小型热泵型水蓄能空调蓄热特性研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 6.42MB 63 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪论
§1.1 课题背景及研究意义
2009 年12 月7日至 18 日在丹麦首都哥本哈根召开了《联合国气候变化框架
公约》缔约方第 15 次会议，此次会议得到全球的高度关注,共有 119 个国家元首和
领导人出席并商讨了《京都议定书》一期承诺到期后的后续方案。尽管所有国家
都在低能耗、低排放、低污染为基础的低碳经济上达成了共识，但是由于各个国
家所面临形势不同，大会未能达成具有法律约束力的协议。因此，能源和环境问
题依然是未来全球所面临的严峻挑战，解决经济、能源、环境三者之间的矛盾已
变得非常关键。
《2010 年能源展望——建立一个更节能的世界》 探讨了能源效率对满足全球
能源需求的重要意义。报告提出，提高能效有助于实现最多的能源“供给”，同时减
少成本和温室气体排放并加强能源安全；注重工业节能、建筑节能，推动低碳经
济发展。报告认为，能效实际上意味着通过提高能源利用的生产力，使用较少的
能源获得更多我们需要的东西。
随着世界经济的迅速发展，中国也已经处在全面建设小康社会的关键阶段。
2010 年，电力部门有关报告指出：电煤消耗增加，供需平衡偏紧，价格出现高位
剧烈波动。而我国要确立低碳目标、推进低碳经济转型，需要从调整能源结构入
手，最直接的是要降低碳基能源的比例。目前我国碳基能源占比接近 95%，目标
是到 2020 年降到 85%，即核能、风能、太阳能等可再生能源占比达到 15%。我国
煤炭占一次能源的比重目前为 70%，这种状况短期内不可能改变，到 2020 年该比
例还将在 60%左右[1]。据统计，2020 年国内生产总值将达到 4万亿美元。经济的
高速增长取决于科技的发展，更需要离不开能源的支持，尤其是电力的供应。
建筑能耗比重的加大，使建筑节能和蓄能空调技术得到了前所未有的发展。
建筑耗电主要包括建筑采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯、
通风等方面的电耗，其中采暖及空调耗电最多。因而，调节空调用电负荷对于紧
张的电力供应是十分必要的。蓄能空调技术就是一个良好的解决方法，其原理是，
在用电低谷时间段，利用机组将电能转变为热能储存起来，而在白天用电高峰期
加以利用，从而合理利用了低谷电能，避开了用电高峰期，并且减小了用电负荷
的峰谷差，提高了电网的负荷率。
近几年来，随着人们生活水平的提高,小型空调机近几年的增长速度也相当惊
人。但是由于使用的季节性、间歇性和不稳定性特点，造成季节性供电峰谷差进
一步拉大，形成对电网安全的潜在威胁，给电力供应造成更大的压力。
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图1-1 国家电网售电量
如图 1-1 所示，我国电力需求近年来增长速度惊人，2006 年国家销售电量为
17170 亿千瓦时,2010 年已增至 27270 亿千瓦时,短短四年间,其增长幅度达到
58.8%[2]。2010 年11 月份，全国经历了 3次较大范围的降温天气过程，北方出现
冬季用电高峰。各电网用电量同比增幅依次为：东北 11.58%、华东 9.44%、西北
9.20%、华中 8.42%、华北 5.90%。经常“拉闸限电”会给经济带来严重损失，2006
年6月份，国家电网公司系统少供电量 6919 万千瓦时，其中拉电少供电量 242 万
千瓦时，避峰限电少供电量 6677 万千瓦时[2]。造成电力供应紧张的主要原因包括[3]：
第一，国民经济高速发展，居民用电需求高速增长，但电力网络的建设滞后
于电力需求的增长，总供电量不足；
第二，工业用电结构重型化，高耗能行业发展迅速，而电力供应的支撑能力
有所下降；
第三，持续高温、干旱的天气，使空调负荷比重呈现较大波动，电网的负荷
特性变得恶化（据国家电网公司资料统计，在用电高峰期，全国每年最少有 2000
万kW 左右的新增空调负荷叠加在一起）；
第四，部分电网结构薄弱，输配电“卡脖子”问题加剧了电力供应的紧张程度；
第五，由于受水库水位、电煤价格及其供应等条件的影响，水电系统发电量
不足，同时，部分火电厂由于老化效率降低或停机，致使电力供需矛盾更加恶化。
近年来，全国各地电网高峰负荷增长迅猛，工业用电比重相对减少，电力负荷特
性也发生了很大的变化，城市生活，商业用电快速增长，峰谷差不断拉大、负荷
率下降。目前全国占高峰负荷 95%以上的负荷约 1000 多万 kW，年累计持续时间
只有几十个小时。解决电力供需矛盾，一方面加大对电力系统的投入，加快电力
建设步伐，提高电网的最大负荷量；另一方面还要继续坚持节约能源与开发利用
能源的新技术的双向政策，加强节能新技术的开发合利用，通过经济和政策手段，
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鼓励并引导用户节约用电，充分利用现有电力资源，移峰填谷，大力开发低谷用
电[4]。
目前国内外对小型蓄能空调技术有一定的研究,但不及大型蓄能空调技术开发
与理论研究工作齐全,小型蓄能空调有待在设备研发、技术创新上有所突破，以适
应社会各个层面节能的需要。
由于气象原因，对于热泵机组,特别是风冷热泵机组，蓄冷空调系统在夏季对
电力系统的移峰填谷作用非常明显,但是在冬季，随着环境温度的下降,热泵的制
热量及供热能力明显地下降了，致使该系统的应用具有一定的局限性；且在冬季
零度以下的天气时,蒸发器翅片面结霜结冰,严重影响换热性能。而对于热泵工质,
有可能由于吸收热量不足未完全蒸发而产生湿蒸汽流入压缩机,造成损害。因此，
可以通过蓄热来改善热泵机组的运行性能。
所以，开展小型家用蓄能空调系统的研究和开发，让蓄能技术进入更多家庭，
可以进一步体现蓄能空调技术的调峰填谷功能。小型 VRV 多联机空调系统是小型
家用空调的主要机型之一，具有系统简单、结构紧凑、节能、舒适等优点，各房
间独立调节、运行，能满足各个房间不同空调负荷的要求。如果在 VRV 热泵组合
式空调系统中加入蓄能装置，可以转移大量的高峰电力在夜间低谷时段使用，充
分利用电网的日夜电差价，便解决夏季供冷和冬季难以制热的矛盾，对我国电网
的结构性调整和环境治理将起到一定作用，具有较好的经济前景和社会效益。
§1.2 蓄能空调系统简介
近年来，随着人民生活水平的提高，空调热泵机组已成为我国空调行业重点
开发的产品之一。一方面，该系统既可夏季制冷，又可冬天采暖，省去锅炉系统，
大大减少了工程投资。另一方面，它以电力作为能源，通过吸收室外空气中的热
量，产生数倍于输入电能的热量，对于传统的锅炉供热系统，不但节省能源，还
能有效地提高能源利用率,并且不会污染环境,已经成为一种高效节能的产品。
但由于热泵机组在冬季的工况较差，尤其当室外温度低于零度时，随着环境
温度的下降,热泵的制热量及供热能力明显地下降了，致使该系统的应用具有一定
的局限性；且在冬季零度以下的天气时,蒸发器翅片结霜结冰,严重影响其换热性
能。而对于热泵工质,有可能由于吸收热量不足未完全蒸发而产生湿蒸汽流入压缩
机,造成损害。因此，可以通过蓄热来改善热泵机组的运行性能。
在空调系统中应用蓄热技术的一个重要前提是,该地区是否存在电力低谷、高
峰期的电价差。目前，随着我国电力结构矛盾的不断加大(一方面存在严重的高峰
电力不足,另一方面存在着峰谷差过大等问题,因而形成自然资源大量浪费的恶
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性循环) , 各地政府纷纷出台优惠政策,增加电力峰、谷的差价,以经济政策的手段
来推动电力的“削峰填谷”。
与传统热泵相比,蓄热空调系统具有以下特点[5]:
(1) 利用夜间低谷负荷的廉价电力,可大幅度节省电费开支,且峰谷电差价愈
大,其经济效益和社会效益愈加显著。
(2) 热泵型蓄能空调的主机经常处于满负荷运转状态,有利于提高主机的运行
效率。
(3) 一般情况下，热泵型蓄能空调系统的热泵机组的容量较小,其附属运转设
备的电力容量或功率均可相应减小,从而节约了设备投资费用。
(4) 由于热泵型蓄能空调系统的蓄能槽内储有能量,一旦发生意外停电,启动
小功率应急发电机，便可轻易带动循环水泵,可以保证重要区域的空调运行。
(5) 热泵型蓄能空调系统通过连续运转,避免了间歇运行中的启动、停机时造成
的一系列能源浪费。
(6) 除冬季蓄热外,还可以用于夏季蓄冷。将热泵系统运行制热（制冷）模式,
制取的热水（冷水）于槽中储存,即可作为建筑物的热源（冷源）,从而实现一套
系统,多种模式的运行。
蓄能空调系统就是蓄能材料的蓄能特性，尽可能地利用低谷电力，使空调系
统在满负荷的条件下运行，将空调所需的制热量或制冷量以显热或潜热的形式部
分或全部地储存在蓄能桶中；一旦出现空调负荷，便可使用蓄能桶中储存的热量
或冷量满足空调运行的需要。图 1-2 为试验系统示意图，通过改变阀门方向可以实
现制热、蓄热、释热、制冷、蓄冷和释冷六种工况运行。
1- 压缩机 2-四通阀 3-冷凝器 4,5,6,9,10,12-阀门 8-蓄能桶 13-蒸发器
图1-2 试验系统示意图
用于空调的蓄热方式按储能方式可分为显热蓄能和潜热蓄能两类：显热蓄能
时，蓄能材料蓄存和释放热能时，只是材料自身发生温度的变化，而不发生其他
变化。其方式简单，成本低，但释放热能是其温度发生持续变化，即不能维持在
一定温度下释放所蓄存的热能。要克服这个缺点，可以利用显热蓄存。所谓潜热
蓄存，则是利用蓄热材料在发生相变时，吸收或放出热量来蓄能与释能，所以也
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可称为相变蓄能。在热能蓄存材料中，以潜热型材料用的最多、最普遍，因而也
最重要。
考虑到小型家用空调的普适性，选取水作为蓄能材料。水是自然界中最常用、
最理想的蓄能单纯物质。其不仅溶解潜热很大。而且比热容也很大，价格便宜，
无毒无害，随处可取。
§1.3 小型蓄能空调技术的发展现状
目前国内外对小型蓄能空调技术有一定的研究,但大型蓄能空调技术开发与理
论研究工作较少,小型蓄能空调有待在设备研发、技术创新上有所突破，以满足社
会整体节能的需要。
近年来国内外学者开始关注小型蓄能（冷）空调的研究。其中，小型 VRV 多
联机空调系统是户式空调的主要机型之一，具有系统简单、结构紧凑、节能、舒
适等优点，各房间独立调节、运行，能满足不同房间不同空调负荷的要求。
§1.3.1 国外发展现状
2002 年L.F.Cabeza,H.Mehling 等人指出，在热能需求与供给不平衡的许多应
用区域，有效可靠的蓄能系统对于热能是一个重要的设备，与 PCM 相比较，蓄
热过程中三种加强热传递的方法：增加不锈钢件、增加铜件和一种新型 PCM-石墨
复合材料，PCM-石墨复合材料表现出较大的热流量[6]。
在日本，政府对于发展蓄能空调大力支持（电力部门的具体政策有：电价优
惠制度、蓄能空调系统奖励制度、蓄能空调系统租赁制度等。）据统计, 2005 年,日
本拥有冰蓄能、水蓄能空调系统 25000 套左右,削减高峰负荷 160 万kW。此外，
日本 9家电力公司和 4家制造厂(大金工业、日立制作所、三菱重工以及三菱电机)
还联合开发了一种利用廉价的夜间电力将冰和热水蓄存在蓄热槽中,供应白天冷暖
负荷为 5匹～10 匹马力的小型冰蓄热式组合空调机。晴海特里顿广场蓄能系统通
过组合的 19000 立方米的巨大蓄热槽和高效率热泵,持续地实现了一次能源 COP
达到 1.2 的节能业绩,是目前日本国内一次能源 COP 的最高水平[7]。
2009 年Atul Sharma,V.V.Tyagi,C.R.Chen,D.Buddhi 针对应用情况总结了目前包
括PCM 在内的可行热能储藏系统的调查和研究[8]。
§1.3.2 国内发展现状
国内近年来也开始注目小型蓄能（热）空调的研究。
2002 年曾文良,梁启明等于对蓄热热泵空调器进行了研究[9,10,11]，比较了几种家
用蓄热热泵空调器的制冷流程，对其低温制热、除霜等性能进行了全面的实验研
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究并做了对比分析。
2005 年仪征镜湖花园大型住宅小区蓄能中央空调和蓄热生活热水系统的成功
运行，证明了蓄能技术应可用于区域供热、供冷系统,具有经济、环保的优点,值得
应用和推广[12]。
2006 年华南理工大学的张正国，以有机物石蜡作为相变材料、以膨胀石墨作
为支撑结构，利用膨胀石墨的多孔吸附特性，制备出了石蜡含量（质量分数）分
别为 50%，60%，70%和80%的石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料。并且通过差示
扫描量热分析(DSC)和扫描电镜(SEM)，对复合相变储热材料的结构和热性能进行
了测试分析。试验表明：膨胀石墨吸附石蜡后仍然具有疏松多孔的形态，石蜡被
膨胀石墨微孔所吸附；该复合相变储热材料的相变温度与石蜡接近，其相变潜热
与基于复合材料中石蜡含量的潜热计算值差别不大。通过蓄热性能测试可知，含
80% 石 蜡 的 复 合 相 变 材 料 的 储 热 时 间 和 放 热 时 间 分 别 比 石 蜡 减 少 69.7% 和
80.2%[13,14]。
2006 年哈尔滨工业大学的齐琦、马最良等指出了相变蓄热材料的稳定性、腐
蚀性、相分离、过冷以及封装特性对蓄热的影响[15]。
2008 年哈尔滨工业大学的江辉民和马最良等通过实验研究指出，蓄热装置是
多功能热泵空调器的关键设备，通过对蓄热机理进行分析，建立了蓄热装置的蓄
热水箱和螺旋换热盘管数学模型，并通过试验数据验证了所建模型的准确性。同
时，对蓄热装置在蓄热和用水工况下的动态特性进行了数值模拟，研究了系统蓄
热和用热时，蓄热水箱内水温的分布以及螺旋盘管内制冷剂的温度和干度变化情
况[16]。
2008 上海海事大学吕磊磊,章学来在复合相变蓄热器在空调系统冷凝热回收中
的应用中从三个方面进行了分析：空调用相变蓄热材料的选择、相变材料蓄能应
用中几个应注意的问题、热回收蓄能空调系统的经济分析。同时，他们建立了蓄
热装置的蓄热水箱和螺旋换热盘管数学模型,并对蓄热装置在蓄热和用水工况下的
动态特性进行了数值模拟,研究了系统在蓄热和用水时,水箱内水温的分布以及螺
旋盘管内制冷剂的温度和干度变化情况[17]。
2009 年中国科学院石海民，梁德青，李栋梁，唐翠萍等人设计出了一种新
颖的相变蓄热材料，该材料以三水醋酸钠(CH3COONa·3H2O)为蓄热介质，通
过一系列实验，遴选合适的抗沉淀剂和成核剂，配成相变温度约 55℃、过冷度
小于 2℃的蓄热材料。对其蓄热性能进行测试，发现该材料相变热可达 238J/g，
导热系数为 1.072W/m•K(30℃时)，可用于空调冷凝热回收系统[18]。
§1.4 本课题的研究工作
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题背景及研究意义2009年12月7日至18日在丹麦首都哥本哈根召开了《联合国气候变化框架公约》缔约方第15次会议，此次会议得到全球的高度关注,共有119个国家元首和领导人出席并商讨了《京都议定书》一期承诺到期后的后续方案。尽管所有国家都在低能耗、低排放、低污染为基础的低碳经济上达成了共识，但是由于各个国家所面临形势不同，大会未能达成具有法律约束力的协议。因此，能源和环境问题依然是未来全球所面临的严峻挑战，解决经济、能源、环境三者之间的矛盾已变得非常关键。《2010年能源展望——建立一个更节能的世界》探讨了能源效率对满足全球能源需求的重要意义。报告提出，提高能效有...

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