筏基迷宮式水蓄冷槽內部溫度分布特點及其建模原理驗證

陶 瑾， 黃璦莉， 薛栓平， 朱洲江

（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；3.杭州源牌科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

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。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。

目前，我國已由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㎡，利用建筑物原有的筏基做成土建蓄冰槽，總蓄冷量46 378.7kW.h[3]；中國大飯店，建筑面積約10萬㎡，利用機房下面的筏基做土建蓄冰槽，總蓄冷量33 851.1kW.h[4-5]。

但目前國內外，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相當重要。可以通過模型實驗來研究弗勞德準則對于迷宮式水蓄冷系統模型實驗的適應性分析，同時根據模型實驗中蓄冷、釋冷工況下水槽內部水溫變化及分布特點，為實際工程溫度測點布置方案提供參考意見。

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。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。

以上海某項目擬建的迷宮式筏基水蓄冷項目為例，將其按重力相似（弗勞德準則）縮小建立實物模型，進行模型實驗。分別在模型各小水槽內部設置溫度測點，采集記錄各水槽內部水溫進行對比分析。

1 實驗步驟

1.1 水池模型

首先將原蓄水池按相似性原理縮小5倍建立模型。包括水池的外形尺寸、水池內壁厚度、蓄水池槽壁的開孔尺寸及定位等均在原型尺寸的基礎上縮小5倍得來，首先確保其幾何相似。所有槽壁的開孔均由一個直徑120mm大孔和若干直徑100mm小孔組成，槽壁厚度為72mm，水池凈深度336mm。，流體流道如圖1所示，蓄冷時流體流動方向如圖箭頭所示，釋冷時則逆向流動。模型水槽實際蓄水平均高度282mm，總蓄水量16.92m3。

圖1 筏基實驗模型流道示意圖Fig.1 Schematic diagram of raft experimental model

1.2 溫度測點布置

首先對模型小水槽進行標號，按蓄冷流動方向依次標號，如圖2所示。

圖2 筏基模型水槽編號圖Fig.2 raft model sink number diagram

溫度傳感器布置如圖3所示，T2～T39為投入式溫度傳感器，用于監測水槽內部水溫變化。T2、T39安裝于水槽進出口，1#、9#、16#、21#、26#水槽分別布置3個溫度傳感器，分別設置在水槽上、中、下不同高度（距下底面分別為240mm、140mm、40mm）。其余水槽均在水槽中間布置一個溫度傳感器（距下底面140mm）；

4#水槽中的t1～t12溫度傳感器用于測量單倉內的溫度分布，鑒于8個角落容易產生死區，故在8個角落各布置一溫度傳感器（上探頭距上液面約30mm，下探頭距下底面約30mm）；

其中t1-X，t2-X，t3-X為線纜式溫度傳感器，該線纜安裝于開孔PVC管道內；而t4-X，t5-X，t6-X為上下折線式安裝的線纜式溫度傳感器。

1.3 實驗方案

進行三組不同流量的蓄冷/釋冷循環實驗。實驗一蓄冷流量3.92m3/h，釋冷流量7.88m3/h；實驗二蓄冷流量4.72m3/h，釋冷流量9.38m3/h；實驗三蓄冷流量5.2m3/h，釋冷流量10.4m3/h。

蓄冷溫度設定為12/20℃，在實驗過程中主機出口溫度在11～13℃范圍波動，不影響實驗結果。

2 實驗結果

2.1 同流量下不同水槽內溫度對比

以1#、9#、16#水槽的蓄冷實驗為例，其內部分別布置有上、中、下不同高度的3個溫度傳感器（平面位置均在水槽中間區域），距離底面高度分別為240mm、140mm、40mm。實驗蓄冷流量3.92m3/h。

圖3 溫度傳感器測點布置示意圖Fig.3 The temperature sensor measurement point layout schematic

圖4 1#水槽內部溫度變化趨勢圖Fig.4 The temperature change trend chart in the tank of No.1

圖5 9#水槽內部溫度變化趨勢圖Fig.5 The temperature change trend chart in the tank of No.9

圖6 16#水槽內部溫度變化趨勢圖Fig.6 The temperature change trend chart in the tank of No.16

由1#、9#和16#水槽溫度趨勢圖可知，蓄冷工況下40～240mm高度內的溫度傳感器測量值基本一致，故蓄冷工況下水槽中部溫度值可以視為水槽平均溫度，具有代表性。同時說明水槽內部溫度分布均勻，蓄冷效果良好。

2.2 不同流量下同一水槽內溫度分析

以9#水槽為例，分析不同蓄冷流量下水槽內部溫度變化。

圖7 流量3.92m3/h下9#水槽溫度變化趨勢圖Fig.7 The temperature change trend chart in the tank of No.9 when the flow is 3.92m3/h

圖8 流量4.72m3/h下9#水槽溫度變化趨勢圖Fig.8 The temperature change trend chart in the tank of No.9 when the flow is 4.72m3/h

圖9 流量5.2m3/h下9#水槽溫度變化趨勢圖Fig.9 The temperature change trend chart in the tank of No.9 when the flow is 5.2m3/h

綜上，說明即使蓄冷流量不斷增加，但40～240mm高度的溫度傳感器測量值均一致，說明該高度內的溫度能代表各流量下水槽的平均溫度，且3.92～5.2m3/h的蓄冷流量其蓄冷效果均較為良好。對于實際工程，建議溫度傳感器測點高于底面0.2m。

2.3 死區分析

以4#水槽為例，分析蓄冷工況下其內部不同位置溫度變化。蓄冷流量3.92m3/h。

圖10 4#水槽內部溫度變化趨勢圖Fig.10 The temperature change trend chart in the tank of NO.4

在該蓄冷流量下t1、t3、t5、t7、t11溫度變化相對較慢，說明水槽上液面的四個角落容易形成死區，并且蓄冷入口側上角落形成死區較大，底面的4個角落不太容易產生死區；但隨著蓄冷時間的推移，上平面的死區逐漸消除，該流量下約45分鐘死區完全消失。

2.4 線纜式溫度傳感器適用性分析

布置線纜式溫度傳感器主要目的為驗證線纜式溫度傳感器的布置位置及安裝于PVC管道內對實際測溫效果的影響。

實驗發現，上下折線式安裝的線纜式溫度傳感器與投入式溫度傳感器測溫值基本一致，測溫值準確無誤，直線平鋪式安裝的線纜式溫度傳感器的測溫值與投入式溫度傳感器測溫值在蓄冷過程中基本一致，偏差不大，亦可適用。

3 結語

（1）通過對比蓄冷/釋冷的模型實驗驗證了重力相似即弗勞德準則適用于迷宮式水蓄冷系統的建模實驗，對實際工程具有指導意義。

（2）蓄冷工況下，水槽上表面容易產生死區；而蓄熱工況下則水槽下底面容易產生死區。在實際工程中應選擇合適的流量，減少死區。

（3）實際工程中，推薦溫度探頭測點布置于水槽中間區域，測點高度不宜過高也不宜過低，避開死區，可以正確反映水池內部溫度。

（4）實際工程中可選用直線平鋪式安裝的線纜式溫度傳感器。但為減少PVC套管對測溫效果的影響，PVC套管直徑較大為宜，管道宜多開孔。

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