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家用冰蓄冷中央空调的设计和试验研究
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内容提示：随着我国国民经济和人民生活水平不断提高，城镇用电不但在总量上出现了供不应求的现象，而且用电“昼夜峰谷”不断加大，为缓解这一现象，本文提出了一个结构简单，运行可靠，体积较小的家用冰蓄冷水系统中央空调的试验模型，并通过试验证明该系统满足设计要求，能够起到电力“移峰填谷”的作用。
陈杰 张华 张龙
摘要：随着我国国民经济和人民生活水平不断提高，城镇用电不但在总量上出现了供不应求的现象，而且用电“昼夜峰谷”不断加大，为缓解这一现象，本文提出了一个结构简单，运行可靠，体积较小的家用冰蓄冷水系统中央空调的试验模型，并通过试验证明该系统满足设计要求，能够起到电力“移峰填谷”的作用。
关键词：家用中央空调 冰蓄冷 试验研究
自改革开放以来，我国国民经济以惊人的速度发展，人民的生活水平也随之不断提高。为保持国民经济高速而可持续地发展和满足人民日益增长的物质和精神要求，我国的能源部门遇到了前所未有的困难和压力。城镇用电量在不断攀升的同时，“昼夜用电峰谷”也在加大。如通过建设大量的低能效调峰电站解决“昼夜用电峰谷”是不经济的，也是对能源的一种浪费。近几年，空调用电量在城镇用电总量中所占比例不断增加，冰蓄冷空调是一种有效缓解“昼夜用电峰谷差”的技术。（参考《建筑中文网》）
1 小型冰蓄冷空调系统的试验研究方案对于普通家用空调和用冷量不大的空调用户而言，空调的可靠性、结构简单和便于安装是至关重要的，在能够满足用户需求的前提下，空调器的体积越小越好。在参考了国内外的一些大、中型冰蓄冷空调系统和对小型冰蓄冷家用空调器的文章[1]；结合小型家用中央空调的特点，提出了小型家用中央空调系统的试验研究方案（如图1）。图中A为压缩机，B为冷凝器，C为电子膨胀阀，D为蓄冰罐，E为冷冻水循环水泵，F、G、H为风机盘管，M1、M2、M3为转子流量计。
小型家用中央冰蓄冷空调系统主要由三部分组成：（a）由压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤
器、电子膨胀阀和冰蓄冷罐组成的制冷蓄冰系统。（b）由水泵，阀门，水过滤器和风机盘管构成的供冷系统。（c）由电脑、热电偶、压力传感器、转子流量计、电表、数据采集卡等组成的控制和数据采集系统。制冷蓄冰系统采用顿安（HFRS-12.5）家用中央空调的室外机，并做出了部分修改，蓄冰罐是自行设计，由企业加工而得。
2 小型冰蓄冷空调系统的系统流程和设备本文介绍的小型冰蓄冷中央空调系统较之大型冰蓄冷系统要简单得多，具有流程简单可靠，控制容易，对原有机组变动小，易于产业化等特点。该系统可以独立地以普通制冷、蓄冰、释冷和热泵四种工作模式运行。机组以蓄冰模式工作时，为用户供冷的水系统是不运行的，只有制冷系统工作，蓄冰罐作为蒸发器，将制冷系统提供的冷量提供给冷水，使其相变蓄冷制冰。在释冷模式下工作时，制冷系统是不工作的，水泵带动水系统中的循环水，从用户供冷终端流回的冷媒水与蓄冰罐中的冰进行热交换，使冰融化放冷，待冷却后重新为用户供冷。在热泵工况下，中央空调系统运行热泵模式，为蓄冰罐提供热水，水系统则将热水源源不断地送入用户终端，为房间供热。当然，我们一样可以将制冷系统和水系统同时打开，这样就与一般的家用冷水中央空调没有什么区别了。
图1 冰蓄冷空调系统示意图
本位介绍的冰蓄冷中央空调系统中，最为关键的也就是蓄冰罐，它是该系统的核心部件。蓄冰罐是由10组12米长φ10的铜管组成的蓄冰管路，桶体用不锈钢板中间发泡60mm的保温材料制成。为了达到所需要的蓄冷量，我们对蓄冰管管长做了详细计算，同时要求在蓄冰过程中，各个管路结冰冰层均匀，不会造成蓄冰罐中水的流道被堵，在释冷过程中，融冰均匀，不会造成罐体中水温分层，影响供给用户的冷媒水水温。
3 试验结果和分析本系统所选用制冷机组上文已经介绍过，采用的是Copeland公司生产的柔性涡旋压缩机（ZR61KC-TFD），制冷工质为R22，其性能技术参数如图2可见。在制冰工况下，如冷凝温度为40℃，蒸发温度为-15℃，其制冷功率只有7.5Kw，远远小于其制冷工况下的制冷功率，大约只有其1/2。为提高其制冷效果，我们在试验过程中严格控制其过热度，以期达到最佳的工作状态。
在试验过程中，我们对蓄冰管上各点温度进行测量。从试验数据可以看出，在蓄冰过程中，机组的蒸发温度从-5℃降至-15℃，但其降温速度缓慢，说明整个工况运行稳定。从蓄冰罐中结冰状况看，各管路冰层厚度基本均匀，说明蓄冰罐设计合理，蓄冰均匀。在融冰释冷过程中，没有发现大块冰块上浮，蓄冰罐不同高度水温测量数据说明各管路释冷均匀，罐中没有明显的温度分层现象。
图2 压缩机性能图
图3 蓄冰过程中压缩机吸排气压力变化
在试验过程中，压缩机高压基本稳定在1.6～1.7MP之间，主要原因是由于不同试验下，环境温度不同造成的。而压缩机吸气压力则从0.4MP缓慢下降至0.3MP，这说明在制冰工况下，随着冰层不断加厚，冰层热阻不断增大，机组的冷负荷无法释放出来，只有通过降低自身的蒸发温度，使吸气压力降低，才能保持较为稳定的制冰工况。
试验中，我们通过测量蓄冰罐水面上升程度，来计算蓄冰罐中制冰的多少。计算公式如下：
式中：
、
――为水和冰的密度
S――蓄冰罐内部蓄冰面积
――水位标尺某时刻的读数与原始读数的差值
r――水的固化潜热（335KJ/Kg）
图4 系统蓄冷量随时间变化图
最后得出结果，从0℃开始蓄冷如图4，1小时后，水面高度增加9mm，蓄冷15.24×103KJ；10小时蓄冷结束，水面高度增加90mm，蓄冷159.22×103KJ，在此过程中总共耗电20度。在整个过程中，本台机组可以转移用电高峰16.5度至用电低谷，以上海的“昼夜电价”为例，可以为用户节约运行成本4.17元，以夏季用电100天计算，每年就能为用户节约用电费用417元。
4 结论通过多次试验，证明本试验系统达到了设计要求，运行可靠，符合小型别墅中央空调的设计要求，能做到对电力“移峰填谷”的作用，并为用户节约了相当的运行成本。
参考文献1. 万钟民，王惠龄等. 小型家用冰蓄冷空调设计和试验研究. 能源技术，No.2，2003
2. 张开利，王慧英. 上海电力需求侧管理现状和设想. 上海节能，No.2,2004，P33-38
3. 吴业正.制冷原理及设备. 西安交通大学出版社 1987.6
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200601/8413.htm
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