低能耗淺水分層水蓄冷技術及其應用

龔 麗

（廣州長正新能源科技有限公司，廣州 511405）

隨著國家經濟和科技的快速發展，各領域對于能源的要求不斷提升，特別是電力能源的需求。目前，我國電力能源應用速度增長較快，在城市和沿海地區電力能源已經達到緊張地步。在用電負荷增加的比例中,要數空調用電所占比例最大，特別在夏季，大面積使用空調導致城市用電出現短缺[1]。水蓄冷空調是目前降低夏季空調用電需求的一種非常有效的方法，它的運行模式是“夜間蓄冷，白天放冷”，夜間通過蓄冷池將冷量儲存起來，在白天需要制冷時再逐漸放冷，從而達到移峰填谷、降低白天電量消耗的目的[2]。

本文主要通過“二次整流”布水技術，有效降低斜溫層厚度，實現完全分層，大幅度提高效率。根據負荷變化和用電量峰谷電價時段，實時調整主機和蓄水槽的蓄冷能力，通過智能控制系統優化控制多臺基載主機和蓄水槽冷量的大系統，實現最佳的節能和節約運行費用的效果。

1 水蓄冷技術原理及方法

1.1 水蓄冷技術原理

利用夜間谷段電力的低電價和數據中心的冷水機組、冷水循環水泵、冷卻循環水泵等設備的備用機組進行工作，將儲水槽中的水制冷到5℃以下，并在白天電價較高的峰段電力期間將蓄藏的低溫冷凍水釋放出來供空調制冷系統使用，對電網來說達到了削峰填谷的目的，對數據中心來說達到降低電費的目的[3]。

1.2 分層水蓄冷方法

水蓄冷是利用水的顯熱實現冷量的存儲。所以，對于蓄冷系統的隔離設計是實現蓄水溫差持續并盡可能大和防止冷熱水混合的關鍵環節，以獲取最大的儲冷效果。蓄冷技術較為關鍵的是蓄冷水槽的結構設計，該設計應該達到防止蓄冷水和熱水混合的目的。目前，有多種方法可以達到此目的，如多蓄水槽方法、迷宮法、隔板法以及分層法。本文采用特殊“平行流”分層技術，即使在1.5 m的水槽中也可實現高效分層，由此實現高效蓄冷。

利用水在不同溫度下具有不同密度的原理實現水的分層，相比較常規蓄冷系統，此系統增添了蓄冷水槽。在需要進行蓄冷任務時，通過制冷設備將冷水利用底部散流器注入蓄冷水槽，同時熱水從頂部排出，保持了水槽的水量處于恒定狀態。在需要完成放冷任務時，水流以反方向流動，從蓄冷系統的底端注入到負荷側，同時返流的熱水從蓄冷水槽的頂端經散流器注入蓄冷水槽。

蓄冷效率是衡量蓄冷效果的一種重要指標。蓄冷效率即為蓄冷水槽的實際放冷量與蓄冷水槽理論可用蓄冷量的比值。通常情況下，與前幾種蓄冷方法相比，該方法最為簡單、有效且經濟，如果能夠合理設計，蓄冷效率一般可以控制在85%～95%。

1.3 布水器

布水器在蓄冷系統中具有重要的作用，在水自身重力的作用下，它能夠引導其緩慢流動并注入蓄冷水槽中，在此過程中就會形成一個斜溫層。水能夠自然分層的原因是利用水溫差異密度不同形成密度差，并在慣性差作用下實現蓄冷水槽中水的流動，并最終在水槽底部形成水平面。在放冷的過程中，利用蓄冷水槽上端的布水器形成一股密度較小、浮于上面的熱水并緩慢移動，一般上布水器需要布置在水面以下。布水器能夠使蓄冷系統形成一個冷、熱混合程度最小的斜溫層，并使此斜溫層具有一定抗擾動性。

2 蓄冷系統的結構

蓄冷系統結構如圖1所示，在上布水器開設有方向向上的布水口，下布水器開設有方向向下的下布水口，柱管設置在水溫層內部，并且上端與上布水器相貫通，下端與高溫水管相通，低溫水管為螺旋狀水管，且它與下布水器相通。均流板一設置在上布水器的上方，且均勻分布有通孔。均流板二設置在下布水器下方，且它均勻分布有通孔，通孔的形狀是外八字型，其目的是提高蓄冷水槽的蓄冷效率，通孔之間的間距設計為10～100 mm，所有通孔內徑6～12 mm，外徑20～50 mm，所述蓄冷操的上方開設有人孔，便于施工和維修，布水口呈階梯分布。

圖1 蓄冷系統結構

通過改變低溫水管和高溫水管的連接形式，提高冷卻效果，采用螺旋管的形式可以降低低溫水管的速度。通過設置均流板降低水流流速，可以有效降低斜溫層的高度，提高蓄冷水槽的蓄冷效率。

3 蓄冷系統在空調中的蓄冷應用

3.1 水蓄冷空調系統原理

水蓄冷空調系統基本原理如圖2所示。由圖2可知，蓄冷水槽既可以是半地下放置結構，也可以是全地下結構。Kh、Kc分別表示熱水閥和冷水閥。在蓄冷水槽投入運行使用時，閥門Kp和Kc打開。系統設計供應恒溫冷凍水，一般情況下，按照建筑物需求不同，調節供冷泵的輸出流量或電機轉速。電價能夠確定圖中水機和充冷泵開關狀態，并保證開關狀態相互獨立、互不干擾。冷水機及充冷泵可視為恒定流量或者冷量源。

在處于電價較低且為充冷工況下，冷水機需要滿載運轉，蓄冷系統供冷量G1與建筑物需求量G2之差為剩余冷量G3，滿足G3=G1-G2，G3能夠通過蓄冷水槽的輸入端流經布水器流進水槽底部。在水槽中就會出現原有冷水與返回水形成的交界面不斷上升，當到達上布水器的邊緣處，此時充冷工況就已經完成。

圖2 水蓄冷空調系統基本原理

在需要實現放冷工況時，此時G1要小于G2，兩者之差G3＜0的，蓄冷水槽的底端通過供冷泵將冷水輸至有供冷需求的建筑物內，在換熱升溫情況下，通過打開供熱閥Kh使得返水流至上布水器。此時，冷水與回水的交界面呈不斷下降趨勢，按照不同階段的電價規律，此時冷水機可能自動停止運轉，使得G3=0-G2=-G2。

3.2 水蓄冷空調系統控制策略

按照電力部門規定在不同的用電時刻價格不同的原則，水蓄冷空調系統能夠通過蓄冷技術實現削峰填谷的目的，從而降低空調系統的能耗，節約電費。系統蓄冷思路：白天電價較高的峰段電力期間將蓄藏的低溫冷凍水釋放出來供空調制冷系統使用。

通過對電價的綜合考慮，若夜晚23:00時刻電力價格最低，此時需要制冷機滿負荷工作，一是為建筑物供冷，二是將多余的冷量存儲于蓄冷系統中，當蓄冷系統滿量時，此時制冷機停止工作，蓄冷系統接下來進行放冷工況。當建筑物負荷不斷增加時，此時若超過主機額定負荷，則制冷機再次啟動并進行聯合供冷程序，供冷不足可以從制冷水罐中提??；當建筑負荷慢慢降落，滿足主機額定負荷時，制冷機關停，蓄冷罐再次進入單獨放冷階段。

4 結語

隨著我國經濟和技術的快速發展，工業、民用等領域對電能的使用量不斷增加。其中，空調用電量占總用電量的很大一部分，所以節約能源是當前我國必須深入思考的問題。采用蓄冷技術，可以實現空調用電量的調節，減低空調能耗。本文主要探究了低能耗分層蓄冷技術的應用，首先簡述了蓄冷技術，然后對蓄冷系統的結構進行設計，最后將設計的蓄冷結構應用于空調系統中，詳細分析了制冷原理以及空調低能耗策略。

1 李金平，王如竹，郭開華，等.蓄冷空調技術及其發展方向探討[J].能源技術，2003，24（3）：119-121.

2 何天祺.國外冰蓄冷空調技術的發展動向[J].暖通空調，1989，（6）：21-25.

3 方貴銀，陳則韶.蓄冷空調系統經濟分析與比較[J].能源研究與信息，2000，16（4）：23-27.