145季节性冰雪蓄冷技术在建筑空调中的应用研究.docVIP

季节性冰雪蓄冷技术在建筑空调中的应用研究 南京理工大学，余延顺，屈贤琳，徐辉，刘婧 摘要：季节性冰雪蓄冷技术是把冬季在自然条件下形成的冰雪通过一定方式储存起来，供来年建筑物空调供冷使用，是一种自然冷源利用形式。论文在稳态传热及集总参数分析方法基础上，建立了圆柱形地下储库冰雪储存与释冷过程的数学模型，并得出模型的分析解。运用该模型对北京市商场、办公楼、宾馆和医院四类典型建筑应用季节性冰雪蓄冷进行空调供冷的特征参数进行了计算分析；提出了冰雪蓄冷匹配系数的定义，分析了其在不同储冰初始温度及年平均单位面积冷负荷条件下的变化规律，为季节性冰雪蓄冷技术的工程应用提供了借鉴和参考。 关键词：季节性冰雪蓄冷；天然冷源；冷量损失；冰雪蓄冷匹配系数 1 引言 在我国“三北”地区有着寒冷漫长的冬季及温和短暂的夏季，并且在这些地区一般年平均气温较低、冬季降雪量丰富。季节性冰雪蓄冷技术则是利用该特点，把冬季在自然条件下形成的冰或雪通过某种方式存储起来供来年建筑物空调供冷使用，是一种节能的自然冷源利用方式。该技术的应用有着悠久的历史，可以追溯至2000年前或更早，在古希腊及伊朗均有这方面相关文献的记载，在冬季将冰从湖里或河里取出，存储于谷仓中，用锯屑隔热，用来冷藏食物[1,2,3]，在20世纪初电制冷机出现以前，该技术在欧洲、北美和亚洲等国家得到了较为广泛的应用[3]。 近年来，随着全球范围能源危机的加剧，保障能源的安全性已成为全球普遍关注的焦点问题；同时由于目前能源利用还以媒、石油、天然气等化石能源为主，这些矿物燃料燃烧所释放的二氧化碳、烟尘、硫化物和氮氧化物等有害物质，对人类的生存环境也构成了严重的威胁。另一方面，因城市规模的日益扩大及城市逐渐走向现代化，城市电网的尖峰负荷及年总用电负荷在逐年增大，导致电网不堪重负，迫使电力部门增加投入新建电厂或对电力需求侧进行宏观调控，而空调的电耗在其中扮演了重要角色。因此如何解决能源与环境问题是一个受到普遍关注的话题。利用季节性冰雪蓄冷技术对建筑物进行空调供冷，具有显著的节能、环保、削减电力峰值和可持续发展的优点。根据蓄冷及利用方式不同，季节性冰雪蓄冷系统的COP值可达到50～100[2,4,5]；文献[6,7]对瑞典松兹瓦尔区医院季节性雪蓄冷系统进行连续3年的实测表明其COP值为10.7~19.4；文献[8]对美国寒冷、温和、暖和三个不同气候地区应用季节性冰蓄冷技术的经济性进行比较，得出其相对常规空调方案的投资回收期分别为1.6年、3.5年和6.54年。文献[9]对季节性冰雪蓄冷技术的应用与发展现状进行较为全面的综述。 鉴于此，本文在稳态传热及集总参数分析基础上，研究地下圆柱形储库冰雪储存与释冷过程的数学模型，分析季节性冰雪蓄冷技术在北京市商场、办公楼、宾馆和医院四类典型公共建筑应用中的特征参数；同时为便于工程应用，提出冰雪蓄冷匹配系数的定义，以期为季节性冰雪蓄冷技术的工程应用提供借鉴和参考。 2 冰雪储存过程的数学模型 在图1所示冰雪储存与利用原理基础上，为简化冰雪储存过程的逐时冷量损失及库内冰温与剩余冰量的计算，在模型建立过程中提出如下简化假设： （1）地下储库为圆柱形，库中冰雪参数按集总参数处理，即认为库内冰雪或冰雪混合物温度始终趋于一致；同时库内冰雪与周围土壤的传热按稳态传热过程处理； （2）库内冰雪的瞬时释冷能力无限大； （3）考虑太阳辐射影响，将地表大气温度处理为综合温度形式，即：tz(τ)=tair(τ)+αρI(τ)/αw，αw为综合考虑太阳辐射的地表面对流换热系数，23.3W/m2℃；αρ为地表面太阳吸收系数，取0.92[10]； （4）储冰初始温度为to，土壤远边界r∞处温度恒定为t∞，且近似为当地年空气平均温度； （5）冰的融解温度为0℃，当库内冰雪温度达到释冷上限温度tlim时，认为冰雪失去供冷能力。 在上述简化假设条件下，按稳态传热及集总参数法建立储冰及释冷过程的逐时冷量损失及库内冰温与剩余冰量的动态计算模型。 2.1 储冰及释冷过程的冷量损失 （1）冰库圆柱表面的冷量损失 圆柱表面的传热热阻： 圆柱表面的逐时冷量损失： （2）冰库顶面的冷量损失 冰库顶面的传热热阻： 冰库顶面的逐时冷量损失： （3）冰库底面冷量损失 冰库底面的传热热阻： 冰库底面的逐时冷量损失： 冰窖总逐时冷量损失为：