季節(jié)性冰蓄冷技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李高鋒， 馬忠龍， 肖晟昊， 羅清海

(南華大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

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季節(jié)性冰蓄冷技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李高鋒， 馬忠龍， 肖晟昊， 羅清海

(南華大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

介紹季節(jié)性天然冰蓄冷技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，對一種季節(jié)性天然冰蓄冷技術(shù)進行技術(shù)可行性探討.季節(jié)性天然冰蓄冷技術(shù)用于建筑空調(diào)既有節(jié)能和環(huán)保方面的優(yōu)勢，也存在技術(shù)實施的制約因素.通過典型建筑冷量平衡計算表明，在部分寒冷及夏熱冬冷地區(qū),季節(jié)性天然冰蓄冷技術(shù)具有較好的發(fā)展前景.圖2，表1，參18.

季節(jié)性；天然冰蓄冷；時域性；蓄冷方案；適用性

人類對自然冷能的利用歷史久遠，古希臘、伊朗和我國商周時期，即有冬季取冰存于冰窖，用于冷藏食物和夏季宮廷降暑[1-3].

傳統(tǒng)的冰蓄冷空調(diào)技術(shù),利用晝夜電價差政策，具有良好的社會經(jīng)濟效益[4].但是增加了能量的轉(zhuǎn)化過程，造成了一次能源的浪費，因此從根本上來說并沒有節(jié)約能源[5].

我國地域廣闊，不同地區(qū)氣候差異大，建筑節(jié)能措施應(yīng)充分考慮其時域性[6].在我國部分地區(qū)，冬季寒冷，夏季炎熱，存在豐富的氣候能源.若將冬季的天然冷能儲存起來作為夏季空調(diào)的冷源使用，將從根本上節(jié)約能源，改善生態(tài)環(huán)境.該文基于“冷熱能跨時空利用”的思想，提出一種新型的適用于部分寒冷及夏熱冬冷地區(qū)的季節(jié)性天然冰蓄冷技術(shù).

1 季節(jié)性天然冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展

季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)出現(xiàn)很早，例如商周時代即有冬季取冰存于冰窖，用于夏季宮廷降暑[1].但運用現(xiàn)代科技發(fā)展自然能的空調(diào)蓄冷技術(shù)卻是近三十年的事情，日本、美國、瑞典和中國等國家致力于季節(jié)性天然蓄冷技術(shù)的研究[2,7～13].1985～2000年，日本在全國范圍內(nèi)建立了50多個季節(jié)性冰雪蓄冷工程用于夏季供冷，這些工程涉及到冰雪蓄冷技術(shù)的各種應(yīng)用形式[9].1979年冬，普林斯頓大學(xué)在Forresel中心建成了一個正方形試驗性冰池.用于附近建筑物來年夏季供冷[10].1985年，D.L.Kirkpatrick[11]進行了季節(jié)性蓄冰池供冷的實驗研究，蓄冰池承擔空調(diào)面積達到了12 000 m2.在2001年～2002年，瑞典松茲瓦爾區(qū)醫(yī)院季節(jié)性雪蓄冷系統(tǒng)的實測結(jié)果顯示，系統(tǒng)的COP值為10～20[2,7].

我國對季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)的研究僅限于探討階段[5,9].2010年,余延順副教授建立了圓柱形地下儲庫熱過程的數(shù)學(xué)模型,將該模型應(yīng)用于北京市四類典型建筑特征參數(shù)的計算，得出儲存期間冷量損失均低于10%[14].

2 天然冰蓄冷技術(shù)可行性探討

2.1 蓄冷方案

1)蓄冷介質(zhì).蓄冷介質(zhì)應(yīng)該具有蓄冷潛熱大，相變過程發(fā)生快，相變溫度高，無污染，廉價和易于獲取等優(yōu)點.目前，常用的空調(diào)蓄冷材料包括水、冰、土壤、共晶鹽、氣體水合物和有機相變材料等.

2)蓄冷空間.季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)是將冬天的冷量儲存至夏季使用，需要足夠大的蓄冷空間和良好的保溫隔熱措施.充分考慮經(jīng)濟因素的前提下，為了達到系統(tǒng)運行時的冷量平衡，將蓄冷空間設(shè)在地下是一種非常好的選擇.一方面合理利用土地資源；另一方面充分利用土壤的保溫性能.

3)蓄冷模式.對于利用氣候冷能蓄冷主要有兩種模式：一種是利用自然條件下形成的冰雪蓄冷.該模式是指人工在蓄冰池中注入適量水，然后將自然條件下形成的冰雪投入蓄冰池中，利用熱管制冰技術(shù)[16]將冰水混合物凍結(jié).此種做法可以消除由于雪的密度小和冰塊間排列不緊密等情況造成的蓄冷量減小.該模式具有設(shè)備少，操作簡單，成本低等優(yōu)點.但是該模式需要人工收集冰雪，此外，由于蓄冰池較深，將冰雪投入蓄冰池時容易損壞蓄冰池中的取冷設(shè)備.該模式適用于水源充足或降雪量大的地區(qū).

另一種是利用冬季的低溫環(huán)境，人工制冰蓄冷.該模式需預(yù)先在蓄冰池中和室外布置大量換熱盤管，在盤管中通以抗凍性水溶液(如乙二醇).冬季,換熱盤管里冷媒經(jīng)過室外的換熱器充分換熱、降溫后,經(jīng)冷媒循環(huán)泵進入蓄冷盤管與蓄冰池里的水換熱,使其發(fā)生相變,從而實現(xiàn)蓄冷.該模式具有可全自動蓄冷等優(yōu)點.同樣也具有系統(tǒng)復(fù)雜,可靠性要求高,有蓄冷介質(zhì)相變膨脹問題需要解決,需要二次換熱,有輔助設(shè)備耗能,初投資較大等缺點.該模式適用于冬季氣溫很低的地區(qū)，對于自動化要求較高的場合.

2.2 可行性分析

1)冷量平衡分析.哈爾濱市某體育館占地面積為6 673 m2，總建筑面積為15 228 m2，空調(diào)面積為10 932 m2，設(shè)計冷負荷為3 614.8 Kw.計算得深5 m，半徑10 m的圓柱形地下儲冰庫儲存冷量可供使用小時數(shù)見圖1.儲存180 d時，儲存冷量可供使用87.9 h；如果每次賽事比賽區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)運行6 h，可供使用14.6次.

圖1 哈爾濱可使用小時數(shù)Fig.1 The available hours in Harbin

石家莊市某體育館占地面積為2 450 m2，總建筑面積為6 270 m2，中央空調(diào)面積為5 352.77 m2，設(shè)計冷負荷為850.365 Kw.計算得深5 m，半徑6 m的圓柱形地下儲冰庫儲存冷量可供使用小時數(shù)見圖2.儲存210 d時，儲存的冷量可供使用121.4 h；如果每次賽事比賽區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)運行6 h，可供使用20.2次.

圖2 石家莊可使用小時數(shù)Fig.2 The available hours in Shijiazhuang

2)時域適應(yīng)性.季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)是依據(jù)節(jié)能技術(shù)時域性特點提出的一種新型可再生能源利用技術(shù)，有很強的地域限制.由表1[17]可看出，該技術(shù)用于不同地區(qū)時，系統(tǒng)經(jīng)濟性差異很大.

受氣候條件、蓄冷空間和經(jīng)濟性限制，該技術(shù)適用于冬季自然冷能豐富，夏季空調(diào)總冷負荷不太大的地區(qū).所以該技術(shù)應(yīng)該適用于部分寒冷地區(qū)及夏熱冬冷地區(qū).

表1 美國不同地區(qū)季節(jié)性冰蓄冷技術(shù)的經(jīng)濟性比較Tab.1 The economic comparison of seasonal ice storage technology in different areas in America

目前，全國各城市普遍面臨著建筑用地緊張的難題.這極大地限制了季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)的推廣應(yīng)用.但是機場，體育館等大型公共建筑，具有占地面積大，地下空間利用率低等特點，能夠為季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)的實施提供適合的蓄冷空間.因而季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)特別適用于機場、體育館、劇院等大型公共建筑.

3 技術(shù)特點

季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)是基于“冷熱能跨時空應(yīng)用”的思想，充分考慮節(jié)能技術(shù)的時域性特點的一種新型可再生能源利用技術(shù).該技術(shù)充分利用寒冷地區(qū)冬季溫度低的氣候特點,為空調(diào)系統(tǒng)提供了一種廉價的低溫冷源,實現(xiàn)了建筑物空調(diào)冷負荷的季節(jié)性轉(zhuǎn)移.季節(jié)性冰雪蓄冷技術(shù)主要有以下幾個方面的優(yōu)點:

1) 冰雪的蓄冷能力強，每立方米的冰蓄冷量可達到100 Kw·h[9].

2) 與電制冷空調(diào)相比，季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)系統(tǒng)能效比很高，可達到10～20[2,7].

3) 制冷成本低、環(huán)保、低噪聲[18].

盡管季節(jié)性天然蓄冷空調(diào)技術(shù)有很多優(yōu)點，但是從目前國內(nèi)外研究實踐的現(xiàn)狀來看，仍然存在一些缺點制約該技術(shù)的發(fā)展：

1) 由于本系統(tǒng)需要很大的蓄冷空間和良好的保溫隔熱措施，所以初投資比傳統(tǒng)電制冷系統(tǒng)高.

2) 對地區(qū)氣候特點的依賴性很大.地區(qū)氣候直接影響蓄冷速率，蓄冷量，蓄冷成本和保溫成本等.

3) 保溫隔熱措施不良時冷量損失很大.鋸屑保溫層厚度為0.2 m時,年冷量損失占總存儲冷量的40% ,厚度為0.1 m時,年冷量損失達到60%[2].

4) 換熱設(shè)備布置復(fù)雜,設(shè)備檢修維護困難，對系統(tǒng)安全可靠性要求高.

4 結(jié) 語

季節(jié)性天然冰蓄冷技術(shù)適用于部分寒冷地區(qū)及夏熱冬冷地區(qū)，是可再生能源跨季節(jié)蓄存和綜合利用的新探索，有利于緩解北方夏季短期供冷難題.現(xiàn)階段以及未來的研究重點應(yīng)主要集中在地下冷量存儲技術(shù)以及與傳統(tǒng)的電制冷技術(shù)及蓄冷技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)形式及運行模式的研究.

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Biography：LI Gao-feng,male,born in 1990,Postgraduate,Engaged in building energy-saving and renewable energy technology.

Research on Seasonal Ice Cold Energy Storage Technologyin Air Conditioning

LI Gao-feng, MA Zhong-long, XIAO Sheng-hao, LUO Qing-hai

(School of Urban Construction,University of South China,Hengyang 421001,China)

This paper introduces the status and development of seasonal natural ice storage technology.It also explores its technical feasibility.Seasonal natural ice storage technology not only saves energy saving but also protects environmental.However,there are some factors that limit it.Based on calculation of cool energy balance in typical buildings,seasonal natural ice storage technology has a good prospect in some cold areas and some areas where it is hot in summer and cold in winter.2figs.,1tab.,18refs.

Seasonal,Natural Ice Cold Energy Storage,Time-Domain Characteristics,Applicability

2015-03-09

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51006050)；衡陽市社會科學(xué)基金重大課題(編號：2013A03)；湖南省教育廳科學(xué)研究項目(編號：13C329).

李高鋒(1990-)，男，河南平頂山人，碩士研究生，研究方向：建筑節(jié)能與可再生能源技術(shù).

2095-7300(2015)01-032-04

TK513.5

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