（环境工程专业论文）温度分层型水蓄冷槽的模拟及理论研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进 行研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共 同完成的工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：童亟日期： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它 单位的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版 本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索。 论文作者签 指导教师签 日 期：竺! ! ：量：整 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 蓄能技术可以削峰填谷、缓解用电高峰期电力不足，使发电设施在夜间低谷期的潜力 得以充分利用发挥。水蓄冷技术作为一种低投入、高效的蓄能方式得到了越来越多的关注。 本文结合实际工程，论述了利用消防水池做蓄冷水槽进行温度分层型水蓄冷空调系统的设 计方法，并与原有常规空调系统比较其节能性。探讨了散流器的设计原理依据及布置原则， 设计模拟模型，并利用c f d 软件建立蓄冷水槽的模拟模型，模拟研究蓄冷水槽的性能：蓄 ( 释) 冷过程中水槽出口水温随时间变化情况以及蓄( 释) 冷进行时蓄冷水槽内温度分布 变化情况。理论分析了影响冷量释放系数f o m 的主要因素是不同温度水之间在界面的混合 与热传导损失。计算分析减小斜温层厚度可以提高f o m ，通过c f d 模拟得出斜温层厚度随 散流器孔口出流速度降低而减小。利用c f d 软件建立八角形和径向圆盘形散流器模拟模型， 发现在设计参数一样的情况下，八角形比径向圆盘型孔口出流速度均匀。模拟比较不同参 数的八角形散流器的孔口出流均匀程度，并用理论计算分析验证模拟的正确性。 关键词：温度分层型水蓄冷槽斜温层冷量释放系数模拟散流器 a b s t r c t t h e r m a ls t o r a g et e c h n o l o g yc a nc u tp e a kt of i ni nt h ev a l l e ya n da l l e v i a tt h ei n s u f f i c i e n to f e l e c t r i cp o w e ri nr u s hh o u r s ，w h i c hm a k e st h eb e s to ft h ep o t e n t i a lo fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n f a c i l i t yi nt h el i g h t a sak i n do fl o wi n v e s t m e n ta n dh i g h l y e f f e c t i v et h e r m a ls t o r a g e t e c h n o l o g y , c h i l l e d - w a t e r t h e r m a l s t o r a g es y s t e m s h a v e b e e no b t a i n e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g nm e t h o do fc h i l l e d w a t e rs t o r a g es y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e di n aa c t u a lp r o j e c ta n di t se n e r g yc o n s e r v a t i o nw i t ht h eg e n e r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a v eb e e n c o m p a r e d t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h ea r r a n g e m e n tp r i n c i p l eo fd r i f t s h a v eb e e nd i s c u s s e d ， c a l c u l a t i n gt h em o d e la n du s i n gc f d s o f l w a r ee s t a b l i s ht h em o d e lo ft h es t r a t i f i e dc h i l l e d w a t e r t h e r m a ls t o r a g et a n k , s t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es t r a t i f i e dc h i l l e d w a t e rt h e r m a ls t o r a g e t a n k ：t h ev a r i a t i o no fe x p o r tw a t e rt e m p e r a t u r ea l o n gw i t ht i m e i nt h eg a t h e r s ( r e l e a s e s ) o fc o l d p r o c e s sa n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ns i t u a t i o ni nt h et a n k t h e o r e t i c a la n a l y s i st h ep r i m a r y f a c t o rt h a ta f f e c tf o mi st h ec o n t a c ts u r f a c em i xa n dh e a tc o n d u c t i o nl o s sb e t w e e nd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ew a t e r c o m p u t a t i o n a la n a l y s i sw h a tr e d u c e st h et h e r m o c l i n i c lt h i c k n e s sc a ne n h a n c e f o m t h es i m u l a t i o nt h r o u g hc f di n d i c a t e st h a tal o w e ro u t f l o wv e l o c i t ym a k e sat h i c k e r t h e r m o c l i n i c u s i n gc f d s o f t w a r ee s t a b l i s ht h em o d e lo fo c t a g o na n dt h er a d i a ld i r e c t i o nd i s c ， d i s c o v e r i n gt h a ti nt h es a m es i t u a t i o no c t a g o n so u t f l o wv e l o c i t yi se a s i e rt h a nr a d i a ld i r e c t i o n d i s ct ob eb a l a n c e d c o m p a r i n go u t f l o wv e l o c i t y su n i f o r m i t ya m o n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r o c t a g o nt h r o u g hc f d s i m u l a t i o na n dc h e c k i n gi t sc o r r e c t n e s st h r o u g ht h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o n k e yw o r d s ：s t r a t i f i e dc h i l l e d - w a t e rt h e r m a ls t o r a g et a n k ，t h e r m o c l i n e ， f o m ，s i m u l a t i o n , d if f u s e r 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r c t i i 第一章绪论l 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 水蓄冷技术概述3 1 2 1 水蓄冷原理和特点一3 1 2 2 水蓄冷槽模式分类4 1 3 水蓄冷技术国内外研究现状8 1 3 1 国外研究现状8 1 3 2 国内研究现状8 1 4 本论文的主要研究内容9 第二章温度分层型水蓄冷空调系统的设计二1 0 2 1 蓄冷系统的运行和控制策略l o 2 2 温度分层型水蓄冷空调系统工程设计实例1 0 2 2 1 工程概况1 0 2 2 2 水蓄冷运行及控制策略的确定1 l 2 2 3 蓄水槽散流器的设计1 4 2 2 4 蓄冷水槽的绝热和防结露1 6 2 3 水蓄冷与常规空调系统的比较1 6 2 4 本章小结1 7 第三章散流器模拟设计1 8 3 1 散流器的主要类型1 8 3 2 模拟水槽模型设计1 9 3 2 1 散流器设计的基本假设和条件1 9 3 2 2 散流器的设计原理2 0 3 2 3 散流器的布置与孔口设计。2 2 3 2 4 散流器模型设计2 3 第四章蓄水槽性能的模拟研究及理论分析2 5 4 1 建立模型。2 5 4 2 蓄冷水槽中进出口温度变化特性2 7 4 3 蓄水槽的冷量释放系数 3 6 j 2 8 4 4 影响冷量释放系数的因素2 9 4 5 蓄冷水槽中斜温层变化特性3 1 武汉科技大学硕士学位论文 ：il 3l ：；：! 3 3 3 4 3 4 3 4 3 7 ：；9 ：；9 z l l z i ：! 。和4 4 6 件4 6 4 7 4 8 ! ；o ! ；( ) ! ；o ! ；：! ! ；! ； ! ；6 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着我国经济的持续、高速、稳定发展和人民生活水平的不断提高，现代城市的用电 出现两种显著情况：一则用电量急剧增长；二则电力低谷与高峰段的用电负荷差距越来越 大，极不均衡，并且有不断加大的趋势。为了解决白天用电高峰时的供电不足问题，传统 的做法是兴建电厂、多加机组，这就意味着巨额的建设费用，而且还需要考虑燃煤电厂的 温室气体排放以及对大气的污染等环境问题。并且夜间因为用户用电量不够，会出现有电 送不出，发电机组只能在低负荷下运转，效率低的现象。 目前，大型的火力发电机组的调峰能力很低，核电站是基本不能调峰，抽水蓄能电站 建设成本高，能效低，周期长，等等这些因素导致电源侧调峰能力同趋受限。因此目前国 际上比较流行的是采用需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 来应对包括负荷峰谷差在 内的一系列电力问题。需求侧管理( 简称d s m ) 是一种先进的电力资源管理技术，它是通过 在供电侧采用一定的经济、技术及法规等措施，来改变终端用户的用电设备和方式来实现 的。实施有效的需求侧管理技术，可以提高终端用电率、降低用电负荷水平和电能消耗量， 提高电网负荷率，从而减少了终端用户电费支出，降低了电力公司成本、节约资源、减少 对环境的污染，同时也减少了社会电力建设的投入。针对负荷峰谷差的问题，目前采用的 d s m 主要有：拉大峰谷电价差，引导用户调整生产运行方式，采用蓄能空调等新技术。 空调用电在整个城市的用电中所占的比重r 益加大，并且空调在一天中的用电高峰和 用电低谷与电网的用电高峰和用电低谷相重合，已成为季节性冲击电网负荷供需平衡的主 要因素之一。蓄冷空调技术的推广作为电力需求侧管理( d s m ) 的重要内容是解决这一矛 盾的主要方法。 将电网负荷低谷段的电力用于制热和制冷，利用诸如水或优态盐等介质的显热和潜 热，将热量和冷量储存起来，而在电网负荷高峰段再将热、冷量释放出来，作为空调的热、 冷源的系统称为蓄能系统( t h e r m a ls t o r a g es y s t e m ) 。蓄能技术在国外已得到广泛的应用 近些年来，国内的设计与研究单位也己进行了一些尝试，并且取得了良好的效果。随着分 时计费电价结构的大力推广和峰谷电价差的不断加大，蓄能技术在我国的应用将会越来越 普及蓄能技术的应用可以实现用户侧用电负荷的“移峰填谷，它可承担用电高峰段全部 或部分空调的冷热负荷，使空调系统原来高峰期8 个小时或者1 2 个小时的运行，变为2 4 小时全同蓄能和放能的运行，从而缓解电力高峰期供应短缺的局面，并且可以使制冷机组 的装机容量、供电设备的容量减少3 0 一5 0 ，提高机组设备效率。在当地实行谷峰电 价差的情况下，还可以大量节省运行费用。 目前应用较多的蓄能系统有冰蓄冷和水蓄冷。通过制冰方式，以相变潜热储存冷量， 并在需要时融冰释放出冷量的空调系统为冰蓄冷空调系统( i c es t o r a g ea i r - c o n d i t i o n 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 s y s t e m ) 。利用水的显热储存冷热量的系统为水蓄冷热系统( c h i l l e d w a t e r h o t w a t e rs t o r a g e s y s t e m ) 【1 1 。 对冰蓄冷和水蓄冷技术综合比较如下： 投资比较： 水蓄冷空调系统虽然增加了蓄冷释冷泵、水蓄冷槽，但是减少了主机系统的配置容量， 因此其初投资与常规空调系统基本相当，甚至有可能低于常规空调系统。 冰蓄冷空调系统由于需要增加双工况主机、低温板式换热器等设备、冰蓄冷设备、乙 二醇溶液、乙二醇泵，因此其初投资明显高出常规空调系统。 系统效率比较： 水蓄冷系统在蓄冷时比常规空调系统出水温度仅低3 左右，因而主机的c o p 值降低 有限，并且考虑到整个系统的节能性( 如蓄冷时夜间气温比较低，冷却效率高) 水蓄冷系统 基本不增加耗电量，有时甚至可以节省电量，真正做到节钱又节能。 冰蓄冷空调系统在制冰时，其乙二醇溶液温度需降至一6 左右，比常规空调系统出 水温度降低了1 3 左右，因此冰蓄冷空调比常规空调的c o p 值下降了3 0 3 5 t 2 1 。另外， 乙二醇溶液的换热性能比水要差。 实用性比较： 水蓄冷空调系统采用常规的制冷机组即可，因而水蓄冷空调系统既适合新建项目，又 适合改造项目。并且水蓄冷和水蓄热可共用同一个槽。 冰蓄冷空调系统需要采用双工况主机、低温板式换热器等设备、冰蓄冷设备、乙二醇 溶液、乙二醇泵，因此冰蓄冷难以适用于改造项目，只能用于新建项目。而且冰蓄冷槽只 能蓄冷，不能蓄热，不能同槽。 运行及维护费用比较： 水蓄冷不存在相变，易于维护，操作简单，其运行成本和维护成本较低。 冰蓄冷系统的蓄冷及释冷过程中均有相变过程，操作复杂，维护繁琐，运行费用高。 一般情况下，同等蓄冷量的冰蓄冷系统的维护费用是水蓄冷系统的2 3 倍【2 1 。 可靠性和使用寿命： 由于水蓄冷系统简单，无相变过程，且动设备少，因此其可靠性更高，寿命更长。 冰蓄冷系统设备繁多，控制复杂，还存在相变过程，因此可靠性和寿命均不如水蓄冷 空调系统。 体积及位置： 水蓄冷槽是满溢式，其有效体积可以被充分利用。在部分蓄冷设计的情况下，由于可 以减少制冷机的装机容量，机房的面积要比常规空调小。水蓄冷槽可以灵活地置于绿化带 下、停车场下或者其它闲置的空地上，以及利用消防水池等，不占用有效面积。 冰蓄冷设备一般要安装在机房内，会占用正常的机房面积。由于蓄冰槽是2 0 7 0 t 3 】 左右的蓄冰率，再加上相变换热等问题，因而实际过程中同样蓄冷量下冰蓄冷设备仅比水 蓄冷略小一些。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 综上分析可知：作为电力供应需求侧管理( d s m ) 的重要手段，水蓄冷技术比冰蓄冷 技术的应用前景更为广阔。 1 2 水蓄冷技术概述 1 2 1 水蓄冷原理和特点 水蓄冷技术应用于空调冷源中，制冷设备主要是空调用冷水机组，蓄冷设备主要是以 蓄冷水池来担当。在用电低谷时段空调主机将低温冷水蓄存起来，将蓄存冷水在用电高峰 时段抽出用于空调，减少或者停止制冷机组的运行，从而降低空调系统在电力高峰时段的 运行费用，以致达到节能的目的。水蓄冷是利用水的温度变化来储存显热量 【4 1 8 7 硒( k g ) 】，蓄冷温差一般采用乱1 0 【，蓄冷温度通常为4 6 ，这个温度适合于 大多数常规冷水机组直接制取冷水，因此可以直接与常规空调系调匹配，而无需其它专门 设备。由于水蓄冷方式是利用水的显热来储存热量，因此，单位蓄冷能力较低 ( 7 1 1 6 k 删m 3 ) ，一般需要较大的蓄水池，但是大型建筑一般都设有消防水池，蓄水池 可以由消防水池代用。这样，蓄冷系统不仅投资低，而且运行效率较高，运行可靠，有助于提 高空调制冷系统的制冷能力，同时，消防水池中的水保持低温和流动状态，还可以有效防止 藻类滋生和水质变坏，使水蓄冷技术在空调冷源中得到广泛应用。 1 ) 水蓄冷空调系统的优点： 以水为蓄冷材料，不需要其他专门的蓄冷介质，可节省蓄冷介质费用以及能耗。 可以使用常规冷水机组，例如泵、配管、空调箱等；还可以使用吸收式制冷机组。设 备的可用性和选择性范围广阔，并能使设备在经济状态下运行，经济效益好。 适用于常规供冷系统的改造和扩容，可以在不增加制冷机组容量的情况下达到增加供 冷容量的目的。蓄冷、供冷运行时，冷冻水温度相近，在这两种工况下冷水机组均能 维持额定容量和效率。 可以通过利用原有的蓄水设施、建筑物地下室或消防水池等作为蓄冷容器来降低初投 资。 可以实现蓄冷和蓄热的双重用途。 维修方便，技术要求低，无需特殊的技术培训。 水蓄冷系统为一种较为经济的储存大量冷量的方式。蓄冷罐体积越大，单位蓄冷量的 投资就越低。当蓄冷量大于7 0 0 0 k w h 或者蓄冷容积大于7 6 0m j 时，水蓄冷是最经 济的【3 1 。 2 1 水蓄冷系统的缺点： 水蓄冷是利用水的显热，蓄冷密度低。在同样蓄冷量的情况下需要较大的水量，因此 使用受到空间条件限制。蓄水槽体积庞大，表面散热损失增加，因此需要增加保温材 料。 当使用开启式蓄水槽时，空气与水接触易生菌藻，管路易生锈，水处理费用会增加。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 蓄冷槽内不同温度的水易混合，影响蓄冷效果，减少了蓄存的冷冻水的可用冷量。 1 2 2 水蓄冷槽模式分类 水蓄冷系统组成是在常规空调系统中加人了多个或一个蓄水罐。为了提高水蓄冷系统 的蓄冷能力和蓄冷效果，满足空调供冷时的冷负荷要求，维持尽可能大的蓄冷温差，并防 止回水和蓄存冷水的混合，多种有效的水蓄冷模式被科技人员设计出来。概括起来主要有 四种：自然分层水蓄冷、多槽式水蓄冷、迷宫式水蓄冷和隔膜式水蓄冷【3 1 。其中自然分层 型水蓄冷是一种结构简单、经济效益较好和蓄冷效率较高的蓄冷方式，目前应用最为广泛。 1 ) 自然分层水蓄冷系统 水的密度和它的温度相关，3 9 8 时水的密度最大，详见下表： 表1 1 水的密度 t ( ) o3 9 851 01 52 02 53 03 54 0 0 9 9 90 9 9 90 9 9 90 9 9 90 9 9 80 9 9 70 9 9 50 9 9 40 9 9 2 p ( 10 3 k g m 3 ) 1 8 79 97 31 32 30 76 70 62 4 在水温大于3 9 8 时，密度随温度升高减d x ；而在o 3 9 8 范围内，密度随温度升高 增大。自然分层蓄冷就是根据不同的水温水密度不同而使温度低密度大的水自然聚集在蓄 水槽的下部，温度高密度小的水浮在上部实现的。在分层蓄拎中，温度4 6 c 的冷水聚集 在蓄冷槽的下部，而6 以上的温水聚集在蓄冷槽的上部，实现了冷温水的自然分层。 在一个自然分层的蓄水槽中，由于温、冷水之间存在温差引起的导热过程，致使在温、 冷水分界面附近，温水温度有所降低，冷水温度有所升高，从而形成一个温度过渡层斜 温层【4 】。斜温层内水的温度呈近似直线上升。它是影响蓄水槽蓄冷效果和温、冷水分层的 重要因素，它会由于该水层的导热，水和蓄水槽壁面及沿壁面的导热，以及随着蓄存时间 的增加而增厚，因此实际可用蓄冷水的体积减少，蓄冷量减少。 自然分层水蓄冷槽原理详见图1 1 。在蓄冷槽中，上、下设置了两个均匀分配水流的 散流器，在蓄冷时，通过水流散流器使低温冷冻水缓慢从蓄冷池底部流入，高温水从上部 被抽出，斜温层在蓄水槽内自下而上逐渐升高，直至完全消失，槽中全是冷水为止，蓄冷 完成。反之，在放冷时，随着高温水不断从上部散流器流入和低温冷冻水不断从下部散流 器流出，斜温层在蓄水槽内自上而下逐渐降低，直至完全消失，蓄水槽中充满温水为止。 二j j 敦反歪 图1 1 自然分层水蓄冷槽示意图 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 温度分层型水蓄冷贮槽体的形状一般有长方体和圆柱体两种，在相同容积下其表面 积圆柱体比长方体要小，因此圆柱体的冷损失较小，所以温度分层型贮槽一般采用平底圆 柱体。 图1 2 自然分层蓄冷槽组示意图 自然分层的另一种形式一蓄冷槽组：蓄冷槽组是以垂直的间隔方式将一个大的蓄水槽 分成多个小槽，如图1 2 所示。 这种水蓄冷空调系统在美国和同本有很多实例，往往将建筑物地下室用作蓄水槽。将 一个大的蓄水槽用隔板分隔成多个互相连通的小槽，形成多个蓄水槽串联的形式。蓄冷时， 冷水从右边第一个槽的底部进人蓄水槽中，上部的温水溢流至第二个槽底部进口，依次类 推，直至蓄水槽中均为冷水。释冷时，从空调箱来的温水由左边第一个槽下部进入，由隔 板导流从上部进人蓄水槽，冷水则从第二个槽下部由隔板导流至上部，这样依次进行下去， 冷水从最右边槽上部流出至空调箱供冷。图1 2 中蓄水槽中的箭头表示蓄冷时的水流方向： 隔板与上部水面的空间距a 以及隔板与槽底的空间距b 均起到散流器的作用。在隔板的作 用下，无论释冷还是蓄冷，所有槽中均为冷水在下、温水在上，因此可利用水温不同产生 的密度差来防止冷、温水的混合。为了减少“死水区”，a 和b 的位置应尽量靠近顶部或底 部。 2 ) 迷宫式水蓄冷系统 在建筑物的地下层结构中，大多都设有格子状的筏式基础梁，这正好构成了许多空间 的筏式基础槽。施工时，将设计好的管道预埋于基础梁中，将基础槽用管道联接成迷宫式 回路，基础槽兼代蓄水槽，迷宫式水蓄冷系统就形成了。详见图1 3 。迷宫式水蓄冷系统 最早由日本人提出。蓄冷时，冷冻水从第一个槽一端上部流入，另一端下部流出，流人第 二个槽的下部，再从其上部流出至第三个槽。依次进行下去，冷冻水在槽与槽之间上下交 替流动。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 3 迷宫式水蓄冷示意图 迷宫式水蓄冷系统的优点：利用地下层结构的基础槽作蓄水槽，不必设置专门蓄水槽， 节省初投资；并且蓄冷槽由多个小槽组成，属多道墙体隔离，因此，不同温度的冷冻水分 离效果较好。 迷宫式水蓄冷系统的缺点：蓄冷和释冷过程中，水交替地从上部和下部的人口进人小蓄 水槽，每两个相邻的小槽中，有一个是冷水从上部人口进人或温水从下部人口进人，因此 容易产生浮力，造成混合；并且水流速过高会导致扰动和温、冷水的混合，流速过低会在 小槽中形成死区，蓄冷系统的容量降低。 3 ) 空槽式水蓄冷系统 空槽式水蓄冷系统在蓄冷和释冷转换时，总有一个空的槽存在。详见图1 4 。该蓄水 槽由4 个小槽组成，刚开始蓄冷时，槽l 是空的，温水从槽2 中抽出，经过f 1 8 、f 1 4 、f 1 5 、 f 1 6 、f 3 、冷水机组降温、水泵a 、f 5 、f 9 ，进入槽1 。槽l 被冷水充满时，槽2 中的温 水j 下好被抽光。接着通过控制阀门的丌关，槽3 中的温水按上述的流程降温后进人槽2 。 依次进行下去，直至槽4 中温水被抽光为止，蓄冷结束。释冷开始时，槽4 是空的，从槽 3 抽出的冷水流经f 1 9 、f 1 4 、f 1 3 、f 4 、f 1 、空调箱升温，水泵b 、f 1 2 进人槽4 。槽3 中 冷水被抽光时，槽4 中正好充满温水。接着通过控制阀门开关，槽2 中的冷水流经空调箱 升温后，进入槽3 ，依次类推，直至槽l 中冷水用光为止，释冷结束。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 水黔 i i ：，| ；：- ： 一一手氏 f i 图1 4 空槽式水蓄冷原理图 这种蓄冷方式避免了温、冷水混合损失，可达到较高的蓄冷效率。冬天蓄热、夏天蓄 冷，均有较好经济效益。但是系统管道布置复杂，阀门多，自控系统复杂，因而初投资增 加。并且同容积下槽体外表面积增加，因而槽体的制造、保温、管道、阀门、控制以及维 护保养费用都将增大。 4 ) 隔膜式水蓄冷系统 隔膜式水蓄冷是在槽中加一层隔膜，将蓄水槽中的温回水与储存的冷冻水隔开。隔膜 可垂直放置也可水平放置。详见图1 5 。 = = = = _ = _ 入一一 冷冻水乡温蓦水! 兹i 垂直隔膜式水蓄冷 温虿永 图1 5 隔膜式水蓄冷示意图 水平隔膜式承蓄冷 一般隔膜都是用橡胶布制成，也可做成移动的刚性隔板。垂直隔膜随着水流前后波动， 隔膜与槽壁会产生摩擦，易发生破裂穿孔，因而使用较少。水平隔膜，以上下波动方式分 隔冷冻水和温水，优点是利用水温差异引起的密度不同，从而将冷水贮存于温水下面，这 一 一水 翁匦 一 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 样即使隔膜出现破洞仍可靠自然分层原理限制上下水的混合，减少泄漏造成的蓄冷量损 失。 1 3 水蓄冷技术国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外对温度分层型水蓄冷技术的研究较多，1 9 7 7 年，l a v a n 和t h o m p s o n 对分层型水蓄 冷系统进行了实验研究，初步得出一些结论，证实了该项技术的工程可行性【5 j 。1 9 7 8 年， s l i w i n s k i 等人指出了无因次参数对斜温层形成的重要影响，如r e ，f r 。1 9 8 2 年，c o l e 和 b e l l i n g e r 说明了引进恒定温度的水流对蓄冷的重要性。同年，g r o s s 根据实验总结出分层型 水槽内温度分布的一维特性和水槽内表面对导热的影响【6 1 。m a c k i e 发现蓄( 放) 冷过程中，系 统设计直接影响到出口温度。混合作用以及热传导、热损失导致释冷过程的出i z l 温度升高， 蓄冷过程的出口温度降低【7 】。 1 9 8 3 年后，m w w i l d i n 和c r t r u t n a n 对分层型水箱蓄冷进行了近十年的实验研究 8 - 1 1 】。他们首先表明了分层型蓄能水槽对于供热和供冷都是令人满意的。1 9 8 4 年，他们研 究了穿过斜温层的导热量以及斜温层形成过程中混合的影响。1 9 8 5 年建立分层型实验系 统，研究三个6 0 5 m 3 的水槽，水槽外部用聚苯乙烯板保温。其中一个水槽中装直线型的散 流器，另一个水槽中装h 型散流器，最后一个水槽中装可伸缩的尼龙膜。研究表明，斜温 层伴随着整个充冷或释冷过程存在，由于导热效应，斜温层厚度会逐渐增大，热传导效应 比进口散流器设计对斜温层的影响大；并且，进口散流器的设计是影响斜温层形成的重要 因素。1 9 8 6 年至1 9 8 9 年，m w w i l d i n 和c r t r u m a n 又进行了大量的实验。他们首次测试 了圆形散流器的性能。实验结果表明入口弗雷德数不大于2 的扩散器装在水槽上效果令人 满意。当入口雷诺数减小时，散流器附近的混合将减少。实验同样显示了进入圆形入口散 流器的水流分配应该与轴对称，从而得到良好的蓄冷性能。 w d b a i n e s 等对方形及圆柱形蓄冷槽进行了研究，发现采用径向圆盘型散流器的圆 柱形蓄冷水槽产生的斜温层厚度最小。 b a h n f l e t h 和m u s s e r i 界 - - 个自然分层型径向散流器进行参数分析【1 2 】，发现依据水力半径 定义的入u i r i 数是由散流器和蓄水槽的尺寸共同决定。 s t e w a r te ta l ( 1 9 9 2 ) 建立一个二维稳态模型【1 3 】，研究一个从条缝中向下流到蓄水槽时的 分层效果。研究表明，流体的分层效果主要取决于条缝开口宽度、进1 2 高度、以及雷诺数。 g r e t a r s o n e t a l 1 4 】等利用时间步长的方式研究蓄冷特性。引进了离散步长法计算槽内的 对流传热。 a i n a i 锄和h o m a n 、o p p e l 、c 0 1 e 和b e l l i n g c f 等分别对蓄冷水槽内的温度分布提出了一 维的数学模型【1 5 】【1 6 】。 1 3 2 国内研究现状 目前国内对温度分层型水蓄冷的研究也较多，对斜温层特性的研究主要集中在工程实 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 践上。中国科技大学方贵银教授对温度分层型蓄冷槽进行了动态模拟，建立数学物理方程， 得出了斜温层受供回水温差、进1 3 处水流状态及槽体保温等因数影响【l 7 j 【l8 1 。同济大学于航 教授对大温差水蓄冷空调系统进行了模拟研究，研究了温度分层型蓄水槽斜温层的形成和 发展【1 9 】f 2 0 1 。同济大学刘文胜研究了多喷嘴的速度分布和对斜温层的影响【2 1 1 。同济大学邓 育涌引入混合因子e d d y 的概念研究出蓄冷水槽内e d d y 从入口到出口按指数函数递减规 律分布，并推导出入口处混合因子e d d y i n l e t 与r e 、r i 数的函数关系怛引。 1 4 本论文的主要研究内容 温度分层型水蓄冷方式作为一种低投入、高效的蓄能方式正在得到越来越多的关注和 重视。本文主要是采用模拟和理论的方法对水蓄冷槽性能以及蓄冷水槽内部散流器的研 究，并针对实际工程案例进行水蓄冷空调方案的经济性分析。具体内容如下： 1 ) 针对实际工程，利用消防水池进行温度分层型水蓄冷空调系统方案设计，并与原有 常规空调系统比较，研究水蓄冷系统的节能性。 2 ) 探讨散流器的设计原理依据及布置原则，设计模拟模型。 3 ) 建立水蓄冷槽模拟模型，模拟水蓄冷槽的性能，并与实际情况比较。理论分析影响。 冷量释放系数的因素，模拟比较斜温层的变化情况，并用理论分析加以验证。 一 4 ) 建立散流器模拟模型，模拟比较不同类型散流器的出口流速情况，以及比较同类型 散流器不同设计参数情况下的出口流速情况，并用理论分析计算验证结果。 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章温度分层型水蓄冷空调系统的设计 2 1 蓄冷系统的运行和控制策略 蓄冷系统的运行策略是：以设计周期内的空调负荷特点为依据，同时考虑制冷时一次 能源价格结构，合理安排蓄冷、制冷的容量和释冷、供冷的运行优化，以达到投资以及运 行费用的最佳状态。运行策略有全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷【l 】两种模式。 1 ) 全负荷蓄冷：蓄冷装置承担设计周期内全部冷负荷，制冷机在夜间用电低谷期启 动蓄冷，当蓄冷量满足周期内所需的全部负荷量时，制冷机关闭；在白天用电高峰期，制 冷机不运行，将蓄存的冷量释放出来供给空调系统使用。 全负荷蓄冷可以最大限度地转移高峰用电负荷。因为蓄冷设备承担空调系统的全部冷 负荷，因此蓄冷设备容量较大，初投资高，但是运行费最省。全蓄冷适用于白天供冷时间 较短或者要求完全备用冷量以及谷、峰电价差大的情况。 2 ) 部分负荷蓄冷：蓄冷装置承担设计周期内部分冷负荷，制冷机在夜间低谷期运行， 储存周期内冷负荷中需要释冷部分的负荷量；在白天，空调负荷的一部分由制冷机直接提 供，另一部分由蓄冷装置承担。部分蓄冷又分为用电需求限制蓄冷和负荷均衡蓄冷。 控制策略是控制和设定制冷机、蓄冷装置、阀门、泵等运行状态，满足某种运行模式 的技术要求，来达到系统最优化的经济运行。控制策略有冷机优先和释冷优先两种形式。 为了降低系统的初投资和最大限度减少系统的运行费用，设计中宜采用设计工况下的冷机 优先策略和非设计工况下的释冷优先策略【i j 。 2 2 温度分层型水蓄冷空调系统工程设计实例 2 2 1 工程概况 该工程是位于湖北省地区的商场楼，地上七层，地下三层，空调建筑面积共约3 万时， 制冷设备房位于负三层。该楼空调时间为8 ：0 0 2 0 ：o o ，尖峰冷负荷为6 0 0 0 k w ( 1 7 0 6 r t ) ， 设计日总负荷为5 9 9 4 0k w h 。整个系统设计日( 1 0 0 ) 逐时冷负荷如下： c _ i 呤冰的比热容，g i y , 4 1 8 7 k k g o c ； p q 黼，k w h ； 汉 f 释冷回水温度与蓄冷进水温度间的温度差恐 f ( 】m _ 蓄冷水槽的完善度，考虑混舒僦层等因数的影响，般取8 5 - 9 0 ； a 蓄冷水槽的f 4 $ 拜i 佣率，考商骆撇置衙静冷水槽内其他不可用互扣】等的影响，般琦酬 由于消防水池容积有限，因此不能满足全部或者主要由蓄冷水池供冷的运行要求。所 以，只能采用部分负荷蓄冷的运行策略。该水蓄冷空调系统设计采用部分负荷均衡蓄冷策 略，制冷机在设计周期内连续运行，负荷高峰时蓄冷装置同时释冷提供。系统流程图及控 制模式详见图2 2 和表2 1 。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 一愿宦# 系统 一敢追增加的系统 图2 2 水蓄冷空调系统流程图 表2 1 控制模式 状态 v lv 2v 3v 4v 5v 6 蓄冷泵 释冷泵冷冻泵 机组蓄冷关关开开关 开关关 机组供冷开开关关 。 关关关开 水池释冷关关关关开开关开开 机组供冷+ 水 池供冷 开开关关 开 开关 开 开 部分负荷均衡蓄冷策略下，冷水机组的容量计算为： q ：咝：5 9 9 4 0 - 4 3 5 8 ：4 6 3 1 k w 公式( 2 2 ) t1 2 q d 一设计日总冷量，k w ； g 一蓄冷量，k w j i ； t 一释冷后制冷机的运行时间，j i l ： 因而选用离心式冷水机组2 4 6 l k 卜2 台。 由计算n = 4 3 6 8 2 4 6 1 = 1 8 小时可知：蓄水槽可容蓄冷量只需单台冷水机组在电力低谷 段全力蓄冷2 小时即可。由于为了减少蓄水槽表面热损失，应该尽可能减少蓄水槽内冷冻 水的储存时间。因此，在商场上午开始营业前的电力低谷段2 h 启动单台冷水机组全力制 冷。空调负荷运行策略详见图2 3 2 6 。 图2 55 0 负荷运行策略图 层性能【4 1 。径向圆盘形和八角形从几何形状来说适用于圆柱体水槽，而h 形和水平条缝形 最适合于方形水槽。由于该楼中的消防水池形状类似为长方体，因此采用h 形散流器， 水平连续条缝形开孔。 图2 7 散流器示意图 蓄冷水的进水水流雷诺数会影响有效分层，r e 的下限值取决于水槽构造【2 3 】：很短的 水槽或者侧壁倾斜的水槽，r e = 2 0 0 ；深度大于5 m 的水槽，r e - - 4 0 0 8 0 0 ；深度大于1 2 m 的水槽，进水口的雷诺数r e 2 0 0 0 。 弗洛德数是作用在流体上的惯性力与浮力之比的无因次准则数。研究表明，若f r 2 时，惯性力作用太大，会引起明显混 合现象。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 散流器孔口的流量不均匀会使水槽内产生涡流。实现散流器孔口均匀的出流速度，必 须使整个散流器管内的静压平衡。蓄水槽内的散流管应设计在水平面的中心线和对称于水 槽的垂直轴上，它可以保证支管上任意两个相应点处的压力均衡，并且还具有自平衡能力。 散流器上的孔口定位方向应使进入水槽内的流体朝着稍高的水槽表面或邻近的水槽底流 出，流体以很低的流速撞击这些边界，之后水平地和相邻孔口流出的流体融汇一起，需要 注意的是不能有向上的动量传递给从下部散流器流出的流体，或向下的动量传递给从上部 散流器流出的流体。散流器支管的孔口间距与尺寸应该使单位长度的水流接近于均匀，水 流离开孔口后在很短的距离内就得到融合，可使任意一根散流器支管上的孔口总面积小于 或等于支管端面积的一半，孔口间的距离略小于孔口高度的2 倍，并且限制孔口的流速， 则能使混合程度降至最低，一般孔口的水流速度应该限制在0 3m s 以下。开口角度通常为 9 0 1 2 0 。 1 1 。 在夜间电力低谷段，开单台冷水机组全力蓄冷，蓄水槽单位时间最大蓄水量为： g ：旦：兰l ：0 0 7 5 m 3 s 公式( 2 3 ) p c p k 1 2 4 ) 1 0 0 0 4 1 8 7 式中： q 制冷量，k w ： p 一蓄冷水的密度，一般取1 0 0 0 k g m 3 ； 垃一蓄冷出水温度与蓄冷进水温度间的温度差，o c ； c 。一冷水的比热容，取4 1 8 7 k j i k g o c ； 该消防池高度小于5 m ，取r e = 2 0 0 ，散流器有效长度为： l ：一g ：j 、_ ：2 3 4 m q r e 木d g 一最大流量，m 3 s ； g 一单位分配器长度的有效流量，m 3 ( m j ) ； d 一水的运动粘度，m 2i s ； 散流器孔口高度可由公式： 耻赢毒丽 p t 式中： g 一霞力加速度，m s z ； h 一进水u 最小高度，m ； b 一进水密度，k g l m j ； 一周围水密度，k g m j ； 公式( 2 4 ) 公式( 2 5 ) 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 计算得魄= = 0 0 4 m 散流器孔口高度是：进入蓄冷水槽或者离开散流器时的密度流占有的垂直距离。对于 一个靠近槽底的散流器，此高度即指水槽底至散流器进水口问的距离。进水口高度应据 f r = l 计算选择。 2 2 4 蓄冷水槽的绝热和防结露 蓄冷水槽的绝热处理，是保持其蓄冷能力的重要措施。在进行绝热时，应保证由底部 传入的热量必须小于由侧壁传入的热量，不然可能会形成水温分布的逆转，诱发对流，破 坏自然分层。对消防水池而言，保温材料可以采用聚苯乙烯泡沫板，现场螺钉粘接或固定。 条件允许的情况下也可以采用聚氨酯现场发泡。 2 3 水蓄冷与常规空调系统的比较 对于该商场大楼，常规空调系统及水蓄冷空调系统设备配置见表2 2 ，表2 3 。 表2 2 常规空调系统设备配置 名称 规格 数苗 功率( k w ) 离心式冷水机组2 1 l o k w33 9 4 冷冻水泵 3 9 9 m 3 i l 4 ( 3h jl 备) 5 4 冷却水泵 4 9 9 m 3 h 4 ( 3 用i 备) 5 6 冷却塔 5 1 8 m 3 h31 5 装机容量总计1 6 6 7 表2 3 水蓄冷空调系统设备配置 名称规格 数鼙 功率( k w ) 离心式冷水机组2 4 6