上汽大眾儀征工廠水蓄冷斜溫層實測分析

徐新恒，陳雷田

（上海安悅節能技術有限公司，上海 200081）

引言

水蓄冷是利用水的顯熱實現冷量的儲存[1]。自然分層型水蓄冷系統中，斜溫層是影響冷熱分層和蓄冷效果的重要因素，它是由于冷熱水之間自然的導熱作用而形成的冷熱溫度過渡層[2]，穩定的斜溫層能防止冷水與熱水的混合，但斜溫層的存在降低了蓄冷效率，確保穩定而厚度適宜的斜溫層是提高蓄冷效率的關鍵。

國內外對斜溫層的產生機理和影響因素已進行了較多研究，劉文勝教授[3]通過理論推導分析研究了多股射流相互干擾下影響斜溫層厚度的因素。Bahnfleth[4]對蓄冷槽進行了層流和湍流模擬，利用斜溫層厚度、損失容量和等效損失高度等熱性能指標，對模型的性能進行了評價。Kahar Osman[5]采用數值模擬方法確定了蓄冷罐尺寸和斜溫層的關系。為進一步研究斜溫層影響因素，本文基于上海大眾汽車有限公司儀征分公司（以下簡稱儀征大眾）蓄冷系統實測數據，分析不同因素對斜溫層的影響，探究斜溫層的變化情況。

1 儀征大眾水蓄冷系統簡介

儀征大眾位于江蘇省儀征市揚州汽車工業園，全廠集中冷凍站設在能源中心。廠區車間及辦公樓空調冷凍水系統采用部分負荷水蓄冷方式，在能源中心西側建了一個容積為10000m3的蓄冷水罐，圖1為儀征大眾水蓄罐現場照片，罐體直徑30m，高16m。

圖1 儀征大眾水蓄冷罐

儀征大眾水蓄冷系統如圖2所示，蓄冷罐與蓄冷主機-1、蓄冷主機-2連接。蓄冷時，主機以蓄冷工況運行，放冷時主機以額定工況運行供冷，額定工況和蓄冷工況如表1所示，蓄放冷工況電動閥開關情況見表2。

圖2 儀征大眾水蓄冷系統圖

表1 儀征大眾主機額定工況和蓄冷工況參數

表2 蓄放冷工況閥門開關情況

2 儀征大眾水蓄冷系統測試方案

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；板式換熱器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。以上測點數據每5分鐘記錄一次，各測點同步讀數。表3為測試儀器及參數。

表3 儀征大眾測試參數及儀器

表4 儀征大眾實測工況

儀征大眾實測工況見表4，其中Case-1，Case-2和Case-3為變流量工況，將Case-2和Case-3與標準工況對比，用以探究變流量工況下蓄冷罐斜溫層的變化情況。

3 儀征大眾蓄冷罐垂直溫度分布分析

針對標Case-1～Case-3，每間隔1小時取一次數據，繪制Case-1～Case-3蓄冷罐水體逐時垂直溫度分布曲線，如圖 3～圖8所示。

圖3 Case-1蓄冷階段垂直溫度分布

圖4 Case-1放冷階段 垂直溫度分布

圖6 Case-2放冷階段 垂直溫度分布

圖7 Case-3蓄冷階段垂直溫度分布

圖8 Case-3放冷階段 垂直溫度分布

從圖3～圖4所示的標準工況垂直溫度分布中可以看出，Case-1開始蓄冷時，蓄冷罐底層溫度約9℃，頂層溫度約11℃，斜溫層處于3m的位置，說明蓄冷罐內前一日放冷并不充分。蓄冷過程中，斜溫層穩步上升，蓄冷結束，蓄冷終溫為 6℃，斜溫層停留在蓄冷罐頂部。在日間的放冷過程中，Case-1放冷并不充分，放冷終溫約為9.3℃。

從圖5～圖8中可以看出，由于變流量工況的蓄放冷時間、流量都發生了變化，蓄冷罐水體垂直溫度分布也較Case-1復雜。Case-2蓄冷階段，蓄冷罐上部出現了局部蓄冷情況，導致蓄冷罐上下溫度分布不均勻。放冷階段，蓄冷罐上部溫度分布并不穩定，而是隨高度增加呈逐漸上升趨勢。由于蓄冷初始溫度較高，5:00前蓄冷溫度最低只達到了8℃，受此影響，其后又進一步發生了從 8℃-6℃的“小溫差”蓄冷過程。在Case-3放冷階段中，先針對蓄冷罐下部發生了局部放冷，導致斜溫層厚度增加，放冷結束蓄冷罐內溫度達到了11℃左右。

4 儀征大眾水蓄冷系統斜溫層分析

斜溫層厚度是評價水蓄冷罐分層效率的一個常用指標，為計算斜溫層厚度，采用Musser和Bahnfleth提出的表達式，引入無量綱溫度Φ[6]，如式（1）所示：

式中：T——斜溫層區域某點處的溫度，℃；

Tc——入口平均溫度，℃；

Th——蓄冷水槽內最初的整體溫度，℃；

在斜溫層區域內無量綱溫度Φ的變化范圍為0～1，斜溫層下部為0，斜溫層上部為1。在計算斜溫層厚度時取容忍量為0.15，即將斜溫層無量綱溫度值Φ=0.15～0.85對應的范圍視為斜溫層。對溫度串2的測試數據采用OriginPro軟件進行處理，得到的斜溫層厚度如表5～表6所示。

表5 Case-1斜溫層厚度

表6 Case-2和Case-3斜溫層厚度

對比表 5蓄冷和放冷過程的斜溫層厚度，可以看出在Case-1放冷過程斜溫層厚度較大且不穩定，與蓄冷階段對比其溫差較小，說明增加冷熱水溫差有利于減小斜溫層厚度，提高蓄冷系統運行穩定性。

從表6中可以看出，計算變流量工況斜溫層厚度時所采用的斜溫層無量綱溫度范圍有所改變，這是因為斜溫層集中表征蓄冷罐內主要溫度變化，且Case-2和Case-3蓄冷罐水體垂直溫度分布不規則，與標準工況差異較大，因此結合工況特點重新確定了斜溫層無量綱溫度范圍。Case-2中，蓄冷階段先消耗了0.6℃的溫差，故將無量綱溫度區間左端點0.15右移，取0.25，得到無量綱溫度范圍0.25～0.85；放冷階段右側存在2℃左右的局部放冷，故將無量綱溫度區間右端點0.85左移，取0.55，得到無量綱溫度范圍0.15～0.55。Case-3中，蓄冷階段圖線左右兩側均有額外消耗溫差，左右兩側消耗溫差分別為1.3℃、1℃，故將無量綱溫度區間縮短為0.35～0.7；放冷階段則在左側多消耗了1.5℃溫差，故將無量綱溫度區間左端點 0.15右移，取 0.4，得到無量綱溫度范圍 0.4～0.85。結合表6中數據，Case-2放冷階段和Case-3蓄冷階段斜溫層單位高度內溫度差較大，說明二者在對應的斜溫層無量綱溫度范圍，溫度分層情況較好。

5 儀征大眾水蓄冷系統測試小結

本節通過分析標準工況 Case-1、變流量工況 Case-2～Case-3蓄冷罐垂直溫度變化情況，結合各工況特點計算蓄、放冷階段斜溫層，分析斜溫層變化規律。其中標準工況Case-1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；變流量工況Case-2～Case-3蓄冷罐垂直溫度分布則較為復雜，出現了“局部蓄冷”的情況。

總的來看，儀征大眾水蓄冷系統在設計工況下具有較高的蓄冷效率和系統能效，但該系統運行過程中蓄放冷策略和負荷變化的匹配度有待改善，存在比較嚴重的放冷不完善現象，系統效率偏低。建議優化系統控制方法，根據車間生產情況及時調節蓄冷量，采用“蓄冷優先”的運行控制策略，保證所蓄冷量的充分釋放。

[1] 王向宏.智能建筑節能工程[M].南京:東南大學出版社,2010.12,155.

[2] 李新禹.建筑能源應用工程[M].北京:機械工業出版社, 2016.08,141.

[3] 劉文勝,吳喜平.多噴嘴射流的速度分布及對斜溫層的影響[J].上海節能,2002,21(1):14-16

[4] BahnflethWP, Song J,Cimbala JM . Measured and Modeled Charging of a Stratified Chilled Water Thermal Storage Tank with Slotted Pipe Diffusers[J], HVAC&R Research, 2003:187～196

[5] Kahar Osman, Syed Muhammad Nasrul Al Khaireed, etal. Dynamic modeling of stratification for chilled water storage tank[J], Energy Conversion and Management, 2008, 49(11) :3270～3273

[6] A. Musser, W. Bahnfleth, Evolution of temperature distributions in a full-scale stratified chilled water storage tank,ASHRAE Transacti-ons 104 (1) (1998) 55–67.