外融冰蓄冷系统的发展状况及工程应用

　　简介： 本文介绍了外融冰蓄冷系统的技术特点和作用，说明了了目前国内外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，总结了清华大学和清华同方在外融冰研究和应用方面的成果，对外融冰技术的进一步发展和应用进行了评估和预测。
　　关键字：冰蓄冷 外融冰
　　一、引言
　　冰蓄冷技术作为一类重要的能源利用技术，近来获得了很大发展。冰蓄冷是指在用电低谷时用电制冰并暂时蓄存在蓄冰装置中，在需要时（如用电高峰）把冷量取出来进行利用，由此可以实现对电网的“削峰填谷”，有利于降低装机容量、维持电网的安全高效运行，所以包括我国在内的许多国家都采取了各种措施以鼓励蓄能技术的发展和应用。
　　根据制冰方式的不同，冰蓄冷可以分为静态制冰、动态制冰两大类，此外还有一些特殊的制冰方式「1」。 静态制冰方式，即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态。这一类制冰方式包括冰盘管式、封装式等多种具体形式。动态制冰方式，该方式制冰过程中有冰晶、冰浆（iceslurry）生成，且冰晶、冰浆处于运动状态。每一种具体形式都有其本身的特点和适用的场合。
　　外融式冰盘管蓄冷在制冰方式上属于静态制冰方式，是由冷源将乙二醇溶液、盐水溶液等栽冷剂冷却到0℃以下并送入蓄冰槽内的冰盘管与管外的水进行热交换，在管外结冰以蓄存冷量，需要时进行取用，从而蓄冷过程必须克服随厚度增加越来越大的冰层热阻。与内融冰方式在取冷时仍由管内的乙二醇溶液或盐水作栽冷剂与管外冰进行二次换热不同，外融冰方式是直接采用蓄冰槽内的水作为取冷介质送出，冰是从冰柱外表面开始向内进行融化的。其工作过程决定了外融冰方式与内融冰方式等需要二次换热的冰蓄冷形式相比，取冷效率更高，而且取冷温度更低，并可长时间保持低温取冷，使取冷过程更加平稳，并使得实现大温差低温送风成为可能；同时又比冰晶式、冰片滑落式等动态制冰技术设备的材料要求低，加工、使用、管理方便。例如一般空调用表冷器处冷冻水温度约为7℃，如果采用外融冰方式，冷冻水温度可长时间保持在1～2℃，可以更大幅度地降低送风温度，增加送回风温差，实现送风量的大幅度减少。这不但大大减少风管截面积及其占用空间，而且减少了风机、水泵、阀门等的设备容量、部件尺寸，减少材料使用和设备功耗，水路、风路的机电设备、材料的初投资和系统运行费用也都不同程度减少，达到整体上降低空调系统的费用，提高经济效益。
　　二、外融冰蓄冷技术的发展概况
　　1.概况
　　与其它静态蓄冷方式如内融冰方式的发展和应用相比，目前国内外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文献资料并不很多。基于外融冰系统有很好的优点，近几年已经越来越引起人们的重视，国外在其蓄冷取冷性能方面的研究有了很大深入。由于这种蓄冷方式与其它蓄冷方式在一些方面存在相似性，因而完全可以借鉴其它蓄冷方式的研究成果或研究方法，并针对外融冰的具体特点进行研究；另一方面，也必须针对外融冰的特殊性采用一些新的研究思路，以求可以更准确、全面地了解其规律性。
　　目前美国、日本等国家在冰蓄冷研究方面已经处于领先地位，在我国包括清华大学在内的一些大学和科研单位也做了许多工作。国内外的研究者们普遍从实验方法和数值计算模拟的方法两方面进行研究，而且经常将两类方法结合起来进行研究，特别是近期以来国外就实际使用的冰盘管蓄冷装置的热特性及蓄冷系统的性能评价进行了很多现场实测研究，用以对冰蓄冷技术进行分析与评估，同时也对实验研究及模拟分析的研究成果进行验证和评价。
　　2.蓄冷特性的研究
　　考察冰盘管蓄冷特性常常采用蓄冷/取冷特性曲线，即在蓄冷/取冷过程中，在冰槽进口温度、出口温度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等参数随时间的变化曲线来表示。
　　（1）、实验（实测）研究
　　国内外普遍利用实验、实测的方法进行盘管式冰蓄冷特性的研究。
　　日本学者山羽基从蓄冰槽内水温分布特性方面就盘管配置、蓄冷槽下部有无搅拌等因素影响对外融冰蓄冷方式进行了较为深入的研究「2」。研究发现：有搅拌时，蓄冰槽内水温分布均匀，开始结冰时间比无搅拌时要晚一些，而总结冰时间短，管外结冰均匀一致，且蓄冷量大（相同结冰率）。无搅拌时，侧部、中央配置时，无盘管部分按照水温分层，而且蓄冰结束后，盘管上部结冰偏厚；下部、上部配置时也明显的受到水的密度随温度变化而变化的特殊性的影响。配置方式对结冰时间基本无影响，有搅拌时中央配置最短，无搅拌时上部配置短；只搅拌至结冰而后停止搅拌，与全程搅拌效果几乎相同。
　　（2）、理论研究与模拟计算方法
　　根据有关理论建立数学模型，而后进行计算求解，或进而进行仿真，是研究冰蓄冷问题的重要方法。
　　美国的Abraham等人对于直接蒸发型冰盘管的蓄冷过程，在作了蓄冷过程中盘管传热系数为常数的假定下，以蓄冷过程中的压缩机做功最小化为目标函数，以蒸发温度和盘管尺寸为参量，建立了数学模型，并进行了模拟计算「3」。
　　山羽基基于蓄冷槽的分层特点，设定垂直方向温度场为线性分布，忽略水平方向温度分布的不均匀性，根据能量平衡关系，采用有限差分法，建立了温度分层型数学模型，并对冰盘管出口温度对冷机出力的影响进行了修正，由此可以计算出槽内水温分布和制冰量「2」。
　　中国科学技术大学方贵银根据蓄冷传热过程中的能量平衡关系在进行了一系列合理假设基础上建立了非线性微分方程组，对其所建立的数学模型进行了求解，得到冰层厚度（蓄冷量）与蓄冰时间的关系，并用实测数据进行了验证「4」。
　　可以看出，目前在对冰盘管蓄冷槽进行模拟计算时