呂雙雙

(北京環(huán)渤高科能源技術(shù)有限公司,北京)

0 引言

水蓄能技術(shù)是利用水的顯熱存儲(chǔ)能量,在特定時(shí)間將能量釋放出來(lái),以獲得經(jīng)濟(jì)利益或滿足某種功能的使用[1-3]。當(dāng)前水蓄能技術(shù)主要應(yīng)用于酒店、工廠、商業(yè)中心和辦公大樓等公共建筑的“移峰填谷”,用以節(jié)省集中空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用或作為數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急冷源保證措施。近年來(lái)數(shù)據(jù)中心發(fā)展迅猛,數(shù)據(jù)中心的安全要求也更加嚴(yán)格,服務(wù)器需要在特定的溫濕度環(huán)境下安全運(yùn)行,所以其制冷系統(tǒng)是全年不間斷供冷,若市電中斷或其他原因?qū)е峦ｋ?不間斷電源UPS啟動(dòng)為IT設(shè)備供電,直至柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)供電,但是柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)需要一段時(shí)間,而由柴油發(fā)電機(jī)供電的冷水機(jī)組再次啟動(dòng)則需要更長(zhǎng)的時(shí)間,在這一段時(shí)間數(shù)據(jù)中心內(nèi)的溫度將極速上升,極有可能超過(guò)服務(wù)器的運(yùn)行溫度,導(dǎo)致宕機(jī)[4]。因此,數(shù)據(jù)中心必須配置應(yīng)急冷源來(lái)提供數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的制冷系統(tǒng)重新啟動(dòng)至正常運(yùn)行這一段時(shí)間所需的冷量[5],即蓄能設(shè)備需要提供約10～15 min的冷量。蓄能設(shè)備作為水蓄能技術(shù)的核心設(shè)備,其釋能效率備受關(guān)注。衡量釋能效率的重要指標(biāo)為斜溫層的厚度[6],合理的布水結(jié)構(gòu)可以獲得良好的布水效果,進(jìn)而降低斜溫層厚度。目前市場(chǎng)上常用的布水器有自然分層型、隔板式和隔膜式等[7],自然分層型布水器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布水效率高而得到廣泛應(yīng)用。

數(shù)據(jù)中心應(yīng)急供冷的蓄冷罐要提供10～15 min的冷量,所以1 h的流量值一般是其容量值的4～6倍,而常規(guī)“移峰填谷”水蓄能項(xiàng)目中的蓄冷罐,其容量設(shè)計(jì)要求是至少可以承擔(dān)3 h的高峰時(shí)段負(fù)荷,所以1 h流量值是蓄冷罐容量值的1/3或更小。數(shù)據(jù)中心應(yīng)急供冷蓄冷罐與常規(guī)“移峰填谷”蓄能設(shè)備的最大區(qū)別在于其容量小,但是相比之下瞬時(shí)流量更大,工作溫差更小。

目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于自然分層水蓄能設(shè)備的研究多為常規(guī)“移峰填谷”的應(yīng)用[8-9],即小流量大溫差的工況。如穆迪等人研究的一種新型布水器,其研究模型是容量為2 m3、尺寸為950 mm×850 mm×2 500 mm的蓄冷水槽,研究工況為流量1 m3/h、工作溫差8 K、工作溫度277～285 K,1 h流量值為模型容量值的1/2[10]。胡國(guó)霞等人研究了3種不同類(lèi)型的布水器對(duì)蓄冷過(guò)程布水效果的影響,模型為體積1.144 m3、半徑0.45 m、高1.8 m的圓柱槽,流量為0.1 kg/s(0.36 m3/h),1 h流量值為模型容量值的0.3[11]。TANG等人研究了一種新型布水頭,選用的蓄冷槽體積為2.7 m3、流量為2 m3/h,1 h流量值為模型容量值的0.74[12]。劉璇等人研究了蓄冷罐高徑比對(duì)分層效果的影響,選用的是5個(gè)容量為1 100 m3、高徑比不同的蓄冷罐,蓄冷流量為183 m3/h,工作溫度為4～11 ℃,溫差為7 ℃,1 h流量值為模型容量值的0.166[13]。Nelson等人研究了高徑比、流速、溫差及保溫厚度對(duì)斜溫層的影響,選用的模型容量為0.43 m3,流量為0.125、0.180、0.256 m3/h,溫差為10、15 ℃,其中最大1 h流量值為容量值的0.6[14]。唐海宇等人對(duì)大型儲(chǔ)熱罐的蓄能進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究,研究模型為容量26 000 m3的蓄熱罐,工作溫差為44.14 ℃,蓄熱流量為2 415.94 m3/h,1 h流量值為模型容量值的0.093[15]。

綜上所述,前人研究主要聚焦于小流量大溫差的蓄能工況,而流量和溫差對(duì)蓄冷罐的布水效果影響非常大,相同的布水結(jié)構(gòu),在大流量小溫差工況下可能會(huì)有極差的布水效果[16-17]。若要在大流量小溫差工況下獲得優(yōu)良的布水效果,需要更為合理的布水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[18]。為此,本文以應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心應(yīng)急供冷的蓄冷罐作為研究對(duì)象,該蓄冷罐采用新型擴(kuò)口式布水器設(shè)計(jì)[19],為數(shù)據(jù)中心提供15 min的冷量,蓄冷罐的1 h流量值為蓄冷罐容量值的4倍,工作溫差為6 K。本研究通過(guò)在大流量小溫差工況下對(duì)蓄冷罐的釋能過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果與理想模型及實(shí)際項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證新型擴(kuò)口式布水器的工作性能,進(jìn)而為應(yīng)用在大流量小溫差工況下的蓄冷罐布水器設(shè)計(jì)提供理論參考和數(shù)據(jù)支持。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 斜溫層量綱一厚度

為了便于比較斜溫層的厚度,引入了量綱一溫度T*:

(1)

式中T為溫度,K;Tc為初始溫度,K;Ti為進(jìn)口溫度,K。

在斜溫層區(qū)域內(nèi),T*在0～1之間變化。由于斜溫層上下溫度變化不大,在計(jì)算斜溫層厚度時(shí)一般忽略15%的溫度變化,即斜溫層的有效范圍是斜溫層量綱一溫度T*=0.15～0.85的變化范圍,該斜溫層厚度范圍包含了蓄冷罐內(nèi)70%的溫度變化。

量綱一高度h*:

(2)

式中h為罐體某點(diǎn)的具體高度,m;H為罐體的總高度,m。

(3)

1.2 釋能效率

釋能效率η即瞬態(tài)能量釋放效率,定義為離開(kāi)蓄能罐的水流量所輸送的累積能量與蓄能罐存儲(chǔ)的初始能量之比[20],計(jì)算式如下:

(4)

式中t為釋能時(shí)長(zhǎng),s;m為單元體內(nèi)水的質(zhì)量流量,kg/s;cp為比定壓熱容, kJ/(kg·K);To為出口溫度,K;M為蓄冷罐中水的總質(zhì)量,kg;Tic為釋冷時(shí)入口水溫平均值,K;Tid為充冷時(shí)入口水溫平均值,K。

2 數(shù)值模擬條件

2.1 模型構(gòu)建

本文采用Fluent軟件對(duì)應(yīng)用新型擴(kuò)口式布水器的蓄冷罐進(jìn)行釋能過(guò)程數(shù)值模擬,得到相應(yīng)的溫度場(chǎng)和溫度變化曲線,并與理想模型的溫度場(chǎng)和溫度變化曲線進(jìn)行比較分析,以驗(yàn)證新型布水器的布水效果是否滿足使用要求。

實(shí)際模型的整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示。實(shí)際模型的布水結(jié)構(gòu)采用相關(guān)專(zhuān)利[19]提出的擴(kuò)口式布水盤(pán)和均流布水板構(gòu)成的組合式布水器,擴(kuò)口式布水盤(pán)安裝如圖1b所示,由2塊布水盤(pán)、引水管和8塊導(dǎo)流加固板構(gòu)成。擴(kuò)口式布水器安裝在引水管的端頭。實(shí)際應(yīng)用中,布水盤(pán)的頂部采用拉桿與蓄冷罐的頂部焊接固定,以保證布水器的穩(wěn)定。理想模型則是將整個(gè)蓄冷罐的頂部作為入口,整個(gè)底面作為出口,忽略布水器結(jié)構(gòu)對(duì)布水的影響。蓄冷罐的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 實(shí)際蓄冷罐結(jié)構(gòu)模型

表1 蓄冷罐的設(shè)計(jì)參數(shù)

由于三維網(wǎng)格數(shù)量過(guò)多,計(jì)算速度較慢,而蓄冷罐的三維模型為對(duì)稱(chēng)模型,故本文選擇1/8的圓柱體作為計(jì)算域,圖2為實(shí)際模型的計(jì)算域,圖3為理想模型的計(jì)算域。

圖2 實(shí)際模型計(jì)算域

圖3 理想模型計(jì)算域

本文模型建立采用Gambit制圖軟件,實(shí)際模型入口略有簡(jiǎn)化,省去引水管的建模,將擴(kuò)口直接作為入口,以高度中點(diǎn)為中心建模。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,實(shí)際模型采用Tgrid非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量為1 286 355個(gè),理想模型采用Hexahedral結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量約為1 305 280個(gè)。

2.2 邊界條件

蓄冷罐的容量為100 m3,數(shù)據(jù)中心應(yīng)急供冷時(shí)長(zhǎng)為15 min,即1/4 h,則蓄冷罐的流量為400 m3/h,1/8蓄冷罐實(shí)際模型中入口尺寸為207 mm×300 mm,面積為0.062 1 m2,則蓄冷罐的入口流速為0.224 00 m/s。理想模型以整個(gè)上截面作為入口,則蓄冷罐的入口流速為0.008 85 m/s。模擬過(guò)程采用三維、非穩(wěn)態(tài)、不可壓縮模型,壁面視為絕熱壁面。蓄冷罐的其他邊界條件和相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示,其中水的密度隨溫度變化視為線性變化,水的密度隨溫度的變化值如表3所示。

表2 蓄冷罐釋能過(guò)程模擬邊界條件設(shè)置

表3 水的密度隨溫度的變化值 kg/m3

3 模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場(chǎng)對(duì)比分析

圖4顯示了實(shí)際模型釋能過(guò)程2～12 min時(shí)間范圍內(nèi)每間隔2 min的溫度場(chǎng)變化,圖5顯示了對(duì)應(yīng)的理想模型釋能過(guò)程的溫度場(chǎng)變化。圖5為理想情況,釋能過(guò)程各時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)中斜溫層始終呈水平狀,冷熱水分層明顯,隨著釋能過(guò)程的進(jìn)行,斜溫層逐漸加厚。圖4為實(shí)際模型釋能情況,釋能初期(前2 min內(nèi)),溫度場(chǎng)的斷面顯示斜溫層呈梯形,靠近蓄冷罐中心溫度高,罐壁周邊溫度低,這是因?yàn)獒屇艹跗?蓄冷罐內(nèi)充滿冷水,布水盤(pán)的入口處于罐體的中心,高溫水從布水盤(pán)即蓄冷罐中心流入罐內(nèi),再?gòu)墓摅w中心沖向罐體邊緣部分,高溫水在流動(dòng)過(guò)程中伴隨著熱量交換,所以初期罐體中心溫度高,邊緣溫度低;但是隨著釋能過(guò)程的進(jìn)行,斜溫層越來(lái)越平穩(wěn),在釋能4 min時(shí),斜溫層已經(jīng)基本達(dá)到了水平狀態(tài),冷熱水分層非常明顯;距離入口越遠(yuǎn),斜溫層受布水結(jié)構(gòu)的影響就越小,所以在4 min以后的斜溫層已呈穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比圖4和圖5,實(shí)際模型要比理想模型的斜溫層略厚,這是因?yàn)椴妓鞯拇嬖谝鸬?但是相比之下,實(shí)際模型的布水已達(dá)到了比較理想的效果。

圖5 理想模型釋能過(guò)程溫度場(chǎng)

3.2 斜溫層厚度分析

圖6顯示了實(shí)際模型和理想模型釋能過(guò)程蓄冷罐內(nèi)的溫度變化曲線。根據(jù)式(3),斜溫層的厚度為溫度從290.1 K變化至285.9 K的罐體高度差。對(duì)比圖6中2 min時(shí)實(shí)際模型與理想模型的溫度變化,實(shí)際模型除了在3～4 m范圍內(nèi)溫度變化較為劇烈,與理想模型曲線有所偏離外,其他位置曲線與理想模型貼合度極高。這是因?yàn)樵谛罾涔薜娜肟谔幖?～4 m范圍內(nèi),水流速度較快,溫度變化劇烈,冷熱水有所混摻,所以溫度曲線變化較大。對(duì)比圖6中4 min時(shí)實(shí)際模型與理想模型的溫度變化,實(shí)際模型在2～3 m范圍內(nèi)溫度變化較為劇烈,與理想模型曲線存在偏差。這是因?yàn)?～3 m范圍內(nèi),水流剛經(jīng)過(guò)均流布水板的整流,溫度變化較大。在釋能4 min以后,溫度場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定,實(shí)際模型與理想模型的溫度變化曲線基本吻合。

圖6 釋能過(guò)程溫度變化曲線

根據(jù)圖6的溫度曲線,并結(jié)合圖4、5的溫度場(chǎng),按照式(3)計(jì)算出的斜溫層量綱一厚度見(jiàn)表4。由表4可知:理想模型和實(shí)際模型釋能過(guò)程的斜溫層都是隨著時(shí)間而逐漸增厚的;實(shí)際模型的初始斜溫層量綱一厚度約為0.050 0,比理想模型(0.037 5)略厚一些;但是隨著釋能過(guò)程的進(jìn)行,二者斜溫層厚度逐漸相等,趨于0.075 0。這是因?yàn)閷?shí)際模型初始受布水結(jié)構(gòu)的影響,斜溫層受到擾動(dòng),隨著釋能過(guò)程的進(jìn)行,斜溫層向下移動(dòng),遠(yuǎn)離進(jìn)水口,受布水器的影響逐漸減小,斜溫層的變化趨向于理想狀態(tài)。

表4 模擬過(guò)程斜溫層厚度計(jì)算結(jié)果

在某數(shù)據(jù)中心的實(shí)際項(xiàng)目中,配置1臺(tái)容量392.5 m3、直徑5 m、液位高度20 m的蓄冷罐,采用本文研究的新型擴(kuò)口式布水器設(shè)計(jì),罐體上安裝有41個(gè)溫度傳感器,間距為0.5 m。工作溫度為12.0～19.4 ℃,釋能過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目釋能過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)際項(xiàng)目斜溫層厚度Dhe:

Dhe=nDs

(5)

式中n為斜溫層區(qū)間(T*=0.15～0.85)內(nèi)溫度傳感器的數(shù)量,按照線性取值;Ds為溫度傳感器間距,m。

根據(jù)圖7的溫度曲線計(jì)算出的斜溫層厚度與斜溫層量綱一厚度見(jiàn)表5。圖8顯示了理想模型、實(shí)際模型及實(shí)際項(xiàng)目斜溫層量綱一厚度的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,偏差曲線為實(shí)際模型仿真結(jié)果與實(shí)際項(xiàng)目監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)之間的偏差。

表5 根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的斜溫層厚度

圖8 理想模型、實(shí)際模型及實(shí)際項(xiàng)目斜溫層量綱一厚度的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

實(shí)際模型的最大斜溫層量綱一厚度為0.075 0,而實(shí)際項(xiàng)目為0.080 0,實(shí)際模型與實(shí)際項(xiàng)目的最大偏差為6.25%。造成偏差的原因如下:

1) 實(shí)際項(xiàng)目末端回水的溫度上下波動(dòng),不穩(wěn)定,影響罐內(nèi)熱量傳遞過(guò)程,造成實(shí)際項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差;

2) 實(shí)際項(xiàng)目中受所采用的溫度傳感器精度和靈敏度的影響,即溫度傳感器在水流波動(dòng)時(shí),數(shù)值會(huì)變化,所以讀取的數(shù)值不穩(wěn)定,進(jìn)而造成實(shí)際結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差;

3) 計(jì)算過(guò)程中存在數(shù)據(jù)估值讀取,也會(huì)造成計(jì)算的誤差。

雖然實(shí)際模型的斜溫層量綱一厚度與實(shí)際項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的偏差,但是偏差在可接受范圍內(nèi),說(shuō)明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,證明了實(shí)際項(xiàng)目在釋能過(guò)程中采用新型擴(kuò)口式布水器可以保證冷熱水有明顯的分層,且斜溫層的厚度也保持在理想狀態(tài)。

3.3 釋能效率分析

圖9顯示了實(shí)際模型、理想模型及實(shí)際項(xiàng)目的能量釋放效率和出口量綱一溫度隨時(shí)間的變化。從圖9可以看出,釋能效率與時(shí)間幾乎呈線性關(guān)系變化,實(shí)際模型的釋能效率與理想模型基本重合。若以時(shí)長(zhǎng)t=15 min作為判斷釋能結(jié)束的指標(biāo),理想模型釋能效率為97.60%,實(shí)際模型為96.65%,實(shí)際項(xiàng)目為93.56%。實(shí)際模型與理想模型釋能效率的偏差為0.973%,與實(shí)際項(xiàng)目的偏差為3.300%。

圖9 能量釋放效率和出口量綱一溫度的變化

考慮到在釋能即將結(jié)束時(shí),出口水溫已基本達(dá)不到使用要求,若以T*=0.15作為判斷釋能結(jié)束的指標(biāo),則理想模型釋能效率為93.87%,實(shí)際模型為92.02%,實(shí)際項(xiàng)目為87.38%。實(shí)際模型與理想模型釋能效率的偏差為1.970%,與實(shí)際項(xiàng)目的偏差為5.300%。

綜上,無(wú)論是采用釋能時(shí)間還是釋能溫度作為釋能結(jié)束的判斷指標(biāo),模擬結(jié)果與實(shí)際項(xiàng)目監(jiān)測(cè)結(jié)果的偏差都在5.3%以內(nèi),說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。在滿足數(shù)據(jù)中心高品位冷量的要求下,實(shí)際項(xiàng)目蓄冷罐有87.38%的釋能效率,完全滿足使用需求(一般數(shù)據(jù)中心要求釋能結(jié)束時(shí)蓄冷罐的釋能效率為85.00%)。而實(shí)際模型與理想模型的偏差在2%以內(nèi),說(shuō)明此新型擴(kuò)口式布水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的,在理論上幾乎可以達(dá)到理想的布水效果,為了進(jìn)一步提高新型擴(kuò)口式布水器應(yīng)用的實(shí)際效果,可以從制造和安裝要求上進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文在大流量小溫差工況下,對(duì)采用新型擴(kuò)口式布水器的蓄冷罐的釋能過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了釋能過(guò)程的溫度場(chǎng)和溫度變化曲線,計(jì)算了斜溫層量綱一厚度和釋能效率。通過(guò)將實(shí)際模型數(shù)值模擬結(jié)果與理想模型數(shù)值模擬結(jié)果及實(shí)際項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,得到以下結(jié)論:

1) 采用新型擴(kuò)口式布水器的實(shí)際模型與理想模型在釋能前4 min內(nèi),由于實(shí)際模型中斜溫層存在初始擾動(dòng),二者溫度曲線略有偏差;在釋能4 min后,蓄冷罐內(nèi)斜溫層趨于穩(wěn)定,冷熱水分層明顯,二者的溫度變化曲線吻合良好,實(shí)際模型基本達(dá)到理想布水效果。

2) 采用新型擴(kuò)口式布水器的實(shí)際模型和理想模型的斜溫層最大量綱一厚度為0.075 0,實(shí)際項(xiàng)目中的斜溫層最大量綱一厚度為0.080 0,偏差為6.25%。實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)行環(huán)境、測(cè)量精度和靈敏度及計(jì)算誤差是導(dǎo)致該偏差的主要原因。

3) 以釋能時(shí)間15 min或量綱一溫度0.15作為釋能結(jié)束的判斷指標(biāo)時(shí),數(shù)值模擬與實(shí)際項(xiàng)目釋能效率的偏差在5.3%以內(nèi),說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際模型與理想模型釋能效率的偏差在2%以內(nèi),說(shuō)明此新型擴(kuò)口式布水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的,在理論上幾乎可以達(dá)到理想的布水效果,為了進(jìn)一步提高新型擴(kuò)口式布水器應(yīng)用的實(shí)際效果,可以從制造和安裝要求上進(jìn)行優(yōu)化。

綜上,通過(guò)數(shù)值模擬和對(duì)比分析,本文驗(yàn)證了新型擴(kuò)口式布水器設(shè)計(jì)的合理性。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)急供冷的大流量小溫差工況下,采用該新型擴(kuò)口式布水器的蓄冷罐可確保優(yōu)良的布水效果和較高的釋能效率。