從外融冰蓄冷系統的技術特點和作用進行進行介紹，說明了目前國內外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，對外融冰技術的進一步發展和應用進行了評估和猜測。
冰蓄冷技術作為一類重要的能源利用技術，近來獲得了很大發展。冰蓄冷是指在用電低谷時用電制冰并暫時蓄存在蓄冰裝置中，在需要時把冷量取出來進行利用，由此可以實現對電網的“削峰填谷”，有利于降低裝機容量、維持電網的安全高效運行，所以包括我國在內的許多國家都采取了各種措施以鼓勵蓄能技術的發展和應用。
根據制冰方式的不同，冰蓄冷可以分為靜態制冰、動態制冰兩大類，此外還有一些非凡的制冰方式1。靜態制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內結冰，冰本身始終處于相對靜止狀態。這一類制冰方式包括冰盤管式、封裝式等多種具體形式。動態制冰方式，該方式制冰過程中有冰晶、冰漿生成，且冰晶、冰漿處于運動狀態。每一種具體形式都有其本身的特點和適用的場合。
外融式冰盤管蓄冷在制冰方式上屬于靜態制冰方式，是由冷源將乙二醇溶液、鹽水溶液等栽冷劑冷卻到0℃以下并送入蓄冰槽內的冰盤管與管外的水進行熱交換，在管外結冰以蓄存冷量，需要時進行取用，從而蓄冷過程必須克服隨厚度增加越來越大的冰層熱阻。與內融冰方式在取冷時仍由管內的乙二醇溶液或鹽水作栽冷劑與管外冰進行二次換熱不同，外融冰方式是直接采用蓄冰槽內的水作為取冷介質送出，冰是從冰柱外表面開始向內進行融化的。其工作過程決定了外融冰方式與內融冰方式等需要二次換熱的冰蓄冷形式相比，取冷效率更高，而且取冷溫度更低，并可長時間保持低溫取冷，使取冷過程更加平穩，并使得實現大溫差低溫送風成為可能;同時又比冰晶式、冰片滑落式等動態制冰技術設備的材料要求低，加工、使用、治理方便。例如一般空調用表冷器處冷凍水溫度約為7℃，假如采用外融冰方式，冷凍水溫度可長時間保持在1～2℃，可以更大幅度地降低送風溫度，增加送回風溫差，實現送風量的大幅度減少。這不但大大減少風管截面積及其占用空間，而且減少了風機、水泵、閥門等的設備容量、部件尺寸，減少材料使用和設備功耗，水路、風路的機電設備、材料的初投資和系統運行費用也都不同程度減少，達到整體上降低空調系統的費用，提高經濟效益。
外融冰蓄冷技術的發展概況
與其它靜態蓄冷方式如內融冰方式的發展和應用相比，目前國內外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文獻資料并不很多。基于外融冰系統有很好的優點，近幾年已經越來越引起人們的重視，國外在其蓄冷取冷性能方面的研究有了很大深入。由于這種蓄冷方式與其它蓄冷方式在一些方面存在相似性，因而完全可以借鑒其它蓄冷方式的研究成果或研究方法，并針對外融冰的具體特點進行研究;另一方面，也必須針對外融冰的非凡性采用一些新的研究思路，以求可以更準確、全面地了解其規律性。目前美國、日本等國家在冰蓄冷研究方面已經處于領先地位，在我國包括清華大學在內的一些大學和科研單位也做了許多工作。國內外的研究者們普遍從實驗方法和數值計算模擬的方法兩方面進行研究，而且經常將兩類方法結合起來進行研究，非凡是近期以來國外就實際使用的冰盤管蓄冷裝置的熱特性及蓄冷系統的性能評價進行了很多現場實測研究，用以對冰蓄冷技術進行分析與評估，同時也對實驗研究及模擬分析的研究成果進行驗證和評價。
蓄冷特性的研究
考察冰盤管蓄冷特性經常采用蓄冷/取冷特性曲線，即在蓄冷/取冷過程中，在冰槽進口溫度、出口溫度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等參數隨時間的變化曲線來表示。國內外普遍利用實驗、實測的方法進行盤管式冰蓄冷特性的研究。日本學者山羽基從蓄冰槽內水溫分布特性方面就盤管配置、蓄冷槽下部有無攪拌等因素影響對外融冰蓄冷方式進行了較為深入的研究2。研究發現：有攪拌時，蓄冰槽內水溫分布均勻，開始結冰時間比無攪拌時要晚一些，而總結冰時間短，管外結冰均勻一致，且蓄冷量大。無攪拌時，側部、中心配置時，無盤管部分按照水溫分層，而且蓄冰結束后，盤管上部結冰偏厚;下部、上部配置時也明顯的受到水的密度隨溫度變化而變化的非凡性的影響。配置方式對結冰時間基本無影響，有攪拌時中心配置最短，無攪拌時上部配置短;只攪拌至結冰而后停止攪拌，與全程攪拌效果幾乎相同。
理論研究與模擬計算方法
根據有關理論建立數學模型，而后進行計算求解，或進而進行仿真，是研究冰蓄冷問題的重要方法。美國的Abraham等人對于直接蒸發型冰盤管的蓄冷過程，在作了蓄冷過程中盤管傳熱系數為常數的假定下，以蓄冷過程中的壓縮機做功最小化為目標函數，以蒸發溫度和盤管尺寸為參量，建立了數學模型，并進行了模擬計算。山羽基基于蓄冷槽的分層特點，設定垂直方向溫度場為線性分布，忽略水平方向溫度分布的不均勻性，根據能量平衡關系，采用有限差分法，建立了溫度分層型數學模型，并對冰盤管出口溫度對冷機出力的影響進行了修正，由此可以計算出槽內水溫分布和制冰量。
中國科學技術大學方貴銀根據蓄冷傳熱過程中的能量平衡關系在進行了一系列合理假設基礎上建立了非線性微分方程組，對其所建立的數學模型進行了求解，得到冰層厚度與蓄冰時間的關系，并用實測數據進行了驗證。
可以看出，目前在對冰盤管蓄冷槽進行模擬計算時所建立的數學模型，一般都從物理、數學的角度作了許多假定，以簡化所研究的問題，但因此也不可避免地帶來了與實際工作過程的不一致性，并且每一個模擬方法及其研究成果都只能在一定條件下適用。
取冷特性的研究
冰盤管的取冷過程是一個伴隨相變的過程，外融式在取冷時，不會大量形成內融式方式出現的冰圈大量破裂形成浮冰的情況，而是冰圈在主要融冰期間基本不脫離盤管壁，因而管外冰的變化過程相對簡單;但是另一方面，由于從整體上看水槽中的水體是一個流動過程，因此溫度場的分布極大地受到了流場、相變、物性等因素的影響，其變化規律的分析又比內融式的融冰過程復雜得多。國內外已經對內融冰取冷特性開展了很多研究，但是外融冰取冷特性的有關研究資料還比較有限，還有待于進一步開展工作，應該根據外融冰取冷過程的特點，借鑒內融冰取冷特性的方法和成果來進行研究。
實驗研究
山羽基對于外融冰槽取冷特性進行了較為深入的實驗研究2。研究發現，阿基米德數Ar對槽內水溫豎直溫度分布有很大影響，欲盡可能長時間地取出低溫水，應使Ar盡可能大;盤管數量及其布置方式對取冷特性有影響，并與Ar數的大小有關;增大冰盤管含冰率后在取冷初期取水溫度有所降低;攪拌可使融冰條件均一化，可削弱進口條件對取冷溫度的影響。
理論研究與模擬計算方法
對于外融冰槽取冷過程的理論研究，由于存在相變情況下槽內流場、溫度場及其影響因素的變化極為復雜，很難進行外融冰特性的準確模擬，往往需要對問題作出一系列的簡化，采用能量平衡的方法進行近似求解。山羽基對于外融冰給出了混和模型。將槽內分成完全混和區和一次擴散分層區兩部分，對于每一部分列出能量平衡關系式。盤管在不同區域的大小對混和模型的影響以修正系數的形式體現，參照實驗結果決定模型中的有關系數。求解模型可以得到有關取冷特性參量及其隨時間的變化。美國的JeroldW.Jones等人對ASHRAE提出的冰蓄冷設備模型RP-459進行了實際檢驗，并提出了一個更為簡化的模型與之對比，發現簡化模型更接近于實測結果，這首先是由于RP-459模型需要輸入有關冰蓄冷系統實際運行的準確、實時的信息，否則其計算結果無法達到較高的精度。
總之到目前為止，國際上在外融冰方面的有關理論研究比較而言還不夠充分，為了進一步深入熟悉外融冰的取冷特性，我們仍可以借鑒有關內融冰的理論研究及模擬分析的方法及其成果67。
最后：清華大學、清華同方對外融冰技術的研發和應用
冰蓄冷作為一種關鍵技術，目前國際上一般不給提供蓄冷、取冷性能曲線等基礎性資料和研究成果，因此，我們有必要進一步加強有關方面的研究工作。清華大學與清華同方充分運用雙方具有的人才、科技、資金和工程應用方面的優勢聯合進行了外融冰蓄冷技術的研究和產品開發，并積極應用于實際工程。
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