冰蓄冷空調系統乙二醇膨脹現象及系統保護

羅文海 管留日 朱海明

維沃移動通信有限公司

0 引言

能源緊缺及供需不平衡問題日益突出，當前國家出臺了相關能源政策，確保了民生保障、市場供應，為穩定經濟運行提供了良好支撐。國家發展改革委印發了《關于進一步完善分時電價機制的通知》，要求進一步完善目錄分時電價機制，更好引導用戶削峰填谷、改善電力供需狀況、促進新能源消納，其中“三、強化分時電價機制執行”的“（一）明確分時電價機制執行范圍”提出：鼓勵工商業用戶通過配置儲能、開展綜合能源利用等方式降低高峰時段用電負荷、增加低谷用電量，通過改變用電時段來降低用電成本?！蛾P于加快推動新型儲能發展的指導意見》，明確提出了積極支持用戶側儲能多元化發展，鼓勵聚合利用不間斷電源、電動汽車、用戶側儲能等分散式儲能設施。

冰蓄冷作為一種儲能技術，實現了夏季空調降溫負荷時段性、靈活性的調節，既有利于降低用戶空調系統運行成本，又有利于促進電力移峰填谷。部分學者從冰蓄冷空調系統的組成形式、運行工況、控制策略等方面進行了研究運用[1-3]，為實現冰蓄冷系統節能運行提供了實踐經驗。在乙二醇系統保護方面，對冰蓄冷空調系統中載冷劑乙二醇的腐蝕性機理做了深入分析探討，提出了冰蓄冷空調系統的防護措施[4-5]。

乙二醇的物理性質決定了其受溫度變化影響具有較大的熱脹冷縮特性，體現在以乙二醇作為載冷劑的蓄冰空調系統運行期間管道內壓力出現周期性膨脹現象。目前對乙二醇膨脹現象的研究相對較少，本文結合實際工程，對乙二醇膨脹效應進行淺析總結，供有關同行參考。

1 工程概況

以華南地區某綜合樓的冰蓄冷空調系統為研究對象，由2 臺雙工況冷水機組、2 臺蓄冰槽、3 臺乙二醇泵、3 臺冷凍泵、3 臺冷卻泵、2 臺板式換熱器以及2 臺冷卻塔組成，其中乙二醇泵和冷凍泵分別位于板式換熱器的乙二醇水溶液側和冷凍水側。運行過程中因溫度變化導致的乙二醇體積膨脹或縮小，會造成空調系統的壓力過高或不足，為保證系統安全穩定運行，采用了定壓補液泵加膨脹罐對該冰蓄冷空調系統進行定壓補液和膨脹釋壓。整個冰蓄冷空調系統原理圖如圖1 所示。

圖1 冰蓄冷空調系統原理圖

冰蓄冷空調系統采用質量濃度為25%的乙二醇水溶液（以下簡稱乙二醇）。乙二醇主要存在于管道（圖1 中粗線所示）以及蓄冰槽內，各部分乙二醇初始充裝容量及占比如表1 所示。

表1 冰蓄冷空調系統乙二醇容量

2 工程運用

2.1 理論分析

冰蓄冷空調系統不運行時，管路最高點不應倒空；當冰蓄冷空調系統運行時，系統的壓力最低點不應發生汽化。定壓裝置的定壓點位于乙二醇泵入口前端位置，最低定壓壓力pdmin要求可表示為：

式中：ps為乙二醇最小飽和壓力，Pa；ρ 為乙二醇的密度，kg/m3；h 為定壓點與乙二醇管路最高點之間的高差，m；Δ勻為定壓點與乙二醇泵入口之間的壓損，Pa；p0為系統運行安全余量，可取0.03～0.05 MPa。

乙二醇密度隨溫度變化的關系可參考文獻[6]，并做適當變形得到：

式中：ρ1為乙二醇溫度t1時的密度，kg/m3；ρ2為乙二醇溫度t2時的密度，kg/m3；0.0007 為乙二醇的熱膨脹系數，1/℃。

乙二醇膨脹前后，總質量守恒：

式中：V1為乙二醇溫度t1時的體積，m3；V2為乙二醇溫度t2時的體積，m3。

溫度變化引起的體積變化率η：

滿液鋼管內液體溫度變化時的壓力變化值Δp：

式中：Δp 為乙二醇對應溫度變化Δt 時的壓力變化值，Pa；β 為乙二醇水溶液膨脹系數，1/℃；β0鋼材膨脹系數，1/℃；α 為乙二醇溶液壓縮系數，1/Pa；Ω 為壓力升高時鋼管容積增大系數，1/Pa；Δt 為乙二醇溶液溫度變化值，Δt=t2-t1，℃。

定壓點的最低定壓壓力應保證系統壓力在乙二醇溫度最高時不小于飽和壓力，Ps可取0.005 MPa。密度ρ 按系統運行乙二醇最低溫度-5.6 ℃和最高溫度10 ℃的平均值計算，為1043 kg/m3；h 按實際值，為3.5 m；定壓點與乙二醇泵入口很近，可取Δ勻為0 Pa。根據式（1）有：Pdmin≥0.07～0.09 MPa。

根據式（2）～（4）有：η=0.91%。

查取鋼管和25%濃度乙二醇水溶液的物性參數，β=0.0007，1/℃；α=0.0041，1/Pa；β0=12 ×10-6，1/℃；Ω=4.74×10-10，1/Pa。根據式（5）有：Δp=0.21 MPa。

考慮到乙二醇長期接觸空氣時會發生吸氧酸化反應[7]，盡量避免乙二醇與空氣接觸。根據計算得到的最小定壓壓力和溫度變化引起的壓力變化值，系統的理論最低運行定壓壓力為0.07 MPa、理論最高運行定壓壓力為0.30 MPa。冰蓄冷空調系統中壓力最高點位于乙二醇泵出口處，其壓力為水泵揚程與定壓壓力之和。乙二醇泵揚程為24 m，結合理論計算的最高運行定壓壓力，此時系統中理論壓力最高點值pmax為0.54 MPa，此壓力未超過設計工作壓力0.60 MPa。

2.2 運行結果分析

為探究冰蓄冷空調系統運行壓力隨溫度的變化情況，需要保證乙二醇流量基本不變或在一定變化范圍內。該綜合樓在過渡季節夜間和白天的空調負荷較為接近，選取3 月16 日的冰蓄冷空調系統運行數據進行分析。

圖2 給出了乙二醇流量及流量偏差在一天24 h內的變化情況。可以看出，全天內乙二醇流量變化不大，流量最大值為1457 m3/h，最小值為1325 m3/h，平均值為1390 m3/h，流量偏差最大值為4.84%，偏差最小值為-4.66%，流量偏差值均不大于5%。因此，認為乙二醇流量變化范圍滿足探究系統運行壓力變化的要求。

圖2 系統乙二醇流量及偏差隨時間變化圖

冰蓄冷空調系統在0:00～7:40 蓄冰，在7:40～0:00融冰。結合圖3 和圖4 分析，在蓄冰和融冰切換時間點上，定壓點乙二醇溫度和系統定壓點壓力均急劇變化。在時刻0:00，由融冰切換至蓄冰后的第27 分鐘內，乙二醇溫度由8.39 ℃迅速降低至-3.71 ℃，壓力則由0.33 MPa 迅速降低至0.07 MPa。在時刻7:40，由蓄冰切換至融冰后的第28 分鐘內，乙二醇溫度由-5.19 ℃迅速升高至9.51 ℃，壓力則由0.07 MPa 迅速升高至0.36 MPa。而在蓄冰和融冰期間，定壓點乙二醇溫度和系統定壓點壓力均較為平穩，幾乎沒有變化。

圖3 定壓點乙二醇溫度隨時間變化圖

圖4 系統定壓點壓力隨時間變化圖

可以發現，定壓點乙二醇溫度和系統定壓點壓力變化基調相似。建立定壓點乙二醇溫度和系統定壓點壓力的關系散點圖，并進行關系曲線擬合，如圖5 所示。結果顯示，定壓點乙二醇溫度和系統壓力并非線性關系，但存在系統定壓點壓力隨乙二醇溫度升高而增大、降低而減小的規律。

圖5 系統定壓點壓力與乙二醇溫度的關系圖

采用Boltzmann 方程進行關系曲線擬合可以得到較好的擬合方程：

由擬合方程可知，系統定壓點壓力與乙二醇溫度的關系是一條關于指數e 的曲線函數。根據系統運行的最低溫度-5.6 ℃、最高溫度10 ℃分別算得，系統定壓點最低運行壓力為0.07 MPa、系統定壓點最高運行壓力為0.36 MPa。

由擬合曲線算得的定壓點最低運行定壓壓力與理論值相同，但算得的系統定壓點最高運行壓力比理論值0.30 MPa 要大。為保障系統安全，取系統定壓點最高運行壓力為0.36 MPa，據此校核冰蓄冷空調系統最高壓力pmax為0.60 MPa，與設計工作壓力0.60 MPa相同，滿足使用要求。

為防止乙二醇與空氣過多接觸，乙二醇定壓裝置的設定參數應避免反復對乙二醇補液、泄液。按啟停壓力間隔0.05 MPa 考慮，因此，乙二醇定壓裝置的補液泵開啟壓力設定為0.07 MPa、補液泵停止壓力設定為0.12 MPa，超壓泄壓開啟壓力設定為0.36 MPa、泄壓停止壓力設定為0.31 MPa。

3 總結

1）對于全年運行的冰蓄冷空調系統，管道內乙二醇壓力具有隨蓄冰和融冰周期性變化膨脹的特點，變化周期為蓄冰與融冰時間之和。

2）在蓄冰和融冰切換時間點上，乙二醇溫度和系統壓力均急劇變化，溫度變化最大可達14.7 ℃，壓力變化最大可達0.29 MPa。而在蓄冰和融冰期間，乙二醇溫度和系統壓力則較為平穩，幾乎沒有變化。

3）系統壓力和乙二醇溫度并非線性關系，是一條關于乙二醇溫度的指數e 的曲線函數，存在系統壓力隨乙二醇溫度升高而增大、降低而減小的規律。根據擬合曲線計算結果，乙二醇定壓裝置的補液泵開啟壓力設定為0.07 MPa、補液泵停止壓力設定為0.12 MPa，超壓泄壓開啟壓力設定為0.36 MPa、泄壓停止壓力設定為0.31 MPa。