空调系统中天然冰雪的利用分析

    孙浩洋等

    

    摘 要：分析我国东北地区独特的寒冷气候环境，提出将天然的冰雪利用到空调系统中，实现天然冰雪"冬储夏用"的构想。介绍天然冰空调系统，并与常规空调系统和普通冰蓄冷系统进行对比，体现天然冰系统的独特性。对天然冰蓄冰槽及其工作原理、两种储冰技术进行介绍，并总结天然冰系统的综合效益。

    关键词：东北地区；天然冰；冬储夏用；蓄冰槽；效益

    丰富的冰雪资源是大自然给予我们人类的自然财富，我们要有效地把冰雪资源储藏起来，在适宜的环境中充分地利用，实现能源的节约，实现天然冰雪"冬储夏用"的构想。

    1 天然冰空调系统介绍

    1.1 天然冰空调系统的独特性

    常规家庭分体式空调系统中主要的耗电元件是压缩机、冷凝器的轴流式风机和蒸发器中的离心式风机等等，其中压缩机是主要的耗电元件，压缩机的启停及运行性能是决定空调节电与否的关键因素。

    通常意义上所讲的"蓄冷"指的是在晚间电力谷荷阶段，利用电动制冷机制冷，把冷量以显热或潜热的形式储存在某种介质中，到白天用电高峰期，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺的需要[2]。普通冰蓄冷冰不能够达到省电的目的，其涉及到能量转换的环节，这就意味着能量的几个环节浪费，影响了空调的性能系数和效率。且冰蓄冷投资大，发展受到限制。

    相比于上述两种空调系统，天然冰空调系统以其充分利用自然资源的特点凸显出独特的优越性。天然冰空调系统利用有专利技术并采用特殊工艺技术制作而成的天然冰蓄冰槽，与室内的蒸发器配合，将天然冰雪融化产生的冷量释放到需要降温的空间，达到满足空间冷负荷的作用。

    1.2 天然冰蓄冰槽介绍

    天然冰蓄冰槽是一种便携式空调天然冰存储器，以解决目前蓄冷空调的蓄冷器影响了空调的性能系数和效率的问题。蓄冰槽适用性强，可以适合多种环境的空调，通过盘管表面的测温点传感器能够调节载冷剂温度和流量。能够实时控制调节空调房间舒适温度。槽体内设有鼓风机，从而实现融冰供冷均匀的功能。

    工作原理：空调天然冰蓄冰槽将东北地区冬季的冰雪储存到该容器的盘管外，盘管内冲注载冷剂。然后将其放到一定的存放场所。空调负荷使用期间，将该存储器和空调系统相连接，通过载冷剂循环将天然冰的冷量释放出来，满足空调负荷，从而节省空调系统能耗，提高系统性能参数。在融冰释冷过程中，为了融冰均匀，采用鼓风机。

    2 天然冰雪的存储

    实现天然冰雪的冬储夏用，就要做好冰雪存储工作。在东北地区冬季气温很低，最低气温在零下40℃左右，冰雪储存起来相对简单。可以采集江河中冰雪然后进行地下储藏，亦可以建立储冰罐，利用现浇冰冷冻的方法储满天然冰，然后进行保冷处理。

    2.1 地下存储江河中采集的冰雪

    据测算，深2m的类似于半球形的地下坑储存15吨的冰雪，保存期从三月到六月，冰雪的损失率为15%。由此可以建造地下储冰场所，在冬天利用热交换管将地下窖或山洞式贮藏库周围的土层冻成一层很厚的"永久冻土"，以维持春暖后贮藏室的低温。热交换管是一种弯曲的波纹管，里面充有氟里昂R22冷媒，利用氟里昂冷凝放热和蒸发吸热的性质，冬季把深土中的热量散发到空气中去，使土层中的水结成冰，形成一定厚度的冻土，当天暖时这些冻土则可维持库内低温，防止冰雪的融化。

    2.2 建立储冰罐现浇冰冷冻储冰

    储冰罐利用钢材焊接而成，当投资建成一定规模的储冰罐后，在冬天低温的环境下，向罐内喷水，水在低温下逐渐冻结成冰，冰的温度低于水，水和冰之间的相变是为了极大程度上的储存冷量。这种喷水冻冰的方法是为了防止水的结冰冻胀现象造成罐体的损坏。当把冬季储存的冰用于夏季的空调供冷系统，相当于不启动制冷剂的条件下获得了冷量。在需要冷量的时候，通过一定的结构将储冰罐中的冷量引出。经计算，当设计的储冰罐足够大时，储冷量满足一个油气加工厂使用3～4 个月（5月1日～9月1日）是没有问题的。以储存0 ℃冰为使用开始时的储冷状态，即认为冬季储存的冰到5月1 日，温度升高到0℃，但仍以冰的状态存在[3]。

    3 天然冰空调系统的效益分析

    常规空调系统利用电能驱动各制冷元件工作，其电消耗量越来越受到重视，尽管不断有节能的变频空调问世，但是与天然冰空调系统相比，不节电的问题还是凸显出来。总体来说，普通的冰蓄冷空调系统优于常规空调系统，即可削减制冷机组装机容量，减少白天高峰负荷时的用电量，有效地实现电力的削峰填谷，又可利用峰谷分时电价和其他鼓励调峰的优惠政策，在较短时间内收回增加的初投资。但从总的耗电量来看，蓄冷空调系统的总耗电量远远大于常规空调系统。

    利用天然冰蓄能供冷设备系统替代蓄冷空调中耗电制冷设备，实现冰的冬贮夏用，节省电能；不用制冷设备，节省铜、钢材料；不用制冷剂，不破坏臭氧层；年运行费用低；维修简便；使用寿命长。从而最大限度地降低了冰蓄冷空调系统的初投资，减少了投资回收期，更好的发挥其优势，提高冰蓄冷空调的竞争力，有利于用户的使用。从保护环境角度看，利用天然冰作为冷源，节省耗电，减少以火力发电为主的CO2排放、减轻温室效应、热岛效应、酸雨造成的灾害，在节约不可再生资源、保护环境的同时，发展天然冰蓄冷对建设节约型社会、保持经济持续发展十分有利。

    4 结束语

    天然冰系统充分利用自然资源，将天然的冰雪应用到空调系统中，起到了节能环保的效果。但是也有很多制约发展的因素，例如地理气候因素、天然蓄冰冷建筑用地的限制因素、维修管理复杂等因素。相信科技的发展会化解种种因素限制，实现天然冰系统的真正应用，造福人类。

    参考文献：

    [1]李杰主编.东北地区废冰雪利用与开发的可行性研究，第七届全国食品冷藏链大会论文集，2010.

    [2]马最良，姚杨主编.民用建筑空调设计.北京化学工业出版杜，2003.

    [3]高丽馥，王春许.天然冰储冰技术及其应用研究.应用能源技术.2001.（6）：14-15.

    基金项目：哈尔滨商业大学大学生创新创业训练计划省级一般项目，项目编号：201310240025