水蓄冷運行控制分析

張敏，王晨曉

摘 要：隨著空調蓄冷技術的不斷發展，它已逐漸在節能效果、經濟效益和社會效益等方面展現出強大的生命力和廣闊的市場。主要探討了自然分層蓄冷形式，該方式利用溫度和密度不同的原理，通過斜溫層分隔高、低溫水。必須嚴格進行水蓄冷系統的運行控制，否則極易打破其自然分層的規律。

關鍵詞：水蓄冷；自然分層；斜溫層；運行控制

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）21-0061-02

1 概論

1.1 水蓄冷系統簡述

水蓄冷利用水的顯熱儲存冷量，將夜間電網多余的谷段電力與水的顯熱相結合蓄冷，以低溫冷凍水的形式儲存冷量，并在用電高峰時段使用儲存的低溫冷凍水作為空調系統的冷源。

蓄冷罐儲存冷量的大小取決于蓄冷罐儲存冷水的數量和蓄冷運行供回水溫差。

蓄冷溫差的維持可通過降低儲存冷水溫度、提高回水溫度和防止回流溫水與儲存冷水混合等措施實現。典型的水蓄冷系統的蓄冷溫度在4～7 ℃之間。

1.2 水蓄冷的形式

為了提高蓄冷水罐的蓄冷能力、滿足供冷時的負荷要求和提高水蓄冷系統的蓄冷效率，應維持盡可能大的蓄冷溫差并防止儲存冷水與回流熱水混合，可總結為4種形式：自然分層蓄冷、多罐式蓄冷、迷宮式蓄冷和隔膜式蓄冷。

自然分層蓄冷是一種結構簡單、蓄冷效率較高、經濟效益較好的蓄冷方法，目前應用得較為廣泛。本文探討的也是采用自然分層形式的水蓄冷系統。

1.3 自然分層蓄冷的基本原理

水的密度與其溫度密切相關，在水溫高于4 ℃時，密度隨水溫的升高而降低；在0～4 ℃的范圍內，密度隨水溫的升高而增大，3.98 ℃時水的密度最大。自然分層蓄冷就是依靠密度大的水自然會聚集在蓄冷罐下部，進而形成高密度水層趨勢的原理進行的。在分層蓄冷中，使溫度為4～6 ℃的冷水聚集在蓄冷罐下部，10～18 ℃的熱水自然會聚集在蓄冷罐上部，依靠密度差可使溫水與冷水分隔，避免因冷水與溫水混合而造成熱量損失，從而實現冷、熱水的自然分層。

自然分層水蓄冷罐的結構形式：為了使水重力流或活塞流平穩地導入槽內（或由槽內引出），其關鍵是要在蓄冷罐中設置散流器，以確保水流在儲槽內均勻分配。

在蓄冷罐中設置了上、下2個均勻分配水流散流器。為了實現自然分層的目的，要求在蓄冷和釋冷過程中，熱水始終從上部散流器流入或流出，而冷水從下部散流器流入或流出。為了確保自然分層的效果，應嚴格控制Re數、Fr數，盡可能地形成分層水的上下平移運動。為了保證蓄冷罐能夠長期、穩定、高效運行，必須嚴格控制蓄冷罐的工作流量。

在自然分層水蓄冷罐中，斜溫層是影響冷熱分層和蓄冷罐蓄冷效果的重要因素之一。它是由冷熱水間的自然導熱作用形成的冷熱溫度過渡層，明確而穩定的斜溫層能防止蓄冷罐下部的冷水與上部熱水混合。蓄冷罐儲存期內斜溫層的變化是衡量蓄冷罐蓄冷效果的主要考察指標之一。

斜溫層的厚度一般控制在0.3～1.0 m之間。蓄冷運行時將斜溫層全部更換，以保證在每個蓄冷、釋冷循環后，上一循環產生的斜溫層不會影響下一循環。為了防止水的流入和流出影響儲存冷水，應在自然分層水蓄冷罐中設置散流器，使水流以較小的流速均勻地流入蓄冷罐，以減少對蓄冷罐水的擾動和對斜溫層的破壞。因此，分配水流的散流器也是影響斜溫層厚度變化的重要因素之一，穩定而厚度適宜的斜溫層是提高蓄冷效率的關鍵。

另外，多罐并聯運行控制的重點是同步每罐充、放冷的速度。在每罐流量基本一致的情況下，理論上每罐的液面水位相差不會太大。在調試階段，應密切監視每罐的液位變化，調控管路閥門，并找出閥門開閉度與液位的關系。在正常運行階段，應監控每罐的液面水位，特別是在蓄冷即將完成時，更要嚴密監控每一個水罐的出水溫度，必要時手動調整運行方式。

2 浦東機場2#能源中心水蓄冷中的問題

2.1 蓄冷罐無法按照蓄冷設計要求充冷

根據設計要求，蓄冷罐內的蓄冷低溫水為4 ℃、高溫水為12 ℃，斜溫層的厚度控制在0.5～1.5 m之間。因此，充冷過程的進水溫度應控制在4 ℃，出水溫度控制在12 ℃，直至斜溫層到達頂端，出水溫度開始下降，當出水溫度低于12 ℃時充冷停止，充冷過程完成。此時，4 ℃低溫水的厚度為20.5 m左右，斜溫層的水溫在4～12 ℃之間，厚度為1 m左右，蓄冷罐達到最大蓄冷量。

在對蓄冷罐進行充冷調試時發現，當蓄冷罐出水溫度下降至充冷停止溫度時，蓄冷罐內底部的水溫為4 ℃，頂部的水溫為12 ℃，斜溫層的厚度為9.5 m，且蓄冷罐內的蓄水溫度分布未安自然分層過渡，出現水層溫度分布交錯跳躍。由此可見，蓄冷低溫水的水量和斜溫層的厚度均未能達到設計要求。

2.2 原因分析

根據蓄冷罐內溫度的分布情況，充冷終結時斜溫層過厚，且斜溫層的溫度分布不正常，主要原因為在安裝調試初期，蓄冷罐進行過多次充、放冷，每次充、放冷時均未將斜溫層全部移至蓄冷罐外，便開始下一輪充、放冷調試，造成蓄冷罐內的蓄水分層水溫非常混亂。此外，在充冷前，蓄冷罐內的溫度分層不正常。因此，在充冷時，當上部出水溫度已滿足低于12 ℃的停止條件時，罐內還存有大量溫度高低交錯的斜溫層，造成儲存的低溫水嚴重不足，蓄冷能力大為下降，無法按要求滿足蓄冷計劃。

2.3 解決對策

充冷時的水溫更替是由下往上逐步變化的，如果充冷前蓄冷罐內的溫度分層混亂，當出水溫度達到充冷停止的條件時，則斜溫層無法被全部更替。因此，充冷前蓄冷罐內溫度分層混亂是造成斜溫層破壞和導致蓄冷失敗的主要原因。

3 解決方案

共擬定了2種解決方案：①改變原先充冷時“蓄冷罐出水溫度下降至12 ℃停止充冷”的條件，將充冷的停止條件改為“當蓄冷罐內原有的斜溫層全部移至罐外時”停止充冷，這樣蓄冷罐內將會全部儲存新充入的低溫冷水。但由于受到制冷機組冷凍水回水最低溫度保護的限制，當蓄冷罐出水溫度降至9 ℃時，即制冷機組的冷凍水回水溫度低于9 ℃時，制冷機組將卸載停機，進而停止制冷。此時，制冷機的冷凍水出水溫度將不斷上升，無法再對蓄冷罐充冷。 ②由于正常的充冷條件為“充冷前蓄冷罐內的水溫必須按自然分層溫度分布，且斜溫層厚度必須正常”，所以在充冷前，可檢測蓄冷罐的水溫分層，當罐內的斜溫層過厚、水溫分層錯亂時，必須將其全部排至罐外，以確保水溫符合充冷條件。

由此可見，采用第一種方法將受制于制冷機組的運行條件，無法將非正常的斜溫層全部排至罐外。但要將這些分層錯亂的斜溫層排至罐外，就要消耗大量的時間和能源，這樣既不能滿足運行時間控制的要求，又不符合水蓄冷系統的節能原則。因此，必須在日常運行操作中使蓄冷罐內的水溫滿足正常的充冷條件。在日常運行中，必須按照以下4點要求進行操作。

3.1 嚴格控制充冷冷量

根據次日氣溫預測和用戶熱負荷預測，估算出較為精確的充冷冷量，從而使當晚充入的冷量在次日既滿足用戶需要，又能全部用完。

3.2 增開制冷機

當因估算不準確或用戶負荷變化而造成蓄冷冷量不足時，應增開制冷機補充。

3.3 避免在一個供冷日中多次充、放冷

充、放冷操作應以“一次充入、一次放完”為原則，避免在一個供冷運行日中進行多次充、放冷操作，防止蓄冷自然溫度分層被破壞。

3.4 嚴格控制蓄冷罐放冷運行時的回水溫度

應嚴格控制蓄冷罐放冷運行時的回水溫度，使其不低于9.5 ℃，以保證充冷運行時制冷機組能正常制冷。

根據第二種方案進行試運行操作時，蓄冷罐的充、放冷運行正常，運行操作平穩、安全，基本符合原設計的充蓄冷的溫度要求。需要注意的問題是，運用此方案時，必須準確估算充冷冷量，這就需要大量的原始數據和豐富的經驗，且要在實踐中不斷修正、完善。

4 不同負荷下的運行方案

浦東機場為上海市的窗口行業，在設計負荷的25%～100%基本都有供冷需求。在不同負荷運行的情況下，回水溫度也會有明顯的變化，這樣對斜溫層有著很大的影響。因此，通過結合以往的氣溫變化情況和參考數據，得出了以下運行方案。

4.1 夏季運行方案

當設計日處于夏天最熱的時候，應結合空調逐時的冷負荷分布圖和上海市的電價政策設計。具體按以下3種工作模式運行：①“主機供冷+主機蓄冷”模式。在每日的22：00至次日6：00為電力低谷時段，可采用3～5臺主機提供夜間冷負荷；5～7臺主機全力蓄冷。至次日6：00時系統的總蓄冷量可達到1.16×105 Rth。②主機與蓄冷槽聯合供冷模式。在每日的8：00—11：00和18：00—21：00，采用3～4臺主機在空調工況下運行，以滿足部分冷負荷的需求，其他的冷負荷由蓄冷槽供應。③主機單獨供冷模式。除上述所有時段外，采用8～10臺主機在空調工況下運行，以滿足所有冷負荷的需求。

4.2 日負荷較小時的運行方案

在天氣發生變化、日負荷較小時，系統將依據實際的冷負荷需求，通過控制系統調節運行模式，自動調整每一時段內蓄冷槽供冷與主機供冷的比例，以實現分量儲冷模式逐步向全量儲冷模式的轉化，并按照“蓄冷槽優先供冷”的原則，最大限度地控制主機在電力高峰期間的運行，從而節省運行費用。

4.3 空調75%設計日水蓄冷空調的方案

結合空調逐時冷負荷分布圖和上海市的電價政策，空調75%設計日水蓄冷空調具體可按以下4種工作模式運行：①“主機供冷+主機蓄冷”模式。在每日的22：00至次日6：00為電力低谷時段，可采用3～5臺主機提供夜間冷負荷；5～7臺主機全力蓄冷。至次日6：00時系統的總蓄冷量可達1.16×105 Rth。②主機與蓄冷槽聯合供冷模式。在每日的8：00—11：00和18：00—20：00，采用3～4臺主機在空調工況下運行，以滿足部分冷負荷的需求，其他的冷負荷由蓄冷槽供應。③蓄冷槽單獨供冷模式。在每日的20：00—21：00，由蓄冷槽滿足全部冷負荷的需求。④主機單獨供冷模式。除上述所有時段外，采用8～10臺主機在空調工況下運行，以滿足所有冷負荷的需求。

4.4 空調50%設計日水蓄冷空調的方案

結合空調逐時冷負荷分布圖和上海市的電價政策，空調50%設計日水蓄冷空調具體可按以下4種工作模式運行：①“主機供冷+主機蓄冷”模式。在每日的22：00至次日6：00為電力低谷時段，可采用2～3臺主機提供夜間冷負荷；7～8臺主機全力蓄冷。至次日6：00時系統的總蓄冷量可達1.16×105 Rth。②主機與蓄冷槽聯合供冷模式。在每日的12：00—13：00，采用5臺主機在空調工況下運行，以滿足部分冷負荷的需求，其他的冷負荷由蓄冷槽供應。③蓄冷槽單獨供冷模式。在每日的8：00—11：00和18：00-22：00，由蓄冷槽滿足全部冷負荷的需求。④主機單獨供冷模式。除上述所有時段外，采用5臺主機在空調工況下運行，以滿足所有冷負荷的需求。

4.5 空調25%設計日水蓄冷空調的方案

結合空調逐時冷負荷分布圖及和上海市的電價政策，空調25%設計日水蓄冷空調具體可按以下3種工作模式運行：①“主機供冷+主機蓄冷”模式。在每日的22：00至次日6：00為電力低谷時段，可采用1～2臺主機提供夜間冷負荷；7～8臺主機全力蓄冷。至次日6：00時系統的總蓄冷量可達1.16×105 Rth。②主機與蓄冷槽聯合供冷模式。在每日15：00—18：00，采用1～2臺主機在空調工況下運行，以滿足部分冷負荷的需求，其他的冷負荷由蓄冷槽供應。③蓄冷槽單獨供冷模式。在每日的8：00—11：00和18：00-22：00，由蓄冷槽滿足全部冷負荷的需求。

5 結論

通過采用上述一系列的運行方案，運行操作平穩、安全，基本符合原設計充蓄冷的溫度要求，現蓄冷水罐內的斜溫層已經能夠穩定地控制在0.3～1 m之間。水蓄冷作為分布式能源的一部分，符合科學發展觀，是高效、環保的能源利用方式，有利于調整能源結構和實現節能減排的目標。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕

Control of Water Storage Operation

Zhang Min， Wang Chenxiao

Abstract： With the continuous development of air-conditioned storage technology， this has been gradually showing strong vitality and broad market in energy savings， economic and social aspects. Mainly discusses the natural form of stratified thermal storage， temperature and density of the utilization of different principles， separated by thermocline high and low temperature water. Must strictly control the water storage system running， or vulnerable to break out of its natural stratification of the law.

Key words： water storage； natural stratification； thermocline； operational control