家用節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與研究

閆帥博

能源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是社會(huì)建設(shè)的必需資源，奠定國(guó)家根本，因此能源問(wèn)題始終都是世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，能源領(lǐng)域的技術(shù)變革與創(chuàng)新在人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展歷史中占據(jù)舉足輕重的地位。而人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源需求量的急劇增加導(dǎo)致化石類(lèi)能源的過(guò)快和過(guò)度開(kāi)發(fā)，引發(fā)了社會(huì)各界學(xué)者對(duì)于環(huán)境污染和未來(lái)能源供應(yīng)能否持續(xù)的擔(dān)憂。

由于煤炭、石油、礦產(chǎn)、天然氣等化石燃料與核燃料具有不可再生性，如何在確保人類(lèi)社會(huì)能源可持續(xù)供應(yīng)的同時(shí)減少能源利用過(guò)程中的環(huán)境污染，是當(dāng)今世界各國(guó)共同關(guān)心的問(wèn)題。因此，提高能源利用效率、發(fā)掘新能源、實(shí)現(xiàn)可再生能源（太陽(yáng)能、風(fēng)力、潮汐能、地?zé)崮艿龋┯行ч_(kāi)發(fā)，已成為解決人類(lèi)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中日益凸顯的能源需求增長(zhǎng)與能源緊缺、能源利用與環(huán)境保護(hù)之間矛盾的必然選擇。

為應(yīng)對(duì)這一人類(lèi)共同面臨的挑戰(zhàn)，社會(huì)各界已開(kāi)展了大量研究，主要體現(xiàn)在開(kāi)源和節(jié)流兩方面。開(kāi)源即是尋求更多的可用能源以維護(hù)能源的可持續(xù)供應(yīng)，除去傳統(tǒng)意義上的化石能源核能、生物質(zhì)能近年來(lái)得到高度關(guān)注并迅速發(fā)展，多數(shù)可再生能源也漸漸走進(jìn)人們的視野。節(jié)流則在于盡可能減少對(duì)能源的浪費(fèi)，通過(guò)提高能源的利用效率，爭(zhēng)取延緩化石能源枯竭的速度，并減少對(duì)環(huán)境的污染。

時(shí)至今日，節(jié)能技術(shù)在社會(huì)各界已得到廣泛應(yīng)用，儲(chǔ)能技術(shù)的不斷創(chuàng)新為能源節(jié)約利用提供了新方向。其中用于工、礦、商廈的大中型冰蓄冷技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用已形成一定規(guī)模，而用于小環(huán)境下的節(jié)能技術(shù)過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有形成規(guī)模化應(yīng)用。家庭作為社會(huì)的重要組成部分，能源節(jié)約利用必須從“小”做起，才能取得“大”的收獲。空調(diào)、冰箱作為家用電器中耗電量最大的部分，怎樣節(jié)能一直是各大廠家研究的關(guān)鍵方向，而儲(chǔ)能技術(shù)中相變蓄冷概念的提出為實(shí)現(xiàn)節(jié)能提供了新途徑。

1.相變蓄冷技術(shù)

相變蓄冷技術(shù)是利用相變材料在其本身發(fā)生相變的過(guò)程中，通過(guò)吸收并在必要時(shí)向環(huán)境放出冷量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的削峰填谷，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷被平衡、環(huán)境溫度被控制和節(jié)能等目的。冰蓄冷，作為一種能源存儲(chǔ)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便安裝，相比于其他儲(chǔ)能材料，冰作為蓄冷介質(zhì)優(yōu)勢(shì)非常明顯，在負(fù)荷周期長(zhǎng)、夏季日負(fù)荷高的夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性效益顯著。另外，在商業(yè)建筑中，由于空調(diào)系統(tǒng)的能耗占到建筑總能耗45%～55%，國(guó)內(nèi)部分大城市的高峰用電中空調(diào)用電達(dá)35%以上，并且空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制具有晝行夜停的特點(diǎn)，因此也具備應(yīng)用冰蓄冷系統(tǒng)的先天條件。使用相變蓄冷空調(diào)，不僅達(dá)到了“移峰填谷”，平衡電網(wǎng)負(fù)荷的目的，同時(shí)也減少了空調(diào)裝機(jī)容量和相應(yīng)的配套設(shè)施，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。

1.1家用小型冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)

以120m2房間為例，冰蓄冷空調(diào)與常規(guī)空調(diào)相比該系統(tǒng)增加了蓄冰槽、蓄冷用儲(chǔ)液器以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換閥門(mén)，所蓄冷量在白天空調(diào)工況運(yùn)行時(shí)對(duì)制冷劑進(jìn)行過(guò)冷。該系統(tǒng)由制冷劑系統(tǒng)和空調(diào)水系統(tǒng)并聯(lián)而成， 采用全部蓄冷策略。圖1給出了蓄冷空調(diào)的系統(tǒng)原理圖，蓄冷運(yùn)行時(shí)，冷凝器出來(lái)的制冷劑經(jīng)電子膨脹閥進(jìn)入蓄冰槽蒸發(fā)，將冷量蓄存;取冷運(yùn)行時(shí)，冷凝器出來(lái)的制冷劑進(jìn)入蓄冰槽，制冷劑過(guò)冷后再進(jìn)入蒸發(fā)器，從而提高了制冷量和性能系數(shù)。這種蓄冷空調(diào)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，在常規(guī)空調(diào)的基礎(chǔ)上僅增加了蓄冰槽、簡(jiǎn)單管路等，符合小型空調(diào)控制靈活的要求。系統(tǒng)圖如下：

1.2實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)裝置在制冷量為5kW的分體式空調(diào)的基礎(chǔ)上改造，添加蓄冷和取冷裝置，以及相關(guān)閥門(mén)和管路部件，組成小型冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。

在常規(guī)空調(diào)工況中，冷凝溫度取45℃，蒸發(fā)溫度 7℃，過(guò)冷度5℃。當(dāng)使用蓄冰槽使制冷劑過(guò)冷，理論上最低可過(guò)冷4℃，則由壓焓圖計(jì)算可得，制冷量比原來(lái)增加約34%。如果制冷量增大，要求蒸發(fā)器規(guī)格也相應(yīng)增大。由于本試驗(yàn)裝置使用原系統(tǒng)的蒸發(fā)器，蓄冷前后蒸發(fā)器設(shè)備性能不發(fā)生變化。因此，過(guò)冷度不宜過(guò)大。根據(jù)實(shí)際情況，選取過(guò)冷度20℃。

同時(shí)，本設(shè)計(jì)選取以下參數(shù)：

（1）蓄冷工況：室外空氣溫度32℃，蒸發(fā)溫度-5℃;

（2）取冷工況：室外空氣溫度37℃，蒸發(fā)溫度7℃，取冷時(shí)間10h;

（3）蓄冷槽尺寸：90mm×70mm×30mm，貯水量140kg，蓄冰率55%，蓄冷量30×100kJ。

1.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

常規(guī)制冷、蓄冷制冷和取冷制冷三種工況的制冷量、性能系數(shù)COP參數(shù)如表2所示。從表中可得出，與常規(guī)運(yùn)行相比，蓄冷運(yùn)行中制冷量降低，約為常規(guī)制冷量的60%，這意味著蓄冷運(yùn)行消耗更多的電能;取冷運(yùn)行時(shí)制冷量上升約12%，性能系數(shù)COP上升0.5。由于三種工況運(yùn)行時(shí)消耗電功率大致相等，蓄冷運(yùn)行和取冷運(yùn)行時(shí)間之比為1：5。通過(guò)詳細(xì)計(jì)算可得，當(dāng)峰值與谷值電價(jià)之比大于1.4時(shí)，蓄冷制冷比常規(guī)制冷節(jié)省電費(fèi)，峰谷電價(jià)比值越大，家用空調(diào)節(jié)能越多，經(jīng)濟(jì)效益越高。因此，小型冰蓄冷空調(diào)應(yīng)用的較大市場(chǎng)在峰谷值電價(jià)差距大的地區(qū)。實(shí)驗(yàn)證明夜間利用波谷電直接蒸發(fā)制冷蓄冰，白天過(guò)冷制冷，這種冰蓄冷技術(shù)應(yīng)用在小型空調(diào)系統(tǒng)上是可行的。

2.結(jié)論

綜上所述，小型蓄冷空調(diào)設(shè)備具有良好的移峰填谷效果， 因而受到社會(huì)和電力部門(mén)的大力支持， ?同時(shí)也因減少電費(fèi)支出而受到用戶歡迎。小型蓄冷空調(diào)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用對(duì)我國(guó)電網(wǎng)調(diào)峰、節(jié)能及環(huán)境保護(hù)有著十分重要的意義和發(fā)展前景。對(duì)于大多數(shù)空調(diào)使用者也是經(jīng)濟(jì)可行的，但必須考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、設(shè)計(jì)性能、相關(guān)電力政策等因素。當(dāng)所有不利條件得到良好解決， 則小型冰蓄冷空調(diào)將會(huì)在提高能源利用率、電網(wǎng)移峰填谷發(fā)揮其獨(dú)特的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。家用節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，勢(shì)必會(huì)推動(dòng)整個(gè)社會(huì)在能源利用方面取得較大成就，為我國(guó)能源可持續(xù)供應(yīng)貢獻(xiàn)自己的力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]余曉丹，徐憲東，陳碩翼，吳建中，賈宏杰. 綜合能源系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（01）：1-13.

[2]陳玉和. 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展概況研究[J]. 能源研究與信息，2012，28（03）：147-152.

[3]李楠，曹紅奮. 小型冰蓄冷空調(diào)研究[J]. 真空與低溫，2012，18（02）：119-123.

[4]崔建寧，劉藝濤，嚴(yán)衛(wèi)東. 小型空調(diào)冰蓄冷的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷與空調(diào)（四川），2009，23（06）：111-114.