溫度分層型水蓄冷裝置在上汽大眾的應用

陳雷田 于航

同濟大學機械與能源工程學院

引言

水蓄冷是指利用夜間谷電，將冷能以低溫水的方式貯存在一個大型的水罐（槽）中，白天峰電時段通過冷凍水的循環將貯存的冷能釋放到需要冷卻的場所。儲能技術是改善電力需求側負荷特性、優化輸配電結構、提高發電效率的重要手段。在大規模儲電技術尚未成熟之前，冷（熱）能的貯存顯得尤為重要[1]。

水蓄冷裝置設計的關鍵是防止或減少冷熱水的混合，為此，人們發明了多種形式的蓄冷裝置，包括：雙罐式，隔膜式，迷宮式和溫度分層式等，其中溫度分層式因制作工藝簡單、成本低、便于維護等優點而成為大型水蓄冷裝置的首選形式[2]。關于溫度分層型水蓄冷技術蓄冷效果的影響因素，國內外已經進行了一些相關的研究工作。1977年，Lavan和Thompson[3]對分層型水蓄冷進行了實驗研究，證實了該項技術的工程可行性。中國科技大學的方貴銀教授[4]對溫度分層型水蓄冷槽建立的物理數學模型，通過動態模擬分析斜溫層厚度的影響因素，蓄冷效率隨著蓄冷罐內有效水深的增加、斜溫層厚度的減少而增大。同濟大學于航教授[5]對大溫差水蓄冷空調系統進行了模擬研究，分析溫度分層型蓄水槽斜溫層的形成和發展。胡國霞[6]研究了影響自然分層型水蓄冷槽的蓄冷特性的主要因素，對不同類型布水器的溫度場和速度場進行比較分析，發現斜溫層形成與布水器的設計有很大的關系。黃慶河[7]就大溫差與小溫差自然分層水蓄冷的充、放冷過程進行了模擬研究，計算結果表明，大溫差水蓄冷的斜溫層相對小溫差水蓄冷較穩定，溫度分層明顯，蓄冷效率較高。本文將溫度分層型水蓄冷技術應用于上汽大眾儀征工廠，并對蓄冷裝置進行檢測，對蓄冷放冷過程、進出口溫度和斜溫層進行特性分析，對提高蓄冷裝置性能提供建設性意見。

1 水蓄冷系統設計

上汽大眾汽車有限公司儀征分公司（以下簡稱CP5）位于江蘇省儀征市揚州(儀征)汽車工業園，一期規劃年產30萬輛乘用車。全廠的集中冷凍站設在能源中心內，四大車間（沖壓、車身、涂裝、總裝）、技術中心、辦公樓等空調冷凍水系統為一個系統，共配置5臺單機制冷量8 722 kW的水冷離心式冷水機組和2臺單機制冷量1 500 kW的水冷螺桿式冷水機組，另預留一臺離心式冷水機組與對應水泵位置。能源中心向廠區管網提供10℃/16℃的冷凍水。CP5作為大眾在中國的綠色標桿工廠，采用了光伏發電、地源熱泵、水蓄冷、空壓機余熱回收等多項綠色節能技術。

本項目采用了部分負荷水蓄冷方式（即夜間儲存的冷量不能滿足白天全部需求，仍需開啟冷凍機輔助制冷），在能源中心西側建了一個有效儲水容積10 000 m3的鋼制蓄冷罐（圖1），設計蓄冷量為92 800 kWh。冷凍機(1#與2#)與蓄冷罐并聯連接。夜間蓄冷時，兩臺冷凍機以蓄冷工況運行(冷凍水進/出水溫為14℃/6℃)，進行蓄冷，蓄冷用時約8小時。白天空調時段，兩臺冷凍機可參與直接供冷。蓄冷罐中蓄存的冷量通過兩臺放冷水泵和板式換熱器釋放出來。系統簡圖如圖2。

圖1 儀征工廠蓄冷罐現場實景

本項目根據使用需求和場地條件采用了溫度分層式結構，共設置了上下各四圈的多邊形布水器，在單個總長度約300 m的布水器上，均布了近1 800個直徑為25 mm的布水孔。冷凍水從罐體出入口到最后各布水孔出水經過多次不同層面立體水流分配過程，確保水流到達各布水孔時流速和流量的穩定、均勻。斜溫層下部流體的混合程度取決于布水器進口弗朗特數（Fr）和雷諾數（Re）[8]，本布水系統設計中Fr和Re分別為0.45和843，各布水孔的正常工作流速為0.39 m/s。

圖2 水蓄冷系統流程圖

蓄冷罐罐體按國家石油儲罐與水蓄冷系統的相應規范采用Q235B鋼板焊接而成。罐體外保溫采用100 mm厚阻燃型聚苯乙烯（50 mm兩層，錯縫粘接），保證設計氣象條件下罐體外表面不結露。罐體內每隔0.5 m設置一個溫度傳感器。蓄冷罐同時還包括人孔、進出水管道、中心立柱、結構件、鋼爬梯、罐頂圍欄、避雷裝置、接地裝置、自動補水管、溢流管、檢查管、排污管等附屬結構和裝置。

該項目于2012年夏季投入使用，至今已應用六個制冷季，每天可節約運行費用1.4萬元，年節約費用250萬元左右，完全達到設計要求。

2 水蓄冷系統性能測試

在自然分層型水蓄冷系統中，斜溫層是一個影響冷熱分層和蓄冷效果的重要因素，它是由于冷熱水間自然導熱作用而形成的一個冷熱自然過渡層，確保穩定而厚度適宜的斜溫層是提高蓄冷效率的關鍵。為了研究系統運行過程中斜溫層的變化情況，我們對該蓄冷裝置進行了兩天的詳細檢測。

本測試中選取蓄冷罐進水長直段作為流量測點，在對應的供回水管段布置溫度測點，Pt100溫度探頭貼壁安裝并覆以保溫材料；放冷板換一次側和二次側進出口分別布置溫度測點；蓄冷罐內采用兩條溫度串進行測量，1號溫度串布置在蓄冷罐截面半徑距中心1/4處，2號溫度串布置在蓄冷罐截面中心處。每5分鐘記錄一次，各測點同步讀數。表1為測試參數及儀器，表2測試工況列表。

3 測試結果與性能分析

在自然分層型水蓄冷槽中，通常在斜溫層的底部水溫仍然保持初始溫度，在斜溫層的頂部水溫接近進口溫度。為了計算斜溫層厚度，引入無量綱溫度Φ：

表1 測試參數及儀器

表2 測試工況列表

式中，Tc代表進口溫度，Th代表槽的初始溫度。在斜溫層區域內無量綱溫度的變化范圍為0～1，斜溫層下部為0，在斜溫層上部為1。對溫度串2的測試數據采用OriginPro7.5軟件進行處理，表3為處理得到的斜溫層厚度。

3.1 蓄、放冷過程分析

圖3和圖4顯示了兩種工況下蓄冷罐內蓄冷和放冷過程中的溫度分布狀況。可以看到，2個溫度串的溫度曲線幾乎重合，說明在蓄冷罐水平面上溫度分布較為均勻，蓄冷罐保溫效果很好，橫向熱散失很少。在后續進出口溫度和斜溫層影響因素的分析過程中只針對溫度串2的測試數據分析討論。

從圖3中可以看出，在工況1開始蓄冷之時，蓄冷罐底層溫度為9℃，頂層溫度為11℃，斜溫層處于3.5 m的位置，蓄冷罐內前一日的放冷并不充分。蓄冷溫度為6℃，不同溫度的水之間由密度差形成穩定的重力流，冷、溫水之間形成了明顯的斜溫層，隨著蓄冷過程的繼續進行，斜溫層穩步上升。蓄冷結束，斜溫層停留在蓄冷罐頂部。在日間的放冷過程中，工況1放冷并不充分（最高只到9.75℃，而設計為14℃），這是因為蓄冷罐與另外多臺離心冷凍機并聯供冷，整個系統的控制未以蓄冷罐放冷優先來設置，蓄放冷策略和負荷變化的匹配度有待改善。

圖3 標準工況1蓄冷罐溫度分布曲線

3.2 進出口溫度變化特點分析

圖5 和圖6顯示了兩種工況下蓄、放冷過程中，蓄冷罐進出口溫度隨著時間的變化狀況。可以看出，進出口溫度曲線在放冷末期均呈現上升狀態，這是因為在放冷過程末期，蓄水池內的下布水器出口周圍由于冷熱水的混合導熱作用，出口溫度升高，使得冷凍機出口溫度、蓄水罐上端進口溫度升高，這勢必會影響到下一個蓄冷工況的穩定性。

表3 標準工況蓄冷罐斜溫層情況

圖4 標準工況2蓄冷罐溫度分布曲線

對比蓄冷階段和放冷階段，可以看出，在工況1中放冷過程的供回水溫差僅為3.75℃，遠小于蓄冷過程，而在工況2中放冷供回水溫差略高于蓄冷過程，這也反應了在工況1中受用戶側負荷偏小的影響沒有充分放冷。放冷過程中上布水器的進口溫度也在用戶側負荷不穩定變化的影響下呈現出一定的波動性。

3.3 斜溫層影響因素分析

圖5 標準工況1蓄冷罐進出口溫度分布曲線

圖6 標準工況2蓄冷罐進出口溫度分布曲線

從圖3和圖4可以看出，標準工況下蓄冷罐內溫度曲線較為規則，蓄冷初期斜溫層逐漸形成，呈現出明顯的溫度分層，隨著放冷結束斜溫層逐漸消失，蓄冷按設計工況運行時斜溫層控制較好。對比表3中蓄冷和放冷過程的斜溫層厚度值，發現在工況2夜間蓄冷過程中斜溫層厚度較大且不穩定，綜合考慮進出口溫度和蓄冷罐內溫度分布，在工況1放冷末期底層冷熱水的混合破壞了斜溫層的穩定性，并反應在進出口溫度的變化上，導致再次進入蓄冷階段時，斜溫層厚度增加。因此在系統運行過程中，放冷至斜溫層完全消失或是斜溫層未被破壞狀態有助于下一個蓄冷工況斜溫層的穩定性。

結合進出口溫度分布和斜溫層計算表，在放冷過程中斜溫層受上布水器進口溫度的變化呈現一定的波動性，由于用戶側負荷的不穩定性，當上布水器進口溫度偏離蓄冷罐內溫度時，水流進入罐內會形成額外的混合，進而影響罐內溫度分層。因此在系統運行過程中，可采取蓄冷優先策略，并通過調節流量的方式充分放冷，增強放冷階段上布水器進口溫度的穩定性。

4 結論

該項目采用的溫度分層型蓄冷技術基本達到了設計要求，具有良好的經濟效益和可復制推廣性。通過對運行數據的蓄冷放冷過程、進出口溫度和斜溫層進行特性分析，發現系統的控制策略、用戶側負荷變化、蓄冷放冷時間都會對斜溫層產生影響，蓄冷裝置不能作為一個孤立的設備來用，必須同時考慮冷凍機的出水溫度、負荷調節方式和用戶側末端的控制方式，使產冷、儲冷、輸冷和用冷作為一個有機的整體。未來應該在系統的整體控制策略方面改進提高。

[1]H Lin, XH Li,etc. Thermoeconomic evaluation of air conditioning system with chilled water storage[J]. Energy Conversion& Management, 2014,85(9):328-332.

[2] 方貴銀. 蓄冷空調工程應用技術[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2000.05, 141-145.

[3] Lavan Z, Thompson J.Experimental study of thermally stratified hot water storage tanks[J]. Solar Energy, 1977, 19(5): 519-524.

[4] 方貴銀. 空調水蓄冷溫度分層動態特性研究[J]. 太陽能學報, 1999,20(3):279-283.

[5] 于航,鄧育涌等.溫度分層型水蓄冷罐的仿真研究[J]. 電力與能源,2006, 27(3):120-122.

[6] 胡國霞.自然分層型水蓄冷槽布水器的模擬[J].電力與能源, 2007,28(4):237-240.

[7]黃慶河,曹連華等.水蓄冷技術在數據中心的應用研究[J]. 暖通空調,2016, 46(10):1-4.

[8]A.Musser,W.P. Bahnfleth.Parametric Study of Charging Inlet Diffuser Performance in Stratified Chilled Water Storage Tanks with Radial Diあusers: Part 1–Model Development and Validation.Hvac & R Research,2001, 7(1):31-49.

節能信息與動態

工行上海分行綠色金融“貸”動綠色發展

近年來，工商銀行上海分行積極踐行“綠色發展”和“綠色金融”理念，通過信貸結構的綠色調整促進經濟社會實現綠色發展，截至2017年末，該行在綠色經濟領域的貸款余額超過200億元。

在綠色交通運輸項目中，工行上海分行大力支持城市軌道交通、鐵路和港口航道等基礎建設，截至2017年末，貸款余額超過180億元，減少標準煤9.06萬t，減排CO2當量9.56萬t。在可再生能源及清潔能源項目投入上，該行大力支持風電項目，截至2017年末，該領域貸款余額達10億元，減少標準煤12.79萬t，減少CO2當量31.72萬t，節水2.37 t。該行十分注重“綠色環保”這一民生工程，截止2017年末，投入垃圾處理及污染防治項目的貸款近5億元。此外，工行上海分行支持部分大型工業企業技術設備升級，降低能耗減少環境污染，積極支持這些企業升級改造，截止2017年末，該行在工業節能節水環保領域的貸款余額約3.3億元。同時，該行積極支持城市污水處理凈化項目的建設擴容，城市節水項目貸款余額近1.5億元。