基于電能驅動的冰蓄冷系統動態特性仿真與運行特性研究

胡本然

(國網黑龍江省電力有限公司 電力交易中心，哈爾濱 150090)

0 引 言

冰漿式蓄冷技術是近年來日益發展的一種新型蓄冷技術，自從20世紀80年代以來，美國、日本及歐洲國家普遍開始了對冰漿式蓄冷技術的研究和應用。1999年國際制冷學會成立了專門研究冰漿技術的小組，推動了各國對冰漿蓄冷的研究和交流合作。國內直到1980年代才開始冰漿蓄冷技術的研究。關于冰漿的熱物性質，很多學者的研究都集中在冰漿的密度、導熱系數、比焓、比熱等方面[1-4]。從1980年開始，國內也大量開展了冰漿蓄冷技術的研究，大多數是針對冰漿熱物理性質、儲存特性或冰晶生長機理等方面的研究，楊帆[5]等人對冰漿在非均質流動下的冰晶濃度的分布作出了研究，發現冰漿動力粘度與含冰率、流速等因素有關。張盛世[6]以質量分數為5%的尿素溶液制備的冰漿為研究對象，定性分析了管徑、含冰率、流動壓降以及管道摩擦阻力系數與雷諾數(Re)之間的關系。

該文首先分析了系統的運行方式和原理，對冰漿式蓄冷空調的系統結構進行了初步設計。然后根據設定的工況條件對系統做靜態設計，結合每個部件的工作原理，采用模塊化的思想，利用集總參數法建立系統各個部件的動態數學模型。最后在Simulink平臺上對系統進行二次建模并封裝，實現系統的仿真運行和模型驗證。

1 冰漿式蓄冷系統額定工況設計

冰漿式蓄冷系統可分為蓄冰系統和供冷系統，系統原理如圖1所示。

圖1 冰漿式蓄冷系統原理圖

冰漿式蓄冷系統運行模式可分為三種，分別是蓄冷模式、供冷模式和蓄供聯合模式。系統進行蓄冷模式時，空調換熱器不工作，閥2打開，閥1關閉，泵向蓄冰槽打開，壓縮機工作，制冷機組向蓄冰槽充冷。

系統進行供冷模式時，制冷機組不工作，閥2關閉，閥1打開，泵向空調換熱器打開，空調的負荷全部由蓄冰槽內儲存的冷量提供。這種工作方式也被稱為全蓄冷式空調循環。全蓄冷循環的特點是充分利用低谷電力，移峰能力較強，可以大幅節省電費。

系統進行蓄供聯合模式時，閥1、閥2全開，蓄冰槽在向空調負荷提供冷量的同時，制冷機組也在制冰，不斷為蓄冰槽補充冷量。這種模式的特點是可以設計較小的機組容量，初期投資成本較少，熱量的循環利用率較高，但移峰能力較弱，節省的電費也相對較少。

2 動態數學模型

2.1 冰漿式蓄冷空調系統模塊劃分

對于此系統，文中主要關注的動態參數有：蓄冰槽的取水和回水溫度、空氣進出口參數、冷水過冷度以及制冰率等。為了更好地研究所需要的特征參數，將系統簡化并劃分為以下幾個主要模塊：

制冷系統：蓄冰槽、循環水泵、空調負載。

蓄冰系統：過冷卻器、壓縮機、蒸發器、過冷解除裝置。

模塊之間的簡要連接見圖2。

圖2 系統主要模塊劃分圖

2.2 循環水泵動態數學模型

冷水經過濾網流入循環水泵，原動機輸出功率使冷水獲得循環速度并被提升到一定的高度，同時考慮到泵與環境的散熱，整個過程的能量傳遞情況如圖3，其中T1為水泵進口溫度，T2為水泵出口溫度，Ta為環境溫度。

圖3 水泵熱量傳遞關系簡圖

對于循環泵可以近似認為水泵冷水出口溫度等于泵內流體的平均溫度，與外界環境的散熱求解時可認為水泵壁面溫度等于冷水平均溫度，以進、出口兩點的平均值作為模型集總參數，根據能量平衡方程有：

(1)

式中：ρw為冷水密度，kg/m3；V為泵的總容積，m3；cw為比熱容，J/kg·℃；ha為循環泵與外部環境的表面對流傳熱系數，W/(m2·K)；Tw1、Tw0、Ta為出口溫度、進口溫度、環境溫度；ha為比熱系數，W/(m·k)；A為水泵壁面積，m2；Qin為循環泵對流體做功引起的熱量增加量，J。

Qin數值上可以近似認為

(2)

式中：Pe為循環水泵的有效功率，W；vw為冷水的循環流速，m/s；H為冷水可以被提升的高度，m；mw為冷水的循環流量，kg/s，在系統仿真時可以取為定值。

循環水泵與環境的散熱可以視為大空間內恒壁溫水平圓管的自然對流。

2.3 表面冷卻器動態數學模型

表面冷卻器中主要發生的是熱空氣與循環冷水的換熱過程，其工作原理見圖4。

圖4 表冷器換熱過程簡圖

圖4中，Ta，i、Ta，o分別為空氣的進、出口溫度，Tw，i、Tw，o分別為冷水的進、出口溫度，q為通過換熱器的熱量。

以出口位置點作為模型的集總參數，對表面冷卻器模型作以下假設和簡化：

a)表面冷卻器管壁較薄，傳熱性能較好，不考慮管壁蓄熱；

b)不考慮部件和介質對環境的散熱；

c)通過換熱器的冷量，一部分用來冷卻空氣降溫，一部分使空氣析出水量。

由此建立濕工況下的焓溫通道模型：

空氣側：

qa,i·ha,i-qa,o·ha,o-A·q+wx·γ=

(3)

冷水側：

(4)

式中:qa,i、qa,o分別為干空氣的進、出口質量流量，kg/s；ha,i、ha,o分別為進、出口的濕空氣比焓,kJ/kg，即在濕空氣含濕量一定的情況下，每千克干空氣對應的濕空氣的焓值；wx為濕空氣通過表面冷卻器后析出的水量，kg/s；Va為空氣控制體的體積，m3；qm,w為冷水循環質量流量，kg/s；mw為冷水控制體的質量。需要說明的是，A·q為通過換熱器的總熱量，由空氣的降溫放熱和析水放出的汽化潛熱兩部分組成。

表面冷卻器實質上是一種逆流式換熱器，采用對數平均溫差得到對流換熱量：

(5)

查閱《實用制冷與空調手冊》，選擇換熱系數K值的一種經驗算式：

(6)

3 基于Matlab/Simulink建模和仿真實驗

在基于集總參數法的條件下建立了冰漿式蓄冷空調系統主要部件的數學模型，根據前面的模塊劃分，在Simulink平臺上對每個模塊進行二次建模。

以循環水泵為例，采用直接連接模塊的方法，建立水泵的Simulink模型，見圖5。

圖5 水泵模塊連接圖

再以蓄冷工況下的過冷卻器為例，建立Simulink模型，見圖6。

圖6 過冷卻器模塊連接圖

模塊中總共有3個輸入量，分別是冷水的進口質量流量qm,w,i、冷水進口溫度Tw,i和制冷劑的進口溫度Tz,i，輸出量有3個,分別為過冷水的出口質量流量qm,w,o、過冷水出口溫度Tw,o和制冷劑的出口溫度Tz,o。

4 釋冷工況仿真結果及分析

假設空調只開啟釋冷功能，即調門2全關，調門1打開。根據前述靜態設計，制冷工況下的已知條件有：

環境空氣溫度Tw,o=25 ℃，含濕量da,i=7.879 g/kg，環境平均冷負荷qz=3.816 kW，濕負荷w=2.48 kg/h，進口干空氣質量流量qm,a,i=0.156 kg/s，循環冷水質量流量qm,w=0.131 2 kg/s。

從圖7中所示，由于泵對流體做功以及泵與環境的散熱，冷水通過循環泵穩定后水溫會上升約0.18 ℃。

圖7 釋冷工況下循環水泵出口水溫

如圖8所示，設計釋冷工況下穩態時空氣的送風溫度為12 ℃，由仿真結果可知，空氣出口溫度最終穩定在12.2 ℃左右，靜態誤差為1.67%。

圖8 釋冷工況下空調送風溫度

由圖9可知，設計工況下穩態時蓄冰槽的取、回水溫度為0～10 ℃，由圖可知,穩定后蓄冰槽的回水溫度在10.1 ℃左右，靜態誤差為1%。

圖 9 釋冷工況下蓄冰槽回水溫度

5 結 語

該文分析了冰漿式蓄冷空調系統的運行方式和原理， 對其系統結構進行了初步設計。結合每個部件的工作原理，采用模塊化的思想，利用集總參數法建立系統各個部件的動態數學模型。再在Simulink平臺上對系統進行二次建模并封裝，實現系統的仿真運行和模型驗證。為了更深入研究系統的動態特性，分別在仿真系統不同的運行模式下，對系統的相關動態參數(如溫度、流量等)作階躍擾動實驗，根據其他環節參數的動態響應曲線，結合冰漿式蓄冷空調的運行方式和工作原理，從每個部件的動態數學方程的角度出發，分析并研究了系統的動態特性。通過動態數學建模和仿真運行，為冰漿式蓄冷空調系統的后續研究奠定了良好的基礎。