王凌飛

異形水槽蓄冷技術(shù)在商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)研究

王凌飛

(奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海 200031)

自然分層的水蓄冷技術(shù)在能耗梯級(jí)增長(zhǎng)的商業(yè)建筑中具有重要的節(jié)能功效。對(duì)商業(yè)建筑項(xiàng)目中異形蓄水槽的布水均勻性、溫度分層效果和防水保溫進(jìn)行了理論研究。在一個(gè)實(shí)際建筑項(xiàng)目案例中應(yīng)用該理論設(shè)計(jì)了相應(yīng)的研究方案，取得較好的效果。該研究結(jié)果對(duì)水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)區(qū)域形狀不規(guī)則的商業(yè)建筑項(xiàng)目具有重要參考意義。

商業(yè)建筑；異形蓄水槽；布水均勻性；溫度分層

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)工作居住環(huán)境要求提高帶來(lái)能耗的梯級(jí)增長(zhǎng)，以上海地區(qū)為例，在1990～2010年間商業(yè)建筑的總用電量由266.5億千瓦時(shí)增長(zhǎng)到2010年的1295.87億千瓦時(shí),是1990年的4.86倍,年均增長(zhǎng)速度為7.8%。到2012年時(shí)，上海夏季商業(yè)用電峰值已達(dá)到2426.3萬(wàn)千瓦。其中空調(diào)用電比例較大，北京用電峰值近半為空調(diào)負(fù)荷。在這種前提和背景下，對(duì)蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的推廣具有現(xiàn)實(shí)意義，特別是在正在進(jìn)行新建或改建的大型商業(yè)建筑中，蓄冷空調(diào)更有其積極的社會(huì)效益和宏觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 水蓄冷系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

水蓄冷技術(shù)是利用夜間廉價(jià)低谷電全部或部分制出建筑物日間所需冷量，將冷量以低溫冷水的方式蓄存起來(lái)，在電價(jià)高峰時(shí)段將冷量釋放出來(lái)。其和冰蓄冷相比沒(méi)有蓄存從冰化成水的相變能量，所以在儲(chǔ)存相同冷量時(shí)需要占用更大的體積。該特點(diǎn)使得水蓄冷在寸土寸金的商業(yè)建筑項(xiàng)目中的推廣受到制約，前十年間主要應(yīng)用于空間寬裕的機(jī)場(chǎng)、工業(yè)項(xiàng)目及醫(yī)院等公建項(xiàng)目中[1]。

近年來(lái)，電網(wǎng)移峰填谷的壓力及LEED認(rèn)證對(duì)節(jié)約能耗費(fèi)用的要求使得更多商業(yè)開(kāi)發(fā)商和暖通專業(yè)人士再次聚焦蓄冷技術(shù)應(yīng)用。而同冰蓄冷技術(shù)相比，水蓄冷無(wú)需采用雙工況的冷水機(jī)組、蓄冰槽及乙二醇溶液，這使得水蓄冷技術(shù)在造價(jià)和能耗方面又有了較大的優(yōu)勢(shì)，所以在很多商業(yè)項(xiàng)目中建筑師提出了采用一些商業(yè)價(jià)值極低的異形區(qū)域作為水蓄冷之用。而如何利用異形蓄水槽進(jìn)行蓄冷放冷，則成為一個(gè)需要研究的課題。

2 異形水槽蓄冷理論特性研究

在目前商業(yè)和公建項(xiàng)目中通?？紤]采用自然分層的蓄冷方式。從減少蓄冷水槽的冷熱損失、投資及布管均勻性方面考慮，通常采用直立的平底圓柱體作為蓄水槽，由于長(zhǎng)方體建造方便，可結(jié)合建筑物一起考慮，在實(shí)際項(xiàng)目中也運(yùn)用較多。

在水蓄冷循環(huán)時(shí)，制冷設(shè)備送來(lái)的較低溫度冷水由底部布水器進(jìn)入蓄水槽，較高溫度的水則從頂部排出，水槽中水量保持不變。在放冷循環(huán)中，水流動(dòng)方向相反，較低溫度的冷水由底部送至末端負(fù)荷側(cè)，回流熱水從頂部布水器進(jìn)入蓄水槽。對(duì)于水蓄冷系統(tǒng)，布水器的設(shè)計(jì)尤其重要。

下面首先從自然分層影響因素對(duì)異性水槽蓄冷放冷可行性進(jìn)行理論分析。

2.1 自然分層的形成

蓄水槽中的水由于密度的不同可以分成三個(gè)區(qū)域(如圖1)：從空調(diào)設(shè)備末端返回水管上部溫度較高的水，中間是有較高溫度梯度的斜溫層，下部為蓄存的溫度較低的冷凍水。斜溫層是冷熱水直接的溫度過(guò)渡層，要達(dá)到較高的蓄冷效率，必須降低斜溫層厚度。

蓄冷和放冷過(guò)程中穩(wěn)定溫度分層在于頂部和底部布水器的設(shè)計(jì)因?yàn)樽匀环謱铀罾湎到y(tǒng)的布水器必須能夠形成一個(gè)冷、熱混和程度最小的斜溫層，還要保證斜溫層不被以后發(fā)生的擾動(dòng)所破壞[2]。設(shè)計(jì)中要依據(jù)適宜的弗羅德數(shù)去選擇合適的布水器及孔口，合理確定其進(jìn)水口高度，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦字Z數(shù)來(lái)減小斜溫層的衰減確保合理運(yùn)行。在異形水槽結(jié)構(gòu)中，上述要求同樣要滿足。

圖1 溫度分層示意圖

（1）弗羅德數(shù)

弗洛德數(shù)[3-4]是作用在流體上的慣性力與浮力之比的一個(gè)無(wú)因次量。當(dāng)弗羅德數(shù)≤1時(shí)，入口處水流浮力大于慣性力，即可形成重力流。當(dāng)弗羅德數(shù)＞1，重力流仍將維持，但弗羅德數(shù)＞2時(shí)，水混和效應(yīng)明顯增強(qiáng)。因此可先按照弗羅德數(shù)≤1來(lái)進(jìn)行頂部和底部布水器高度設(shè)計(jì)（具體如下），然后根據(jù)實(shí)際安裝高度進(jìn)行修正。

—特征速度，m/s；

—設(shè)計(jì)流量，m3/s；

—散流長(zhǎng)度，m；

—布水器單位長(zhǎng)度的體積流量，m3/(m·s)；

—重力加速度，m/s2；

ρ—進(jìn)口水密度，kg/m3；

ρ—周圍水密度，kg/m3；

h—穩(wěn)流器的最小進(jìn)口高度，m。

由上式可知，能否形成重力流與蓄水流量、布水器有效長(zhǎng)度及布水器安裝高度相關(guān)，故在異形水槽設(shè)計(jì)中也可滿足上述條件。

（2）雷諾數(shù)

雷諾數(shù)[3-4]是表示作用于流體微團(tuán)的慣性力與粘性力之比的一個(gè)無(wú)因次量。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)。一般情況下，雷諾數(shù)Re＜2000為層流狀態(tài)，Re＞4000為紊流狀態(tài)。

為了保證穩(wěn)定的蓄冷放冷過(guò)程及斜溫層，蓄水槽的雷諾數(shù)有一定要求，對(duì)于小型水槽，雷諾數(shù)控制在200以下，對(duì)于深度大于5 m小于12 m的水槽，雷諾數(shù)一般控制在400~800之間。對(duì)于流量確定的水槽，則可通過(guò)雷諾數(shù)控制來(lái)計(jì)算布水器最小有效長(zhǎng)度，具體如下：

/(Re·)，m；

Q—罐體出水流量，m3/s；

—進(jìn)水在4~5℃時(shí)的粘滯系數(shù)m/s

Re—穩(wěn)流器進(jìn)口雷諾準(zhǔn)數(shù)取值。Re=，式中，，，分別為流體的流速，密度和粘滯系數(shù)，d為特征長(zhǎng)度。

與上述第一條分析相同，層流條件下雷諾數(shù)與蓄水流量和布水器有效長(zhǎng)度相關(guān)，故在異形水槽設(shè)計(jì)中也可滿足上述條件。

（3）布水的均勻性

當(dāng)上述兩個(gè)條件滿足后，則需要考慮頂部和底部布水器出水的均勻性，對(duì)于規(guī)格的直立式圓柱體和正方體水槽，槽內(nèi)布水器應(yīng)設(shè)計(jì)在對(duì)稱于水槽的垂直軸和水平面的中心線上，能在流量變化情況下盡量保持任何兩個(gè)點(diǎn)的壓力平衡和出水均勻，圓柱體通常采用八角形和徑向圓盤形，而長(zhǎng)方體水槽通常采用H形和水平條縫形[5][6]（如圖3、4所示）。通?？卓诘某隽魉俣缺ＷC在0.3~0.6 m/s的范圍內(nèi)。

圖2 槽內(nèi)接管示意圖

圖3 八角形分配器布置圖

圖4 H形分配器布置圖

而對(duì)于異形水槽來(lái)說(shuō)，采用單一的布水器不能完全達(dá)到出水均勻性，特別是對(duì)于某些角落區(qū)域。故對(duì)于異形水槽來(lái)說(shuō)需采用多種形式布水器結(jié)合方式，同時(shí)還可以考慮多次布水方式，增加布水器有效長(zhǎng)度。

此外，盡量避免狹長(zhǎng)的水槽形式，可以采用并聯(lián)方式將水槽切分為體積相當(dāng)?shù)亩鄠€(gè)水槽。

3 不規(guī)則蓄水槽保溫防水分析

在冷水蓄存期間，熱損失主要由以下幾方面產(chǎn)生：

1）儲(chǔ)存的溫度較低的水與來(lái)自盤管的溫度較高的水直接混合產(chǎn)生熱損失，其水溫上升；

2）原回水的熱量通過(guò)蓄冷水槽的壁面?zhèn)鹘o儲(chǔ)存的冷水導(dǎo)致冷量的損失；

3）周圍空氣中的熱量通過(guò)蓄冷水槽壁傳熱。

上述提及的熱損失可通過(guò)下面相關(guān)措施以確保最?。?/p>

1）水槽內(nèi)盡量避免結(jié)構(gòu)柱存在以減少冷橋損失；

2）合理設(shè)計(jì)布水器，控制弗羅德數(shù)和雷諾數(shù)在要求的范圍以內(nèi)，使水的流動(dòng)狀態(tài)為層流減小混和傳熱；

3）通過(guò)對(duì)水槽內(nèi)表面進(jìn)行保溫（如泡沫玻璃）減小冷熱水通過(guò)池壁的熱量傳遞；

4）通過(guò)對(duì)水槽外表面進(jìn)行保溫（如硬泡聚氨酯）隔絕與外界空氣的熱量傳遞。

通常情況下，采用基于熱量的一個(gè)指標(biāo)優(yōu)良指數(shù)（FOM）[7]去衡量蓄水槽的蓄冷效果，即在蓄冷和釋冷的整個(gè)蓄冷過(guò)程中冷量的損失。FOM由下式表示：

式中各參數(shù)含義為：

由此可見(jiàn)，在冷水的蓄存期間冷量損失越小，優(yōu)良指數(shù)（FOM）就越大。一般情況下，蓄水槽的優(yōu)良指數(shù)（FOM）需控制在0.85~0.92。

4 實(shí)際項(xiàng)目分析

本項(xiàng)目為華東地區(qū)一個(gè)綜合體，包括商場(chǎng)、辦公及酒店式公寓。根據(jù)當(dāng)?shù)仉妰r(jià)政策及LEED的要求采用水蓄冷系統(tǒng)[8]，蓄冷水槽位于地下室二層和三層塔樓區(qū)域，由于該區(qū)域形狀不規(guī)則，且周邊有多處柱子，除作為機(jī)房和庫(kù)房外，較難有其他用途，如圖5所示。

項(xiàng)目采用兩臺(tái)冷凍機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行，蓄冷進(jìn)出口溫度為4/12℃。

圖5 蓄冷水槽平面布置

4.1 散流長(zhǎng)度和布水器安裝高度的確定

該區(qū)域平面為U形結(jié)構(gòu)，考慮到布水的均勻性要求，在設(shè)計(jì)之初盡量避免直角布水區(qū)域，故分為3個(gè)槽體，3個(gè)槽體并聯(lián)同步運(yùn)行。根據(jù)上述分析，按下述設(shè)計(jì)原則可得出具體布水設(shè)計(jì)參數(shù)。

1）以雷諾系數(shù)Re 的取值確定布水散流長(zhǎng)度L。如果采用多次布水系統(tǒng)，以雷諾系數(shù)取值確定次級(jí)散流長(zhǎng)度（散流孔直徑之總和L），以最后一次布水的散流長(zhǎng)度（線性散流長(zhǎng)度K）確定實(shí)際雷諾系數(shù)值（稱雷諾系數(shù)修正值Re’）。

2）以最后一次布水的散流長(zhǎng)度（線性散流長(zhǎng)度K）及現(xiàn)場(chǎng)安裝散流高度Hi’ 校核實(shí)際弗蘭德參數(shù)（稱弗蘭德常數(shù)修正值Fr’）是否在允許取值范圍內(nèi)。

3）斜溫層厚度的估算，應(yīng)考慮如下水槽基本參數(shù)、重力流及層流等因素，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)加以確定實(shí)際弗蘭德常數(shù)、實(shí)際雷諾系數(shù)、蓄冷溫差、充（釋）冷周期、水池內(nèi)壁傳導(dǎo)因素等。3個(gè)水槽基本參數(shù)如表1所示，重力流設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，層流設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表1 3個(gè)水槽基本參數(shù)

表2 重力流設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 層流設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 異形水槽內(nèi)布水器設(shè)置方式

異形水槽內(nèi)布水器均勻性是自然分層能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)榉菍?duì)稱形狀使得布水時(shí)必須考慮下述因素：

1）到各個(gè)方向布水管道距離盡量相等；

2）需要較長(zhǎng)的散流長(zhǎng)度以保證單位長(zhǎng)度流量小，需要考慮多次布水要求；

3）多種形式布水器組合使用。

故本項(xiàng)目布水器采用H形和水平條縫形組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體布置如圖6所示：

圖6 布水器組合方式布置

4.3 異形水槽防水和保溫設(shè)計(jì)

利用地下室商業(yè)價(jià)值較小的異形空間作為水槽，基本上只能采用鋼筋混凝土槽體，水池發(fā)生泄漏將導(dǎo)致槽體保溫失效，因此蓄冷水池內(nèi)防水要求較高，遵循多重設(shè)防，柔性為主的原則。

本項(xiàng)目分隔后的每個(gè)水槽內(nèi)均沒(méi)有柱子，故考慮采用外保溫形式，對(duì)整個(gè)槽體進(jìn)行完全包裹保溫。除底部與大底板連接處不考慮外保溫，槽體周邊及上方采用聚氨酯發(fā)泡。具體如圖7和圖8所示：

圖7 側(cè)壁防水保溫設(shè)計(jì)

圖8 頂部防水保溫設(shè)計(jì)

4.4 實(shí)際效果

目前該項(xiàng)目在安裝調(diào)試過(guò)程中，在確定方案之初，對(duì)單個(gè)水槽的溫度進(jìn)行了初步試驗(yàn)?zāi)M[9]，每隔0.9 m設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 測(cè)試點(diǎn)布置

具體結(jié)果如圖10所示：

圖10 溫度測(cè)試值

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可知，該蓄冷槽在測(cè)試點(diǎn)區(qū)域可形成溫度分層，但其斜溫層比設(shè)計(jì)時(shí)略大。實(shí)際數(shù)據(jù)須待施工調(diào)試完成后進(jìn)行。

5 結(jié)論

根據(jù)上述理論和實(shí)際案例分析，可知采用不規(guī)則異形水槽可以形成自然分層，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的蓄冷和放冷，但在異形水槽布水及保溫設(shè)計(jì)中需考慮下述事宜：

1）可采用分為多個(gè)水槽并聯(lián)運(yùn)行，盡量使得單個(gè)水槽內(nèi)不存在轉(zhuǎn)彎區(qū)域，從而更易滿足布管均勻性要求；

2）與規(guī)則水槽體相比，異形水槽布水器設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)注意水管同程設(shè)計(jì)；

3）可采用多次布水增加散流長(zhǎng)度，從而降低單位管道流量；

4）異形結(jié)構(gòu)布水可采用多種布水器形式組合。

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DESIGN RESEARCH ON UNREGULATED WATER STORAGE TANK IN COMMERCIAL BUILDING

WANG Ling-fei

(Arup Consultant Company Shanghai, Shanghai 200031, China)

Chilled water thermal energy storage in naturally stratified tanks is used in commercial buildings with increasing energy consumption to reduce energy cost and refrigeration plant capacity. This paper is devoted to theoretical research of water distribution, temperature stratification and tank water-proof and insulation for unregulated water tank design. Moreover, we have designed a real project with above analysis and achieved good performance, which offers some suggestions and references for the familiar commercial projects with unregulated water tank

commercial building; unregulated water storage tank; chilled water distribution; temperature stratification

TU831.6

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.04.016

1674-8085(2014)04-0074-06

2014-05-03；

2014-05-27

王凌飛(1980-)，女，福建浦城人，工程師，國(guó)家注冊(cè)公用設(shè)備工程師，主要從事暖通工程研究(E-mail：Ling-Fei.Wang@arup.com).