閆帥博

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，是社會建設的必需資源，奠定國家根本，因此能源問題始終都是世界各國關注的焦點，能源領域的技術變革與創(chuàng)新在人類社會的發(fā)展歷史中占據(jù)舉足輕重的地位。而人類社會對能源需求量的急劇增加導致化石類能源的過快和過度開發(fā)，引發(fā)了社會各界學者對于環(huán)境污染和未來能源供應能否持續(xù)的擔憂。

由于煤炭、石油、礦產(chǎn)、天然氣等化石燃料與核燃料具有不可再生性，如何在確保人類社會能源可持續(xù)供應的同時減少能源利用過程中的環(huán)境污染，是當今世界各國共同關心的問題。因此，提高能源利用效率、發(fā)掘新能源、實現(xiàn)可再生能源（太陽能、風力、潮汐能、地熱能等）有效開發(fā)，已成為解決人類社會發(fā)展過程中日益凸顯的能源需求增長與能源緊缺、能源利用與環(huán)境保護之間矛盾的必然選擇。

為應對這一人類共同面臨的挑戰(zhàn)，社會各界已開展了大量研究，主要體現(xiàn)在開源和節(jié)流兩方面。開源即是尋求更多的可用能源以維護能源的可持續(xù)供應，除去傳統(tǒng)意義上的化石能源核能、生物質能近年來得到高度關注并迅速發(fā)展，多數(shù)可再生能源也漸漸走進人們的視野。節(jié)流則在于盡可能減少對能源的浪費，通過提高能源的利用效率，爭取延緩化石能源枯竭的速度，并減少對環(huán)境的污染。

時至今日，節(jié)能技術在社會各界已得到廣泛應用，儲能技術的不斷創(chuàng)新為能源節(jié)約利用提供了新方向。其中用于工、礦、商廈的大中型冰蓄冷技術的研究開發(fā)和推廣應用已形成一定規(guī)模，而用于小環(huán)境下的節(jié)能技術過于簡單，沒有形成規(guī)?；瘧?。家庭作為社會的重要組成部分，能源節(jié)約利用必須從“小”做起，才能取得“大”的收獲。空調、冰箱作為家用電器中耗電量最大的部分，怎樣節(jié)能一直是各大廠家研究的關鍵方向，而儲能技術中相變蓄冷概念的提出為實現(xiàn)節(jié)能提供了新途徑。

1.相變蓄冷技術

相變蓄冷技術是利用相變材料在其本身發(fā)生相變的過程中，通過吸收并在必要時向環(huán)境放出冷量，來實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的削峰填谷，從而實現(xiàn)電網(wǎng)負荷被平衡、環(huán)境溫度被控制和節(jié)能等目的。冰蓄冷，作為一種能源存儲方式，結構簡單、方便安裝，相比于其他儲能材料，冰作為蓄冷介質優(yōu)勢非常明顯，在負荷周期長、夏季日負荷高的夏熱冬暖地區(qū)應用經(jīng)濟性效益顯著。另外，在商業(yè)建筑中，由于空調系統(tǒng)的能耗占到建筑總能耗45%～55%，國內(nèi)部分大城市的高峰用電中空調用電達35%以上，并且空調系統(tǒng)的運行機制具有晝行夜停的特點，因此也具備應用冰蓄冷系統(tǒng)的先天條件。使用相變蓄冷空調，不僅達到了“移峰填谷”，平衡電網(wǎng)負荷的目的，同時也減少了空調裝機容量和相應的配套設施，節(jié)省了運行費用。

1.1家用小型冰蓄冷空調系統(tǒng)

以120m2房間為例，冰蓄冷空調與常規(guī)空調相比該系統(tǒng)增加了蓄冰槽、蓄冷用儲液器以及相應的轉換閥門，所蓄冷量在白天空調工況運行時對制冷劑進行過冷。該系統(tǒng)由制冷劑系統(tǒng)和空調水系統(tǒng)并聯(lián)而成， 采用全部蓄冷策略。圖1給出了蓄冷空調的系統(tǒng)原理圖，蓄冷運行時，冷凝器出來的制冷劑經(jīng)電子膨脹閥進入蓄冰槽蒸發(fā)，將冷量蓄存;取冷運行時，冷凝器出來的制冷劑進入蓄冰槽，制冷劑過冷后再進入蒸發(fā)器，從而提高了制冷量和性能系數(shù)。這種蓄冷空調系統(tǒng)組成簡單，在常規(guī)空調的基礎上僅增加了蓄冰槽、簡單管路等，符合小型空調控制靈活的要求。系統(tǒng)圖如下：

1.2實驗裝置設計

本實驗裝置在制冷量為5kW的分體式空調的基礎上改造，添加蓄冷和取冷裝置，以及相關閥門和管路部件，組成小型冰蓄冷空調系統(tǒng)。

在常規(guī)空調工況中，冷凝溫度取45℃，蒸發(fā)溫度 7℃，過冷度5℃。當使用蓄冰槽使制冷劑過冷，理論上最低可過冷4℃，則由壓焓圖計算可得，制冷量比原來增加約34%。如果制冷量增大，要求蒸發(fā)器規(guī)格也相應增大。由于本試驗裝置使用原系統(tǒng)的蒸發(fā)器，蓄冷前后蒸發(fā)器設備性能不發(fā)生變化。因此，過冷度不宜過大。根據(jù)實際情況，選取過冷度20℃。

同時，本設計選取以下參數(shù)：

（1）蓄冷工況：室外空氣溫度32℃，蒸發(fā)溫度-5℃;

（2）取冷工況：室外空氣溫度37℃，蒸發(fā)溫度7℃，取冷時間10h;

（3）蓄冷槽尺寸：90mm×70mm×30mm，貯水量140kg，蓄冰率55%，蓄冷量30×100kJ。

1.3 實驗及結果分析

常規(guī)制冷、蓄冷制冷和取冷制冷三種工況的制冷量、性能系數(shù)COP參數(shù)如表2所示。從表中可得出，與常規(guī)運行相比，蓄冷運行中制冷量降低，約為常規(guī)制冷量的60%，這意味著蓄冷運行消耗更多的電能;取冷運行時制冷量上升約12%，性能系數(shù)COP上升0.5。由于三種工況運行時消耗電功率大致相等，蓄冷運行和取冷運行時間之比為1：5。通過詳細計算可得，當峰值與谷值電價之比大于1.4時，蓄冷制冷比常規(guī)制冷節(jié)省電費，峰谷電價比值越大，家用空調節(jié)能越多，經(jīng)濟效益越高。因此，小型冰蓄冷空調應用的較大市場在峰谷值電價差距大的地區(qū)。實驗證明夜間利用波谷電直接蒸發(fā)制冷蓄冰，白天過冷制冷，這種冰蓄冷技術應用在小型空調系統(tǒng)上是可行的。

2.結論

綜上所述，小型蓄冷空調設備具有良好的移峰填谷效果， 因而受到社會和電力部門的大力支持， ?同時也因減少電費支出而受到用戶歡迎。小型蓄冷空調技術的研究開發(fā)和推廣應用對我國電網(wǎng)調峰、節(jié)能及環(huán)境保護有著十分重要的意義和發(fā)展前景。對于大多數(shù)空調使用者也是經(jīng)濟可行的，但必須考慮當?shù)氐臍夂驐l件、設計性能、相關電力政策等因素。當所有不利條件得到良好解決， 則小型冰蓄冷空調將會在提高能源利用率、電網(wǎng)移峰填谷發(fā)揮其獨特的社會和經(jīng)濟效益。家用節(jié)能技術的應用，勢必會推動整個社會在能源利用方面取得較大成就，為我國能源可持續(xù)供應貢獻自己的力量。

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