CN115859674B - 蓄冰盘管设计和评估方法及蓄冰空调机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄冰盘管设计和评估方法及蓄冰空调机组。所述蓄冰盘管设计和评估方法包括：根据盘管外径D和盘管排布间距L、容积系数f和冰的潜热q_冰计算出蓄冰盘管的结构储冰量Q_结；根据蓄冰传热系数K、蓄冰结束时冰柱外表面积S_柱、蓄冰温差ΔT、蓄冰时间t计算出热力蓄冰量Q_热；判断结构储冰量和热力蓄冰量的匹配关系，当热力蓄冰量不等于结构储冰量时，通过调整管间排布间距L使热力蓄冰量与结构储冰量相等或者两者的差值在允许范围内。本发明能对选用的盘管材料、盘管直径、盘管排布间距参数等进行合理的评估，使蓄冰盘管的结构储冰量与热力蓄冰量相匹配，达到优化设计的目的。同时本发明也能对现有蓄冰产品进行性能评估。

Description

蓄冰盘管设计和评估方法及蓄冰空调机组

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种蓄冰盘管设计和评估方法及蓄冰空调机组。

背景技术

蓄冰空调引进我国已经有30多年的历史，由于蓄冰可以对电网起到移峰填谷、错峰用电的作用，而且夜间用电可以有效降低电费，从而引起业内的高度关注。特别是蓄冰量折算成蓄电量同化学储电相比具有投资运营成本、环保、安全、效率、寿命等方面的优势，因此在双碳目标背景下建筑空调领域蓄冰的应用是不可或缺的节能、储能途径。

在蓄冰空调系统中，蓄冰盘管是储能装置的重要部件，其性能的好坏直接影响到蓄冰效果。蓄冰盘管一般为圆柱形结构，分多层布置在蓄冰装置内，相邻的蓄冰管呈等三角形或正四边形排列。现有的蓄冰盘管在设计上存在一些问题，主要原因是没有区分结构蓄冰量与热力蓄冰量的基本概念及二者之间的匹配关系，其结果是生产出的蓄冰装置的实际蓄冰量达不到标定指标，这种情况使蓄冰空调达不到设计预期效果，蓄冰装置蓄冰冷量严重不足的现象成为当前蓄冰空调的主要弊端。

发明内容

本发明提出一种蓄冰盘管设计和评估方法及蓄冰空调机组，以解决现有蓄冰盘管存在的实际蓄冰量达不到标定指标的问题。

本发明提出的蓄冰盘管设计和评估方法包括：

步骤1.根据盘管外径D和盘管排布间距L、容积系数f和冰的潜热q_冰计算出蓄冰装置的结构储冰量Q_结；

步骤2.根据蓄冰传热系数K、蓄冰结束时冰柱外表面积S_柱、蓄冰温差ΔT、蓄冰时间t计算出蓄冰装置的热力蓄冰量Q_热；

步骤3.判断结构储冰量和热力蓄冰量的匹配关系，当热力蓄冰量不等于结构储冰量时，通过调整盘管排布间距L使热力蓄冰量与结构蓄冰量相等或者两者的差值在允许范围内。

所述步骤1中的结构储冰量按下式计算：Q_结＝f×q_冰(1/L)²×(L²-D²)π/4,其中：

f为容积系数，L为盘管间距，D为盘管外径，q_冰为冰的潜热。

优选地，针对正四边形排列的盘管，f的取值范围为0.8-0.85。

优选地，针对等边三角形排列的盘管，f的取值范围为0.9-0.95。

所述步骤2中，热力蓄冰量按下式计算：Q_热＝K×S_柱×ΔT×t，其中：

K为蓄冰换热系数，S_柱为蓄冰结束时冰柱外表面积，ΔT为蓄冰温差，t为蓄冰时间。

优选地，所述步骤3中，所述允许范围是±3％。

在一实施例中，管材选用聚乙烯，所述结构储冰量和热力蓄冰量相匹配时的直径和厚度的取值范围在D12×1.5mm-D16×1.8mm，盘管排布间距L取值范围在40-50mm。

在另一实施例中，管材选用钢材料，所述结构储冰量和热力蓄冰量相匹配时的直径和厚度的取值范围在D12×1.5mm-D20×1.5mm，盘管排布间距L取值范围在55-65mm。

优选地，当结构储冰量和热力蓄冰量相等时，盘管排布间距L等于盘管外冰柱外径。

本发明还提出一种蓄冰空调机组，所述蓄冰空调机组使用上述蓄冰盘管设计和评估方法进行设计。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明建立的蓄冰盘管优化设计方法能根据选用的盘管材料对盘管直径、盘管排布间距参数等进行合理的优化设计，使蓄冰装置的结构储冰量同热力蓄冰量相匹配，达到蓄冰产品性能优化设计的目的。

2.本发明建立的蓄冰盘管优化设计方法首次提出了结构储冰量和热力蓄冰量的概念及其两者之间的最佳匹配关系，是基于理论和实践认证的客观存在，将其引入相关蓄冰空调标准可以指导和规范蓄冰盘管的设计、生产、销售和使用，为快速提升蓄冰装置性能的整体水平，为蓄冰空调的推广和健康发展的提供重要保障。

3.本发明根据蓄冰盘管优化设计方法原理从已有的蓄冰装置的结构上就可以评判蓄冰装置的蓄冰量、蓄冰温度、蓄冰速率、融冰速率等重要指标是否与标定的相符，过去这些数据只有等到蓄冰空调建成后通过实际运行才能获取，可以避免造成难以挽回的损失，把问题解决在既成事实的失误出现之前。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，其中：

图1为正四边形排列的蓄冰盘管示意图；

图2为正三角形排列的蓄冰盘管示意图；

图3为本发明提出的评估方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本发明，并不对本发明构成限制。

本申请的发明人在蓄冰制冷中首次提出结构蓄冰量和热力蓄冰量的概念，理论和长期的实践中表明，当蓄冰装置的结构储冰量和热力蓄冰量相等时换热效果最佳。结构储冰量仅与盘管外径、盘管排布间距L、容积系数K和冰的潜热q_冰相关；而热力蓄冰量则与结冰厚度、冰与水的换热系数、乙二醇溶液与盘管内壁的换热系数、制冰机所能提供的乙二醇水溶液温度和蓄冰时间相关，而这些参数需要通过盘管材料、尺寸、盘管排布间距、冰与水和乙二醇溶液与盘管内壁的换热形态(通过试算和试验获得)等计算得到。

结构储冰量按下式计算：

Q_结＝f×q_冰(1/L)²×(L²-D²)π/4,其中：

Q_结的单位为kWh/m3；

f为容积系数；

L为盘管间距m

D为盘管外径m

q_冰为冰的潜热kWh/m³

针对图1所示的正四边形排列的蓄冰盘管，容积系数f为0.8-0.85。

针对图2所示的正三边形排列的蓄冰盘管，容积系数f为0.9-0.95。

热力蓄冰量按下式计算：Q_热＝K×S_柱×ΔT×t，其中：

Q_热的单位为kWh/m³；

S_柱为蓄冰结束时冰柱外表面积，单位为m²/m3；

ΔT为蓄冰温差；

t为蓄冰时间，取8小时；

K为蓄冰传热系数，单位为W/m²℃；

K＝F(a、入、D、L、d)。

例如：使用聚乙烯管，以乙二醇水溶液作为蓄冰介质时，传热系数按下式计算：

K＝1/(1/a_冰-水+L/d/a_液+0.5L×(D-d))/入_聚乙烯+0.5L×LN(L/D)/入_冰)，

其中：

D为管外径，单位m

d为管内径,单位m

L为管间距，单位m

入_聚乙烯、入_冰分别为聚乙烯、冰的导热系数(查表得)单位：W/m℃

a_冰-水为冰与水之间的换热系数单位：W/m²℃

a_液为乙二醇水溶液与盘管内壁之间的换热系数单位：W/m²℃。

a_冰-水和a_液是试算结果值，计算时先按照其各自换热形态的换热系数范围取中间值带入蓄冰终结时蓄冰盘管总传热系数K的公式中，计算出蓄冷量的结果同蓄冰终结时的实际结冰厚度、蓄冰终结时的传热温差ΔT进行比较，根据比较差异对a_冰-水和a_液进行修正，直至依据设定的换热系数a_冰-水和a_液所计算出的蓄冰结果同实际效果一致时，得到a_冰-水和a_液。

由于蓄冰盘管的换热形态类似，因此根据实验导出的a_冰-水、a_液具有普遍意义，可以符合正四边形和正三角形排布的蓄冰盘管蓄冰换热特性。

在本发明提出的蓄冰盘管性能优化设计中,当结构储冰量和热力蓄冰量相等时(蓄冰终结)，管排布间距L等于盘管蓄冰的冰柱外径，D_冰外＝D+2B＝L，其中B为冰层厚度，在设计计算中盘管排布间距L取值单位为毫米，这就使计算选取的间距L与结构储冰量和热力蓄冰量的理论相等值产生差异，其差异在±3％范围内视为匹配最佳。

在优化设计时，当热力蓄冰量不等于结构储冰量，可以逐步按照毫米为单位逐步改变管间排布离距L，直至所选盘管间距L的热力蓄冰量等于结构储冰量，或二者相差在3％范围以内，此时的盘管排布间距L为匹配最佳值。

当结构蓄冰量大于热力蓄冰量时，实际蓄冰量不能蓄满盘管结构预留的空间，一方面使蓄冷量达不到标定要求，另一方面浪费了蓄冰装置的空间；当结构蓄冰量小于热力蓄冰量时，即实际蓄冰能力超出了蓄冰装置预留的空间，出现盘管结成冰坨现象，严重的会对设备造成危害，影响蓄冰融冰正常工况运行。

实验表明，当热力蓄冰量等于结构储冰量时或差异小于±3％蓄冰效果最佳，为优化设计。此时盘管排布间距L等于盘管蓄冰终结时的冰柱外径，D_冰外＝D+2B＝L，其中B为冰层厚度。实际冰层厚度与理论蓄冰终结时的厚度B值比较在±3％范围内均视为较佳匹配。

图2为本发明提出的评估方法的流程图，包括：

步骤1.输入管材、盘管外径D、内径d和管间排布间距L、容积系数f和冰的潜热q_冰，计算出蓄冰盘管的结构储冰量Q_热；

步骤2.输入蓄冰传热系数K、蓄冰结束时冰柱外表面积S_柱、蓄冰温差ΔT、蓄冰时间t和蓄冰传热系数K，计算出热力蓄冰量Q_热；

步骤3.判断结构储冰量和热力蓄冰量的匹配关系，当热力蓄冰量大于结构储冰量时，通过调整管间排布间距L使热力蓄冰量与结构蓄冰量的差值在允许范围内。

发明人通过大量的研究和实践发现，聚乙烯管材(PERT管)耐腐蚀性好、耐温范围宽(-90℃到+90℃)、柔软易加工、化学性能稳定，非常适合用于蓄冰盘管，美中不足的是其导传热系数仅为0.46W/m℃，是钢材的1/100。对塑料蓄冰装置的量化分析得出：直径为16mm，厚度为1.8mm(D＝16×1.8)的蓄冰盘管材料，在蓄冰过程中的热阻占总热阻的35％以上，高过厚度为14mm冰的热阻，这是当前蓄冰装置广泛采用金属盘管的主要原因。然而金属管由于各种原因造成的腐蚀问题随着时间推移得到证实，有的金属盘管使用超过5年就会出现问题，全国超过15年还在使用的金属盘管蓄冰空调屈指可数。

发明人在长期的设计实践和跟踪中发现PERT管的低热传导性完全可以通过加大换热面积的方式解决，深圳市电子科技大厦塑料冰球蓄冰空调从1993年投入使用，截止到2022年10月已经正常运行了30年、深圳市水务大厦塑料蓄冰盘管建于1995年至今仍可以使用。

在采用PERT管的蓄冰装置中，实验分析发现，当蓄冰盘管的管径＞20mm、冰层厚度＞15mm时其结构储冰量与热力蓄冰量已经严重不匹配；蓄冰盘管的管径＜10mm时，虽结构储冰量与热力蓄冰量匹配后的蓄冷量及放冷率优于管径D12-D18mm的蓄冰量及放冷率，但考虑到盘管排布、加工工艺难度以及乙二醇水溶液的不洁净可能对管道造成的堵塞等因素，低于10mm管径的蓄冰盘管实用性不高。最终优选出直径和厚度范围在D12×1.5-D16×1.8(单位mm)、对应的中心距范围在40mm-50mm的参数为优选目标。

优选地，当管材为聚乙烯时，直径和厚度的取值范围在D12×1.5-D16×1.8，管径的中心距范围在40-50，单位为毫米。表1是实验得到的一些数据。

表1

PE盘管直径(mm)	D12×1.5	D13×1.6	D14×1.6	D15×1.8	D16×1.8
						中心距(mm)	40-44	42-45	43-46	45-48	46-50

同理，采用本发明提出的蓄冰盘管性能评估方法对金属蓄冰装置的分析发现，钢材金属的导热系数在40-50W/m℃时，金属盘管在蓄冰过程中的热阻仅占总热阻的1％以下，如果仅为了提高盘管的导热系数而选择比钢材换热效果更好铜、铝等高导热性合金就失去了意义。

优选地，当管材为钢材料时，结构储冰量与热力蓄冰量的匹配范围优选值在D12×1.5-D20×1.5，对应的中心距55mm-65mm。表2是实验得到的一些数据。

表2

钢盘管直径(mm)	D12×1.5	D14×1.6	D16×1.6	D18×1.8	D20×1.8
						中心距(mm)	55-57	57-59	58-61	60-63	62-65

采用本发明提出的蓄冰盘管性能评估方法可以便捷地为蓄冰空调的建设方提供产品选型依据，只需输入拟采购产品的盘管材料、管径尺寸、管间距，设定蓄冰温差就可以输出蓄冰量及换热效果等重要参数。

本发明提出蓄冰盘管性能评估方法填补了蓄冰空调蓄冷产品优化设计、产品性能评估的空白，既可以促使蓄冰空调装置的生产家检测自身产品的设计性能，提高产品质量，也可以为设计院选型、蓄冰空调建设方对蓄冰产品评估提供科学、可靠的依据。

本发明提出的蓄冰盘管性能评估方法从蓄冰装置的结构设计时就可以评判蓄冰装置的蓄冰量、蓄冰温度、蓄冰速率、融冰速率等重要指标，过去这些数据只有等到蓄冰空调建成后通过实际运行才能获取，避免造成既成事实的失误难以挽回之的局面，把问题解决在出现之前。

以上所述仅为本发明的具体实施方式。应当指出的是，凡在本发明构思的精神和框架内所做出的任何修改、等同替换和变化，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种蓄冰盘管设计和评估方法，其特征在于，包括：

步骤1.根据盘管外径D和盘管排布间距L、容积系数f和冰的潜热q冰计算出蓄冰盘管的结构储冰量Q结, Q结=f×q冰（1/L）2×（L2-D2）π/4,其中：f为容积系数， L为盘管排布间距，D为盘管外径，q冰为冰的潜热；

步骤2.根据蓄冰传热系数K、蓄冰结束时冰柱外表面积S柱、蓄冰温差ΔT、蓄冰时间t计算出热力蓄冰量Q热,Q热=K×S柱×ΔT×t，其中：K为蓄冰传热系数，S柱为蓄冰结束时冰柱外表面积，ΔT 为蓄冰温差，t为蓄冰时间;

步骤3.判断结构储冰量和热力蓄冰量的匹配关系，当热力蓄冰量不等于结构储冰量时，通过调整盘管排布间距L使热力蓄冰量与结构蓄冰量相等或两者的差值在允许范围内。

2.如权利要求1所述的蓄冰盘管设计和评估方法，其特征在于，针对正四边形排列的盘管，f的取值范围为0.8-0.85。

3.如权利要求1所述的蓄冰盘管设计和评估方法，其特征在于，针对等边三角形排列的盘管，f的取值范围为0.9-0.95。

4.如权利要求1所述的蓄冰盘管设计和评估方法，其特征在于，步骤3中，所述允许范围为±3%。

5.如权利要求4所述的蓄冰盘管设计和评估方法，其特征在于，当管材为聚乙烯时，所述结构储冰量和热力蓄冰量相匹配时的直径和厚度的取值范围在D12×1.5mm-D16×1.8mm，盘管排布间距L取值范围在40-50mm。

6.如权利要求4所述的蓄冰盘管设计和评估方法，其特征在于，当管材为钢材料时，所述结构储冰量和热力蓄冰量相匹配时的直径和厚度的取值范围在D12×1.5mm-D20×1.5mm，盘管排布间距L取值范围在55-65mm。

7.如权利要求1所述的蓄冰盘管设计和评估方法，其特征在于，当结构储冰量和热力蓄冰量相等时，盘管排布间距L等于盘管外冰柱外径。

8.一种蓄冰空调机组，其特征在于，所述蓄冰空调机组使用权利要求1至7任一条所述的蓄冰盘管设计和评估方法进行设计。