從外融冰蓄冷系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和作用進(jìn)行進(jìn)行介紹，說(shuō)明了目前國(guó)內(nèi)外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，對(duì)外融冰技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估和猜測(cè)。
冰蓄冷技術(shù)作為一類重要的能源利用技術(shù)，近來(lái)獲得了很大發(fā)展。冰蓄冷是指在用電低谷時(shí)用電制冰并暫時(shí)蓄存在蓄冰裝置中，在需要時(shí)把冷量取出來(lái)進(jìn)行利用，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的“削峰填谷”，有利于降低裝機(jī)容量、維持電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行，所以包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都采取了各種措施以鼓勵(lì)蓄能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
根據(jù)制冰方式的不同，冰蓄冷可以分為靜態(tài)制冰、動(dòng)態(tài)制冰兩大類，此外還有一些非凡的制冰方式1。靜態(tài)制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內(nèi)結(jié)冰，冰本身始終處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。這一類制冰方式包括冰盤管式、封裝式等多種具體形式。動(dòng)態(tài)制冰方式，該方式制冰過(guò)程中有冰晶、冰漿生成，且冰晶、冰漿處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。每一種具體形式都有其本身的特點(diǎn)和適用的場(chǎng)合。
外融式冰盤管蓄冷在制冰方式上屬于靜態(tài)制冰方式，是由冷源將乙二醇溶液、鹽水溶液等栽冷劑冷卻到0℃以下并送入蓄冰槽內(nèi)的冰盤管與管外的水進(jìn)行熱交換，在管外結(jié)冰以蓄存冷量，需要時(shí)進(jìn)行取用，從而蓄冷過(guò)程必須克服隨厚度增加越來(lái)越大的冰層熱阻。與內(nèi)融冰方式在取冷時(shí)仍由管內(nèi)的乙二醇溶液或鹽水作栽冷劑與管外冰進(jìn)行二次換熱不同，外融冰方式是直接采用蓄冰槽內(nèi)的水作為取冷介質(zhì)送出，冰是從冰柱外表面開(kāi)始向內(nèi)進(jìn)行融化的。其工作過(guò)程決定了外融冰方式與內(nèi)融冰方式等需要二次換熱的冰蓄冷形式相比，取冷效率更高，而且取冷溫度更低，并可長(zhǎng)時(shí)間保持低溫取冷，使取冷過(guò)程更加平穩(wěn)，并使得實(shí)現(xiàn)大溫差低溫送風(fēng)成為可能;同時(shí)又比冰晶式、冰片滑落式等動(dòng)態(tài)制冰技術(shù)設(shè)備的材料要求低，加工、使用、治理方便。例如一般空調(diào)用表冷器處冷凍水溫度約為7℃，假如采用外融冰方式，冷凍水溫度可長(zhǎng)時(shí)間保持在1～2℃，可以更大幅度地降低送風(fēng)溫度，增加送回風(fēng)溫差，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量的大幅度減少。這不但大大減少風(fēng)管截面積及其占用空間，而且減少了風(fēng)機(jī)、水泵、閥門等的設(shè)備容量、部件尺寸，減少材料使用和設(shè)備功耗，水路、風(fēng)路的機(jī)電設(shè)備、材料的初投資和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也都不同程度減少，達(dá)到整體上降低空調(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。
外融冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展概況
與其它靜態(tài)蓄冷方式如內(nèi)融冰方式的發(fā)展和應(yīng)用相比，目前國(guó)內(nèi)外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文獻(xiàn)資料并不很多?；谕馊诒到y(tǒng)有很好的優(yōu)點(diǎn)，近幾年已經(jīng)越來(lái)越引起人們的重視，國(guó)外在其蓄冷取冷性能方面的研究有了很大深入。由于這種蓄冷方式與其它蓄冷方式在一些方面存在相似性，因而完全可以借鑒其它蓄冷方式的研究成果或研究方法，并針對(duì)外融冰的具體特點(diǎn)進(jìn)行研究;另一方面，也必須針對(duì)外融冰的非凡性采用一些新的研究思路，以求可以更準(zhǔn)確、全面地了解其規(guī)律性。目前美國(guó)、日本等國(guó)家在冰蓄冷研究方面已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，在我國(guó)包括清華大學(xué)在內(nèi)的一些大學(xué)和科研單位也做了許多工作。國(guó)內(nèi)外的研究者們普遍從實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值計(jì)算模擬的方法兩方面進(jìn)行研究，而且經(jīng)常將兩類方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，非凡是近期以來(lái)國(guó)外就實(shí)際使用的冰盤管蓄冷裝置的熱特性及蓄冷系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了很多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，用以對(duì)冰蓄冷技術(shù)進(jìn)行分析與評(píng)估，同時(shí)也對(duì)實(shí)驗(yàn)研究及模擬分析的研究成果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。
蓄冷特性的研究
考察冰盤管蓄冷特性經(jīng)常采用蓄冷/取冷特性曲線，即在蓄冷/取冷過(guò)程中，在冰槽進(jìn)口溫度、出口溫度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線來(lái)表示。國(guó)內(nèi)外普遍利用實(shí)驗(yàn)、實(shí)測(cè)的方法進(jìn)行盤管式冰蓄冷特性的研究。日本學(xué)者山羽基從蓄冰槽內(nèi)水溫分布特性方面就盤管配置、蓄冷槽下部有無(wú)攪拌等因素影響對(duì)外融冰蓄冷方式進(jìn)行了較為深入的研究2。研究發(fā)現(xiàn)：有攪拌時(shí)，蓄冰槽內(nèi)水溫分布均勻，開(kāi)始結(jié)冰時(shí)間比無(wú)攪拌時(shí)要晚一些，而總結(jié)冰時(shí)間短，管外結(jié)冰均勻一致，且蓄冷量大。無(wú)攪拌時(shí)，側(cè)部、中心配置時(shí)，無(wú)盤管部分按照水溫分層，而且蓄冰結(jié)束后，盤管上部結(jié)冰偏厚;下部、上部配置時(shí)也明顯的受到水的密度隨溫度變化而變化的非凡性的影響。配置方式對(duì)結(jié)冰時(shí)間基本無(wú)影響，有攪拌時(shí)中心配置最短，無(wú)攪拌時(shí)上部配置短;只攪拌至結(jié)冰而后停止攪拌，與全程攪拌效果幾乎相同。
理論研究與模擬計(jì)算方法
根據(jù)有關(guān)理論建立數(shù)學(xué)模型，而后進(jìn)行計(jì)算求解，或進(jìn)而進(jìn)行仿真，是研究冰蓄冷問(wèn)題的重要方法。美國(guó)的Abraham等人對(duì)于直接蒸發(fā)型冰盤管的蓄冷過(guò)程，在作了蓄冷過(guò)程中盤管傳熱系數(shù)為常數(shù)的假定下，以蓄冷過(guò)程中的壓縮機(jī)做功最小化為目標(biāo)函數(shù)，以蒸發(fā)溫度和盤管尺寸為參量，建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了模擬計(jì)算。山羽基基于蓄冷槽的分層特點(diǎn)，設(shè)定垂直方向溫度場(chǎng)為線性分布，忽略水平方向溫度分布的不均勻性，根據(jù)能量平衡關(guān)系，采用有限差分法，建立了溫度分層型數(shù)學(xué)模型，并對(duì)冰盤管出口溫度對(duì)冷機(jī)出力的影響進(jìn)行了修正，由此可以計(jì)算出槽內(nèi)水溫分布和制冰量。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)方貴銀根據(jù)蓄冷傳熱過(guò)程中的能量平衡關(guān)系在進(jìn)行了一系列合理假設(shè)基礎(chǔ)上建立了非線性微分方程組，對(duì)其所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解，得到冰層厚度與蓄冰時(shí)間的關(guān)系，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。
可以看出，目前在對(duì)冰盤管蓄冷槽進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)所建立的數(shù)學(xué)模型，一般都從物理、數(shù)學(xué)的角度作了許多假定，以簡(jiǎn)化所研究的問(wèn)題，但因此也不可避免地帶來(lái)了與實(shí)際工作過(guò)程的不一致性，并且每一個(gè)模擬方法及其研究成果都只能在一定條件下適用。
取冷特性的研究
冰盤管的取冷過(guò)程是一個(gè)伴隨相變的過(guò)程，外融式在取冷時(shí)，不會(huì)大量形成內(nèi)融式方式出現(xiàn)的冰圈大量破裂形成浮冰的情況，而是冰圈在主要融冰期間基本不脫離盤管壁，因而管外冰的變化過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單;但是另一方面，由于從整體上看水槽中的水體是一個(gè)流動(dòng)過(guò)程，因此溫度場(chǎng)的分布極大地受到了流場(chǎng)、相變、物性等因素的影響，其變化規(guī)律的分析又比內(nèi)融式的融冰過(guò)程復(fù)雜得多。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)內(nèi)融冰取冷特性開(kāi)展了很多研究，但是外融冰取冷特性的有關(guān)研究資料還比較有限，還有待于進(jìn)一步開(kāi)展工作，應(yīng)該根據(jù)外融冰取冷過(guò)程的特點(diǎn)，借鑒內(nèi)融冰取冷特性的方法和成果來(lái)進(jìn)行研究。
實(shí)驗(yàn)研究
山羽基對(duì)于外融冰槽取冷特性進(jìn)行了較為深入的實(shí)驗(yàn)研究2。研究發(fā)現(xiàn)，阿基米德數(shù)Ar對(duì)槽內(nèi)水溫豎直溫度分布有很大影響，欲盡可能長(zhǎng)時(shí)間地取出低溫水，應(yīng)使Ar盡可能大;盤管數(shù)量及其布置方式對(duì)取冷特性有影響，并與Ar數(shù)的大小有關(guān);增大冰盤管含冰率后在取冷初期取水溫度有所降低;攪拌可使融冰條件均一化，可削弱進(jìn)口條件對(duì)取冷溫度的影響。
理論研究與模擬計(jì)算方法
對(duì)于外融冰槽取冷過(guò)程的理論研究，由于存在相變情況下槽內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及其影響因素的變化極為復(fù)雜，很難進(jìn)行外融冰特性的準(zhǔn)確模擬，往往需要對(duì)問(wèn)題作出一系列的簡(jiǎn)化，采用能量平衡的方法進(jìn)行近似求解。山羽基對(duì)于外融冰給出了混和模型。將槽內(nèi)分成完全混和區(qū)和一次擴(kuò)散分層區(qū)兩部分，對(duì)于每一部分列出能量平衡關(guān)系式。盤管在不同區(qū)域的大小對(duì)混和模型的影響以修正系數(shù)的形式體現(xiàn)，參照實(shí)驗(yàn)結(jié)果決定模型中的有關(guān)系數(shù)。求解模型可以得到有關(guān)取冷特性參量及其隨時(shí)間的變化。美國(guó)的JeroldW.Jones等人對(duì)ASHRAE提出的冰蓄冷設(shè)備模型RP-459進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)，并提出了一個(gè)更為簡(jiǎn)化的模型與之對(duì)比，發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)化模型更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果，這首先是由于RP-459模型需要輸入有關(guān)冰蓄冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的信息，否則其計(jì)算結(jié)果無(wú)法達(dá)到較高的精度。
總之到目前為止，國(guó)際上在外融冰方面的有關(guān)理論研究比較而言還不夠充分，為了進(jìn)一步深入熟悉外融冰的取冷特性，我們?nèi)钥梢越梃b有關(guān)內(nèi)融冰的理論研究及模擬分析的方法及其成果67。
最后：清華大學(xué)、清華同方對(duì)外融冰技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用
冰蓄冷作為一種關(guān)鍵技術(shù)，目前國(guó)際上一般不給提供蓄冷、取冷性能曲線等基礎(chǔ)性資料和研究成果，因此，我們有必要進(jìn)一步加強(qiáng)有關(guān)方面的研究工作。清華大學(xué)與清華同方充分運(yùn)用雙方具有的人才、科技、資金和工程應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)聯(lián)合進(jìn)行了外融冰蓄冷技術(shù)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，并積極應(yīng)用于實(shí)際工程。
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