徐新恒，陳雷田

（上海安悅節(jié)能技術(shù)有限公司，上海 200081）

引言

水蓄冷是利用水的顯熱實(shí)現(xiàn)冷量的儲(chǔ)存[1]。自然分層型水蓄冷系統(tǒng)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(dǎo)熱作用而形成的冷熱溫度過(guò)渡層[2]，穩(wěn)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(wěn)定而厚度適宜的斜溫層是提高蓄冷效率的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外對(duì)斜溫層的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素已進(jìn)行了較多研究，劉文勝教授[3]通過(guò)理論推導(dǎo)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(duì)蓄冷槽進(jìn)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(biāo)，對(duì)模型的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Kahar Osman[5]采用數(shù)值模擬方法確定了蓄冷罐尺寸和斜溫層的關(guān)系。為進(jìn)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(jiǎn)稱儀征大眾）蓄冷系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同因素對(duì)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(tǒng)簡(jiǎn)介

儀征大眾位于江蘇省儀征市揚(yáng)州汽車工業(yè)園，全廠集中冷凍站設(shè)在能源中心。廠區(qū)車間及辦公樓空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用部分負(fù)荷水蓄冷方式，在能源中心西側(cè)建了一個(gè)容積為10000m3的蓄冷水罐，圖1為儀征大眾水蓄罐現(xiàn)場(chǎng)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(tǒng)如圖2所示，蓄冷罐與蓄冷主機(jī)-1、蓄冷主機(jī)-2連接。蓄冷時(shí)，主機(jī)以蓄冷工況運(yùn)行，放冷時(shí)主機(jī)以額定工況運(yùn)行供冷，額定工況和蓄冷工況如表1所示，蓄放冷工況電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)情況見(jiàn)表2。

圖2 儀征大眾水蓄冷系統(tǒng)圖

表1 儀征大眾主機(jī)額定工況和蓄冷工況參數(shù)

表2 蓄放冷工況閥門開(kāi)關(guān)情況

2 儀征大眾水蓄冷系統(tǒng)測(cè)試方案

本測(cè)試中選取蓄冷罐進(jìn)水長(zhǎng)直段作為流量測(cè)點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)的供回水管段布置溫度測(cè)點(diǎn)，Pt100溫度探頭貼壁安裝并覆以保溫材料；板式換熱器進(jìn)出口分別布置溫度測(cè)點(diǎn)；蓄冷罐內(nèi)采用兩條溫度串進(jìn)行測(cè)量，1號(hào)溫度串布置在蓄冷罐截面半徑距中心 1/4處，2號(hào)溫度串布置在蓄冷罐截面中心處。以上測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)每5分鐘記錄一次，各測(cè)點(diǎn)同步讀數(shù)。表3為測(cè)試儀器及參數(shù)。

表3 儀征大眾測(cè)試參數(shù)及儀器

表4 儀征大眾實(shí)測(cè)工況

儀征大眾實(shí)測(cè)工況見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)工況對(duì)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(duì)標(biāo)Case-1～Case-3，每間隔1小時(shí)取一次數(shù)據(jù)，繪制Case-1～Case-3蓄冷罐水體逐時(shí)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(biāo)準(zhǔn)工況垂直溫度分布中可以看出，Case-1開(kāi)始蓄冷時(shí)，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(shuō)明蓄冷罐內(nèi)前一日放冷并不充分。蓄冷過(guò)程中，斜溫層穩(wěn)步上升，蓄冷結(jié)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(guò)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(shí)間、流量都發(fā)生了變化，蓄冷罐水體垂直溫度分布也較Case-1復(fù)雜。Case-2蓄冷階段，蓄冷罐上部出現(xiàn)了局部蓄冷情況，導(dǎo)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(wěn)定，而是隨高度增加呈逐漸上升趨勢(shì)。由于蓄冷初始溫度較高，5:00前蓄冷溫度最低只達(dá)到了8℃，受此影響，其后又進(jìn)一步發(fā)生了從 8℃-6℃的“小溫差”蓄冷過(guò)程。在Case-3放冷階段中，先針對(duì)蓄冷罐下部發(fā)生了局部放冷，導(dǎo)致斜溫層厚度增加，放冷結(jié)束蓄冷罐內(nèi)溫度達(dá)到了11℃左右。

4 儀征大眾水蓄冷系統(tǒng)斜溫層分析

斜溫層厚度是評(píng)價(jià)水蓄冷罐分層效率的一個(gè)常用指標(biāo)，為計(jì)算斜溫層厚度，采用Musser和Bahnfleth提出的表達(dá)式，引入無(wú)量綱溫度Φ[6]，如式（1）所示：

式中：T——斜溫層區(qū)域某點(diǎn)處的溫度，℃；

Tc——入口平均溫度，℃；

Th——蓄冷水槽內(nèi)最初的整體溫度，℃；

在斜溫層區(qū)域內(nèi)無(wú)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(jì)算斜溫層厚度時(shí)取容忍量為0.15，即將斜溫層無(wú)量綱溫度值Φ=0.15～0.85對(duì)應(yīng)的范圍視為斜溫層。對(duì)溫度串2的測(cè)試數(shù)據(jù)采用OriginPro軟件進(jìn)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(duì)比表 5蓄冷和放冷過(guò)程的斜溫層厚度，可以看出在Case-1放冷過(guò)程斜溫層厚度較大且不穩(wěn)定，與蓄冷階段對(duì)比其溫差較小，說(shuō)明增加冷熱水溫差有利于減小斜溫層厚度，提高蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

從表6中可以看出，計(jì)算變流量工況斜溫層厚度時(shí)所采用的斜溫層無(wú)量綱溫度范圍有所改變，這是因?yàn)樾睖貙蛹斜碚餍罾涔迌?nèi)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(guī)則，與標(biāo)準(zhǔn)工況差異較大，因此結(jié)合工況特點(diǎn)重新確定了斜溫層無(wú)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(wú)量綱溫度區(qū)間左端點(diǎn)0.15右移，取0.25，得到無(wú)量綱溫度范圍0.25～0.85；放冷階段右側(cè)存在2℃左右的局部放冷，故將無(wú)量綱溫度區(qū)間右端點(diǎn)0.85左移，取0.55，得到無(wú)量綱溫度范圍0.15～0.55。Case-3中，蓄冷階段圖線左右兩側(cè)均有額外消耗溫差，左右兩側(cè)消耗溫差分別為1.3℃、1℃，故將無(wú)量綱溫度區(qū)間縮短為0.35～0.7；放冷階段則在左側(cè)多消耗了1.5℃溫差，故將無(wú)量綱溫度區(qū)間左端點(diǎn) 0.15右移，取 0.4，得到無(wú)量綱溫度范圍 0.4～0.85。結(jié)合表6中數(shù)據(jù)，Case-2放冷階段和Case-3蓄冷階段斜溫層單位高度內(nèi)溫度差較大，說(shuō)明二者在對(duì)應(yīng)的斜溫層無(wú)量綱溫度范圍，溫度分層情況較好。

5 儀征大眾水蓄冷系統(tǒng)測(cè)試小結(jié)

本節(jié)通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合各工況特點(diǎn)計(jì)算蓄、放冷階段斜溫層，分析斜溫層變化規(guī)律。其中標(biāo)準(zhǔn)工況Case-1蓄冷罐內(nèi)溫度曲線較為規(guī)則，蓄冷初期斜溫層逐漸形成，呈現(xiàn)出明顯的溫度分層，隨著放冷結(jié)束斜溫層逐漸消失，蓄冷按設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)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(fù)雜，出現(xiàn)了“局部蓄冷”的情況。

總的來(lái)看，儀征大眾水蓄冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下具有較高的蓄冷效率和系統(tǒng)能效，但該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中蓄放冷策略和負(fù)荷變化的匹配度有待改善，存在比較嚴(yán)重的放冷不完善現(xiàn)象，系統(tǒng)效率偏低。建議優(yōu)化系統(tǒng)控制方法，根據(jù)車間生產(chǎn)情況及時(shí)調(diào)節(jié)蓄冷量，采用“蓄冷優(yōu)先”的運(yùn)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(jié)能工程[M].南京:東南大學(xué)出版社,2010.12,155.

[2] 李新禹.建筑能源應(yīng)用工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)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(duì)斜溫層的影響[J].上海節(jié)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.