流动性的冰。它由微小的冰晶组成，每粒冰晶的尺寸很小。流态冰用专门设备寸很小。流态冰用专门设备流态冰生成器流态冰生成器制取。冰晶在流态冰生成器制取。冰晶在流态冰生成器的冷却表面形成，并且可以脱落。脱落的冰晶再与一定量的水及不冻液混的冷却表面形成，并且可以脱落。脱落的冰晶再与一定量的水及不冻液混合，用该混合物作为载冷流体。它可以用泵输送。流态冰看上去有如浆状，合，用该混合物作为载冷流体。它可以用泵输送。流态冰看上去有如浆状，因而也称为浆状冰（因而也称为浆状冰（ice-slurry）。）。现在，用流态冰载冷的间接冷却现在，用流态冰载冷的间接冷却产品正在获得推广。国外的这类产品正在获得推广。国外的这类产品，载冷温度从产品，载冷温度从-4至至-40，容量从容量从3 kw到到MW级范围，已成级范围，已成功地应用于空气调节、冷冻冷藏功地应用于空气调节、冷冻冷藏柜、食品加工、工业、渔业等领柜、食品加工、工业、渔业等领域。鱼类、蔬菜、水果等可以通域。鱼类、蔬菜、水果等可以通过在流态冰中浸冷实现快速保质过在流态冰中浸冷实现快速保质处理。此外，流态冰载冷在医学、处理。此外，流态冰载冷在医学、化工、科研等领域也有专门的应化工、科研等领域也有专门的应用。用。7.2.1 流态冰流态冰载冷剂水或盐水利用液体的显热载冷，而流态冰载冷还可以利载冷剂水或盐水利用液体的显热载冷，而流态冰载冷还可以利用冰的潜能载冷。因而，与水或盐水相比，流态冰载冷有以下用冰的潜能载冷。因而，与水或盐水相比，流态冰载冷有以下优点：优点：(1)单位载冷能力大单位载冷能力大，故可以减少载冷剂的循环量，使载冷，故可以减少载冷剂的循环量，使载冷剂循环泵的容量和耗功明显减小。流态冰既可载冷又可蓄冷。剂循环泵的容量和耗功明显减小。流态冰既可载冷又可蓄冷。蓄冷时，同样蓄冷能力所需的蓄冷器尺寸小。蓄冷时，同样蓄冷能力所需的蓄冷器尺寸小。(2)流态冰载冷剂的流态冰载冷剂的输送管道尺寸明显减小输送管道尺寸明显减小，所以管道和隔，所以管道和隔热设施费用少。热设施费用少。(3)用冷场所的冷却器用流态冰循环，其用冷场所的冷却器用流态冰循环，其进出口温差小，冷进出口温差小，冷却温度分布均匀却温度分布均匀。(4)冷却器内流态冰相变冷却器内流态冰相变(融化融化)换热，换热，表面传热系数大表面传热系数大，可以，可以减小冷却器的尺寸。实用情况表明：它与制冷剂直接蒸发的热减小冷却器的尺寸。实用情况表明：它与制冷剂直接蒸发的热交换器尺寸相近。交换器尺寸相近。7.2 7.2 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展7.2.2 环保型制冷与载冷系统环保型制冷与载冷系统7.2 7.2 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展图图7-4是丹麦技术研究所（是丹麦技术研究所（DTI）研究的商业制冷系统，装备在研究的商业制冷系统，装备在超市的制冷装置上。它的制冷超市的制冷装置上。它的制冷系统采用系统采用NH3CO2复叠式制冷复叠式制冷循环。氨单级压缩制冷为高温循环。氨单级压缩制冷为高温子系统，二氧化碳单级压缩制子系统，二氧化碳单级压缩制冷为低温子系统。氨制冷机产冷为低温子系统。氨制冷机产生冰晶，用流态冰做载冷剂，生冰晶，用流态冰做载冷剂，它是冰、水、乙醇的混合物。它是冰、水、乙醇的混合物。商场普通制冷温度要求的冷却商场普通制冷温度要求的冷却设备，用设备，用-10流态冰间接冷却；流态冰间接冷却；低温低温-30的冷却设备用二氧化的冷却设备用二氧化碳直接蒸发冷却。流态冰还用碳直接蒸发冷却。流态冰还用于冷却二氧化碳子系统的冷凝于冷却二氧化碳子系统的冷凝器。器。实例实例1 DTI研究的商业制冷装置研究的商业制冷装置图图7-4 DTI研究的商业制冷装置研究的商业制冷装置载冷系统载冷系统7.2 7.2 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展7.3 7.3 蓄冷蓄冷蓄冷目的：蓄冷目的：(1)解决供求双方在时间、强度和地点上不同步的矛盾解决供求双方在时间、强度和地点上不同步的矛盾例如铁路冷藏车上：用盐水冰蓄冷，公路冷藏车：用共晶冰冷板蓄冷，例如铁路冷藏车上：用盐水冰蓄冷，公路冷藏车：用共晶冰冷板蓄冷，缺点是：增加车的自重；温度控制精度难以保证；蓄冷使用时间受到限缺点是：增加车的自重；温度控制精度难以保证；蓄冷使用时间受到限制，或冷量不足或冷量浪费，使用有诸多不便。制，或冷量不足或冷量浪费，使用有诸多不便。(2)移峰填谷移峰填谷建筑空调是最大的用电设备之一。高峰季节建筑空调是最大的用电设备之一。高峰季节(夏季夏季)其用电量占到建筑物总其用电量占到建筑物总用电量的一半以上。空调蓄冷是实现用电移峰填谷、平衡城市供电、减用电量的一半以上。空调蓄冷是实现用电移峰填谷、平衡城市供电、减小制冷机的装机容量和节省运行费用的重要手段。小制冷机的装机容量和节省运行费用的重要手段。(3)享受分时电价政策，节省运行费用享受分时电价政策，节省运行费用随着现代化高层建筑的发展和空调应用的普及，空调制冷用电急剧增加，随着现代化高层建筑的发展和空调应用的普及，空调制冷用电急剧增加，同时不同季节之间、昼夜之间的用电量差异越来越大，使得电业部门承同时不同季节之间、昼夜之间的用电量差异越来越大，使得电业部门承受的供电压力日益繁重。为了削减昼夜之间电网供电的峰谷差，改善供受的供电压力日益繁重。为了削减昼夜之间电网供电的峰谷差，改善供电状况，很多国家和地区都实行了分时电价政策，以鼓励多使用夜间电状况，很多国家和地区都实行了分时电价政策，以鼓励多使用夜间(用用电低谷期电低谷期)的电力，为业主降低运行费用。峰谷电价比可以达到的电力，为业主降低运行费用。峰谷电价比可以达到6：1，美，美国有的地区甚至国有的地区甚至20：1，重庆为，重庆为4.5：1。7.3 7.3 蓄冷蓄冷蓄冷目的：蓄冷目的：目前，国内多数地区实施的分时电价方案时间段的化分是：目前，国内多数地区实施的分时电价方案时间段的化分是：高峰段高峰段 10：0012：00、18：0022：00，共，共6 h；平段平段 8：0010：00、12：0018：00、22：0024：00，共，共10 h；低谷段低谷段 0：008：00，共，共8 h。（峰（峰6平平10谷谷8）重庆实施的分时电价方案时间段的划分是：重庆实施的分时电价方案时间段的划分是：尖峰段：尖峰段：19：00-21：00（1.5元、元、1.08元）元）7、8、12、1月份尖峰电价在平段电价基础上上浮80%，其他月份上浮60%；高峰段高峰段 8：00-12：00，21：00-23：00，共，共6 h；高峰电价在平段电价基础上上浮高峰电价在平段电价基础上上浮60%；（；（1.35元、元、0.96）平段平段 7：00-8：00，12：00-19：00，共共8 h；低谷段低谷段 23：00-次日次日7：00，共，共8 h。（。（0.34，0.24）低谷时段电价在平段电价基础上下浮低谷时段电价在平段电价基础上下浮60%（尖（尖2峰峰6平平8谷谷8）重庆商业电价重庆商业电价0.843元元，工业电价，工业电价0.6017.3 7.3 蓄冷蓄冷蓄冷类型：蓄冷类型：按蓄冷温度分按蓄冷温度分高温空调蓄冷：高温空调蓄冷：蓄冷温度蓄冷温度015低温工业蓄冷：低温工业蓄冷：0以下以下按蓄冷载体分按蓄冷载体分显热蓄冷：显热蓄冷：如水蓄冷，贮能密度低，蓄冷器占据空间大；如水蓄冷，贮能密度低，蓄冷器占据空间大；但是制冷系统的蒸发温度高，能效比冰蓄冷高，初投资小。但是制冷系统的蒸发温度高，能效比冰蓄冷高，初投资小。相变潜热蓄冷：相变潜热蓄冷：冰蓄冷、共晶盐蓄冷、气体水合物蓄冷冰蓄冷、共晶盐蓄冷、气体水合物蓄冷由于相变过程是一近似等温过程由于相变过程是一近似等温过程,相变潜热比显热大得相变潜热比显热大得多多,使相变蓄冷具有蓄冷密度高、易与运行系统匹配、使相变蓄冷具有蓄冷密度高、易与运行系统匹配、易控制等优点易控制等优点,因此往往成为蓄冷系统的首选形式。但因此往往成为蓄冷系统的首选形式。但制冷系统要在蓄冰工况运行，蒸发温度低，能效低，初制冷系统要在蓄冰工况运行，蒸发温度低，能效低，初投资大。投资大。PCM：phase change materials 相变材料相变材料7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.1 空调蓄冷空调蓄冷空调蓄冷方式空调蓄冷方式水蓄冷水蓄冷冰蓄冷：冰蓄冷：冰、冰冰、冰+水、水、蓄冰球、共晶盐、气体蓄冰球、共晶盐、气体水合物、相变微胶囊等水合物、相变微胶囊等空调蓄冷系统的节能：空调蓄冷系统的节能：1.从空调系统入手，针对冰蓄冷的高品从空调系统入手，针对冰蓄冷的高品位冷能利用，从空调系统整体考虑提高位冷能利用，从空调系统整体考虑提高能效和降低投资及建筑造价，并改善室能效和降低投资及建筑造价，并改善室内空气品质和舒适度。内空气品质和舒适度。2.从蓄冷本身考虑，开发相变温度较高从蓄冷本身考虑，开发相变温度较高的蓄冷介质，使制冷机蓄冷工况与空调的蓄冷介质，使制冷机蓄冷工况与空调工况相适应。新的冷蓄介质有气体水合工况相适应。新的冷蓄介质有气体水合物、相变微胶囊、潜热微乳液（物、相变微胶囊、潜热微乳液（Latent heat microemulsion），以及采用潜热），以及采用潜热与显热混合蓄冷方式。与显热混合蓄冷方式。蓄冰球（直径蓄冰球（直径75mm）在日本在日本,75%的空调系统采用水蓄的空调系统采用水蓄冷冷,25%的空调系统采用了冰蓄冷。的空调系统采用了冰蓄冷。两者各有特点。前者的缺点是蓄冷两者各有特点。前者的缺点是蓄冷密度较小密度较小;后者的缺点是制冷机的后者的缺点是制冷机的COP较低。较低。7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.1 空调蓄冷空调蓄冷7.3 7.3 蓄冷蓄冷空调蓄冷原理空调蓄冷原理冰蓄冷系统冰蓄冷系统7.2 7.2 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展冰蓄冷系统冰蓄冷系统7.2 7.2 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展点击演示点击演示冰蓄冷实例冰蓄冷实例7.2 7.2 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展美国加州公共设施中心冰蓄冷节能示范工程：美国加州公共设施中心冰蓄冷节能示范工程：2层层2656平方米建平方米建筑面积，筑面积，VAV+冰蓄冷冰蓄冷+变频水泵变频水泵+变频风机变频风机+低温送风低温送风+蒸发冷凝蒸发冷凝器代替冷却塔器代替冷却塔+热泵，热泵，30%节能效果节能效果冰蓄冷实例冰蓄冷实例7.2 7.2 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展浙江大学紫金港校区冰蓄冷空调系统浙江大学紫金港校区冰蓄冷空调系统 中央空调采用区域供冷冰蓄冷系统，空调面积总计约中央空调采用区域供冷冰蓄冷系统，空调面积总计约16万平方米。目前投入运行万平方米。目前投入运行3台台550RT、2台台320RT双工况冷水机组，设计蓄冰装置超过双工况冷水机组，设计蓄冰装置超过12000RTH。7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.2 水蓄冷水蓄冷水蓄冷是利用水蓄冷是利用37的低温水蓄冷，属显热蓄冷。这种方式的低温水蓄冷，属显热蓄冷。这种方式不需要特殊的机器设备，只是在建筑物的地下室建造一个防不需要特殊的机器设备，只是在建筑物的地下室建造一个防渗水、保温的蓄冷水池，故投资费用省，维修量少。其主要渗水、保温的蓄冷水池，故投资费用省，维修量少。其主要缺点是：蓄冷密度低，需要庞大的蓄冷水池，占用建筑空间缺点是：蓄冷密度低，需要庞大的蓄冷水池，占用建筑空间大；水池必须在使用现场制作，水池的防渗水与保温处理麻大；水池必须在使用现场制作，水池的防渗水与保温处理麻烦；使用中冷量损失大，泵功耗大。烦；使用中冷量损失大，泵功耗大。可以利用高层建筑内的可以利用高层建筑内的消防水池作为蓄冷水槽。消防水池作为蓄冷水槽。一个设计合理的水蓄冷系统应通过维持尽可能大的蓄水温差一个设计合理的水蓄冷系统应通过维持尽可能大的蓄水温差并防止冷水与热水的混合来获得最大的蓄冷效率。因此水蓄并防止冷水与热水的混合来获得最大的蓄冷效率。因此水蓄冷的主要理论与设计问题是蓄冷水池中冷的主要理论与设计问题是蓄冷水池中冷水与回流热水之间冷水与回流热水之间的分隔设计的分隔设计。在水蓄冷技术中，关键问题是蓄冷罐的结构形。在水蓄冷技术中，关键问题是蓄冷罐的结构形式应能式应能防止所蓄冷水与回流热水的混合防止所蓄冷水与回流热水的混合。目前常用的有以下。目前常用的有以下几种方法：几种方法：7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.2 水蓄冷水蓄冷目前常用的有以下几种方法：目前常用的有以下几种方法：1.多蓄水罐法：多蓄水罐法：将冷水的热水分别储存在不同的罐将冷水的热水分别储存在不同的罐中，以保证送至负荷侧的冷水温度维持不变。中，以保证送至负荷侧的冷水温度维持不变。2.迷宫法：迷宫法：采用隔板把水蓄水槽分成很多个单元格，采用隔板把水蓄水槽分成很多个单元格，水流按照设计的路线依次流过每个单元格。水流按照设计的路线依次流过每个单元格。3.自然分层法：自然分层法：利用水在不同温度下密度不同而实利用水在不同温度下密度不同而实现自然分层。现自然分层。4.隔板法：隔板法：在蓄水罐内部安装一个活动的柔性膈膜在蓄水罐内部安装一个活动的柔性膈膜或一个可移动的刚性隔板，来实现冷热水的分离。或一个可移动的刚性隔板，来实现冷热水的分离。7.3 7.3 蓄冷蓄冷长沙长沙LG公司公司基本情况：基本情况：空调面积空调面积4 4万万m m2 2，机房设备配置：，机房设备配置：1000RT1000RT离心水冷机组离心水冷机组1010台。台。水蓄冷方案：水蓄冷方案：新建新建12000 m12000 m3 3蓄冷水槽。全地上景蓄冷水槽。全地上景观建筑，蓄冷量观建筑，蓄冷量1080010800万万KcalKcal。水蓄冷效果：水蓄冷效果：蓄冷量蓄冷量1080010800万万KcalKcal，全年节约电费，全年节约电费460460万元。万元。水蓄冷空调实例水蓄冷空调实例蓄冷水槽蓄冷水槽浦东国际机场二期扩建工程：浦东国际机场二期扩建工程：基本情况：基本情况：空调面积空调面积43.5万平方米。万平方米。水蓄冷方案：水蓄冷方案：蓄冷水槽总体积蓄冷水槽总体积412000立方米，总蓄冷量立方米，总蓄冷量58560RTH，投资额较，投资额较常规空调系统节约近常规空调系统节约近2000万元，在相同万元，在相同蓄冷量的基础上，比冰蓄冷空调系统少近蓄冷量的基础上，比冰蓄冷空调系统少近6000万元。万元。水蓄冷效果：水蓄冷效果：每年节约近每年节约近1000万元的电万元的电费。费。7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.3 冰蓄冷冰蓄冷常规冰即水冰。以冰的融化潜热与水温升常规冰即水冰。以冰的融化潜热与水温升5的的显热相比，冰蓄冷与水蓄冷的贮能密度之比为显热相比，冰蓄冷与水蓄冷的贮能密度之比为80：5(16：1)。这样，同样蓄冷量所需冰蓄冷。这样，同样蓄冷量所需冰蓄冷器的尺寸大大减小，不必在现场制造蓄冷水池，器的尺寸大大减小，不必在现场制造蓄冷水池，可以由生产厂提供将制冷机系统与冰蓄冷器做可以由生产厂提供将制冷机系统与冰蓄冷器做成一体的整套机组，便于空调设计与安装。成一体的整套机组，便于空调设计与安装。冰蓄冷是当前较为成熟的空调蓄冷方式，冰蓄冷是当前较为成熟的空调蓄冷方式，20世纪世纪80年代后得到较快的推广和应用。年代后得到较快的推广和应用。1kg冰的融化潜热冰的融化潜热Qice=1335=335 kJ/kg1kg水温升水温升5的显热的显热Qwater=4.1915 kJ/kgQice/Qwater=80:5=16:17.3 7.3 蓄冷蓄冷1 制冰方式制冰方式7.3.3 冰蓄冷冰蓄冷制冰方式制冰方式静态制冰静态制冰外融冰外融冰内融冰内融冰动态制冰动态制冰收获型制冰收获型制冰流态冰流态冰过冷冰过冷冰直接膨胀制冰直接膨胀制冰用非水溶性流体直接换热制冰用非水溶性流体直接换热制冰7.3 7.3 蓄冷蓄冷（1）静态制冰）静态制冰7.3.3 冰蓄冷冰蓄冷在热交换器表面形成冰，在热交换器表面形成冰，冰不流动。冰不流动。蓄冷与释冷蓄冷与释冷过程中在同一地点反复过程中在同一地点反复发生发生结冰结冰-融冰融冰过程。融过程。融冰过程中冰层变薄，融冰过程中冰层变薄，融冰方向与冰层生成方向冰方向与冰层生成方向相反时为相反时为外融型外融型；融冰；融冰方向与冰层生成方向相方向与冰层生成方向相同时为同时为内融型内融型。结冰过。结冰过程随着冰层厚度的增加程随着冰层厚度的增加制冰换热器的传热性能制冰换热器的传热性能下降。要继续蓄冰，必下降。要继续蓄冰，必须降低制冷机的蒸发温须降低制冷机的蒸发温度降低，导致度降低，导致COP下降。下降。图图7-7 静态冰的生成与融化过程静态冰的生成与融化过程7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.3 冰蓄冷冰蓄冷（2）动态制冰）动态制冰通过间歇地或连续地剥离热交换器表通过间歇地或连续地剥离热交换器表面的冰，消除制冰过程中的冰层热阻，面的冰，消除制冰过程中的冰层热阻，提高制冰热交换器的效率。所产生的提高制冰热交换器的效率。所产生的冰是细冰片或者小冰粒与液体的混合冰是细冰片或者小冰粒与液体的混合物，具有流动性。物，具有流动性。（a）收获型）收获型(hanrest)动态制冰动态制冰制冰时，热交换器先作为蒸发器用，向热制冰时，热交换器先作为蒸发器用，向热交换器的外表面喷水，制冷剂在内部蒸发，交换器的外表面喷水，制冷剂在内部蒸发，使热交换器表面上生成冰。脱冰时，用电使热交换器表面上生成冰。脱冰时，用电磁阀改变制冷剂的流动方向，使热交换器磁阀改变制冷剂的流动方向，使热交换器暂时作为冷凝器用，热交换器壁面被加热，暂时作为冷凝器用，热交换器壁面被加热，冰便从壁面上脱落下来。之后，再重新切冰便从壁面上脱落下来。之后，再重新切换回制冷循环。如此周而复始，实现制冰换回制冷循环。如此周而复始，实现制冰和间歇脱冰。和间歇脱冰。也称为制冰滑落式。也称为制冰滑落式。7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.3 冰蓄冷冰蓄冷（b）流态冰）流态冰流态冰是一种连续的动态制冰方式。被冷却介质是某种不冻液与水的混合溶液。流态冰是一种连续的动态制冰方式。被冷却介质是某种不冻液与水的混合溶液。溶液被冷却时，其中的水发生相变，形成细微的冰。溶液被冷却时，其中的水发生相变，形成细微的冰。（2）动态制冰）动态制冰7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.3 冰蓄冷冰蓄冷（2）动态制冰）动态制冰（c）过冷冰）过冷冰也属于连续的动态制冰方式。获得过冷冰的原理是利用由液体相变成为固体时也属于连续的动态制冰方式。获得过冷冰的原理是利用由液体相变成为固体时常见的过冷现象：水在温度下降到常见的过冷现象：水在温度下降到0时并不一定结冰。温度低于时并不一定结冰。温度低于0的水称的水称为过冷水。用制冷机先制造出过冷水，将过冷水输送到欲制冰的蓄冷器，在蓄为过冷水。用制冷机先制造出过冷水，将过冷水输送到欲制冰的蓄冷器，在蓄冷器中创造解除过冷状态的条件冷器中创造解除过冷状态的条件(如振动、冲击等如振动、冲击等)，于是形成冰。，于是形成冰。7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.3 冰蓄冷冰蓄冷（2）动态制冰）动态制冰（d）直接膨胀、直接换热制冰）直接膨胀、直接换热制冰这种方式不使用制冰热交换器，而这种方式不使用制冰热交换器，而是向装有不冻溶液的蓄冷器中直接是向装有不冻溶液的蓄冷器中直接吹入氟利昂等制冷剂液体，令其直吹入氟利昂等制冷剂液体，令其直接膨胀蒸发吸热，使溶液中的水发接膨胀蒸发吸热，使溶液中的水发生相变，形成细微的冰粒。生相变，形成细微的冰粒。该制冰方式的技术要点是：选择性该制冰方式的技术要点是：选择性质相适应的制冷剂与不冻液物质；质相适应的制冷剂与不冻液物质；正确地确定吹入制冷剂的压力、流正确地确定吹入制冷剂的压力、流量及喷嘴形状；制冷剂气体返回压量及喷嘴形状；制冷剂气体返回压缩机前的雾滴分离方法。缩机前的雾滴分离方法。7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.3 冰蓄冷冰蓄冷（2）动态制冰）动态制冰（e）用非水溶性流体直接换热制冰）用非水溶性流体直接换热制冰用一种非水溶性的油作为载冷剂，用一种非水溶性的油作为载冷剂，在制冷机的蒸发器与蓄冷器之间循在制冷机的蒸发器与蓄冷器之间循环。将油从蓄冷器底部送入，逐渐环。将油从蓄冷器底部送入，逐渐从下部浮升到上部。在该过程中，从下部浮升到上部。在该过程中，与蓄冷剂直接换热，使其中的水变与蓄冷剂直接换热，使其中的水变成细小的冰。成细小的冰。7.3 7.3 蓄冷蓄冷2 制冰换热器制冰换热器静态制冰的换热器主要为静态制冰的换热器主要为冰盘管冰盘管和和冰球式冰球式。(1)冰盘管制冰换热器冰盘管制冰换热器管状制冰热交换器通过传热管换热。传热管大多数采用铜管、聚乙烯管、树脂管状制冰热交换器通过传热管换热。传热管大多数采用铜管、聚乙烯管、树脂管或表面经过处理的钢管。热交换器的管形有管或表面经过处理的钢管。热交换器的管形有U形、螺旋盘管形、蚊香形、梯形、螺旋盘管形、蚊香形、梯子形、平行管簇形等。这种热交换器结构简单，但形成大块结冰，成冰过程中子形、平行管簇形等。这种热交换器结构简单，但形成大块结冰，成冰过程中热阻逐渐增大。热阻逐渐增大。7.3 7.3 蓄冷蓄冷导热塑料盘管蓄冰装置导热塑料盘管蓄冰装置 (1)冰盘管制冰换热器冰盘管制冰换热器2 制冰换热器制冰换热器7.3 7.3 蓄冷蓄冷(2)冰球式制冰换热器冰球式制冰换热器2 制冰换热器制冰换热器冰球是一个蓄冷单元，用高密度聚乙烯材料做成。冰球的直径不到冰球是一个蓄冷单元，用高密度聚乙烯材料做成。冰球的直径不到100 mm。从冰球的开口处灌入水，水的体积约为冰球内容积的从冰球的开口处灌入水，水的体积约为冰球内容积的90左右。留出左右。留出10左右左右的空间，作为结冰时水膨胀的缓冲容积。水灌入后，将冰球口封死。将许多这的空间，作为结冰时水膨胀的缓冲容积。水灌入后，将冰球口封死。将许多这样的冰球装入冰蓄冷器中，冰球要把冰蓄冷器装满。蓄冷器即可卧式布置，也样的冰球装入冰蓄冷器中，冰球要把冰蓄冷器装满。蓄冷器即可卧式布置，也可立式布置。蓄冷器的容器用钢板制作。可立式布置。蓄冷器的容器用钢板制作。蓄冷时，制冷机工作，不冻液在蒸发器和蓄冷器内冰球外部空间循环，不冻液蓄冷时，制冷机工作，不冻液在蒸发器和蓄冷器内冰球外部空间循环，不冻液的温度为的温度为-5-2。不冻液使冰球内的水结冰，实现蓄冷。释冷时，不冻液在蓄。不冻液使冰球内的水结冰，实现蓄冷。释冷时，不冻液在蓄冷器和空调系统的热交换器之间循环，不冻液通过热交换器将空调系统的水冷冷器和空调系统的热交换器之间循环，不冻液通过热交换器将空调系统的水冷却，不冻液的温度升到却，不冻液的温度升到410。图图7-9 冰球式制冰球式制冰换热器冰换热器7.3 7.3 蓄冷蓄冷(2)冰球式制冰换热器冰球式制冰换热器2 制冰换热器制冰换热器双金属蕊心冰球双金属蕊心冰球 球形冰球球形冰球7.3 7.3 蓄冷蓄冷2 制冰换热器制冰换热器(3)流态冰生成器与蓄冷系统流态冰生成器与蓄冷系统蒸发器为特殊的螺旋板结构，并在其中装有旋转的叶轮，盐水溶液进入蒸发器换热后蒸发器为特殊的螺旋板结构，并在其中装有旋转的叶轮，盐水溶液进入蒸发器换热后被过冷，但仅温度降低到水的冰点以下尚不足以产生结晶冰。靠叶轮推动的搅拌作用，被过冷，但仅温度降低到水的冰点以下尚不足以产生结晶冰。靠叶轮推动的搅拌作用，在过冷溶液中产生大量的微细冰粒。叶轮旋转不仅创造了冰晶的生成条件，还起到泵在过冷溶液中产生大量的微细冰粒。叶轮旋转不仅创造了冰晶的生成条件，还起到泵的作用，将的作用，将乳状冰乳状冰输送到蓄冷器中。蓄冷器与蒸发器构成一个循环回路。蓄冷器与二输送到蓄冷器中。蓄冷器与蒸发器构成一个循环回路。蓄冷器与二次侧水换热器构成另一个循环回路，与空调冷水进行热交换。次侧水换热器构成另一个循环回路，与空调冷水进行热交换。蒸发器蒸发器蓄冷器蓄冷器7.3 7.3 蓄冷蓄冷2 制冰换热器制冰换热器制冰率制冰率制冰率制冰率 IPF（Ice Packing Factor）有两种定义：）有两种定义：一是指冰蓄冷式系统中，当完成一个蓄冷循环时，一是指冰蓄冷式系统中，当完成一个蓄冷循环时，蓄冰容器内水量中冰所占的比例蓄冰容器内水量中冰所占的比例另一种是指蓄冰槽内制冰容积与蓄冰槽容积之比。另一种是指蓄冰槽内制冰容积与蓄冰槽容积之比。融冰率融冰率融冰率是指在完成一个融冰释冷循环后，蓄冰容器融冰率是指在完成一个融冰释冷循环后，蓄冰容器内融化的冰占总结冰量的百分比。内融化的冰占总结冰量的百分比。制冰率与融冰率这两个概念是冰蓄冷系统中评价蓄制冰率与融冰率这两个概念是冰蓄冷系统中评价蓄冰设备的两个非常重要的参数。冰设备的两个非常重要的参数。7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.4 气体水合物蓄冷气体水合物蓄冷在冰蓄冷的基础上，进一步提高空调蓄冷系统效率的主要途在冰蓄冷的基础上，进一步提高空调蓄冷系统效率的主要途径是：径是：(1)用冰点温度较高的物质作蓄冷介质；用冰点温度较高的物质作蓄冷介质；(2)提高冰蓄冷热交换器的热交换效率。提高冰蓄冷热交换器的热交换效率。气体水合物就是针对这方面提出的新技术。早在气体水合物就是针对这方面提出的新技术。早在20世纪世纪80年年代初，美国橡树岭国家实验室就开始了以代初，美国橡树岭国家实验室就开始了以HCFC11、HCFC12等为工质研究制冷剂气体水合物蓄冷。其等为工质研究制冷剂气体水合物蓄冷。其蓄冷机理蓄冷机理是：在一定的温度和压力下，当气体或挥发性液体与水作用是：在一定的温度和压力下，当气体或挥发性液体与水作用时，气体分子被水分子包围，在高于水冰点的温度下，气体时，气体分子被水分子包围，在高于水冰点的温度下，气体分子与水分子结合成分子与水分子结合成包络状晶体包络状晶体，在形成晶体的同时释放出，在形成晶体的同时释放出相变潜热。相变潜热。1.气体水合物气体水合物7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.4 气体水合物蓄冷气体水合物蓄冷气体水合物通用的反应方程为：气体水合物通用的反应方程为：1.气体水合物气体水合物R（气体或液体）（气体或液体）nH2ORnH2O(固体固体)H(反应热，即相变潜热反应热，即相变潜热)合成合成分解分解气体水合物分类：气体水合物分类：制冷剂气体水合物（制冷剂气体水合物（暖冰暖冰）：）：理想的空调蓄冷介质理想的空调蓄冷介质天然气气体水合物（可燃冰，未来的能源）天然气气体水合物（可燃冰，未来的能源）可燃冰中甲烷占可燃冰中甲烷占80%99.9%，可直接点燃。，可直接点燃。1立方米可燃冰立方米可燃冰可转化为可转化为164立方米的天然气和立方米的天然气和0.8立方米的水。科学家估计，立方米的水。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的万平方公里，占海洋总面积的10%，海底（或陆地）可燃冰的储量够人类使用，海底（或陆地）可燃冰的储量够人类使用1000年。年。7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.4 气体水合物蓄冷气体水合物蓄冷2.气体水合物的优点气体水合物的优点（1）气体水合物属于新一代蓄冷介质，其相变温度在）气体水合物属于新一代蓄冷介质，其相变温度在513之间，之间，蓄冷温度与空调工况相吻合，可以采用常规空调冷水机组；蓄冷温度与空调工况相吻合，可以采用常规空调冷水机组；（2）相变潜热与水接近，甚至超过水的相变潜热，蓄冷密度与冰相当；）相变潜热与水接近，甚至超过水的相变潜热，蓄冷密度与冰相当；（3）蓄冷释冷过程的热传递效率高，尤其是在直接接触式蓄冷释）蓄冷释冷过程的热传递效率高，尤其是在直接接触式蓄冷释冷系统中，免除了间壁式传热的热阻，换热效率大大提高。冷系统中，免除了间壁式传热的热阻，换热效率大大提高。但是，由于相关的基础研究没有跟上，目前气体水合物蓄冷技术还没但是，由于相关的基础研究没有跟上，目前气体水合物蓄冷技术还没有达到可以实用化的阶段。有达到可以实用化的阶段。图图7-11气体水合物的气体水合物的网状晶体结构图网状晶体结构图可燃冰可燃冰7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.4 气体水合物蓄冷气体水合物蓄冷3.气体水合物蓄冷技术气体水合物蓄冷技术非直接接触式：两种发生热交换的介质通过热交换器壁面传热；非直接接触式：两种发生热交换的介质通过热交换器壁面传热；直接接触式：两种发生热交换的介质不需要热交换器而直接接触换热。直接接触式：两种发生热交换的介质不需要热交换器而直接接触换热。在释冷循环中，以采用直接接触式较好。在释冷循环中，以采用直接接触式较好。气体水合物蓄冷，按蓄冷气体水合物蓄冷，按蓄冷-释冷的热交换方式有释冷的热交换方式有4种：种：7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.4 气体水合物蓄冷气体水合物蓄冷4.直接接触式与非直接接触式直接接触式与非直接接触式蓄冷蓄冷循环比较循环比较7.3 7.3 蓄冷蓄冷7.3.4 气体水合物蓄冷气体水合物蓄冷5.直接接触式与非直接接触式直接接触式与非直接接触式释冷释冷循环比较循环比较THE END