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1、第2 6 卷第1 期 2 0 0 7 年2月 建 筑 热 能 通 风 空 调 B u i l d i n g E n e r g y 晚上室外气温降低， 机组 运行效果差， 供热热量减少， 而室内供热负荷增加， 出 现供热不足情况。基于以上背景， 本文提出将蓄能技 术与热泵结合起来， 设计一种具有蓄能功能的户式中 央空调系统， 该蓄能系统充分发挥负荷转移的作用， 在夏季实现电力移峰填谷的目的， 在冬季实现热泵供 热的平衡， 减少或消除辅助热源， 充分发挥热泵空调 的节能作用。 1 国内外研究现状 世界上采用人工制冷的蓄冷空调大约出现在 收稿日期: 2 0 0 6 - 5 - 1 2 作者简介:
2、 肖国 锋( 1 9 8 1 -) ， 男， 在读硕士 研究生; 哈尔滨工业大学市政与环境工程学院2 2 0 6 # ( 1 5 0 0 9 0 ) ; 0 4 5 1 - 8 6 2 8 4 7 6 4 ; E - m a i l : x g f 0 1 1 6 3 . c o m 建 筑 热 能 通 风 空 调2 0 0 7 年 1 9 3 0 年前后， 发展到目 前蓄能方式有水蓄冷、 冰蓄冷 和相变材料蓄冷等多种方式。目 前国内外已建成的蓄 能空调系统都是大型空调系统， 研究也是以大型空调 系统为主， 研究热潮始于2 0 世纪7 0 年代以后， 研究主 要以冰蓄冷为主， 包括制冰方式及机
3、理的研究( 如: 动 态制冰) ， 蓄冷装置及蓄冷系统的研究， 大型工程能耗 分析及项目 实施等。近年来， C a l m a 。 蓄冰筒、 F A F C O 蓄冰槽等设备日 趋完善; B A C 外融冰蓄冰槽向内融冰 蓄冰 槽方向发展; M a x im I C E 动态蓄冰系统的出现等， 推动了美国冰蓄冷空调技术的发展与应用0 1 0 小型蓄能空调系统研究最早的是日 本。在日 本， 采用蓄能空调能得到国家及电力部门的很多优惠， 自 1 9 9 8 年开始使用蓄冷空调可获得国家补助金( 补助蓄 冷与非蓄冷空调装置费差额的1 / 2 ) ， 同时电价峰谷差 比国内要大( 5 : 1 ) ，
4、所以蓄冷系统投资回收较快， 这也 促进了日 本蓄冷系统的研究与开发， 已经开发出了多 种小型蓄能空调产品。 1 9 9 8 年日 本9 家电力公司与大 金工业、 日 立制作所、 三菱重工业、 三菱电机四家公司 共同开发了5 - 1 0 马力的小型冰蓄冷空调机。大金工 业开发出了V R V冰蓄冷系统， 九州电力公司分别与 大金工业公司、 茬原制作所合作开发出整体式冰蓄冷 空调机组z 1 ， 三菱公司还开发出了功率为0 . 7 5 k W的蓄 冷空调机组，这是世界上最小的冰蓄冷空调机组之 一。 而在2 0 0 5 年8 月在北京举行的中日 热泵蓄能技术 与产品 交流会上，日 本东京大学E ij i
5、 H ih a r a 介绍了日 本小型冰蓄冷机组的情况， 到2 0 0 4 年日 本小型冰蓄冷 空调机组达到6 万多台3 1 ， 总容量超过8 0 0 0 M Wh ， 而 且一般都具有蓄热功能，其蓄热量主要用于热泵除 霜， 也有部分机组利用晚上低谷电蓄热， 直接用于白 天供暖( 适用冬季晚上不用空调的场合) 。 国内小型蓄能空调还处在研究开发阶段， 没有产 品上市。 清华大学周晓棠就小型冰蓄冷空调的系统组 成形式、 蓄冷取冷方式( 大温差取冷) 、 控制方案及系统 效果评价方面都进行了许多分析和研究4 1 ， 从实验结 果看， 取冷运行时， 系统制冷量平均增加3 4 %， 性能系 数C O
6、 P 平均提高0 . 7 ， 过冷度平均可达3 7 。西安交 通大学冯利平等人对风冷式小型冰蓄冷系统进行了 试验研究5 1 。 上海交通大学王少为6 1等人提出了一种蓄 冷和热水器复合的空调装置， 并进行了实验研究， 改 装后空调器同原来的空调器比较，制冷量平均增加 2 8 .2 %， 性能系 数平均增加2 1 .5 % 。 复合机组提供热水 时平均性能系数为2 .7 7 。 即提供相同热量热水， 复合机 组用电量仅为电热水器的3 6 。 另外还有南京大学方 贵银、 清华大学李先庭等人都发明了蓄能空调机专利 产品( 专利号: C N 2 0 0 4 1 0 0 4 1 3 8 3 . 3 ;
7、C N 0 3 1 0 0 6 0 9 ) ， 但都 没有真正产品出现。值得注意的是， 随着像北京、 上海 等大都市用电不足和用电峰谷差日 益加大， 社会各界 越来越重视对蓄能方式的采用， 2 0 0 5 年8 月在北京召 开了中日 热泵蓄能技术与产品交流会， 1 0 月在上海召 开了首届中日 冰蓄冷研讨会， 并在2 0 0 5 年6 月份已将 大金生产的小型冰蓄冷空调安装在上海建筑科学研 究院的办公楼上， 进行实际运行分析， 对其实际效果进 行验证。 2 系统原理及流程分析 2 . 1 系统原理 本系统具有蓄冷和蓄热双重功能， 蓄能材料采用 的是转熔温度为7 .5 的 材料， 相变热1 2
8、1 k J / k g 。 夏季 晚上电力处于低谷段时， 对系统进行蓄冷， 采用直接蒸 发式蓄冷方式， 制冷剂节流后直接进人蓄冷换热装置 蒸发换热， 由于相变材料转熔温度较高， 所以机组无需 调整工况， 而此时室外气温较白 天要低， 有利于降低冷 凝温度， 提高热泵机组制冷效果。 取冷时使供回 水直 接通过蓄能换热装置取冷， 这样就避免了大温差过冷 方式需要二次传热所带来的能量损失。蓄热采用的是 直接冷凝方式， 当机组白天供热量过剩或不需供暖时， 制冷剂部分或全部通过蓄能换热装置冷凝蓄热。晚上 取热时， 把蓄能换热装置作为机组的蒸发器， 制冷剂节 流后通过蓄能换热装置取热。系统原理如图1 所示
9、。 一通阀开启状态说明 供 水呷一 31 , 8x 5 曰队时曰 八日日万日日 1 3 1 2I1 1曰气 羊华 1 压缩机2 四通换向阀3 , 4 a = 套 管蓄能 换热 装 置 1 1 , 1 3 , 1 4 , 6 ， 9 介 通阀5 室内 板 式 换热 器 7 ， 1 6 单向阀 1 5 节流机构 1 7 室外换热器 0 , 1 2 电 磁阀 I R 汽液分离器 图 1系统原理图 2 .2 系统流程运行模式介绍 系统夏季可以实现五种运行模式， 冬季具有四种 运行模式 ( 见表 1 ) 。各运行模式原理如图2 图5 所 示。其中夏季机组单独制冷( 序号 1 ) 和冬季机组单独 制热(
10、序号6 ) 与常规热泵空调基本上是一样的， 只需 将制冷剂进人蓄能换热装置的阀门关闭。机组单独蓄 第2 6 卷第 1 期肖国锋等: 蓄能户式中央空调系统创新与研究 冷( 序号2 ) 出现在夏季晚上低谷电价又无需供冷的时 候， 此时室外气温较低， 可以降低机组的冷凝温度， 提 高制冷效率。而机组单独蓄热( 序号7 ) 出现在冬季白 天气温较高室内不用供暖或居室中没人时， 此时室外 气温较高， 可以提高机组蒸发温度， 提高制热效率。机 组蓄冷/ 供冷( 序号3 ) 出现在夏季晚上气温较高需要 供冷的情况下， 此时制冷剂通过三通阀分流， 一部分 进人室内板换供冷， 一部分进人蓄能换热装置蓄冷。 由于
11、一般居民后半夜空调时间比较短， 这种情况出现 不多。机组冬季蓄热/ 供热( 序号8 ) 是本机组冬季最 为突出的特点， 也是充分发挥蓄能换热装置作用的关 键技术。在实际空调应用中， 白天空调满负荷运行时 一般都是负荷过剩的， 所以把热量储存起来， 在夜晚 供热不足的情况下供热，可以尽可能减小辅助供热 量， 充分发挥热泵节能的作用。 机组联合供冷( 序号4 ) 是指机组和蓄能换热装置同时向用户提供冷量， 这是 考虑到蓄能系统不能太大同时又尽可能减小系统的 装机容量。此时只要按设计要求将供回水分流就行。 蓄能换热装置单独供冷( 序号5 ) 指按设计要求， 蓄能 换热装置提供的负荷能完全满足用户要求
12、时， 机组停 开， 供回水通过蓄能换热装置取冷即可。用蓄热制热 ( 序号9 ) 是本系统的创新之处， 由于昼夜温差的存在， 到晚上热泵会经常出现供热不足的情况。 本系统将白 天过剩热量储存之后， 在夜间蓄能换热装置被当作系 统的低位热源，制冷剂直接通过蓄能换热装置取热， 这样可以保证蒸发温度在0 以上，大大改善机组的 性能， 提高系统运行效率， 并且保证供热效果。 的冷水出水温度， 所以可以直接供冷， 这比“ 大过冷” 系 统要少了一次传热过程， 而且系统能充分发挥蓄冷槽 的作用。 制冷 一 制热 图2 机组单独供冷/ 供热原理图 一。乙 4争十1歇 一si z 一 一二二， 一 叫 五 7w
13、 ，制冷 一制热 图3 机组单独蓄冷/ 蓄热原理图 卜陈.6!热 4丫|日丙蓄 00卜 一 一 表 1系统各种工作模式下阀门开启状态 季序 节号 系 统 工 作 状 态电 磁 阀三 通 fm 7 1 0 1 2 3 9 4 6 一 蓄冷 右关右关 调节调节 图4 机组联合供冷原理图 开二开 一汤 习一盯 ?刀 麟一以邵开拭一就以 孩一拭郧开核一拣鼓 右关右关 调节调节 关关关关关关关关开 机组制冷 机组蓄冷 机组蓄冷/ 供冷 联合供冷 蓄冷单独供冷 机组制热 机组蓄热 机组蓄热/ 制热 用蓄热制热 注: I 、 三通阀对应的开启状态如图一所示; “ 一 ” 表示三通阀完全关闭。 一 ，7 一
14、2 .3 系统特点分析 本系统尽管较常规系统在控制和运行方面复杂 一些， 但比常规系统具有以下优点: 能实现电力的“ 移峰填谷” 。 本系统具有独立的 蓄冷系统， 而且由于相变材料相变温度接近常规空调 13 1IIIi b 图5 机组用蓄热制热原理图 建 筑 热 能 通 风 空 调2 0 0 7 年 冬季能弥补晚上供热不足的缺陷。由于晚上气 温较低， 经常出现供热量不足的缺点， 需要补充热源， 而空调冬季主要用于晚上。传统热泵一般直接采用电 取暖， 这样造成高位电能的浪费。本系统采用蓄能方 式， 在白天不用热泵或有多余热量时， 将热量储存， 晚 上把蓄能换热装置作为系统的低位热源， 这样就能稳
15、 定供暖。 夏季蓄冷过程在晚上进行， 此时室外温度比白 天要低， 有利于空气源热泵的工作。冬季室外换热器 工作时都在白天运行， 白天气温高， 空气源热泵蒸发 温度高， 有利于空气源热泵的工作。从表2 可以清楚 看出全国各地昼夜气温差相差都比较大， 尤其在冬 季， 蒸发温度的提高对于机组性能和供热量影响都很 大。同时， 冬季单独蓄热时， 由于蓄能换热装置只作为 低位热源， 不直接供暖， 蓄热温度可以降低， 这样可以 降低机组冷凝温度， 更有利于提高热泵蓄热时的运行 ,睦能。 表2各城市气温日较差对比 济南兰州 一书 一刀75 长沙武汉成都北京大连西安 8 . 0 7 . 0 7 . 5 8 .
16、0 5 28 . 4 6 .4 7 . 5 6 . 1 8 . 9 5 38 . 2 夔5460 城币 最热月( 7 月， ) : 最冷月( 1 月， ) : 注: 根据清华大学全国气候D e S T 统计数据整理而成 可以减小系统装机容量。 对于目 前我国空气源 热泵应用最为广泛的长江中下游地区， 供热负荷要小 于供冷负荷， 所以可以在满足供热负荷的基础上选择 机组， 而冷负荷不足部分可以由蓄冷负荷补充。同时 机组可以尽可能在满负荷状态下运行， 有利于提高能 源利用率。 相变材料相变温度高， 蓄冷时比冰蓄冷的效率 要高。而且由于家用空调的特殊性， 必须考虑蓄冷和 供冷同时出现的情形。因为P
17、C M的相变温度为7 . 5 ，所以蓄冷和蓄供同时出现时无需调节系统的工 况， 可以按常规空调工况工作。 同分担空调负荷。 这种系统转移的尖峰电量相对较小， 但在空调负荷大时， 制冷机与蓄冷装置同时供冷， 可以 大大减小制冷机装机容量和相变材料用量， 与全量蓄 冷相比其初投资大幅度减少， 同时转移了一部分尖峰 电量， 所以这种方案非常适合户式蓄能中央空调。夏 季运行能量示意图如图6 所示。 对于冬季， 主要考虑的是白天是否能实现蓄热， 据 文献 7 在2 0 0 3 年1 2 月1 5 日 一 2 0 0 4 年1 月1 5 日 ( 共 7 2 0 h ) 供暖期内的实测调查， 北京地区日 平
18、均室外环 境温度为一1 ， 个别时刻达到一1 0 一一8 ， 空调 系统测试期内系统共运行 5 2 0 h ，占测试期总时段的 7 2 ， 平均每天有6 . 7 小时不用热泵， 这段时间主要集 中在中午到午后， 但此时室外气温最高， 最利于空气 源热泵工作，所以宜在这段时间作为蓄热工作时段。 北京地区如此， 而空气源热泵主要应用地区长江中下 游流域， 白天蓄热的可行性更高， 蓄热时间更长。而实 际上， 在夏热冬冷的长江流域， 热泵冬季使用的时间更 短， 据文献【 8 所统计的衡阳地区的空调使用情况看， 冬季白天用户使用空调的时间更短， 根据以上分析， 冬 季完全可以让空调在白天蓄热以解决晚上供
19、热不足 的问题。系统关键在于如何匹配冬夏蓄能量的大小， 是系统能达到冬夏两用的要求。 冬季运行能量示意图 如图 7 所示。 冷负荷曲线 蓄能装置 补充冷量 蓄 冷 量 机 组 供 冷 蓄 能 ! 装 置 I I供冷 0 : 0 0 8 : 0 0 1 7 : 0 0 0 : 0 0 图6 夏季运行能量示意图 3系统关键技术研究 3 . 1蓄能量大小的确定 蓄冷空调蓄冷方式一般分为全量蓄冷和分量蓄 冷。全量蓄冷是利用电价低谷段或非空调时段蓄冷， 以满足全天空调的负荷要求。这种方式能最大限度地 发挥蓄冷空调的作用， 但是初投资太大， 对户式空调 而言， 蓄冷系统太大， 所以不应采用这种系统。分量蓄
20、 冷时利用电价低谷段或非空调时段蓄冷， 到空调时间 利用蓄冷装置供冷， 并配合制冷机运行， 与制冷机共 机组满负荷 机组电力负荷 压缩机功率 蓄热景 利用蓄热制热 1 7 : 0 0 2 2 : 0 0 8 : 0 0 图7 冬季运行能量示意图 第2 6 卷第 1 期肖国锋等: 蓄能户式中央空调系统创新与研究 3 .2 蓄能换热装置的设计与研究 蓄能换热装置的设计是本系统的关键。 蓄能换热 装置具有多种功能， 内部有多种介质的存在。为此， 笔 者设计了一种三套管蓄能换热装置。蓄能换热装置具 有三层套管， 中心套管是制冷剂管， 中间层套管储存相 变材料， 外层套管为冷水管， 其结构设计如图8 所
21、示。 蓄冷时制冷剂通过中心管道， 直接蒸发制冷， 通过冷却 中间层管道中的相变蓄能材料蓄冷; 取冷时冷水通过 外管， 从中间层相变蓄能材料中 提取冷量; 蓄热时制冷 剂直接在中心盘管冷凝放热， 将热量蓄在中间层相变 材料中; 取热采用的也是直接蒸发方式， 制冷剂节流后 通过中心盘管蒸发，而蒸发热量来源于中间层盘管的 蓄能材料， 由于蓄能材料温度高， 可以保证较高的蒸发 温度， 从而达到稳定供热的目的。三层套管之间采用 “ 肋” 支撑， 以达到结构稳定的目的。 这种套管式蓄能换 热装置可根据蓄热要求的大小而自由组装，即由机组 设计大小决定蓄能换热装置大小。组装之后再加上边 框及保温材料即可。 关
22、键是要能承受一定的安全压力， 并且要考虑系统回油问题。 实现电力的移峰填谷， 还能解决一直困扰空气源热泵 冬季供热不足的问题，能够提高空气源热泵的运行稳 定性。同时蓄能换热装置冬夏两用， 提高了设备利用 率。随着我国大部分地区分时电价的实施及峰谷电价 的进一步拉大， 将会促进这项技术的产品化， 为我国能 源的发展做出贡献。 冷水盘管 P C M盘管 参考文献 1 张永锉. 蓄能式空调的现状与展望 A . 见: 暖通空调新技术1 . 北京 C : 中国 建筑工业出版社， 1 9 9 9 . 1 0 - 1 5 2 张 永 锉. 日 本蓄能空调 发展简 介 J . 电 气时 空 ， 2 0 0 2
23、 , ( 1 1 ) : 1 8 3 E ij i H i h a r e . H e a t P u m p T e c h n o l o g y i n J a p a n A . 见: 2 0 0 5 中日 热泵蓄能技术与产品交流会 C . 北京: 中国建筑科学研究院， 2 0 0 5 . 9 7 - 1 1 1 4 周晓棠， 李吉生， 赵庆珠. 户式冰蓄冷空调系统的研制与开发 J . 暖 通空调 ， 2 0 0 2 , 3 1 ( 4 ) : 1 0 - 1 1 5 冯利平， 李建风， 崔天生， 等. 风冷式小型冰蓄冷系统蓄冰过程 试验 研 究 J . 制 冷 与空 调 ， 2 0
24、0 3 , 3 ( 6 ) : 4 3 - 4 6 6 王少为， 李震炎， 赵可可， 等. 小型复合空调器的 研制和实验研 究 J . 制冷 学 报， 2 0 0 4 , 2 5 ( 2 ) : 1 7 - 2 0 7 l 王伟， 马最良 ， 姚杨， 等. 双级藕合热泵供暖系统在北京地区实 际 应 用 性能 测 试与 分 析 J . 暖 通空 调 ， 2 0 0 4 , 3 4 ( 1 0 ) : 9 1 一 1 0 5 8 符向 桃， 钱书昆， 谢朝学， 等. 夏热冬冷地区住宅能耗特征与对 策 J . 墙 材革 新与 建 筑 节 能 ， 2 0 0 4 , ( 1 1 ) : 2 8 - 3
25、 1 会讯 2 0 0 7 年中国制冷展 图8蓄能换热装置示意图 3 .3 系统运行模式控制 本文所设计的系统一个最大的优势是具有灵活 的运行模式， 能实现各种工况下的运行。 但同时需要对 系统的可行性与可靠性问题进行研究，系统需要良 好 的控制系统， 使系统实现最佳运行， 达到节能、 稳定运 行的目的。 同时作为家用户式中央空调， 需要简单良 好 的操作界面， 所以系统需要较高的自 动化水平。 4结语 随着我国经济的发展、 能源需求的扩大， 电力高 峰对电网的压力在短时期内无法完全解决，因此研究 空调蓄能技术以尽可能实现移峰填谷， 对我国可持续 发展有着重要意义。 尽管本系统稍微复杂， 但是
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