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1、外融式冰蓄冷系统的技 术特点和作用及其发展 摘要：本文介绍了外融式冰蓄冷系统的技术特点和作用，说明了外融 冰蓄冷、取冷特性，并讨论了其中的一些问题及技术难点，对中央台 冰蓄冷系统的外融冰技术的发展进行了分析。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
2、有一些特殊的制冰方式。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0C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载冷剂与管外冰进行二次换热不 同，外融冰方式
3、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79,如果采用外融冰方式，冷冻水温度可长时间保持 在129，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
4、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概况及特性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，
5、以求可以更 准确、全面地了解其规律性。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。外国学者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。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
6、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。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。可以看出，目前在对冰盘管蓄冷槽进行模拟计算时所建立的数学 模型，一般都从物理、数学的角度作了许多假定，以简化所研究的问 题，但因此也不可避免地带来了与实际工作过程的不一致性，并且每 一个模拟方法及其研究
7、成果都只能在一定条件下适用。3 取冷特性的研究冰盘管的取冷过程是一个伴随相变的过程，外融式在取冷时，不 会大量形成内融式方式出现的冰圈大量破裂形成浮冰的情况，而是冰 圈在主要融冰期间基本不脱离盘管壁，因而管外冰的变化过程相对简 单；但是另一方面，由于从整体上看水槽中的水体是一个流动过程， 因此温度场的分布极大地受到了流场、相变、物性等因素的影响，其 变化规律的分析又比内融式的融冰过程复杂得多。国内外已经对内融 冰取冷特性开展了很多研究，但是外融冰取冷特性的有关研究资料还 比较有限，还有待于进一步开展工作，应该根据外融冰取冷过程的特 点，借鉴内融冰取冷特性的方法和成果来进行研究。国外学者山羽基
8、对于外融冰槽取冷特性进行了较为深入的实验研究。研究发现，阿基 米德数Ar （与孔口直径成正比，与速度的平方成反比）对槽内水温竖 直温度分布有很大影响，欲尽可能长时间地取出低温水，应使Ar尽可 能大；盘管数量及其布置方式对取冷特性有影响，并与Ar数的大小有 关；增大冰盘管含冰率后在取冷初期取水温度有所降低；搅拌可使融 冰条件均一化，可削弱进口条件对取冷温度的影响。山羽基对于外融 冰给出了混和模型。将槽内分成完全混和区和一次扩散分层区两部 分，对于每一部分列出能量平衡关系式。盘管在不同区域的大小对混 和模型的影响以修正系数的形式体现，参照实验结果决定模型中的有 关系数。求解模型可以得到有关取冷特性
9、参量及其随时间的变化。 三发展与分析外融冰系统本身具有很好的优点，可以实现长时间稳定地取出低 温水，为实现低温送风、减小设备容量、实现系统经济高效运行、减 少占用空间提供了技术可行性，可以满足对电网实现“ 削峰填谷” 、 提高能源利用率的需要。由于北京夏季会有一段时间温度过高导冷却 水回水温度过高致使我台两台冷机同时运行也不能达到降温目的，所 以冰蓄冷系统此时就可以迅速降低温度来达到使用要求。发展外融式 冰盘管蓄冷技术具有重要的实用意义，有必要对中央台冰蓄冷的性能 特点进行进一步地分析，并探讨如何更好地应用到实际系统中去。为 了进一步促进外融冰技术的发展和应用，应该就以下几个方面进行更 深入的
10、研究。1在下一步的研究中，有必要进一步探讨技术的评价标准，对外 融冰冰蓄冷形式的特点及其优劣进行评估和探讨。2在区域供冷系统中由于可以采用大制冷系统，采用蓄冷技术无 疑是非常必要和可行的。基于外融冰方式所具有的可长时间稳定地提 供低温水的特性，在区域供冷系统中采用外融冰方式有其特有的优 势。而且如果采用直接蒸发方式进行蓄冷，既省去了二次冷媒系统， 又避免了冷热转换的中间环节，减少了能耗，并且加工、管理简单， 比其它一些蓄冷方式更有竞争力。3外融冰系统直接把槽内冷水作为栽冷剂输送到用户或者中继换 热站，利用系统的这一特点完全可以把夏季蓄冷与冬季水蓄热结合起 来，以更充分地利用现有系统，节约投资，提高经济效益，还可以选 择共用热泵型机组夏季供冷冬季供热以进一步减少采暖系统的投资。 另外，还可以方便的把蓄冰槽与消防水池结合起来，降低占用空间。 这是对外融冰蓄冷技术应用的一个很有经济性和现实性的方面。
