不同蓄冷流速對筏基迷宮式水蓄冷效率的影響

錢軼珺，劉毅，華煒，張新記，張杰，陳聰慧

（1.上海世博綠色能源發展有限公司，上海200002；2.華東建筑設計研究總院，上海200002）

不同蓄冷流速對筏基迷宮式水蓄冷效率的影響

錢軼珺1，劉毅2，華煒2，張新記2，張杰1，陳聰慧1

（1.上海世博綠色能源發展有限公司，上海200002；2.華東建筑設計研究總院，上海200002）

針對某筏基迷宮式水蓄冷項目，根據流體力學相似原理建立筏基水槽模型，模擬不同蓄冷/釋冷流量的蓄冷/釋冷工況，進行模型實驗。計算不同工況下的冷量轉移和水槽體積利用率。分析研究流速對筏基迷宮式水蓄冷性能的影響，并給出推薦蓄冷/釋冷流速。最后，通過相似性原理推算到實際項目中，為實際項目執行提供參考意見。

迷宮式水蓄冷；相似原理；模型實驗；冷量轉移效率；體積利用率

0引言

上海某項目欲利用建筑地下筏基結構充當蓄冷水槽，采用迷宮式水蓄冷，將蓄冷水槽與建筑空間完美結合在一起，提高建筑空間利用率，提出筏基迷宮式水蓄冷模式。

目前，國內已有多個利用筏基充當容器的冰蓄冷工程實例，比如北京國貿中心二期工程綜合樓，建筑面積約12萬m2，利用建筑物原有的筏基做成土建蓄冰槽，總蓄冷量46378.7kWh；中國大飯店，建筑面積約10萬m2，利用機房下面的筏基做土建蓄冰槽，總蓄冷量33851.1kWh。

但目前國內甚至國外，均無利用筏基進行水蓄冷的工程案例。并且，相關的實驗研究也很少，對于如何驗證利用建筑筏基進行水蓄冷的實際效果也幾乎處于空白狀態。因此，采用模型實驗對筏基迷宮式水蓄冷進行分析研究具有相當的重要性和必要性。本文主要通過模型實驗來探究蓄冷及釋冷流速對筏基迷宮式水蓄冷系統效率的影響。

1 迷宮式水蓄冷簡介

1.1 迷宮式水蓄冷

水蓄冷系統是利用水的顯熱特性來儲存冷量。而迷宮式水蓄冷是采用隔板把蓄水槽分成很多個小單元格，水流按照設計的路線依次流過每個單元格。圖1所示為迷宮式蓄水罐中水流的路線。迷宮式水蓄冷能較好地防止冷熱水混合。但在蓄冷和放冷過程中有一個是熱水從底部進口進入或冷水從頂部進口進入，這樣易因浮力造成混合。另外，水的流速過高會導致擾動及冷熱水的混合；流速過低會在單元格中形成死區，降低蓄冷系統的容量[1]。

圖1 迷宮式水蓄冷原理圖

1.2 項目原型

上海某項目擬利用地下筏基區域進行水蓄冷，該項目共有7大筏基區。該實驗以東南筏基區一條流道為研究分析原型。

圖2 東南筏基區蓄冷水流線示意圖

圖3 筏基區某一內墻留洞示意圖

該項目設計采用迷宮式水蓄冷，其蓄冷水流線及內墻開孔如圖2、圖3所示，其蓄水最大高度不能超過1.48m，平均蓄水高度1.41m，內墻厚360mm。設計蓄冷溫度13/20℃。

2 迷宮式水槽實驗理論

2.1 實驗思路

由于目前國內缺少實際項目案例，不能直接分析流量對蓄冷效率的影響。故將上述東南筏基區的一條流道縮小建立實物模型，然后進行模型實驗。保證蓄冷、釋冷溫度一致，改變蓄冷和釋冷流速，從而分析流速對迷宮式水蓄冷效率的影響。

2.2 實驗原理

模型實驗的關鍵是模型流體和原型流體必須保持流動相似。這就需要滿足以下幾個條件：幾何相似、運動相似、動力相似、初始條件和邊界條件相似。

幾何相似是指原型與模型的外形相似，其各對應角相等，而且對應部分的線尺寸均成一定比例。

對應角相等：

線性尺寸成比例：

運動相似是指原型與模型兩個流動的流速場和加速度場相似。要求兩個流場中所有對應的速度和加速度的方向對應一致，大小都維持固定的比例關系。

速度比尺：

時間比尺：

加速度比尺：

運動相似規定了時間比尺，只要對任一對應點的流速和加速度都維持固定的比尺關系，也就固定了長度比尺λl和時間比尺λt，就保證了運動相似。

動力相似是指原型與模型兩個流動的力場幾何相似。要求兩個流場中所有對應點的各種作用力的方向對應一致，大小都維持固定比例關系。

初始條件和邊界條件相似是指流體所處環境及邊界狀況相似，主要包括壓力、溫度、摩擦系數等。

已知迷宮式水蓄冷槽內水流屬于液位差驅動的孔口淹沒射流，根據滿足一個主要力相似忽略其他次要力相似的模型律原則，選用弗勞德準則數，也即主要相似為重力相似[2]。

弗勞德數：

當原型與模型的弗勞德數相等時，兩者重力相似，即：

長度比尺：

則體積比尺：

流量：

可得速度比尺：

流量比尺：

時間比尺：

根據該原理，確立實驗模型參數及各工況對應參數，進行實驗。

3 迷宮式水槽實驗模型及實驗工況

根據上述實驗原理，按長度比尺1:5建立模型水槽。

圖4 模型水槽蓄冷水流線示意圖

該實驗模型水槽用材采用10mm厚聚丙烯塑料板，連接方式為熱熔焊。聚丙烯（Polypropylene，簡稱PP）是一種半結晶的熱塑性塑料，具有較高的耐沖擊性，機械性質強韌，并且具有良好的隔熱性能，其密度為920kg/m3，熔點為164-170℃，符合模型制造要求。

水槽外型尺寸根據原模型縮小5倍制成。水槽上下底面高度330mm，內壁厚度62mm（用兩塊10mm厚PP板形成42mm夾層）模擬實際墻體厚度并具有較好隔熱效果；模型水槽壁的開孔尺寸及開孔位置均在原型尺寸的基礎上縮小5倍得來，所有槽壁的開孔均由一個Φ120mm大孔，一個Φ80mm的小孔（泄水孔）和若干Φ100mm小孔組成。共設5個透明玻璃液位計。如圖4、圖5所示，圖中箭頭代表蓄冷流向，釋冷流向相反。

側壁保溫采用60mm厚橡塑保溫，由兩層30mm厚橡塑保溫材料構成；頂部蓋60mm厚泡沫板進行保溫。由于聚丙烯材料本身傳熱性能差，具有較好的隔熱性能，故底部和內壁夾層不設置保溫。

模型水槽實際蓄水平均高度282mm，總蓄水量16.92m3。

水槽實驗工況共分四種情況見表1。

圖5 模型水槽側壁開孔示意圖

表1 迷宮式水槽實驗結果分析

3.1 不同流量水槽體積利用率

評價蓄冷系統性能主要有冷量轉移效率和蓄冷容積利用率兩個指標。其蓄冷體積利用率計算方式如下：

表2 相關體積記錄m3

表3 水槽體積利用率記錄%

實驗一，蓄冷流量較小，其蓄冷循環水量僅14.02m3，水槽內蓄水量為完全循環；實驗二可認為水槽蓄水恰好循環一次；實驗三工況蓄冷近似全水槽恰好均有效蓄冷；實驗四過度蓄冷。

對比分析4次實驗有效蓄冷量和蓄冷循環水量的比值，可發現隨著蓄冷流量的增加，其有效蓄冷體積占比先增加后減少，在蓄冷流量為5.2m3/h時其蓄冷效率最高。

對比有效釋冷體積與有效蓄冷體積比值可發現，隨著釋冷流量的不斷增加，其比值不斷減少（實驗四有所上升是由于其過度蓄冷，導致其蓄冷結束時水槽內平均水溫偏低），說明釋冷流量不宜過大。根據該實驗分析，推薦實際釋冷流量不宜大于10.4m3/h，釋冷流量在7-10m3/h范圍內其效率較高能達70%左右。

從水槽體積利用率方面考慮，為保證水槽能充分利用，其蓄冷流量不宜過小，應盡量保證水槽均有效蓄冷，同時蓄冷流量也不宜過大，流量過大一方面增加水泵能耗，另一方面造成冷量富裕二浪費。根據該實驗分析，該模型水槽推薦蓄冷流量為5.2m3/h，保證水槽恰好完全有效蓄冷，并且冷量利用率高。

3.2 不同蓄冷流量對蓄冷效率的影響

另一個冷量轉移效率指標計算方式如下：

可根據蓄冷工況進出口溫度及蓄冷流量分別計算出4次實驗總蓄冷量，總蓄冷量量計算公式：

而溫度傳感器測量值得出有效蓄冷水量，并根據蓄冷前后溫差計算：

計算結果見表4。

表4 不同蓄冷流量對蓄冷效率的影響

實驗一、二的冷量轉移效率基本一致，實驗三、四的冷量轉移效率也基本一致。而實驗一、二蓄冷流量較小，蓄冷結束時水槽為完全蓄冷，實驗三、四已完全蓄冷，說明完全蓄冷情況下冷量轉移效率會高于未完全蓄冷工況。其原因為未完全蓄冷工況下，在釋冷過程中水槽摻混區域更大，因此推薦實際蓄冷時確保水槽盡可能完全蓄冷。

3.3 不同流量蓄冷1小時

截取實驗一、實驗二、實驗三（實驗四過度蓄冷不具代表性，不再討論）3次實驗蓄冷前一小時數據，計算總蓄冷量和有效蓄冷量（水槽內水溫不高于釋冷溫度上限即為有效蓄冷量，可從全水槽溫度分布中查閱各小水槽溫度，從而估算有效蓄冷體積，然后根據（Q=cmΔt）計算有效蓄冷量）。

表5 不同蓄冷1小時的結果

蓄冷階段第一小時3次實驗水槽進出口溫差均穩定在7℃左右（實驗4由于流量較大蓄冷溫差有所波動），根據控制變量法原則，可排除進出口溫度波動對有效蓄冷量的影響，同時1h的循環水量遠小于水槽蓄水量可排除水槽容積對有效蓄冷量的影響。故此處可認為蓄冷流量大小是影響有效蓄冷效率的唯一因素。

分析表明，在實驗允許誤差范圍內，有效蓄冷率隨蓄冷流量的增加而減小，其原因為流速越大，水流摻混越嚴重，能源品質下降多。故蓄冷以及釋冷流量均不宜過大，流速大摻混嚴重。并且可從側面反映，該實驗最小蓄冷流量3.92m3/h下，其蓄冷效率較高，說明該流量蓄冷時水槽內死區不大。

4 根據實驗結果進行原型推算

根據相似性原理可將實驗結果逆推到原型中（詳見實驗原理章節），從而估算實際運行有效釋冷量（換算關系詳見實驗原理章節）。該推算基于實際釋冷溫差與實驗釋冷溫差一致，均為7℃左右。以實驗一為例，詳細實驗推算過程如下：

從而可推出算，在實驗一工況下，系統總蓄冷流量：

系統總釋冷流量：

系統總蓄冷量：

系統總蓄冷功率：

系統釋冷量：

系統釋冷功率：

即使平均分配到8h釋冷（假設效率不變），系統平均釋冷功率：

設計日冷負荷為89630kW，故該工況下系統能在白天減少制冷主機開機臺數。

表6 不同蓄冷實驗的原型推算

由于實驗四過度蓄冷，不推薦用于實際工程，故不再推算。實驗一、二、三詳細結果見表6。

由于此次模擬對象為東南筏基區內一條流向上的水槽，對模擬數據處理計算可得到該區域供冷能力等參數，為分析整個能源站（7個筏基區）的蓄冷效果，假設其余未模擬的筏基區蓄冷效果亦相同，因此系統供冷能力為模擬區域供冷能力的19450/1505.5=12.91倍，系統效率與模擬區域效率相同。

5 結語

由該次實驗可知，在設計工況下，該迷宮式水蓄能系統冷量轉移效率在70%左右，水槽體積利用率也可達65%以上，與美國、日本等迷宮式水蓄冷體積利用率接近，符合設計需求，該流道設計可應用于工程實際。

該次模型實驗蓄冷流量在3.92-5.2m3/h范圍內蓄冷效果均較好，差距不大，故實際工程中總蓄冷流量可控制在2829-3753m3/h之間。

該模型實驗釋冷流量在7.5-10.4m3/h范圍內釋冷效果良好，建議實際工程釋冷流量控制在7506m3/h之內，但特殊情況也可高于該值。

根據該實驗可知，水槽完全蓄冷工況下其系統效率較高，故實際運行中應盡量確保每個筏基區流道完全蓄冷。

實際項目為7個筏基區流道并聯運行，在負荷需求較低的過渡季節，可切斷部分筏基流道，確保參與蓄冷的流道蓄冷完全。

若夜間蓄冷較多，白天負荷需求較少，釋冷時可僅開部分筏基流道進行釋冷，確保參與釋冷流道釋冷基本完全，其他未參與釋冷流道扔未完全蓄冷狀態，從而提高系統效率。

每個筏基區流道蓄冷/釋冷流道流量分配應根據實際蓄水量分配，其流量比即為蓄水量比，若蓄水高度一致，則流量比即為可用蓄冷底面積之比。根據水槽實際蓄水量分配各支路流量，保證各筏基區流道蓄冷/釋冷基本同時完成。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2] 周光炯，嚴宗毅，徐世雄，等.流體力學[M].2版.北京：化學工業出版社，2014.

修回日期：2016-11-25

Analysis on Efficiency of Water Storage in Raft Foundation Labyrinth on Fifferent Flow Velocity

QIAN Yi-jun1，LIU Yi2，HUA Wei2，ZHANG Xin-ji2，ZHANG Jie1，CHEN Cong-hui1
（1.Shanghai Power Green Energy Co.，Ltd，Shanghai 200002，China；2.East China Architectural Design&Research Institute MEP 2，Shanghai 200002，China）

In a raft of labyrinth water storage projects, according to the principle of fluid mechanics similar raft flume model, simulation of different storage/release of cool storage/release cold condition of cold flow, model experiments. The cold calculation under different working conditions was transfer and utilization rate of water tank volume. Velocity analysis research on the properties of raft labyrinth water storage, and recommended storage/release cold flow velocity is given. Finally, through the principle of similarity calculation to the actual project, provides reference for actual project execution .

labyrinth water storage；the similar principle；model experiment；cold energy transfer efficiency；volume utilization

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.019

TU831

B

2095-3429（2016）06-0070-06

錢軼珺（1969-），女，上海人，工程師，主要從事天然氣分布式供能投資相關工作；劉毅（1964-），男，上海人，教授級高級工程師。

2016-10-25