家用节能技术应用与研究

闫帅博

能源是人类赖以生存和发展的基础，是社会建设的必需资源，奠定国家根本，因此能源问题始终都是世界各国关注的焦点，能源领域的技术变革与创新在人类社会的发展歷史中占据举足轻重的地位。而人类社会对能源需求量的急剧增加导致化石类能源的过快和过度开发，引发了社会各界学者对于环境污染和未来能源供应能否持续的担忧。

由于煤炭、石油、矿产、天然气等化石燃料与核燃料具有不可再生性，如何在确保人类社会能源可持续供应的同时减少能源利用过程中的环境污染，是当今世界各国共同关心的问题。因此，提高能源利用效率、发掘新能源、实现可再生能源（太阳能、风力、潮汐能、地热能等）有效开发，已成为解决人类社会发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。

为应对这一人类共同面临的挑战，社会各界已开展了大量研究，主要体现在开源和节流两方面。开源即是寻求更多的可用能源以维护能源的可持续供应，除去传统意义上的化石能源核能、生物质能近年来得到高度关注并迅速发展，多数可再生能源也渐渐走进人们的视野。节流则在于尽可能减少对能源的浪费，通过提高能源的利用效率，争取延缓化石能源枯竭的速度，并减少对环境的污染。

时至今日，节能技术在社会各界已得到广泛应用，储能技术的不断创新为能源节约利用提供了新方向。其中用于工、矿、商厦的大中型冰蓄冷技术的研究开发和推广应用已形成一定规模，而用于小环境下的节能技术过于简单，没有形成规模化应用。家庭作为社会的重要组成部分，能源节约利用必须从“小”做起，才能取得“大”的收获。空调、冰箱作为家用电器中耗电量最大的部分，怎样节能一直是各大厂家研究的关键方向，而储能技术中相变蓄冷概念的提出为实现节能提供了新途径。

1.相变蓄冷技术

相变蓄冷技术是利用相变材料在其本身发生相变的过程中，通过吸收并在必要时向环境放出冷量，来实现对电力系统的削峰填谷，从而实现电网负荷被平衡、环境温度被控制和节能等目的。冰蓄冷，作为一种能源存储方式，结构简单、方便安装，相比于其他储能材料，冰作为蓄冷介质优势非常明显，在负荷周期长、夏季日负荷高的夏热冬暖地区应用经济性效益显著。另外，在商业建筑中，由于空调系统的能耗占到建筑总能耗45%～55%，国内部分大城市的高峰用电中空调用电达35%以上，并且空调系统的运行机制具有昼行夜停的特点，因此也具备应用冰蓄冷系统的先天条件。使用相变蓄冷空调，不仅达到了“移峰填谷”，平衡电网负荷的目的，同时也减少了空调装机容量和相应的配套设施，节省了运行费用。

1.1家用小型冰蓄冷空调系统

以120m2房间为例，冰蓄冷空调与常规空调相比该系统增加了蓄冰槽、蓄冷用储液器以及相应的转换阀门，所蓄冷量在白天空调工况运行时对制冷剂进行过冷。该系统由制冷剂系统和空调水系统并联而成， 采用全部蓄冷策略。图1给出了蓄冷空调的系统原理图，蓄冷运行时，冷凝器出来的制冷剂经电子膨胀阀进入蓄冰槽蒸发，将冷量蓄存;取冷运行时，冷凝器出来的制冷剂进入蓄冰槽，制冷剂过冷后再进入蒸发器，从而提高了制冷量和性能系数。这种蓄冷空调系统组成简单，在常规空调的基础上仅增加了蓄冰槽、简单管路等，符合小型空调控制灵活的要求。系统图如下：

1.2实验装置设计

本实验装置在制冷量为5kW的分体式空调的基础上改造，添加蓄冷和取冷装置，以及相关阀门和管路部件，组成小型冰蓄冷空调系统。

在常规空调工况中，冷凝温度取45℃，蒸发温度 7℃，过冷度5℃。当使用蓄冰槽使制冷剂过冷，理论上最低可过冷4℃，则由压焓图计算可得，制冷量比原来增加约34%。如果制冷量增大，要求蒸发器规格也相应增大。由于本试验装置使用原系统的蒸发器，蓄冷前后蒸发器设备性能不发生变化。因此，过冷度不宜过大。根据实际情况，选取过冷度20℃。

同时，本设计选取以下参数：

（1）蓄冷工况：室外空气温度32℃，蒸发温度-5℃;

（2）取冷工况：室外空气温度37℃，蒸发温度7℃，取冷时间10h;

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

1.3 实验及结果分析

常规制冷、蓄冷制冷和取冷制冷三种工况的制冷量、性能系数COP参数如表2所示。从表中可得出，与常规运行相比，蓄冷运行中制冷量降低，约为常规制冷量的60%，这意味着蓄冷运行消耗更多的电能;取冷运行时制冷量上升约12%，性能系数COP上升0.5。由于三种工况运行时消耗电功率大致相等，蓄冷运行和取冷运行时间之比为1：5。通过详细计算可得，当峰值与谷值电价之比大于1.4时，蓄冷制冷比常规制冷节省电费，峰谷电价比值越大，家用空调节能越多，经济效益越高。因此，小型冰蓄冷空调应用的较大市场在峰谷值电价差距大的地区。实验证明夜间利用波谷电直接蒸发制冷蓄冰，白天过冷制冷，这种冰蓄冷技术应用在小型空调系统上是可行的。

2.结论

综上所述，小型蓄冷空调设备具有良好的移峰填谷效果， 因而受到社会和电力部门的大力支持，  同时也因减少电费支出而受到用户欢迎。小型蓄冷空调技术的研究开发和推广应用对我国电网调峰、节能及环境保护有着十分重要的意义和发展前景。对于大多数空调使用者也是经济可行的，但必须考虑当地的气候条件、设计性能、相关电力政策等因素。当所有不利条件得到良好解决， 则小型冰蓄冷空调将会在提高能源利用率、电网移峰填谷发挥其独特的社会和经济效益。家用节能技术的应用，势必会推动整个社会在能源利用方面取得较大成就，为我国能源可持续供应贡献自己的力量。

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