自从20世纪推广使用冰蓄冷技术以来[1]，冰蓄冷技术以“移峰填谷”的优势，成为暖通空调领域炙手可热的“宠儿”[1, 2]。传统的冰蓄冷设备采用乙烯乙二醇溶液为制冷剂，制冷剂不与冰水直接接触，传热热阻高，传热效率低；为了满足制冷要求，需要配备大面积换热管，运行效率较低[3]。邹杰[3]研发了一种新型动态冰蓄冷设备，采用正丁烷作为制冷剂，制冷剂与冰水直接接触，制冰过程中制冷剂带走热量将冷水制成冰，融冰过程中依靠冰融化向空调系统供冷；为了更好地将水与制冷剂混合，在冰蓄冷设备中设置移动床等传动装置，换热更加强烈，运行效率更高，控制更加可靠[4]。笔者介绍的低温送风空调系统引进该新型动态冰蓄冷设备，夜晚利用冷水机组制冰，白天利用冷水机组和冰蓄冷设备分别向空调机组提供7/12 ℃和0/7 ℃的冷冻水，高效实现低温送风和负荷转移[5]。但是相关研究发现该系统能量利用效率受到诸如热湿比、新风比、送风温差等运行参数的影响，因此，笔者基于能量利用效率进行研究，为优化系统性能及提高系统节能性奠定理论基础。
能量利用效率研究方法主要有两种：一是基于热力学第一定律的热平衡法，二是基于热力学第一定律和第二定律的分析法[5]。很多学者基于热平衡法将典型冰蓄冷低温送风空调系统与常规温差空调进行对比研究，认为冰蓄冷低温送风空调系统送风温度低、送风量少、运行能耗低、系统整体效益高[6, 7, 8]。殷平[9]对广州电子车间、商场及北京办公楼3种不同建筑进行调查研究，采用经济分析法对比分析了两种系统的一次投资和运行费用，认为低温送风系统相对节能，并指出室内热湿比越小，这方面的效果越明显。但基于热平衡法的传统经济分析法重在与常规空调系统进行对比研究，只能从数量上评价系统的节能特性，并不能揭示某个部件对系统能量利用率的影响，更不能明确说明热湿比、新风比、送风温差等参数将会对哪些部件产生最大影响。分析法着眼于系统本身，将“质”和“量”统一于系统能量利用率分析中，便于发现系统损因素对系统及其部件能量利用率的影响，有助于确定系统适用的最优参数，为改善系统性能指明正确方向[10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]。笔者基于分析法研究热湿比、新风比、送风温差等损因素对系统效率和表冷器损率的影响，最终为该冰蓄冷低温送风空调系统性能优化提供理论依据。
热(冷)量ExQ定义为高于(低于)环境温度的系统，在给定的环境条件下能够对外做的最大有用功,计算式[10]为
式中：T0为环境空气温度，K；Ta为进出口对数平均温度，K。
湿空气是暖通空调领域的主要研究对象，它的状态主要由温度和含湿量两个参数来表征。在对湿空气进行分析时，需要选取零点作为参考。选取环境温度下的饱和空气状态作为分析的参考点，则1 kg湿空气任意状态下的为[10]
式中：ex为每千克湿空气的，kW/kg；P0为标准大气压，kPa；T0为环境温度，K；d0为环境温度下的饱和含湿量，kg/kg；Ra为干空气气体常数，取为0.287 kJ/(kg·K)；Cpa为干空气的定压比热，取为1.003 kJ/(kg·K)；Cpv为水蒸气的定压比热，取为1.872 kJ/(kg·K)。
任何不可逆过程必然引起的损失，损失计算式为[10]
式中：Eloss为损失，kW；Exin为输入，kW；Exef为有效输出，kW。
损率定义为某部件的局部损失与系统总损失之比，计算式为[10]
式中：di为损失率；Eloss为某个环节的局部损失，kW；Eloss为系统总损失，kW。
效率定义为系统有效输出占输入的比值，计算式为[10]
式中：ηex为效率；Exef为系统有效输出，kW；Exin为系统总输入，kW。
冰蓄冷低温送风空调系统空气处理流程如图 1所示[5]，空气处理过程焓湿图如图 2所示[5]，由图 1和图 2可知，表冷器1是处理新风(状态点1)的一级表冷器，冷冻水供回水温度为7/12 ℃，由冷水机组提供；处理新风的二级表冷器是表冷器2，由冰蓄冷系统提供冷冻水，供回水温度为0/7 ℃，它能够将表冷器1处理后的新风(状态点1′)处理到温度T=3.8 ℃，相对湿度φ=95%，含湿量d=4.76 g/kg的低温风(状态点1″)；一次回风(状态点2)由变频风机控制流量，由表冷器3(供回水温度为0/7 ℃)处理到温度T=3.8 ℃，相对湿度φ=95%，含湿量d=4.76 g/kg的低温风(状态点2′)，最终与两级表冷处理过的新风混合为一次混风，一次混风和二次回风(状态点2″)混合为二次混风(状态点3)；二次混风由表冷器4(供回水温度为7/12 ℃)在干工况下处理到达送风状态(状态点4)，最终由送风机将送风(状态点5)送入室内用于消除房间热湿负荷。
低温送风空调系统损的影响因素很多：风机、管道温升引起的损失，表冷器冷却空气产生冷凝水而引起的损失，表冷器与空气换热过程等不可逆过程引起的损失等[10, 11]。在对系统进行分析时，忽略系统内部流动的压力损失和位能差的影响，忽略风机和管道温升引起的损失，选取空调处理机组内流动的湿空气为研究对象，把系统视作开口系稳定流动系统，则各表冷器及系统的分析模型[10, 11, 12, 13, 14]如下：
1)表冷器1的损失为
式中：Ex1为新风的，kW；ExQ1为表冷器1提供的冷量，kW；Ex1′为由表冷器1处理后新风的，kW。
2)表冷器2的损失为
式中：ExQ2为表冷器2提供的冷量，kW；Ex1″为由表冷器2处理后新风的，kW。
3)表冷器3的损失为
式中：Ex2为一次回风的，kW；ExQ3为表冷器3提供的冷量，kW；Ex2′为由表冷器3处理后一次回风的，kW。
4)表冷器4的损失为
式中：Ex3为二次混风的，kW；ExQ4为表冷器4提供的冷量，kW；Ex4为由表冷器4处理后二次混风的，kW；
5)系统的损失为
式中：Ex2″为二次回风的，kW；Ex5为送风的，kW；
6)系统的效率为
广州某冰蓄冷低温送风空调系统工程设计工况如下。室内主要设计参数为：室内设计温度Tn=28±2 ℃，相对湿度φn≤30%，车间内冷负荷为11.8 kW，湿负荷为2.1 kg/h，新风量为0.2 kg/s，热湿比ε=20 228.57 kJ/kg，新风比m=20%,送风温差△t=9.8 ℃；室外设计参数为：大气压力P0=100 287 Pa，计算干球温度T0=32 ℃，湿球温度Th=27.3 ℃，相对湿度φ0=70%。在取得必要工程设计方面相关数据的情况下，根据已经建立的系统以及各表冷器分析模型，采用MATLAB编程计算[20]该冰蓄冷低温送风空调系统的损失和效率以及各表冷器的损率。
如图 3所示，当热湿比变化时，表冷器1、表冷器2和表冷器3损率均随之呈反比变化，当ε>28 000 kJ/kg时，表冷器1和表冷器2损率很小，几乎为0且基本保持不变。表冷器4损率随热湿比呈正比变化，当18 000 < ε < 20 500 kJ/kg时，表冷器4损率很小，几乎均为0；当ε>26 000 kJ/kg时，表冷器4损率明显大于其他表冷器。这主要是因为：除湿的任务主要由表冷器1、表冷器2和表冷器3承担，表冷器4主要用于降温。
如图 4所示，当热湿比变化时,系统损失随之呈正比变化，效率随之呈反比变化。这就意味着当热湿比增大，系统损失增多，系统效率降低，而导致系统效率降低的关键部件是表冷器4。因此,当热湿比较大尤其ε>26 000 kJ/kg时，表冷器4是冰蓄冷低温送风空调系统节能设计的薄弱环节，对系统进行性能优化应当主要针对表冷器4。
如图 5所示，当新风比变化时，表冷器1和表冷器2的损率随之呈正比变化，表冷器3和表冷器4的损率随之呈反比变化，其中表冷器4随新风比变化最小，表冷器2的损率增大速度较快；当m>20%时，表冷器2的损率远远大于其他表冷器，且其他表冷器损率变化平缓。这主要是因为新风的热湿负荷主要由表冷器1和表冷器2承担，其中表冷器2承担的负荷较多，表冷器2损率变化也就越显著。
如图 6所示，当新风比变化时，系统损失随之呈正比变化，效率随之呈反比变化。这就意味着当新风比增大，系统损失增多，系统效率降低，而导致系统效率降低的关键部件是表冷器2。因此,当新风比较大尤其m>20%时，表冷器2是冰蓄冷低温送风空调系统节能设计的薄弱环节，对系统进行性能优化应当主要针对表冷器2。
如图 7所示，当送风温差变化时，表冷器1、表冷器2和表冷器4损率均随之呈反比变化，表冷器3随之呈正比变化；当Δt>8 ℃时，表冷器3损率大于其他表冷器，这主要是因为送风温差的变化对表冷器3产生很大的影响。
如图 8所示，当送风温差变化时，系统损失随之呈正比变化，效率随之呈反比变化。这就意味着当送风温差增大，系统损失增多，系统效率降低，而导致系统效率降低的关键部件是表冷器3。因此，当送风温差较大尤其Δt>8 ℃时，表冷器3是冰蓄冷低温送风空调系统节能设计的薄弱环节，对系统进行性能优化应当主要针对表冷器3。
1) 当热湿比、新风比、送风温差变化时，冰蓄冷低温送风空调系统损失随之呈正比变化，系统效率随之呈反比变化。这就意味着当该系统应用于热湿比、新风比、送风温差都较小(即ε < 26 000 kJ/kg且m < 20%且Δt < 8 ℃)的实际工程时,该系统效率较高,系统节能性显著；当该系统应用于热湿比、新风比、送风温差偏大(即ε>26 000 kJ/kg或m>20%或Δt>8 ℃)的实际工程时,该系统效率较低,应当针对相应损因素条件下的节能薄弱环节进行性能优化。
2) 当热湿比变化时，处理二次混风的表冷器损率随之呈正比变化，其他表冷器损率随之呈反比变化。这意味着当热湿比偏大,尤其ε>26 000 kJ/kg时，处理二次混风的表冷器是导致系统效率较低的薄弱环节，此时，要使系统效率及节能性提高,应当针对该表冷器对冰蓄冷低温送风空调系统进行性能优化。
3) 当新风比变化时，处理新风的两级表冷器损率随之呈正比变化，其中处理新风的二级表冷器损率变化显著，其他表冷器随之呈反比变化。这意味着当新风比偏大尤其m>20%时，处理新风的二级表冷器是导致系统效率较低的薄弱环节，此时，要使系统效率及节能性提高,应当针对该表冷器对冰蓄冷低温送风空调系统进行性能优化。
4) 当送风温差变化时，处理一次回风的表冷器损率随之呈正比变化，其他表冷器损率随之呈反比变化。这意味着当送风温差偏大尤其Δt>8 ℃时，处理一次回风的表冷器是导致系统效率较低的薄弱环节，此时，要使系统效率及节能性提高，应当针对该表冷器对冰蓄冷低温送风空调系统进行性能优化。
5) 笔者的分析计算依据来源于冰蓄冷低温送风空调系统设计工况，对于非设计工况的系统性能优化具有指导意义，而与非设计工况的对比研究有待开展。
2016, Vol. 38 Issue (2): 132-137
(3.69 M)
2016, Vol. 38 Issue (2): 132-137
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