冰蓄冷空调系统流程配置研究

2022-09-11

20世纪90年代, 我国部分地区开始将冰蓄冷技术应用于空调工程中。蓄冷空调系统与常规空调系统不同, 但在蓄冷空调方面的设计思路还较为模糊, 仍未摆脱常规空调设计观念的束缚, 导致往往依赖于蓄冷设备代理商的设计方案;这种情况目前已影响到蓄冷空调的发展。要推广冰蓄冷低温送风空调, 就必须对系统进行优化设计。因此, 分析空调蓄冷系统的流程配置及优化管路设计具有重要意义。

1 空调蓄冷系统的流程配置

空调蓄冷系统的流程按其特点及流程性质有不同的优化配置, 考虑到开式流程存在静压控制及系统的腐蚀问题, 工程中宜采用冰蓄冷系统闭式水力流程。流程中, 按制冷机组和蓄冷装置的相对位置不同可设置为并联和串联连接两种方式, 在串联连接方式中根据其相对位置的不同又可以分为制冷机组位于蓄冷装置的上游或者下游的流程配置。

制冷机组与蓄冷装置并联常用于供回液温度差约为5℃时, 冷负荷的增减变化由制冷机组与蓄冷装置并联分担, 为此, 采用的温度控制及流量分配方法比较复杂。当蓄冷系统运行于制冷机组供冷并释冷运行方式时, 混合后溶液温度的维持恒定以及控制效果不如串联流程。并联流程适用于溶液温差5℃~6℃时的系统, 即制冷机组与蓄冷装置运行于相同的进出口溶液温度条件, 并联流程不适用于低温送风系统, 由于这时的制冷机组出液温度要低达3℃以下, 电耗极高。并联流程也不适用于温差大于6℃的系统, 由于要求的溶液循环量较少, 对制冷机组蒸发器的传热效果有影响。如果采用的话, 需对制冷机组的入口温度进行控制。并联流程在释冷供冷时, 溶液泵的运行功率较小, 比较适合于全量蓄冷运行策略的冰蓄冷空调系统。

串联配置的蓄冷系统, 无论是满负荷或部分负荷运行方式均能保持恒定的供冷温度, 并且系统运行稳定, 容易实现对系统运行的自动控制。串联流程对较大的供回液温差的系统比较有利, 尤其是大温差和分量蓄冷运行策略时, 溶液泵的电功率相应减少, 更适宜于低温空调的供冷。串联流程中根据制冷机组与蓄冷装置的相对位置前后不同, 分为制冷机组位于上游或位于下游的流程配置。两者相比较, 制冷机组是空调系统中能耗最大的, 约占空调系统总能耗的一般, 是节能的重要环节, 制冷机组在白天用电高峰期作空调负荷运行, 应尽量提高溶液出口温度, 达到减少用电量, 节省运行费用, 制冷机组位于蓄冷装置上游的串联配置。

2 溶液循环泵的设置及与用户连接方式

在冰蓄冷系统流程中, 按不同功能的需要, 设置不同回路的溶液循环泵, 泵的设置应满足以下三方面的需要:制冷机组蒸发器制冷、供冷循环的需要;蓄冷装置充冷、释冷循环的需要;向用户提供冷负荷的供冷循环的需要。

鉴于以上几方面, 设置综合泵的模式是值得优先采用的, 因为只设一种综合泵以完成上述三种功能的情况下, 具有以下三个特点:投资最省, 运行控制较简单;综合泵的流量需按制冷机组运行要求进行恒流量运行, 故而在部分供冷负荷时浪费电功率;综合泵常比较适合运用于串联流程的蓄冷系统中。

冰蓄冷系统流程中供冷循环回路与用户的连接方式有直接连接和间接连接两种。直接连接方式即供冷循环回路与用户直接连接, 整个系统充满了乙二醇溶液, 由此带来溶液的传热性能及阻力损失均比冷冻水要差, 这可以从降低溶液的输出温度来补偿, 其存在的最大缺点是乙二醇溶液量大, 投资费用增加, 并且由于系统泄露引起的危害比水严重, 对维护管理的水平要求高, 较适合于小型的蓄冷供冷系统。

间接供冷循环回路与用户的连接方式是借助热交换器, 以分开溶液循环系统和冷水循环系统, 其优点在于乙二醇溶液用量仅限于蓄冷供冷站内的水力系统部分, 溶液用量比前者少得多, 用户部分的系统不存在乙二醇溶液的泄露隐患, 尤其对高层建筑用户能起到隔断高层建筑冷水系统的静压以保护制冷机组及蓄冷装置。从经济角度衡量, 蓄冷系统的最大冷负荷大于1800KWh时, 采用间接供冷循环回路与用户的连接方式是较经济的。

3 空调蓄冷系统的管路设计

3.1 空调蓄冷系统的管路设计

冰蓄冷系统的管路设计需要注意以下问题并采取相应的措施:按流程特点及二次冷剂特性进行管路布置、管道及其附件的设置和选择;管路的泄露应严加控制;不同的冰蓄冷系统, 其闭式流程中溶液的膨胀会有不同的情况。

空调系统中常用的二次冷剂主要是乙烯乙二醇 (简称乙二醇) 水溶液, 其它还有几种。乙烯乙二醇 (简称乙二醇) 水溶液在市场上能方便购得, 并且都已加入各种防金属腐蚀、防泡沫形成等添加剂。乙烯乙二醇 (CH2OH·CH2OH) , 分子量62.069, 正常凝固点-12.7℃, 溶液潜热187KJ/Kg, 其分子中含的氧原子与金属元素有较大的亲合力, 会形成金属氧化物。乙烯乙二醇水溶液对镀锌材料有一定的腐蚀性, 因此必须在乙烯乙二醇水溶液中添加缓蚀剂, 减弱其腐蚀性, 添加剂的用量控制在1‰用量范围, 使乙烯乙二醇水溶液维持PH>7呈碱性。

根据浓度25%的乙烯乙二醇水溶液具有密度略大于水、粘度大于水、比热小于水的物理性能, 在空调蓄冷系统中相同冷量及温差条件下, 其循环量约为空调冷水的110%, 当乙烯乙二醇水溶液工作温度在5℃~6℃范围内, 其循环量可按下式计算:

式中:Q为输送的冷负荷, KW;ρ为密度, Kg/L;Cp为比热, KJ/Kg℃;△t为温差, ℃。

3.2 阀门及附件的设置及选择

二次冷剂管路中阀门及其附件的设置, 应按系统的运行要求, 在安全可靠的基础上尽量简便合理和灵活。闭式流程管路上须设置安全阀, 排泄液应就近排至收集箱, 以利于回收二次冷剂, 管路及蓄冰槽的最高点设自动放气阀, 并与隔断阀串联, 以备检修切断用。当蓄冷系统由多台蓄冷装置并联连接供冷时, 为使流经各台蓄冷装置的溶液保持流量平衡, 在每台蓄冷装置的入口宜设置动态流量平衡阀, 使每台蓄冷装置在运行中的充冷和释冷特性保持相同, 易于操作和控制。

二次冷剂管道系统上, 应设置二次冷剂的进液管和阀门, 以便于充分混合的二次冷剂能进入系统中;在二次冷剂管道系统的最低点, 应设置二次冷剂的排液管和阀门, 以便于浓度不合适的二次冷剂能排出系统进入收集罐。

管道材质常采用内壁经清洁处理的热镀锌钢管、无缝钢管, 不锈钢管只用于用户有特殊要求时采用, 塑料管 (如PVC) 及铜管也可采用, 但只用于有关设备内。对管道要十分注意电化学引起的腐蚀, 不同材质的连接处要考虑电气绝缘措施。在阀门的选择上, 阀门是控制二次冷剂在系统中流动的主要管道附件, 要求密闭性好, 不泄露, 运行安全可靠, 操作维修方便, 在冰蓄冷系统中, 不仅常用闸阀、蝶阀、球阀、截止阀、止回阀, 还较多地采用电动阀门。

3.3 二次冷剂管道直径及压降计算

管道直径的确定对无压降控制时可以按介质流量及允许流速计算;对有压降控制要求时, 应按回路的最大流量及其允许压降来确定。管内流速以不超过1.5m/s为宜, 利于控制噪声及压降, 计算公式如下:

(1) 按介质体积流量计算d=18.8× (qv/w) 0.5 (mm) ;

(2) 按介质质量流量计算d=5 9 4.5×[qm/ (w×p) ]0.5 (mm) ;

(3) 按允许的压力降计算d=[6.38×f×qv/ (△h×108) ]0.2×103 (mm) 。

式中d-管道内径, mm;

qv为工作状态下体积流量, m3/h;

qm为工作状态下质量流量, t/h;w-工作状态下流速, m/s;

f为摩擦阻力系数;

△h为允许压力降, Pa/m。

二次冷剂管道的压降计算公式如下:

(4) 全管程总压降计算公式△P=1.15× (△Pt+△Ps) 。

式中△P为管内总压降, Kpa;

△Pt为管内摩擦压降, kPa;

△Ps为管内局部压降, Kpa;

1.15为安全系数。

(5) 管内局部压降△Ps的计算公式:

式中Σξ为局部阻力系数之和;90°弯头ξ=0.2~0.4;水室到管内ξ=0.5;管到水室内ξ=1.0;全开闸阀、蝶阀、旋塞ξ=0.2~0.5;全开截止阀ξ=4.5~6.5。

3.4 冰蓄冷系统溶液的膨胀措施

蓄冰空调系统应尽量避免采用开式系统, 因为乙二醇溶液长久暴露在大气中会发生氧化形成泡漠及沉淀, 造成溶液变质或浓度降低, 影响蓄冰系统蓄冷及释冷的性能。更为严重的是, 由于溶液凝固点随浓度降低而升高, 有可能造成制冷机组蒸发器的冻结, 引起事故。乙二醇溶液与空气接触, 空气中的二氧化碳溶入会增强乙二醇溶液原本具有的酸性, 对系统中的制冷机组、板式换热器、循环水泵等重要设备及管路的腐蚀性增强, 造成乙烯乙二醇溶液的大量泄露, 严重影响整个蓄冷系统的使用寿命。在蓄冷系统闭式流程上设置闭式膨胀水箱的作用:因温度变化时, 可补偿系统中二次冷剂的体积变化, 避免二次冷剂的外溢;减少管网因二次冷剂的体积变化而引起的损坏;及时排除系统内的不凝性气体, 有利于系统的正常工作, 膨胀箱到系统管路的静压液柱, 有利于溶液泵的正压工作。

4 结语

制冷机组蒸发器的管束内冷冻溶液流速大, 传热效果好, 但蒸发器对水的阻力也随之增加, 循环泵的功率增大, 而制冷机组是按冷水机组额定工况设计的。在供冷运行中, 冰蓄冷系统可以降低供出温度来扩大供、回水温差, 不仅减小输送泵功率和管道直径, 还可减小蓄冰槽的容积, 有综合的经济效果, 蓄冷装置释冷时进、出口温差不宜大于8℃, 而制冷机组的温差在5℃~6℃, 因此, 这种工况下的冰蓄冷系统采用串联流程的配置较为有利, 制冷机组与蓄冷装置均可以运行在合适的流量范围内。

摘要：详细分析了冰蓄冷空调系统流程配置, 并分别从空调蓄冷系统的管路设计、阀门及附件的设置及选择、二次冷剂管道直径及压降计算、溶液的膨胀措施四个层面论述了冰蓄冷空调系统流程的总体要求。

关键词：冰蓄冷空调系统,管路设计,压降计算,膨胀措施