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文獻(xiàn)綜述
題 目采用冰盤管蓄冷的地?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計
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專業(yè)班級
學(xué) 號
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采用冰盤管蓄冷的地?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計
摘要：冰蓄冷和水源熱泵是兩種截然不同的技術(shù)，兩種技術(shù)如能結(jié)合在一起，將帶來更大的節(jié)能效益。本文分析了目前國內(nèi)外地源熱泵與冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、技術(shù)優(yōu)點及存的問題。進(jìn)而論述了兩者聯(lián)合運行的必要性，好處及新的趨勢。
關(guān)鍵詞：冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng) 水源熱泵 節(jié)能
1.水源熱泵技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用
1.1 國外水源熱泵發(fā)展特點
在國外,水源熱泵系統(tǒng)又習(xí)慣稱作閉式環(huán)路水源熱泵系統(tǒng)。60 年代開始在美國提出以后 ,經(jīng)過30年不斷改進(jìn)和發(fā)展,技術(shù)日趨成熟,其產(chǎn)品已逐漸商品化,至今已經(jīng)在北美建筑中應(yīng)用了40多年到目前為止已安裝了400 , 000多臺,而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的19%,其中新建筑中30%。 美國地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了美國地源熱泵協(xié)會,該協(xié)會在近年中將投入一億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。美國計劃到2010年達(dá)到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標(biāo),其中,水源熱泵占15 % ,屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸,相當(dāng)于減少50 萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝,年節(jié)約能源費用達(dá)4.2億美元,此后,每年節(jié)約能源費用再增加1.7億美元。美國的水源熱泵的研究和應(yīng)用更偏重用于住宅和商業(yè)小型系統(tǒng)(20RT 以下),多采用水-空氣系統(tǒng)。 在大型建筑方面,美國推行 WLHP 系統(tǒng),即水環(huán)熱泵系統(tǒng)。與美國的地源熱泵發(fā)展有所不同,中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地?zé)豳Y源 ,地下土壤埋盤管(埋深<400 米深)的地源熱泵,用于室內(nèi)地板輻射供及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計,為家用的供熱裝置中,地源熱泵所占比例,瑞士96%,奧地利為38% ,丹麥為27%。同時,中、北歐海水源熱泵的研究和應(yīng)用也比較多。日本在進(jìn)70年代后水源熱泵的應(yīng)用和推廣走在了世界的前頭。東芝、三菱電機(jī)、PMAC 公司均有水源熱泵產(chǎn)品出售,東京、名古屋、橫濱等城市在 70年代初就有很多采用閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程實例，例如新日建大廈、名古屋大廈平和東京大廈等。
1.2 國內(nèi)水源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀
中國最早在50年代,就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷,天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究,1965年研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。目前,國內(nèi)的清華大學(xué)、天津大學(xué)、重慶建筑大學(xué)、天津商學(xué)院、中國科學(xué)院廣州能源研究所等多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在對水源熱泵進(jìn)行研究。其中清華大學(xué)在多工況水源熱泵經(jīng)過多年的研究已形成產(chǎn)業(yè)化的成果 ,已建成數(shù)個示范工程。國內(nèi)的水源熱泵制造廠商中,清華同方人工環(huán)境設(shè)備公司、山東海陽富爾達(dá)是比較早的水源熱泵制造廠家,但目前也有相當(dāng)多的制冷空調(diào)廠家將其普通的水冷機(jī)組改造為水源熱泵。自80年代以來,我國采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的建筑也逐年增多。目前,在深圳,上海,北京以及一些中小城市均有工程實例,例如北京天安大廈、西安建國飯店、青島華僑飯店、深圳同貿(mào)大廈等均采用了閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。北京在2008年奧運會期間,充分利用得天獨厚的地?zé)釛l件,發(fā)揮地?zé)釡厝那鍧嵞茉磧?yōu)勢和保健作用,相繼將一些先進(jìn)的技術(shù),如地?zé)嵛菜毓唷⑺礋岜玫葢?yīng)用到地?zé)峁┡到y(tǒng)上,同時水源熱泵式中央空調(diào)已成為2008 年北京奧運會指定選用的空調(diào)型式。在未來的幾年中,中國面臨著巨大的能源壓力。為了適應(yīng)市場要求和參加國際競爭,我們必須加快中國品牌的水源熱泵的產(chǎn)業(yè)化研究開發(fā)[1]。
1.3 水源熱泵技術(shù)的工作原理
水源熱泵技術(shù)[2]是利用地球表面淺層水源中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。水源熱泵機(jī)組工作的大致原理是，夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取熱量。 其具體工作原理如下：在制冷模式時，高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來進(jìn)入冷凝器，制冷劑向冷卻水（地下水）中放出熱量,形成高溫高壓液體，并使冷卻水水溫升高。制冷劑再經(jīng)過膨脹閥膨脹成低溫低壓液體，進(jìn)入蒸發(fā)器吸收冷凍（建筑制冷用水）中的熱量，蒸發(fā)成低壓蒸汽，并使冷凍水水溫降低。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，如此循環(huán)在蒸發(fā)器中獲得冷凍水。在制熱模式時，高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來進(jìn)入冷凝器，制冷劑向供熱水（建筑供暖用水）中放出熱量而冷卻成高壓液體，并使供熱水水溫升高。制冷劑再經(jīng)過膨脹閥膨脹成低溫低壓液體，進(jìn)入蒸發(fā)器吸收低溫?zé)嵩此ǖ叵滤┲械臒崃?，蒸發(fā)成低壓蒸汽，并使低溫?zé)嵩此疁亟档汀５蛪褐评鋭┱羝诌M(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，如此循環(huán)在冷凝器中獲得供熱水
??????圖1：水源熱泵機(jī)組的工作原理???????
1.4 水源熱泵技術(shù)的優(yōu)缺點
優(yōu)點：(1)屬可再生能源利用技術(shù)；(2)高效節(jié)能；(3)運行穩(wěn)定可靠；(4)環(huán)境效益顯著；(5)一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣；(6)自動運行；(7)投資成本低；(8)維修成本低。
缺點：(1)制冷量較大(10kW以上)的水源熱泵空調(diào)機(jī)組，由于機(jī)組內(nèi)壓縮機(jī)的功率大，因而 聲較大，在設(shè)計安裝時要考慮一些降低噪聲的措施[4]。
(2)利用新風(fēng)比較麻煩，新風(fēng)管道必須敷設(shè)到安裝水源熱泵空調(diào)機(jī)的房間，對于要求較高的房間，如空氣凈化、加濕等有要求的房間，附加措施就更為復(fù)雜。
(3)水源熱泵空調(diào)機(jī)多數(shù)為暗裝，必須同建筑和室內(nèi)裝潢緊密配合，如空調(diào)機(jī)質(zhì)量不好，給維護(hù)帶來麻煩。
(4)因為水源熱泵空調(diào)機(jī)系統(tǒng)是分散性的中央空調(diào)，由于機(jī)組分散，每一空調(diào)區(qū)內(nèi)的熱泵空調(diào)機(jī)均要有稍許余量，所以當(dāng)水源熱泵空調(diào)機(jī)數(shù)量較多時總用電容量可能偏高，而實際上由于安裝的水源熱泵空調(diào)機(jī)不可能同時達(dá)到最大用電量，所以實際用電量并不高。
2 冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
2.1 國外冰蓄冷技術(shù)發(fā)展特點
自七十年代世界能源危機(jī)以來，各國政府都十分重視開發(fā)新能源與“節(jié)省能源”，促使了蓄冷技術(shù)的迅速發(fā)展。美國、加拿大、日本和歐洲一些國家率先將冰蓄冷技術(shù)引入到建筑空調(diào)系統(tǒng)里來，積極開發(fā)蓄冷設(shè)備與蓄冷系統(tǒng)，實施的工程逐年成倍增多。在日本近年來積極引進(jìn)蓄冷技術(shù)，大力開展冰蓄冷技術(shù)的研究與開發(fā)應(yīng)用，到1989年美國、日本、加拿大等國從事冰蓄冷系統(tǒng)開發(fā)和冰蓄冷專用制冷機(jī)生產(chǎn)的公司多達(dá)49家；美國提出將在1997年將空調(diào)蓄冷技術(shù)普及應(yīng)用到99%的宏偉目標(biāo)；根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計1990年北美冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的投資占當(dāng)年新增暖通空調(diào)系統(tǒng)總投資的24.2%。
2.2 國內(nèi)冰蓄冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
我國臺灣省自1984年建成第一個冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以來，蓄冷空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展很快，由1992年33個蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，到1993年為142個，到1994年就已建成225個蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，總冷量高達(dá)2009000Kwh；移稼高峰用電超過52000Kw，用戶每年節(jié)省臺幣達(dá)3.1×105萬元。九十年代，我國大陸地區(qū)蓄冷技術(shù)也得到了發(fā)展，首先中電深圳工貿(mào)公司在辦公樓中應(yīng)用了法國的冰球式蓄冷系統(tǒng)，使裝機(jī)容量降低45%以上；北京西冷工程公司開發(fā)研制的有壓式齒球蓄冷器已獲國家專利并用在北京日報社綜合樓和廣州市面上某辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)中，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；同時浙江國祥制冷工業(yè)公司推出了完全結(jié)凍式冰蓄冷系統(tǒng)在浙江諸暨百貨大樓實行了國產(chǎn)大型冰儲冷首例中央空調(diào)系統(tǒng)，僅用一年時間就完成了設(shè)計施工任務(wù)，并于1995年8月10日調(diào)試成功投入運行。儲冰蓄冷國產(chǎn)化的成功，克服了冰儲冷中央空調(diào)投資大的缺點，對推廣冰蓄冷空調(diào)事業(yè)起到很好的促進(jìn)作用。國家計委、國家經(jīng)貿(mào)委和電力工業(yè)部聯(lián)合提出到2000年將轉(zhuǎn)移1000~12000萬Kw的尖峰負(fù)荷到低谷使用，這將為國家節(jié)省150~250萬元的資金，這是節(jié)能節(jié)電中一項利國利民的重大創(chuàng)舉；據(jù)統(tǒng)計，就北京市面上目前擁有集中空調(diào)的賓館與寫字樓約250座，商場約50家，空調(diào)負(fù)荷約30~40萬kw，這是些負(fù)荷具有較大的冰蓄冷空調(diào)前景，即具有很大的削峰填谷的潛力，聯(lián)系到全國冰蓄冷空調(diào)的前景更加是宏偉壯觀[5]。
2.3 冰蓄冷空調(diào)原理
空調(diào)冰蓄冷技術(shù)，即是在電力負(fù)荷很低的夜間用電低谷期，采用電動制冷機(jī)制冷，使蓄冷介質(zhì)結(jié)成冰，利用蓄冷介質(zhì)的顯熱及潛熱特性，將冷量儲存起來。在電力負(fù)荷較高的白天，也就是用電高峰期，使蓄冷介質(zhì)融冰，把儲存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調(diào)或生產(chǎn)。
目前使用的幾種冰蓄冷設(shè)備有冰盤管式、凍結(jié)式、冰球式等，其蓄冷原理如下：
（1）冰盤管式 冰盤管式蓄冷，是利用金屬盤管，將盤管伸入蓄冰槽內(nèi)，使冰直接結(jié)在蒸發(fā)盤管上。使用時，使中央空調(diào)回水直接沖蝕槽內(nèi)的冰，使冰融化而放出冷量。
（2）凍結(jié)式 凍結(jié)式蓄冷，是利用塑料管或金屬管，將管道伸入蓄冰槽內(nèi)，并在管內(nèi)通以冷水機(jī)組制出的低溫二次制冷劑，使蓄冰槽內(nèi)的水凍結(jié)成冰。使用時，將中央空調(diào)負(fù)荷端流回的溫度較高的乙二醇溶液通過管內(nèi)，使管外的冰融化而釋放出冷量。
（3）冰球式 冰球式蓄冷又稱容器式蓄冷，是利用不要形狀的塑膠球作容器，球內(nèi)充入一定量的水（注意不要充滿，留足水結(jié)冰時的膨脹空間）放入蓄冰槽內(nèi)，以乙二醇水溶液與球內(nèi)的水進(jìn)行熱交換，使球內(nèi)的水結(jié)成冰。使用時，讓中央空調(diào)負(fù)荷端流回的溫度較高的乙醇溶液通入球內(nèi)，使冰融化而釋放冷[6]。
2.4 冰蓄冷技術(shù)的優(yōu)缺點
優(yōu)點：（1）節(jié)省電費；（2）節(jié)省電力設(shè)備費用與用電困擾；（3）蓄冷空調(diào)效率高，具有節(jié)能效果；（4）節(jié)省冷水設(shè)備費用；（5）節(jié)省空調(diào)箱倒設(shè)備費用；（6）除濕效果良好；（7）斷電 時利用一般功率發(fā)電機(jī)仍可保持室內(nèi)空調(diào)運行；（8）可快速達(dá)到冷卻效果；（9）節(jié)省空調(diào)及電力設(shè)備的保養(yǎng)成本；（10）降低噪亂冷水流量與循環(huán)風(fēng)上減少，即水泵與空調(diào)機(jī)組運轉(zhuǎn)振動及噪音降低；（11）使用壽命長。?
缺點：（1）對于冰蓄冷系統(tǒng)，其運行效率將降低；（2）增加了蓄冷設(shè)備費用及其占用的空間；（3）增加水管和風(fēng)管的保溫費用；（4）冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷主機(jī)性能系數(shù)（COP）要下降。
3 冰蓄冷技術(shù)與水源熱泵的巧妙結(jié)合
3.1 概述
如上所述，水源熱泵和冰蓄冷技術(shù)均起源于歐美一些發(fā)達(dá)國家，我國從20世紀(jì)90年代開始推廣這兩項技術(shù)。水源熱泵技術(shù)是可再生能源的開發(fā)、利用技術(shù)，它利用自然界可再生的能源，如地下水、地表水、江河湖水、工業(yè)廢水等儲存的大量低品位能源，通過少量電能將其轉(zhuǎn)化為高品位的能源，其能效比可達(dá)4。該技術(shù)可以大幅度降低用戶的能源使用費用，同時也可取代鍋爐，減輕了環(huán)保壓力。冰蓄冷技術(shù)主要是為了平衡電網(wǎng)的晝夜峰谷差，在夜問電力低谷時段蓄冰設(shè)備蓄冷，在日問電力高峰時段釋冷，是電力部門削峰填谷的最佳途徑。水源熱泵技術(shù)雖然可以供暖制冷，但本身不具備削峰填谷的能力；冰蓄冷雖然可以起到削峰填谷的作用，但無法在冬季供暖。本文考慮將兩項技術(shù)聯(lián)合運行，取長補(bǔ)短，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。
3.2 水源熱泵與冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運行的優(yōu)越性
通常在選擇水源熱泵機(jī)組供熱供冷時，要根據(jù)不同區(qū)域建筑物的基本負(fù)荷狀況進(jìn)行設(shè)備選擇。在我國長江流域地區(qū)，建筑物夏季的冷負(fù)荷往往大于冬季的熱負(fù)荷，而熱泵機(jī)組在額定工況下制熱量大于制冷量(通常情況下熱泵機(jī)組的制熱量是制冷量的1～1．3倍)[7]。因此，如果按照冷負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)選擇機(jī)組，勢必會導(dǎo)致機(jī)組的制熱能力超出建筑物的熱負(fù)荷要求，造成機(jī)組投資和運行費用的浪費；如果按照熱負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)選擇機(jī)組，則會出現(xiàn)夏季制冷量不足。此時，如果與冰蓄冷系統(tǒng)聯(lián)合運行，就可以按照冬季熱負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)選擇機(jī)組，以冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)作補(bǔ)充。這種水源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合運行的復(fù)合能源形式既降低了水源熱泵系統(tǒng)的初投資，又可使用戶充分利用峰谷電價的差額降低運行費用；另一方面在一定程度上也可減輕采用常規(guī)能源帶來的環(huán)境壓力，為平衡電網(wǎng)負(fù)荷作出貢獻(xiàn)，可謂一舉多得。
3.3 聯(lián)合運行系統(tǒng)設(shè)計
水源熱泵與冰蓄冷空調(diào)聯(lián)合運行系統(tǒng)主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：地下水／地表水換熱系統(tǒng)、三工況熱泵機(jī)組工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)、供冷供熱板式換熱器系統(tǒng)、室內(nèi)末端系統(tǒng)。在夏季電力低谷時段，熱泵機(jī)組制冷工況運行進(jìn)行蓄冰，白天用電高峰時段釋冷。若日間冷負(fù)荷需求較小，單獨采用冰蓄冷空調(diào)供冷；若日間冷負(fù)荷需求較大，三工況機(jī)組白天運行于空調(diào)制冷工況，由水源熱泵機(jī)組和冰蓄冷系統(tǒng)聯(lián)合運行供冷。冬季采用水源熱泵系統(tǒng)為室內(nèi)供熱。夏季供冷系統(tǒng)流程如圖2所示。
圖2:夏季水源熱泵與冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運行流程
冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)由冷卻循環(huán)、制冷循環(huán)、蓄冰循環(huán)和供冷循環(huán)四個子循環(huán)組成。其中，供冷循環(huán)又可分為三種供冷方式，即主機(jī)單獨供冷、主機(jī)與蓄冰裝置聯(lián)合供冷、蓄冰裝置單獨融冰供冷。在此運行流程中，水源熱泵機(jī)組運行時冷凝器產(chǎn)生的熱量經(jīng)水側(cè)換熱器傳遞至地表(下)水側(cè)，蒸發(fā)器冷量則聯(lián)合蓄冰裝置一起供至空調(diào)末端換熱設(shè)備。夜間用電低谷期間主機(jī)蓄冰，日間用電高峰期間可不開或少開制冷主機(jī)。既可提高水源熱泵機(jī)組效率，還可利用峰谷電價差額，降低運行費用。
供暖期間，系統(tǒng)通過閥門切換改變載冷劑的流動方向。水源熱泵機(jī)組仍維持與夏季相同的制冷循環(huán)，蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量經(jīng)水側(cè)換熱器傳至水中，而冷凝器產(chǎn)生的熱量供至空調(diào)末端換熱設(shè)備。即把地表(下)水經(jīng)過水源熱泵機(jī)組提高溫度后為室內(nèi)供熱。如圖3所示，系統(tǒng)由載熱循環(huán)、制冷循環(huán)和水循環(huán)三個子循環(huán)組成。
圖3:冬季水源熱泵供熱系統(tǒng)運行流程
4 結(jié)束語
通過以上對水源熱泵與冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用及其聯(lián)合后的分析，我們可以看出采用水源熱泵與冰蓄冷結(jié)合不僅在一定程度上解決了污染問題，而且還為平衡電網(wǎng)負(fù)荷做出了貢獻(xiàn)。此外這兩項技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,復(fù)合式系統(tǒng)運行是經(jīng)濟(jì)的，并且具有明顯的節(jié)能潛力。相信只要揚長避短、優(yōu)化設(shè)計,水源熱泵與冰蓄冰空調(diào)聯(lián)合構(gòu)建的復(fù)合式新型能源系統(tǒng)將具有廣闊的發(fā)展前景。
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