家用空调中冰蓄冷的应用及实验研究

Experimental study on residential ice-storage air conditioning system

1 前言
　　 冰蓄冷作为一项成熟技术，在大型中央空调系统中的应用越来越广泛，它不仅使电力负荷"削峰填谷"，提高发电设备的年利用率，也保证制冷机组满负荷高效率运行，降低空调系统的运行费用，带来了显著的社会效益和经济效益。
　　 但是，随着人们生活水平的提高和全球气候变暖的影响，小型家用空调器近几年的增长速度是相当惊人的。椐统计，1995年全国每百户城镇居民平均拥有8台房间空调器，到2000年每百户居民房间空调器的拥有量已达40台；而在部分经济发达地区，如北京、上海和广州，这一比例已由1995年的15台/百户猛增至2000年的78台/百户^[1]。家用空调器的耗电量在总空调耗电量中也占据着相当大的份额，2000年北京地区为60%，日本的统计数据为80%^[2]，而且其运行特点又进一步加大了电力负荷的峰谷差异，给电力供应造成更大的压力。
　　 本文提出将冰蓄冷技术应用到家用空调器等小型空调设备上，并对该冰蓄冷系统进行了全面的实验研究，结果表明，家用空调器配以适当的冰蓄电池冷系统，能够达到提高机组出力、降低设备容量、减少运行费用的目的，同时它起到的"削峰填谷"作用也是很可观的。
　　
2 实验装置和实验过程

　　2.1 系统组成
　　 家用冰蓄冷空调应具备以下特点：结构简单紧凑、蓄冷取冷方便、控制灵活有效等。图1给出了该冰蓄冷空调的系统组
成，它将直接蒸发制冰蓄冷，制冷剂内融冰取冷及大温差过冷有机的结合为一体，从而大幅度提高制冷量和制冷效率。
　　 该冰蓄冷空调系统有以下三种运行工况：
　　1)蓄冷运行，阀门V1、V2、V3为开，其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用储液器4、双阀机构5、蓄冰槽6等部件组成：
　　2)取冷供冷运行，阀门V4、V5、V6、V7为开其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、蓄冷用储液器4、蓄冰槽6、双阀机构5、蒸发器7等部件组成；
　　3)常规空调运行，阀门V1、V4、V7为开，其余为关，循环依次由压缩机1、冷凝器3、双阀机构5、蒸发器7等部件组成。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　1． 压缩机 2.四通阀 3. 冷凝器 4. 蓄冷用储液器
　　　　　　 5. 双阀机构 6. 蓄冰槽 7.蒸发器8.气流分离器 9.水泵 10.V1-V7球阀
　　　　　　　　　　　图1 家用冰蓄冷空调系统简图
　　
　　2.2 系统设计
　　 首先分析一下家用冰蓄冷空调系统的原理，从图2可见：
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图2 系统原理lgP-h 图
　　
　　 常规空调机组在标准运行工况下：蒸发温度为2℃，过热度为5℃；冷凝温度为50℃，过冷度为3℃，R22的单位制冷量为151kJ/kg;当利用蓄冰槽使制冷剂过冷后，其冷凝温度会有所降低，而过冷度却大幅度增加（可达35℃以上），单位制冷量可达到205 kJ/kg，约为35%。
　　 系统设计的关键是蓄冰槽的设计，它的设计思路是这样的：首先确定系统白天运行进需取冷的小时数，根据大温差过冷多提供35%制冷量这一指标，得到系统的总蓄冷量和蓄冰量；然后建立直接蒸发蓄冰过程的传热模型[3]，据此算出蓄冰盘管的尺寸和长度，合理设计蓄冰槽形成状和布置蓄冰盘管；最后匹配设计其它部件，诸如储液器、膨胀阀等。 　
　
　　2.3 实验方法
　　 本实验基于清华同方人环设备公司生产的制冷量为12kW的户式中央空调，增加蓄冷、取冷系统部分，也就是说，在取冷运行过程中，机组提供的额定制冷量为16Kw，而不取冷时机组仍可提供12Kwr 制冷量。同时设计白天运行时可取冷10小时，那么总蓄冷量为9.8冷吨时（127×10³kJ），蓄冰槽的尺寸为1.35×0.6×0.8m³。
　　 在实验过程中，针对蓄冰运行、冷机取冷供冷运行和常规空调运行三种不同方式，利用该系统中布置的温度和压力传感器（如图1所示），采集到以上三种工况的运行参数，据此考查该冰蓄冷空调的运行情况，给出制冷量、性能系数COP和过冷度，蓄冷量和取冷量随时间的变化关系，以及蓄冰槽内的温度分布等等，最后得到设计家用冰蓄冷空调系统的几点建议。
　　
3 实验结果和分析

　　3.1机组运行情况
　　
　　 　　　　　　　　　　图3 取冷过程制冷系统的运行参数
　　
　　 由上图可见，取冷运行时的蒸发温度te平均为4℃，冷凝温度tc平均为41℃，机组运行正常：
　 　　　　　　　　　　　图4 蓄冷过程制冷系统的运行参数
　　
　　 由上图见，蓄冷运行时系统产生振荡，调节膨胀阀后可得到确认，系统振荡是由于膨胀阀特性与系统不匹配产生的，因此，蓄冷特环和制冷循环要使用不同的热力膨胀阀。