宋宏升

(北京燃氣能源發(fā)展有限公司，北京 朝陽 100101)

0 引言

溫度分層型水蓄冷(熱)方式作為一種低投入、高效的蓄能方式正受到越來越多的重視和關(guān)注。國外對溫度分層型水蓄冷技術(shù)研究較多，1977年，Lavan和Thompson對分層型水蓄冷系統(tǒng)進行了實驗研究，初步得出一些結(jié)論，證實了該項技術(shù)的工程可行性[1]。1982年，Gross根據(jù)實驗總結(jié)出分層型水槽內(nèi)溫度分布的一維特性和水槽內(nèi)表面對導(dǎo)熱的影響[2]。1983年后，M W Wildin和C R Trutnan對分層型水箱蓄冷進行了近十年的實驗研究[3-6]。Stewart(1992)建立二維穩(wěn)態(tài)模型，研究了從條縫中向下流到蓄水槽時的分層效果。研究表明，流體的分層效果主要取決于條縫開口寬度、進口高度、以及雷諾數(shù)[7]。A I Najem和Homan、Oppel、Cole和Bellinger等分別對蓄冷水槽內(nèi)的溫度分布提出了一維的數(shù)學模型[8-9]。

目前，國內(nèi)對溫度分層型水蓄冷的研究也較多，對斜溫層特性的研究主要集中在工程實踐上。中國科技大學方貴銀教授對溫度分層型蓄冷槽進行了動態(tài)模擬，建立數(shù)學物理方程，得出了斜溫層受供回水溫差，進口處水流狀態(tài)及槽體保溫等因數(shù)影響[10-11]。同濟大學于航教授對大溫差水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進行了模擬研究，研究了溫度分層型蓄水槽斜溫層的形成和發(fā)展[12-13]。

以上相關(guān)國內(nèi)外的主要相關(guān)分析和研究主要是針對單一的水蓄冷工況所進行的模擬分析及相關(guān)研究，對于水蓄熱尤其是針對具體工程實踐中的水蓄熱方面的研究分析很少，本文基于某冷熱電分布式多能耦合能源站系統(tǒng)中的水蓄冷(熱)系統(tǒng)的具體工程實踐，采用專業(yè)CFD軟件模擬并結(jié)合水蓄能系統(tǒng)相關(guān)的核心技術(shù)指標評價計算的方式同時評價及驗證了該項目水蓄冷及蓄熱工況是否完全滿足設(shè)計要求。評價計算及模擬分析的方法及結(jié)論也可以為今后行業(yè)內(nèi)類似項目提供一定的借鑒和參考。本文具體研究內(nèi)容有：

1) 針對實際工程，根據(jù)水蓄冷(熱)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備實際選型參數(shù)，對相關(guān)核心技術(shù)指標進行評價計算。

2) 利用CFD軟件建立水蓄冷(熱)系統(tǒng)的模擬模型，模擬水蓄冷及蓄熱工況下的系統(tǒng)性能。

3) 結(jié)合上述評價計算機模擬驗證結(jié)果，對系統(tǒng)是否完全滿足設(shè)計要求進行評價。

1 工程概況

本文研究所基于的北京城市副中心行政辦公區(qū)某能源站通過將分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling, heating and power，CCHP)與地源熱泵系統(tǒng)、水蓄能、燃氣鍋爐以及電制冷機調(diào)峰設(shè)備等系統(tǒng)進行耦合實現(xiàn)優(yōu)優(yōu)勢互補，采用耦合系統(tǒng)不僅能提高燃氣內(nèi)燃發(fā)電機裝機容量，而且可以降低運行成本，提高經(jīng)濟性[14-15]。能源站主站為地下建筑，總建筑面積為13 841.94 m2。其中燃氣內(nèi)燃發(fā)電機、溴化鋰吸收式熱泵機組、鍋爐及配套電氣室、中控室、水泵間位于地下二層，其余設(shè)備位于地下三層。

能源站同時在各末端用能地塊配套設(shè)置12個制冷換熱子站，各制冷換熱子站通過地下管廊與主站連接，一期供能范圍包括區(qū)域內(nèi)12個地塊約56.56×104m2的冷熱負荷，二期供能范圍包括其西側(cè)約6.22×104m2冷熱負荷，能源站建成運行以后將最大限度實現(xiàn)項目經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，具有多能耦合節(jié)能減排的示范意義，項目年采暖制冷時間如下：采暖季，11月8日至3月22日，共計134天；制冷季，5月1日至9月30日，共計153天。每天供冷及供熱時段均為全天24 h，在全年供能期間，系統(tǒng)大部分時間是運行在部分負荷下的。該系統(tǒng)的供冷季、供暖季典型日逐時冷熱負荷數(shù)據(jù)詳見圖1。

圖1 供能季典型日逐時負荷圖Fig.1 Typical day hourly cooling and heating load

2 水蓄冷(熱)空調(diào)系統(tǒng)介紹

目前，常用的水蓄冷(熱)方法有自然分層法、多蓄能罐/空罐法、迷宮法和隔膜法等4種[15]，本項目采用自然分層蓄冷法。自然分層型蓄能裝置的核心特征是利用溫度不同的水的密度不同形成重力自然分層，冷熱混合形成的斜溫層成為冷水區(qū)和熱水區(qū)的分隔層。在蓄冷時，使4 ℃的冷水聚集在蓄能水池的下部，而使11 ℃的熱水聚集在蓄能水池的上部，從而實現(xiàn)冷熱水的分層。在蓄熱時，使50 ℃的熱水聚集在蓄能水池的上部，而使45 ℃的冷水聚集在蓄能水池的下部，從而實現(xiàn)冷熱水的分層。

圖4 水蓄冷(熱)空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of chilled water and water heat storage air conditioning system

需要在水槽內(nèi)設(shè)置高效布水器(又稱穩(wěn)流器)來控制蓄冷槽的內(nèi)部流動，保證斜溫層穩(wěn)定且厚度盡可能薄。自然分層型布水器的類型主要有八角型布水器、輻射圓盤型布水器、H型布水器、多孔板(均流板/篩漏板)式布水器，本項目采用H型布水器結(jié)合均流板的布水器形式，罐內(nèi)設(shè)置上下共2套精密面布水器，均流板分別敷設(shè)于上布水器的下方和下布水器的上方，具體布水裝置布置形式如下圖2所示，布水器經(jīng)過多次布水分流后進入布水管道，將水流均布于蓄冷水罐水平面，經(jīng)過布水器上數(shù)萬個開孔形成活塞流，水體內(nèi)部擾動被約束至極小的程度。通過合理控制布水器的出口流速以及弗勞德數(shù)(Fr)和雷諾數(shù)(Re)的設(shè)計指標，可確保超薄的斜溫層厚度和自然分層布水效果并獲得優(yōu)異的布水器性能。第二級精密面布水均流板上以孔間距5 mm左右60°錯位開直徑2.5 mm的圓孔，合理布置，有效控制通過孔的流速低于0.006 m/s，起到很好的整流作用。本項目所采用的H型布水器及第二級精密面布水均流板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 蓄能水池內(nèi)布水裝置布置形式Fig.2 Layout of water distribution device in energy storage pool

圖3 H型布水器及布水均流板結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural of H-type water distributor and water distribution balancer

本項目能源站設(shè)計了共計3個鋼混凝土水槽作為蓄能裝置，水池液位8.5 m，蓄能水池總體積約2×104m3，蓄能系統(tǒng)包含3個蓄能水池，其中1號蓄能水池容量5 525 m3，2號蓄能水池容量6 343 m3，3號蓄能水池容量8 798 m3。3個水池并聯(lián)運行，液位高度8.5 m。1號水池夏季蓄冷冬季蓄熱；2、3號水池僅夏季蓄冷，冬季不使用。蓄能水池采用溫度分層技術(shù)，蓄冷供回水溫度為4/11 ℃(設(shè)計值)，蓄熱的供回水溫度為50/45 ℃(設(shè)計值)。本項目混凝土水池底面、西側(cè)面、南側(cè)面、及部分北側(cè)面外為土壤，東側(cè)面、及部分北側(cè)面與頂面外為地下室。蓄水池保溫工藝采用聚氨酯現(xiàn)場發(fā)泡技術(shù)，防水工藝采用第3代聚脲防水體系。水蓄冷(熱)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在夏季夜間電價低谷時，閑置的地源熱泵及電制冷機向蓄能水池蓄冷，將蓄能水池冷量蓄滿；夏季白天在電價尖峰段時，優(yōu)先使用蓄能水池釋冷，當蓄能水池蓄冷量仍有剩余時，繼續(xù)在電價尖峰段剩余負荷釋冷。

在冬季夜間電價低谷時，部分負荷日時，夜間負荷較小，閑置的地源熱泵向蓄能水池蓄熱，將蓄能水池熱量蓄滿；冬季白天在電價高峰時，優(yōu)先使用蓄能水池釋熱，當蓄能水池蓄熱量仍有剩余時，繼續(xù)在電價尖峰段剩余負荷釋熱。

3 水蓄能的核心技術(shù)評價指標

3.1 弗勞德數(shù)及雷諾數(shù)計算及評價

目前，布水器設(shè)計的主要參考依據(jù)是基于Wildin及其合作者的研究成果，通過比例模型和相關(guān)性研究，指出只要進口布水器可以形成重力流，就可以形成較好的斜溫層。自然分層時，由于0～20 ℃水的密度差不大，形成的斜溫層不太穩(wěn)定。因此要求通過布水器的進出口水流流速足夠小，以免造成斜溫層的擾動破壞，這就需要確定恰當?shù)母诘聰?shù)(Fr)和布水器進口高度，確定合理的雷諾數(shù)(Re)來避免斜溫層品質(zhì)的下降。

弗勞德數(shù)(Fr)是表示作用在流體上的慣性力與浮升力之比的無因次準則數(shù)。理論計算以及試驗證實：Fr≤1時，浮升力大于慣性力，可很好地形成重力流。

進口的弗勞德數(shù)(Fr)的計算公式為

(1)

式中：Fr為布水器進口的弗勞德數(shù)；q為布水器單位長度的體積流量，m3/(m·s)；g為重力加速度，m/s2；hi為布水器最小進口高度，m；ρi為進口水密度，kg/m3；ρs為周圍水密度，kg/m3。

雷諾數(shù)(Re)是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動是層流或湍流，也可用來確定物體在流體中流動所受到的阻力。對于本設(shè)計來說，應(yīng)該采用的最大Re數(shù)為2 000。對于深度大于5 m的槽，建議限值可取400～850。為了減小Re數(shù)值，借助布水器的設(shè)計能使水混合減弱到最小程度，使蓄冷量增到最大，Re數(shù)計算公式為

(2)

式中υ為進口的運動粘度，m2/s。

經(jīng)過對項目3個蓄能水池的相關(guān)分析計算，得出本項目3個蓄能水池的蓄能工況下的Re數(shù)和Fr數(shù)如下表1所示。

表1 蓄能水池的蓄能工況下的Re數(shù)和Fr數(shù)Table 1 Re number and Fr number of three energy storage pools under storage conditions

由表1可知：布水器雷諾數(shù)(Re)小于850完全滿足設(shè)計要求，能實現(xiàn)內(nèi)部層流；弗勞德數(shù)(Fr)小于1說明小孔出流屬于重力流，布水器設(shè)計完全滿足設(shè)計要求。

3.2 蓄能水池蓄能及釋能的CFD模擬

采用專業(yè)CFD軟件對布水器的均流效果以及蓄冷水罐內(nèi)的溫度場分布的變化進行了建模并執(zhí)行CFD模擬。

采用Gambit 2.1.2作為幾何結(jié)構(gòu)建模軟件，數(shù)值計算則采用Fluent 6.1.18。上表面和左右表面均采用symmetry邊界條件。數(shù)值計算采用的數(shù)學模型為k-epsilon二方程湍流模型；管上小孔作為入口和出口的邊界條件分別為velocity-inlet和pressure-outlet；罐體內(nèi)平均溫度的計算采用Fluent UDF編程實現(xiàn)。

通過對蓄能水池在蓄冷(熱)及釋冷(熱)全過程中的CFD數(shù)值模擬結(jié)果如圖5—6所示。

圖5 蓄能水池蓄冷及釋冷工況模擬結(jié)果Fig.5 Simulated results of chilled water thermal storage and release conditions of energy storage pool

圖6 蓄能水池蓄熱及釋熱工況模擬結(jié)果Fig.6 Simulated results of water heat storage and release conditions of energy storage pool

根據(jù)CFD模擬分析計算出的蓄能水池在蓄冷(熱)及釋冷(熱)全過程中總蓄能量、斜溫層厚度變化及24 h(冷)熱損失量數(shù)據(jù)如表2—3所示。

表2 蓄冷及釋冷工況下蓄能水池模擬數(shù)據(jù)Table 2 Simulated data of energy storage pool under chilled water thermal storage and release conditions

備注：1號、2號、3號蓄水池總蓄冷量146 813 kW·h，24 h總冷損失400.7 kW·h。

表3 蓄熱及釋熱工況下蓄能水池模擬數(shù)據(jù)Table 3 Simulated data of energy storage pool under water heat storage and release conditions

備注：1號蓄水池總蓄熱量28 069.8 kW·h，24 h總熱損失308.88 kW·h。

3.3 蓄能水池效率計算及評價

水蓄能的技術(shù)評價指標最核心的是蓄能水池效率，其定義為可從蓄冷罐移走的冷量(即釋冷量)與理論可用蓄冷量之比。由于蓄水池內(nèi)在釋能工況下不可利用的區(qū)域為蓄能水池內(nèi)上布水器以上區(qū)域、斜溫層以及下布水器以下3個區(qū)域，因此通過結(jié)合表2—3所得出的蓄能水池在釋冷及釋熱工況下的斜溫層厚度模擬計算結(jié)果以及蓄能水池內(nèi)上布水器以上區(qū)域及下布水器以下區(qū)域的高度尺寸，可計算出蓄能水池分別在實際釋冷及釋熱工況下的蓄能水池效率。

蓄能水池效率的計算公式為

式中：ηFOM為蓄能水池效率，%；Hhg為蓄能水池保溫(冷)熱損失當量高度，m；Hwd為布水器高度，m；Htht為釋能工況斜溫層厚度，m；H為蓄能水池液位高度，m；Qs為蓄能水池保溫(冷)熱損失，kW·h；Qxt為蓄能水池總蓄(冷)熱量，kW·h。

經(jīng)過計算，本項目蓄能水池的夏季實際蓄冷效率為85.4%，冬季實際蓄熱效率為84.1%。

4 結(jié)論

本文對北京城市副中心某能源站水蓄冷/熱系統(tǒng)相關(guān)的核心技術(shù)指標(雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、蓄能水池效率等)進行了模擬分析及評價，CFD模擬分析計算結(jié)論如下：

(1) 本項目布水器雷諾數(shù)(Re)小于850完全滿足設(shè)計要求，能實現(xiàn)內(nèi)部層流。弗勞德數(shù)(Fr)小于1說明小孔出流屬于重力流，布水器設(shè)計完全滿足設(shè)計要求。

(2) 本項目蓄能水池的夏季實際蓄冷效率為85.4%，冬季實際蓄熱效率為84.1%，滿足設(shè)計要求。