袁 麗， 茅靳豐， 王起偉

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

蓄冷空調(diào)是應(yīng)急避難場所的重要環(huán)境控制手段之一。蓄冷空調(diào)系統(tǒng)平時進行制冰并儲存在蓄冰槽內(nèi)，當避險人員進駐后需要對應(yīng)急避難場所降溫時，開啟融冰釋冷系統(tǒng)，利用蓄冰槽儲存的冷量為應(yīng)急避難場所內(nèi)的空氣降溫除濕[1]。蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計簡單[2-4]，釋冷時電能消耗少，且冰安全無毒，不會對避險人員造成傷害，在礦用救生艙[5-7]和避難硐室[8-12]、防護工程應(yīng)急避難室[13]、方艙[14]等應(yīng)急避難場所的溫濕度控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

蓄冷空調(diào)安裝在應(yīng)急避難場所，平時處于日常維護狀態(tài)，有險情需要時能夠立即投入使用，蓄冰槽內(nèi)一直要儲存有足夠量的冰保證避險期間的有效保障時間。而蓄冰槽內(nèi)的傳熱狀況是影響蓄冷空調(diào)運行能效的重要因素[15]。研究表明，直接蒸發(fā)式盤管蓄冰槽換熱損失小，傳熱效率高，但是，隨著蓄冷盤管外冰層的增厚，冰的熱阻也隨之增大，導致蓄冰槽內(nèi)的換熱惡化，蓄冷空調(diào)的性能系數(shù)會越來越小，也就是說隨著蓄冷空調(diào)運行時間的增加，其經(jīng)濟性逐漸下降[16-20]。如何選擇有效的蓄冷空調(diào)運行控制策略，是既保證避險時有足夠的冰，又使得平時運行不致耗能過大的關(guān)鍵。吳磊等[21]提出一種全年不同負荷運行下的冰蓄冷空調(diào)控制策略，結(jié)果表明：采用基于全年不同負荷運行的冰蓄冷空調(diào)控制策略，增大了系統(tǒng)的需求響應(yīng)潛力，在電網(wǎng)側(cè)可以起到削峰填谷的作用，在用戶側(cè)能在保障用戶用電舒適度的基礎(chǔ)上，提高用電經(jīng)濟性。林建泉[22]對比分析了優(yōu)化控制、逐步邏輯判斷優(yōu)化以及主機優(yōu)先3種控制策略下小型過冷式冰蓄冷多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。王修巖等[23]提出了基于非線性多目標模型的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略。孫悅等[24]對比分析了冰蓄冷空調(diào)常見運行策略，分析總結(jié)了國內(nèi)外冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化運行控制的研究現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展方向提出了建議。目前對蓄冷空調(diào)控制策略研究主要集中在傳統(tǒng)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，缺少對于應(yīng)急避難場所使用的蓄冷釋冷一體化蓄冷空調(diào)的運行控制策略研究。

應(yīng)急避難場所蓄冷空調(diào)的運行控制策略與其蓄冷過程中制冷系統(tǒng)的運行特性、停機保溫性能、融冰釋冷過程的性能以及有效保障時間密切相關(guān)，課題組成員研究了應(yīng)急避難場所蓄冷空調(diào)的融冰釋冷性能[25]，而未涉及蓄冷空調(diào)蓄冷過程中制冷系統(tǒng)的運行特性和停機保溫性能的研究。本文采用試驗的方法對某避難方艙內(nèi)的蓄冷空調(diào)蓄冷運行特性和停機保溫性能進行了研究，結(jié)合文獻[25]中融冰釋冷試驗的結(jié)論，通過圖解和理論分析的方法，得到了蓄冷空調(diào)的運行控制策略。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)

如圖1所示，蓄冷空調(diào)由制冷系統(tǒng)和釋冷系統(tǒng)兩部分組成。

圖1 蓄冷裝置的結(jié)構(gòu)原理和實物圖

制冷系統(tǒng)由制冷壓縮機1、冷凝器和冷凝風機2、膨脹閥3和蒸發(fā)器盤管4組成，其中蒸發(fā)器盤管4放置在蓄冰槽9內(nèi)，并在每組盤管的上下直管段之間安裝平板狀肋片，如圖2所示，用來擴大換熱面積，提高蓄冷和釋冷的換熱效率。蓄冰機組外殼內(nèi)部使用20 mm聚氨酯材料(導熱系數(shù)0.034 W/m·K)進行保溫。蓄冷時，關(guān)閉分離式熱管控制閥5，接通制冷壓縮機1的電源，制冷劑在蒸發(fā)器盤管4中發(fā)生相變，通過管壁吸收蓄冰槽內(nèi)水的熱量，使水降溫制冰，當冰體平均溫度降到-5 ℃時，即認為完成了制冰。

釋冷系統(tǒng)由分離式熱管控制閥5、循環(huán)風機6、分離式熱管冷凝段8、分離式熱管蒸發(fā)段10組成，融冰釋冷時，切斷壓縮機1的電源，開啟循環(huán)風機6，打開分離式熱管控制閥5，使熱管蒸發(fā)段和冷凝段連通。應(yīng)急避難場所內(nèi)溫濕度較高的空氣流經(jīng)熱管蒸發(fā)段時，將熱量傳給熱管中的制冷劑，溫度降低，當溫度降到空氣露點以下時便有水分析出，達到除濕的目的。降溫后的空氣再通過系統(tǒng)內(nèi)風道，與蓄冰槽壁面進行二次換熱，溫濕度進一步降低，最后由循環(huán)風機6將其從送風口7送出。熱管中的制冷劑在蒸發(fā)段吸熱蒸發(fā)變成氣態(tài)，沿著蒸氣上升管流入熱管冷凝段8，被蓄冷槽內(nèi)的冰冷凝成液態(tài)，經(jīng)過液體下降管流回到熱管蒸發(fā)段，就這樣循環(huán)往復，完成將蓄冰槽內(nèi)冰的冷量傳遞給空氣。

圖2 蓄冰槽內(nèi)制冰融冰盤管位置圖

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要參數(shù)指標如表1所示。

表1 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要參數(shù)指標

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗過程中，使用Pt100鉑電阻測量溫度。分別在蓄冰槽中心位置、槽體壁面長邊、短邊的中間位置和兩組蒸發(fā)盤管之間的中間位置，由下到上間隔300 mm布置測溫點，共16個測點，如圖3所示。在壓縮機吸、排氣管上和膨脹閥進出口管路上分別布置溫度測點，記錄管內(nèi)制冷劑的溫度變化。在蓄冷空調(diào)機組附近布置測點記錄環(huán)境溫度并監(jiān)測冷凝器的進出風溫度。采用風量罩測量風冷冷凝器的風量。壓縮機的電流電壓分別采用穿孔式電流變送器和電壓變送器輸出信號，再由聯(lián)測無紙記錄儀記錄存儲數(shù)據(jù)。通過真空壓力表讀取壓縮機吸氣、排氣壓力。采用人工目測的方法進行液位的測量，每30 min記錄一次數(shù)據(jù)。

圖3 蓄冰槽內(nèi)溫度測點布置圖

將溫度采集模塊YC1013和YC1002 (模塊的測溫范圍為-200～600 ℃，精度為0.1 ℃)串聯(lián)組成一個24路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過485通訊接口，采用標準Modbus協(xié)議實現(xiàn)與力控組態(tài)軟件的通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、可視化和記錄，數(shù)據(jù)采集記錄與存儲周期均設(shè)置為1 min。數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場如圖4所示。測量儀表及設(shè)備參數(shù)如表2所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場圖

表2 測量儀表及設(shè)備參數(shù)

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理方法

(1)蓄冷量

蓄冷量Qw包括顯熱和潛熱蓄冷量

Qw=mwcw(tcw-tzw)+mici(tci-tzi)+mir

(1)

式中：Qw為蓄冷量；mw、mi分別為水和冰的質(zhì)量；cw、ci分別為水和冰的比熱容；tcw、tzw分別為初始和終了時水的溫度；tci、tzi分別為初始和終了時冰的溫度；r為水的凝固潛熱，其值為335 kJ/kg。

(2)壓縮機輸入功率

研究的蓄冷空調(diào)使用全封閉渦旋壓縮機，蓄冷空調(diào)運行過程中，壓縮機的輸入功率可通過測量電壓和流過的電流計算

(2)

式中：η為電機效率，約0.9；V為電壓；A為電流。

(3)制冷系統(tǒng)性能系數(shù)的計算

蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)可使用蒸發(fā)器的換熱量與壓縮機輸入功率的比值進行計算，蒸發(fā)器的換熱量包括蓄冷量和漏冷量，由于蓄冰槽采取了保溫措施，漏冷量遠小于蓄冷量，并且漏冷量并不影響COP(Coefficient of performance)的變化趨勢，因此本文中使用蓄冷量與壓縮機輸入功率的比值來計算COP

(3)

(4)剩余冰量

剩余冰量為

(4)

式中：σ為剩余冰量百分比；δi為某時刻液面變化量；δ為蓄冰結(jié)束時液面的總變化量。

剩余保障時間表達式為

式中：Δt為剩余保障時間；Vi為蓄冰結(jié)束時冰的體積；Qz為蓄冰機組制冷量。

2 蓄冷性能試驗

2.1 蓄冷空調(diào)運行特性

壓縮機排氣壓力的升高和吸氣壓力的降低，即壓縮比的增大，會使蓄冷空調(diào)的制冷量下降，耗能增加。圖5為蓄冷時機組吸排氣壓力和壓縮比隨時間的變化，由圖5可知，機組開始運行后壓縮比不斷增大，從3.73增加到7.19，增幅達92.8%。壓縮比在蓄冰前期增加較快，隨后至蓄冰結(jié)束緩慢增加。這是因為在機組運行開始階段，制冷劑在蒸發(fā)器盤管內(nèi)與蓄冰槽中的水進行換熱，處于顯熱換熱階段，傳熱溫差比較大，盤管的換熱能力強，所以壓縮機吸氣溫度和吸氣壓力較高，壓縮比較小。隨著蓄冰槽內(nèi)的水不斷發(fā)生相變，由于冰層的影響盤管的換熱能力逐漸下降，導致機組的制冷能力不斷下降，造成排氣溫度和排氣壓力逐漸升高，吸氣溫度和吸氣壓力不斷下降，壓縮比不斷升高。

圖5 吸排氣壓力和壓縮比隨時間的變化

蓄冷過程中制冷系統(tǒng)的性能指標用COP表示，為單位耗功量所獲得的制冷量，可用式(3)進行計算。機組COP的大小，體現(xiàn)了機組制冷性能的優(yōu)劣。圖6是蓄冷過程中機組COP隨時間的變化情況。從圖6可以看到，機組的COP值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，主要是因為蓄冷初期為顯熱蓄冷，換熱溫差大，水的自然對流強，換熱系數(shù)較大，蓄冷功率大。當水溫下降時，蒸發(fā)溫度也隨之下降，換熱系數(shù)下降，特別是管外結(jié)冰后，冰層熱阻隨著其厚度的增加而逐漸增大，使換熱惡化，導致蓄冷功率下降，并且越到蓄冷后期，蓄冷功率越小。在蓄冰運行前期，機組COP在3.0以上，之后逐漸減小，在540 min后降到2.0以下，800 min后甚至降到了1.0以下，此時機組運行效率很低，蓄冰運行非常不經(jīng)濟。

圖6 機組COP隨時間的變化

2.2 蓄冷過程中蓄冰率變化規(guī)律

蓄冷過程中，每隔30 min記錄一次液面高度，依此來計算出蓄冰量。試驗結(jié)束時，液面上升了5.7 cm，蓄冰率為87.12%，蓄冰槽內(nèi)的水并未完全結(jié)冰，由此可計算出總蓄冰量為261.3 kg。

圖7為蓄冷過程中蓄冰率隨時間的變化曲線，從圖7可以看出，蓄冷前期，蓄冰率緩慢增加，蓄冰100 min時蓄冰率為4.6%。這是因為，一方面盤管外側(cè)冰層較薄，熱阻較小，冷量能夠迅速向盤管外傳遞，再加上由于溫度分層，蓄冰槽內(nèi)出現(xiàn)自然對流，增強了換熱，使蓄冰槽內(nèi)的溫度趨于均勻，盤管壁面附近區(qū)域降溫速度不是很快，蓄冰率增加緩慢；另一方面，蓄冷初期晶胚的形成不穩(wěn)定，時聚時散，再加上水的自然對流對晶胚的破壞，所以蓄冰率的增速緩慢。

where q0is the mean density of air.The wall impedance boundary condition for a locally reacting liner can be described as follows22,23:

圖7 蓄冷過程中蓄冰率隨時間的變化

蓄冷中期，由于蓄冰槽內(nèi)的溫差減小，自然對流減弱，再加上已形成了一定量的晶胚，冰在晶胚上繼續(xù)生成較容易，因此蓄冰率增速較快，蓄冷空調(diào)運行到510 min時，蓄冰率達到了67.5%。蓄冷后期，由于兩列盤管間的冰層出現(xiàn)了搭接，冰層熱阻增大，傳熱惡化，蓄冰率增速逐漸減慢，從510 min至750 min，蓄冰率增加了16.9%，750 min至990 min，蓄冰率僅增加了2.7%。

根據(jù)蓄冰率隨時間的變化規(guī)律，用多項式擬合的方式得到蓄冰率與蓄冰時間的關(guān)系式為

式中：εx為蓄冰率；tx為蓄冷時間。

2.3 蓄冰槽保溫性能試驗

蓄冷結(jié)束后，關(guān)閉蓄冷空調(diào)機組，保持避難場所內(nèi)環(huán)境溫度18 ℃，記錄蓄冰槽內(nèi)各測點溫度的變化以及蓄冰槽液面隨時間的變化，畫出變化曲線。

圖8是保溫期間蓄冰槽內(nèi)平均溫度隨時間的變化規(guī)律。可以看出，蓄冰槽內(nèi)的冰經(jīng)歷了升溫—融化—升溫的過程。蓄冰機組停止運行后，雖然有保溫層的隔熱作用，但由于蓄冰槽與外界環(huán)境存在溫差，外界熱量還是不斷向蓄冰槽傳遞。從開始保溫到大約156 min時，蓄冰槽中的冰處于快速升溫過程，溫度從零下十幾度升高到0 ℃左右。156 min之后開始發(fā)生相變，部分冰融化成水，蓄冰槽內(nèi)溫度幾乎不變。大約到7 500 min左右，蓄冰槽內(nèi)的冰幾乎融化完畢，槽內(nèi)溫度開始上升，進入水的升溫過程，此時剩余冷量已經(jīng)較少，保溫10 260 min即171 h的時候，蓄冰槽內(nèi)平均溫度達到13.7 ℃，此時蓄冰槽內(nèi)的冷量已剩余很少。

圖8 蓄冰槽內(nèi)平均溫度隨時間的變化

圖9是蓄冰槽內(nèi)的剩余冰量隨時間的變化。從圖9可以看出，隨著時間的延長，剩余冰量下降，到7 500 min即125 h左右的時候，剩余冰量為0，冰完全融化。剩余冰量與保溫時間的函數(shù)關(guān)系可以擬合為

σ=86.972 2-0.017 5tb+8.253 98×10-7tb2

(7)

式中：tb為保溫時間。

圖9 保溫期間剩余冰量隨時間的變化

3 蓄冷空調(diào)運行控制策略

蓄冷空調(diào)安裝在應(yīng)急避難場所，平時處于日常維護狀態(tài)，有險情時需能夠立即投入使用，蓄冰槽內(nèi)一直要儲存有足夠量的冰保證避險期間的有效保障時間。由圖6、7可知，在蓄冷后期蓄冷機組的COP越來越小，蓄冰率的增加速度也越來越小，也就是說，蓄冷機組在蓄冷后期運行不經(jīng)濟，需要研究日常維護期間的運行策略，使蓄冷機組既能夠滿足設(shè)計的保障時間，又能夠節(jié)約能源。

課題組成員進行了隔絕生存試驗和3種環(huán)境工況下(24 ℃、50%，28 ℃、55%，33 ℃、65%)的融冰釋冷試驗[25]，結(jié)果表明：當避險場所內(nèi)有12名避險人員時，為了維持應(yīng)急艙內(nèi)28 ℃、55%的環(huán)境，所需冷量最低為2.5 kW。

根據(jù)熱管融冰釋冷量和剩余冰量，由式(5)計算出不同剩余冰量下的保障時間，得到保障時間與剩余冰量的關(guān)系如圖10所示。從圖10可以看出，保障時間與剩余冰量呈正比例關(guān)系，若應(yīng)急避難場所設(shè)計保障時間為6 h，考慮一定的余量，所需的剩余冰量為45%。

圖10 保障時間隨剩余冰量的變化規(guī)律

由以上研究分析可知：蓄冰率超過75%，制冰系統(tǒng)COP太低；蓄冰率低于45%，不能滿足應(yīng)急保障時間需求。根據(jù)圖6可知，蓄冷空調(diào)蓄冷運行期間，前600 min的COP都大于2.0，之后COP不斷降低，并逐漸低于1.0，處于不經(jīng)濟運行狀態(tài)。根據(jù)圖7可知，600 min時蓄冰率達到了75.6%，蓄冰率由45%增加到75.6%花費的時間為242 min即約4 h。再根據(jù)圖9保溫期間保溫時間和剩余冰量的關(guān)系可知，剩余冰量由75%降低到45%，經(jīng)歷了2 044 min即約34 h。由此可得出蓄冰機組的運行方案如下：蓄冰機組首次開機，或者關(guān)機時間較長蓄冰槽內(nèi)的水未結(jié)冰或者冰已完全融化，機組需要至少運行600 min即10 h，使蓄冰率達到75%左右，然后即可按照圖11所示的停機保溫時間和再運行時間(機組蓄冰到75%以上停機后再啟動運行的時間)的變化規(guī)律進行控制。比如，當蓄冷機組運行600 min停機保溫840 min，若此時開機再運行127 min即可將蓄冰率達到75%左右，以保證蓄冰槽內(nèi)有足夠的冰量來滿足生存保障時間。需要注意的是，停機保溫時間不能超過2 040 min，即不能使蓄冰槽內(nèi)的冰量降到45%以下，否則將造成生存保障時間不足6 h。

圖11 停機保溫時間和再運行時間的關(guān)系

蓄冷空調(diào)蓄冰率75%以下時，制冷系統(tǒng)COP較高，運行較經(jīng)濟，此時最短保障時間為10 h；蓄冰率在45%時，最短保障時間為6 h。根據(jù)不同的最低保障時間要求，可得到蓄冷空調(diào)的運行控制策略和年耗電量，如表3所示。停機保溫時間越長，年累積運行時間越短，年耗電量越少，單次應(yīng)急保障時間越短。

表3 不同最短保障時間時蓄冷空調(diào)的運行控制策略

4 結(jié)論

論文對某避難方艙內(nèi)的蓄冷空調(diào)蓄冷運行特性和停機保溫性能進行了試驗研究，通過圖解和理論分析的方法，得到了不同最短保障時間時蓄冷空調(diào)的運行控制策略。主要結(jié)論如下：

(1)蓄冷空調(diào)蓄冷階段，隨著蓄冰槽內(nèi)的水不斷發(fā)生相變，機組的制冷能力不斷下降，壓縮比不斷升高；機組的COP先有小幅度上升，隨后逐漸減小，在800 min后降到了1.0以下，此時蓄冷運行非常不經(jīng)濟；隨著機組運行時間的增加，蓄冰率增速呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

(2)蓄冰槽保溫性能試驗表明，停機保溫時間超過2 040 min，其剩余蓄冷量將不能夠滿足應(yīng)急保障6 h的時間需求。

(3)通過測試結(jié)果分析，艙內(nèi)12人避難并維持溫濕度分別為28 ℃、55%的環(huán)境時，最短保障時間越長，蓄冷空調(diào)年運行時間越長，耗電量越大。

(4)得到了不同最短保障時間時蓄冷空調(diào)的運行控制策略，工程維護人員可根據(jù)不同的最短保障時間需求，選擇蓄冷空調(diào)的平時運行策略。