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摘要：本文給出一種家用冰蓄冷空調系統的原理、結構和設計方法，并結合清華同方人環設備公司生產的戶式空調，進行了相應的實驗研究；考查了機組在各種工況下的運行情況，并對家用冰蓄冷空調和常規空調在制冷量、制冷效率COP以及過冷度等方面作以比較，提出設計家用冰蓄冷空調的幾點建議。

關鍵詞：家用冰蓄冷空調；蓄冷；取冷；過冷度

AbstractResidentialice-storageairconditioningsystemisintroducedwithrespecttoitsprinciple,structure,designandexperimentalmethods.Itisalsocomparedwiththeordinaryresidentialairconditioningsysteminrefrigerating,volume,energyefficiencyandsub-coolingdegreeetc.Someimportantsuggestionsaregiventothisice-storagesystem.

Keywordsresidential,ice-storageairconditioning,sub-coolingdegree

1前言

冰蓄冷作為一項成熟技術，在大型中央空調系統中的應用越來越廣泛，它不僅使電力負荷"削峰填谷"，提高發電設備的年利用率，也保證制冷機組滿負荷高效率運行，降低空調系統的運行費用，帶來了顯著的社會效益和經濟效益。

但是，隨著人們生活水平的提高和全球氣候變暖的影響，小型家用空調器近幾年的增長速度是相當驚人的。椐統計，1995年全國每百戶城鎮居民平均擁有8臺房間空調器，到2000年每百戶居民房間空調器的擁有量已達40臺；而在部分經濟發達地區，如北京、上海和廣州，這一比例已由1995年的15臺/百戶猛增至2000年的78臺/百戶[1]。家用空調器的耗電量在總空調耗電量中也占據著相當大的份額，2000年北京地區為60%，日本的統計數據為80%[2]，而且其運行特點又進一步加大了電力負荷的峰谷差異，給電力供應造成更大的壓力。

本文提出將冰蓄冷技術應用到家用空調器等小型空調設備上，并對該冰蓄冷系統進行了全面的實驗研究，結果表明，家用空調器配以適當的冰蓄電池冷系統，能夠達到提高機組出力、降低設備容量、減少運行費用的目的，同時它起到的"削峰填谷"作用也是很可觀的。

2實驗裝置和實驗過程

2.1系統組成

家用冰蓄冷空調應具備以下特點：結構簡單緊湊、蓄冷取冷方便、控制靈活有效等。圖1給出了該冰蓄冷空調的系統組

成，它將直接蒸發制冰蓄冷，制冷劑內融冰取冷及大溫差過冷有機的結合為一體，從而大幅度提高制冷量和制冷效率。

該冰蓄冷空調系統有以下三種運行工況：

1)蓄冷運行，閥門V1、V2、V3為開，其余為關，循環依次由壓縮機1、冷凝器3、蓄冷用儲液器4、雙閥機構5、蓄冰槽6等部件組成：

2)取冷供冷運行，閥門V4、V5、V6、V7為開其余為關，循環依次由壓縮機1、冷凝器3、蓄冷用儲液器4、蓄冰槽6、雙閥機構5、蒸發器7等部件組成；

3)常規空調運行，閥門V1、V4、V7為開，其余為關，循環依次由壓縮機1、冷凝器3、雙閥機構5、蒸發器7等部件組成。

常規空調機組在標準運行工況下：蒸發溫度為2℃，過熱度為5℃；冷凝溫度為50℃，過冷度為3℃，R22的單位制冷量為151kJ/kg;當利用蓄冰槽使制冷劑過冷后，其冷凝溫度會有所降低，而過冷度卻大幅度增加（可達35℃以上），單位制冷量可達到205kJ/kg,約為35%。

系統設計的關鍵是蓄冰槽的設計，它的設計思路是這樣的：首先確定系統白天運行進需取冷的小時數，根據大溫差過冷多提供35%制冷量這一指標，得到系統的總蓄冷量和蓄冰量；然后建立直接蒸發蓄冰過程的傳熱模型[3]，據此算出蓄冰盤管的尺寸和長度，合理設計蓄冰槽形成狀和布置蓄冰盤管；最后匹配設計其它部件，諸如儲液器、膨脹閥等。

2.3實驗方法

本實驗基于清華同方人環設備公司生產的制冷量為12kW的戶式中央空調，增加蓄冷、取冷系統部分，也就是說，在取冷運行過程中，機組提供的額定制冷量為16Kw，而不取冷時機組仍可提供12Kwr制冷量。同時設計白天運行時可取冷10小時，那么總蓄冷量為9.8冷噸時（127×103kJ），蓄冰槽的尺寸為1.35×0.6×0.8m3。

在實驗過程中，針對蓄冰運行、冷機取冷供冷運行和常規空調運行三種不同方式，利用該系統中布置的溫度和壓力傳感器（如圖1所示），采集到以上三種工況的運行參數，據此考查該冰蓄冷空調的運行情況，給出制冷量、性能系數COP和過冷度，蓄冷量和取冷量隨時間的變化關系，以及蓄冰槽內的溫度分布等等，最后得到設計家用冰蓄冷空調系統的幾點建議。

3實驗結果和分析

3.1機組運行情況

由上圖見，蓄冷運行時系統產生振蕩，調節膨脹閥后可得到確認，系統振蕩是由于膨脹閥特性與系統不匹配產生的，因此，蓄冷特環和制冷循環要使用不同的熱力膨脹閥。

3.2取冷供冷與常規運行結果比較

從上面各圖的比較中，基本上可以反應出家用冰蓄冷空調系統和常規空調之間的差別。在10小時的運行過程中，取冷供冷運行制冷量平均為15.6kW，常規空調平均為12kW，平均增加約30%，性能系數COP前者平均為3.7,后者為3.0，提高約0.7；過冷度前者平均可達37℃，而后者僅為2℃，可增加約35℃。這些指標者進一步說明該冰蓄冷方案是十分可行的。

3.3蓄冷和取冷特性

首先蓄冷量和取冷量隨時間基本上呈線性變化。

在蓄冷過程中，蓄冷率平均為7.2kW,是冷機額定制冷量12kW的60%；但冷機所提供的冷量并沒有隨冰層厚度的增加而顯著減少，這說明設計冰層厚度（20mm）遠小于臨界冰層厚度，因此蓄冰盤管間距還可以相應增大，從而減少盤管長度。

在取冷過程中，取冷率平均約為3.6kW，但在取冷初期和末期較小，因為防出的冷量為冰和水的顯熱，而中期取的是冰的潛熱，這也是可以從過冷度的變化中看出。

實驗過程中，還記錄了蓄冰槽內由上至下冰水混合物的溫度分布。在蓄冷過程中槽內溫度分布不均勻，存在分層現象，這與很多有關直接蒸發蓄冰過程建模的假設不相符合，因此以后建模時必須適當考慮這種溫度不均勻性的影響。在取冷過程

中，槽內溫度分層現象更加明顯，這是因為取冷運行時制冷劑和管外冰水混合物的換熱溫差很大，所需換熱面積遠遠小于蓄冷時的需要所至。

4結論

4.1采用直接蒸發制冰蓄冷，制冷劑內融冰取冷及大溫差過冷的方案，把冰蓄冷技術應用到家用空調器等小型空調設備

上，是行之有效的。

4.2蓄冷量的確定是系統設計的關鍵，它關系到制冷系統的匹配運行，系統的外形尺寸、以及初投資和運行費等技術經濟問題；

4.3常規空調系統的膨脹閥和儲液器不適用于蓄冷嘲熱諷系統，必須重新設計，才能確保各種工況（蓄冷、取冷、常規供冷）的正常運行；

4.4家用冰蓄冷空調系統能否被推廣使用，歸根到底是用電政策方面的問題，如果民和電也能夠實行分時計價，且峰谷電價差進一步拉大，這必將有助于該項技術的產品化，同時為解決電力供應高峰不足而低谷過剩的矛盾作出很大貢獻。

參考文獻

1.翟超勤，"全國家用空調器年耗電量的估算"，全國暖能空調制冷2000年學術年會論文集，2000.10

2.劉順波等，"冰蓄冷柜式空調器技術"，家用電器科技，1998.6

3.方貴銀，"直接蓄冰系統蓄冷過程動態模型研究"，熱能動力工程，1999.3

4.彥啟森，趙慶珠，《冰蓄冷系統設計》，全國蓄冷空調節能技術工程中心，1999.7

5.嚴德隆等，《空調蓄冷應用技術》，中國建筑工業出版社

6.ChenSih-Lietc.,"Theoreticalandexperimentalinvestigationsofapackagedice-storageair-conditioningsystem",TransactionsoftheChineseInstituteofEngineers,v18n51997,p445-457

7.張華等，"冰蓄冷空調系統的評價方法"，節能技術，1997.4