蓄冷水罐在分布式能源系統中的應用探討

陳彩霞,姜 梅

(中國電力工程咨詢集團西南電力設計院有限公司，四川成都 610021)

在近年經濟快速發展中，我國的能源結構長期以煤炭為主，其帶來的環境污染與生態問題已嚴重影響了我國的可持續性發展。目前，我國政府已經開始對能源戰略及政策進行調整，其中不乏大力鼓勵與支持發展分布式能源項目的政策[1]。分布式能源是一種相對于集中的分散式供能方式，是指安裝在用戶端高效的冷、熱、電三聯供系統。目前，分布式能源系統主要以燃氣作為能源，對天然氣進行梯級利用，將天然氣發電后產生的余熱用于制冷，并將余熱供應給附近的用戶。在分布式能源項目中，當外界負荷發生波動時，采用蓄冷技術將多余的冷量儲存起來，是提高能源利用率的有效途徑[2]。在各種蓄冷技術之中，水蓄冷技術以其簡單可靠且初投資低等顯著優勢備受廣大用戶及設計師們的青睞。在眾多水蓄冷方式中，蓄冷水罐因蓄冷效率高、布置靈活等優點，在實際工程中被廣泛采用。

1 蓄冷水罐的蓄冷原理

水的密度與溫度相關(圖1)。在一定范圍內，隨溫度的下降而增大，當水溫降至4 ℃時，其密度達到最大值；溫度繼續下降，其密度則開始減小，直至結冰。4～6 ℃的冷水會聚集在水罐底部，而10～18 ℃的溫水聚集在水罐上部。蓄冷水罐則是利用這個原理，使不同溫度下的水在罐內實現自然分層來達到蓄冷與放冷[3]。

圖1 水的密度隨溫度變化

在蓄冷和放冷過程中，為了達到自然分層，溫水須從上部布水器流入或流出，而冷水須從下部布水器流入或流出，流入或流出的水流速度應盡可能低，使分層水形成上下平移運動。設計良好的蓄冷水罐能使上部溫水區與下部冷水區之間形成并維持一定高度的斜溫層，如圖2所示。界線清晰而穩定的斜溫層能夠防止上層溫水與下層冷水混合。斜溫層的厚度通常宜控制在 0.3～1.0 m 之間。蓄冷水罐內斜溫層的變化是衡量蓄冷水罐蓄冷效果的主要考察指標之一，厚度適宜且穩定的斜溫層是提高蓄冷效率的關鍵[3]。

(a)蓄冷原理

(b)斜溫層概念簡圖

2 分布式能源系統中的蓄冷特點分析

在分布式能源系統中，天然氣進入燃氣輪機與空氣混合燃燒發電，排出的高溫煙氣通過余熱鍋爐產生蒸汽，蒸汽進入汽輪機后，首先拖動發電機發電。蒸汽經過發電利用后，品位降低，這時再以抽汽或者背壓排汽的形式供冷或供熱。此外，煙氣換熱器利用余熱鍋爐尾部煙氣產生高溫熱水，可用于夏季供冷、冬季供暖及提供全年生活熱水等。

分布式能源系統的用戶冷負荷主要分為工業用冷和空調冷負荷。其中工業用冷情況隨著企業生產班次及淡旺季的不同而發生變化，冷負荷也隨之波動；空調冷負荷則隨室外氣溫及房間使用情況波動。然而，分布式能源系統中燃氣輪機的運行較為穩定，其產生的余熱量也是穩定的，熱水型溴化鋰機組利用余熱制備的冷量亦較為穩定。因此，在用戶冷負荷發生波動時，分布式能源系統中即會產生富余冷量。通常，存在富余冷量的時間段是在夜間，利用蓄冷水罐將這部分富余冷量儲存起來，用于白天高溫時段燃氣輪機進氣冷卻或供給用冷企業，這不僅能提高能源利用率，而且能夠獲得良好的社會經濟效益。

通過上述分析可以看出，在分布式能源系統中采用蓄冷水罐蓄冷目的是為了儲存末端用戶無法消納的系統余熱，其蓄冷量是由分布式能源系統較為穩定的余熱量與具有波動性的用戶冷負荷決定的。此外，隨著用戶生產的調整，富余冷量也可能隨之變化，從而導致蓄冷量變化。

3 蓄冷水罐在分布式能源系統的應用探討

(1)蓄冷水罐容積計算。

根據設計手冊，蓄冷水罐容積的基本計算公式如下[4]：

式中：ρ為冷水密度(kg/m3)；cp為冷水的比熱容，取4.187kJ/(kg℃)；Qs為蓄冷量(kWh)；K為冷損失附加率；Δt為蓄冷水罐進出水溫差(℃)；FOM為蓄冷水罐的完善度，考慮混合和斜溫層等因素的影響，一般取85 %～90 %；αv為蓄冷水罐的體積利用率，考慮布水器的布置以及蓄冷水罐內其他不可用空間的影響，一般取95 %。

對于蓄冷空調，蓄冷量Qs是基于逐時負荷分析及不同負荷狀態下的運行策略分析來確定的，是需求量，也是蓄冷水罐在放冷時需釋放出來的冷量。因此，在計算蓄冷水罐容積時需考慮一定的冷損失附加率K，以滿足放冷時段用戶的冷負荷需求。冷損失附加率K一般取1.01～1.03。

對于分布式能源系統中的蓄冷水罐，其蓄冷量Qs是末端用戶無法消納的余熱制冷量，是可輸入蓄冷水罐中的總冷量。在計算蓄冷水罐容積時，不需考慮冷損失附加率，即上述計算公式中K值取1。

(2)蓄冷水罐與冷水系統的連接方式。

通常情況下，為簡化管路系統及減少冷損失，蓄冷空調的蓄冷水罐通常布置于制冷站附近，低位布置，罐內水位線低于建筑高度，蓄冷水罐中的水必須通過板式換熱器與系統空調水換熱放冷，如圖3所示。

圖3 蓄冷水罐與空調冷水系統間接連接示意

在區域分布式能源項目中，制冷站通常是單層建筑，蓄冷水罐亦布置在制冷站端頭地面上，區域供冷冷水系統與末端用戶通常采用間接連接，板式換熱器設置于末端用戶機房內。從分布式能源站至末端用戶板式換熱器的冷水管網通常采用直埋或矮支墩敷設，冷水管網系統最高點一般不會高于10 m。根據蓄冷量及場地情況，調整蓄冷水罐的高度直徑比，可使蓄冷水罐液面高度大于等于13 m，這就使得蓄冷水罐可與區域供冷冷水系統采用直接連接，如圖4所示。這不僅可以減少項目初投資，而且能夠減少冷損失，提高能源利用率。

圖4 蓄冷水罐與冷水系統直接連接示意

4 結 論

在分布式能源系統中，蓄冷水罐的蓄冷量是由分布式能源系統較為穩定的余熱量與具有波動性的用戶冷負荷決定的。在計算蓄冷水罐容積時，與蓄冷空調不同，其蓄冷量為末端用戶無法消納的余熱制冷量，不需要考慮冷損失附加率。

基于區域分布式能源系統中區域供冷系統與末端用戶的連接方式及管網敷設特點，蓄冷水罐與區域供冷冷水系統之間可不設置板式換熱器，采用直接連接，從而可簡化系統配置，減少冷損失，提高系統經濟性。