【文章內(nèi)容簡介】 2008年7月9日釋冷3. 運行結(jié)論根據(jù)2007年運行調(diào)試和2008年實際運行數(shù)據(jù)分析，證明本項目的超大型水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計和運行均非常成功，完全實現(xiàn)了利用低谷電力的設(shè)計意圖，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的高效節(jié)能運行。作為運行結(jié)論，幾個重要技術(shù)指標(biāo)歸納如下：a) 在水蓄冷期間內(nèi)，斜溫層厚度變化是衡量蓄冷罐蓄冷效果的主要指標(biāo)，因此布水技術(shù)非常關(guān)鍵，以期減少對蓄冷罐水的擾動和對斜溫層的破壞。經(jīng)過運行得知，浦東機場水蓄冷項目的斜溫層厚度為1～，占蓄水深度的約7%；b) 蓄冷罐從蓄冷到釋冷結(jié)束需要放置一定時間，因此大型蓄冷罐的保溫效果是另一個重要指標(biāo)。經(jīng)過運行，得知機場項目水蓄冷完成后放置3天，℃，保溫效果良好。c) 機場水蓄冷項目蓄冷溫度5℃，回水溫度12℃，溫差7℃。與原設(shè)計的蓄冷溫度4℃，回水溫度12℃有差異，降低了蓄冷效率，尚待改善。d) 機場水蓄冷項目蓄冷水罐從蓄冷完成到釋冷結(jié)束，按給定條件運行時，蓄冷和釋冷的效率可達到95％以上。e) 根據(jù)2008年7月、8月份的運行結(jié)果，每月實際可節(jié)約運行費約80萬元。造成此原因在于目前最大負荷只有17000RT左右（近期功能區(qū)域最大設(shè)計冷負荷為24400RT，即目前最大負荷占最大設(shè)計負荷為70%），造成實際節(jié)約費用比理論計算減少25％左右。 上海某創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的水蓄冷空調(diào)系統(tǒng) 工程概況上海某創(chuàng)意園區(qū)位于上海寶山區(qū)，項目總建筑面積40000平方米，包括6共6號樓，集聚辦公、設(shè)計師公寓、賓館、餐飲、商業(yè)秀場等多種功能，總空調(diào)面積為33000平方米。本創(chuàng)意園區(qū)由老工業(yè)廠房全新改造而成，各個建筑的維護結(jié)構(gòu)均進行了節(jié)能處理，空調(diào)負荷經(jīng)過詳細校核設(shè)計，采用節(jié)能策略，利用負荷系數(shù)法計算出建筑物的逐時負荷，最終確定本園區(qū)夏季最大冷負荷為出現(xiàn)在15:00，為3220KW；冬季最大熱負荷為1992KW。園區(qū)夏季冷負荷逐時分布圖如下圖。圖16 夏季設(shè)計日冷負荷逐時分布圖從上圖可以看出，白天負荷較為集中，綜合考慮上述因素，本項目非常適合應(yīng)用水蓄冷技術(shù)，削峰填谷，大大節(jié)省后期空調(diào)運行費用。具體的夏季峰、平、谷段電價詳見下圖。圖17 上海夏季電價分布圖 夏季冷負荷平衡分析蓄能（蓄冷/熱）工程應(yīng)用，關(guān)鍵是進行空調(diào)負荷的平衡分析，一般需分幾個百分檔次，以實現(xiàn)電力低谷段最大限度將冷量蓄存、電力高峰段最大限度減少電力消耗。本項目根據(jù)項目特點分100%、75%、50%及25%四個百分檔次進行負荷平衡分析，其中100%及50%百分檔次的冷負荷平衡分析詳見以下兩圖。圖18 夏季100%設(shè)計日冷負荷平衡圖圖19 夏季50%設(shè)計日冷負荷平衡圖 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計特點經(jīng)過詳細的技術(shù)論證，本創(chuàng)意園區(qū)空調(diào)設(shè)計方案采用“地源熱泵+水蓄能（蓄冷/熱）空調(diào)復(fù)合系統(tǒng)”，主機選用依據(jù)夏季冷負荷平衡分析得出，即2臺制冷量1100KW的蓄冷主機（熱泵型）和1臺550KW的空調(diào)主機（熱泵型）；夏季最大蓄冷量為16800KWh，故采用2只900m3的鋼制蓄能罐進行夏季蓄冷冬季蓄熱（夏季最大蓄冷量時需要采用2個鋼制罐同時蓄冷，冬季最大蓄熱量只需采用1個鋼制罐體進行蓄熱）?！暗卦礋岜?水蓄能空調(diào)復(fù)合系統(tǒng)”原理圖詳見下圖，系統(tǒng)整體采用外切換模式實現(xiàn)夏季制冷、冬季制熱。本項目的水蓄能系統(tǒng)采用了自然分層形式，在水蓄能罐內(nèi)設(shè)置上下兩層布水器，該布水器為此項目專門設(shè)計，布水器形式和結(jié)構(gòu)為專利產(chǎn)品，具有優(yōu)良的布水性能，極大地減少冷熱水混合擾動，蓄能/放能效率高。圖20 地源熱泵+水蓄能復(fù)合系統(tǒng)原理圖 經(jīng)濟效益分析本項目通過與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資對比、年運行費用對比分析，得出項目的整體經(jīng)濟評估值。a) 初投資對比：從上圖中可以看出，本復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)的地源熱泵系統(tǒng)增加了蓄能罐裝置（含上下布水器）、板式換熱器、蓄冷/放冷泵及整套自控裝置等；但另一方面，也相應(yīng)減少了約20%總裝機容量及3000m2 的地埋管面積等。本項目空調(diào)系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備投資表詳見以下兩表，兩表中不含對比的相同設(shè)備工程。項目規(guī)格數(shù)量單價（萬元）投資（萬元）地源熱泵主機1100KW2 地源熱泵主機550KW1 室外地埋管工程雙U610 蓄能罐體工程900m32 罐內(nèi)布水器工程上/下各一，按1項1 水蓄能自控系統(tǒng)　1 蓄能/釋能泵　4 板式換熱器1總計表8 本項目空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備初投資表項目規(guī)格數(shù)量單價（萬元）投資（萬元）地源熱泵主機1750KW2 139室外地埋管工程雙U755總計表9 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備表從以上兩表可以得出，=。以下通過預(yù)測分析空調(diào)蓄冷/熱系統(tǒng)的運行情況，結(jié)合上海氣候特點及該創(chuàng)意園區(qū)運營狀況，經(jīng)計算可得出蓄冷/熱空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的運行電費對比?？照{(diào)供冷期/供暖期分別按每年150天和100天計，運行電費中不含末端空調(diào)設(shè)備運行電費，具體運行電費比較詳見以下兩表。b) 夏季運行電費分析：蓄冷空調(diào)系統(tǒng)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)負荷情況天數(shù)（天）每天運行電費（元）電費（萬元）每天運行電費（元）電費（萬元）100%負荷運行2012869 16586 75%負荷運行509156 12895 50%負荷運行506258 8576 25%負荷運行304088 6228 總計150 表10 夏季空調(diào)系統(tǒng)年運行費用比較表c) 冬季運行電費分析：蓄冷空調(diào)系統(tǒng)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)負荷情況天數(shù)（天）每天運行電費（元）電費（萬元）每天運行電費（元）電費（萬元）100%負荷運行156552 10896 75%負荷運行405435 8135 50%負荷運行304167 7815 25%負荷運行153195 5992 總計100 表11 冬季空調(diào)系統(tǒng)年運行費用比較表d) 項目經(jīng)濟整體評估通過以上的夏季、冬季空調(diào)運行費用分析，本工程采用水蓄能技術(shù)后，較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，每年節(jié)約的空調(diào)運行費用為（）+（）=。詳細的項目經(jīng)濟整體評估詳見下表：序號經(jīng)濟指標(biāo)計算結(jié)果1增加的初投資2年運行費用節(jié)省3項目壽命4設(shè)備折舊費5內(nèi)部收益率%6投資回收期備注：設(shè)備折舊按50年計，綜合稅率以23%計。表12 項目經(jīng)濟整體評估表5. 水蓄冷系統(tǒng)主要設(shè)計控制點 斜溫層厚度及蓄冷水槽深度設(shè)計不合理在一個自然分層較好的蓄冷水槽中，由于冷、熱水之間存在溫差引起的導(dǎo)熱過程，致使在冷、溫水分界面附近，冷水溫度有所升高，從而形成一個由于上下溫、冷水之間自然導(dǎo)熱作用形成的溫冷溫度過度層，即斜溫層。斜溫層厚度內(nèi)的水溫度近似直線上升。蓄冷期間，隨著冷水的流入與熱水的流出，斜溫層自下而上徐徐升高，直至槽內(nèi)全是冷水為止，此時斜溫層消失；釋冷期間，隨著冷水的流出與溫水的流入，斜溫層自上而下徐徐降低，直至槽內(nèi)全是熱水，此時斜溫層也消失。穩(wěn)定的斜溫層能防止蓄冷水槽下部冷水和上部溫水的混合，故蓄冷水槽在蓄冷水期間內(nèi)斜溫層厚度的變化是衡量蓄冷水槽蓄冷效果的主要指標(biāo)。斜溫層對蓄冷效果無效，斜溫層厚度越小，可利用的冷水越多，蓄冷量的利用系數(shù)越高。斜溫層厚度計算公式為：ε=1h8H式中：ε:有效蓄冷率；h:斜溫層厚度，m；H:蓄冷水槽的有效深度，m；分析以上公式可知，提高蓄冷水槽的蓄冷率的方法可通過減小斜溫層厚度，也可增加蓄冷水槽有效水深。在許多實際的水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，尤其是改造工程中，會因為一些原因?qū)⒃兴鄹膭樱凵疃萮降低，致使出現(xiàn)有效蓄冷率ε降低，并且水槽深度h的降低也會導(dǎo)致斜溫層厚度一定程度降低，兩方面作用將加速有效蓄冷率ε的降低量。因此，在水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的改造過程中，需對蓄冷水槽槽體尺寸及斜溫層厚度等情況綜合考慮，并進行仔細核算，方能保證改造后的水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有盡可能高的有效蓄冷率及良好的運行效果。 布水器設(shè)計難點及對策為了使水流以較小的流速均勻流入和流出蓄冷水槽，避免冷水和熱水混合，減少水的擾動對斜溫層的破壞，使形成并維持一個穩(wěn)定的斜溫層，所以分配水流的上、下布水器是影響斜溫層厚度變化的重要指標(biāo)。目前，布水器在工程實踐中主要有：應(yīng)用于圓形蓄冷水槽的○型及正多邊形布水器、應(yīng)用于方形蓄冷水槽的H型。在溫度分層型水蓄冷裝置中，布水器的作用就是引導(dǎo)水以重力流的形式緩慢地進入蓄冷水槽，減少水流對槽內(nèi)的擾動，形成一個冷、熱水混合程度最小的斜溫層，并通過減小可能產(chǎn)生的混合作用維持斜溫層的穩(wěn)定，減少因冷熱水混合而引起的可利用冷量的損失。大多數(shù)工程應(yīng)用中，布水器的設(shè)計均為專門設(shè)計，定制施工，同時，布水器的專利技術(shù)應(yīng)用較多，作者本人即有一個布水器國家專利及一個布水器專利申請（國家知識產(chǎn)權(quán)局已申請受理）。溫度分層型水蓄冷系統(tǒng)若要獲得優(yōu)良的斜溫層，需依靠關(guān)鍵設(shè)備（即布水器）的正確設(shè)計。雷諾數(shù)Re和弗勞德數(shù)Fr是布水器設(shè)計的重要依據(jù)，同時結(jié)合布水器孔口的最低流速設(shè)計及布水器的整體布置，該四項設(shè)計參數(shù)將直接影響到布水器的布水效果及蓄/釋冷效果；另外，還需核實蓄冷裝置的整體高徑比。 雷諾數(shù)（Re）的控制Re數(shù)（Reynolds）是一個無量綱量，它是作用在流體上的慣性力與粘滯力之比。Re數(shù)的表達式如下：Re=qν式中：Re：布水器出口雷諾數(shù)； q：布水器單位長度的體積流量，m3/(ms)；ν：水的運動粘滯系數(shù)，m2/s；且：q=QL式中：Q：通過布水器的最大流量，m3/s； L：布水器的有效長度，m；布水器的設(shè)計應(yīng)控制較低的Re數(shù)，因為Re數(shù)過大，由于慣性流引起冷熱水混合加劇。一般地，對于較淺的蓄冷水槽，建議Re= 200～400或更??；較深的蓄冷水槽（深度＞5m），建議Re=400～850；深度≥12m時，Re值可放寬至2000左右。對于一定流量，所需的Re數(shù)可以通過調(diào)整布水器的有效總長度L來實現(xiàn)。有效長度越長，Re數(shù)值越低，但會增加制造成本，導(dǎo)致工程成本的增加，應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮。 弗勞德數(shù)（Fr）的控制Fr數(shù)（Frande）是一個無量綱量，它是作用在流體上的慣性力與浮力之比。Fr數(shù)的表達式如下：Fr=qghi3(ρiρa)/ρa式中：Fr：布水器出口弗勞德數(shù)； q：布水器單位長度的體積流量，m3/(ms)，同雷諾數(shù)（Re）公式內(nèi)容； hi：布水器最小進口高度，m； ρi：進口水密度，kg/m3；ρa：周圍水密度，kg/m3；根據(jù)流體力學(xué)原理：當(dāng)Fr＞2時，慣性力大于浮力，慣性力占主導(dǎo)作用，慣性力增大會產(chǎn)生明顯的冷溫水混合現(xiàn)象；當(dāng)Fr≤1時，浮力大于慣性力，可以較好地形成密度流。進入蓄冷水槽內(nèi)的水流以較低流速平穩(wěn)地到達蓄冷水槽底部。由于q、ρi、ρa均為已知的設(shè)計參數(shù)，F(xiàn)r的大小可以通過控制孔口高度hi來實現(xiàn)。一般工程實踐取Fr=1，為保證布水器的布水效果，往往Fr應(yīng)取小于1。 孔口流速的控制在蓄冷水槽中，進出口水的溫差不大，密度差小（小于1kg/m3），本身很難形成自然分層的密度流。許多研究結(jié)果表明，根據(jù)流體力學(xué)，布水器的孔口尺寸與間距應(yīng)該使單位長度的水流接近均勻，水流離開孔口后在很短的距離內(nèi)與周圍流體融合?？卓诮孛娣e不宜大于接管截面積的一半，孔口間的距離應(yīng)小于孔口高度的2倍。為了減少孔口處的動壓與動量，保持布水器內(nèi)靜壓均勻。 布水器的整體布置布水器整體應(yīng)采用對稱平衡的布置方式，是分配管上相應(yīng)兩點的壓力相等，不引起干支管水流的偏流，保證布水器單位長度的水流量均衡，使得布水器孔口出水流速均勻，處于重力流狀態(tài)，避免引起水平方向的混合擾動。由于溫度分層型蓄冷水槽在下部布水器與槽底之間、上部布水器與水面之間容易形成死水域，減少蓄冷水槽的有效蓄冷容積，因此上部布水器應(yīng)接近水面、下部布水器應(yīng)靠近蓄冷水槽的底面布置。 核實蓄冷裝置高徑比對斜溫層的評價不僅限于絕對厚度，其相對厚度（即斜溫層厚度與蓄水深度的比值）有時能夠更加合理地反映蓄冷效果。蓄冷水槽高度與直徑的比值稱為蓄冷水槽的高徑比。由于斜溫層的厚度基本上與槽的尺寸無關(guān)，所以增加圓柱形水槽的高徑比就相對于降低了斜溫層占蓄冷水槽的容積比。～,?！?，槽的建設(shè)費用最低，并且有最佳的分層性能。如將槽的高度控制在7～15m時，能夠獲得合理的利用容積，一次投資費用較省。設(shè)置在地面上的鋼板蓄冷罐，～，高度宜控制在12～27m。值得注意的是，高徑比的增加將限制了布水器的長度，使布水器的設(shè)計難度加大，從而增加了布水器的費用。具體工程蓄冷裝置的高徑比應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件、造價以及蓄冷（釋冷）流量等因素具體分析核實確定。 隔熱保溫和防水設(shè)計對水蓄冷水槽進行隔熱保溫，不僅可以減少熱損失、提高蓄冷能力、防止水蓄冷水槽外表面結(jié)露，而且可以避免由于熱應(yīng)力而引起的槽體結(jié)構(gòu)損壞。對于溫度分層型水蓄冷水槽，如果從槽底部傳入的熱量大于槽側(cè)壁導(dǎo)入的熱量，則可能形成水溫分布的逆轉(zhuǎn)從而誘發(fā)對流，破壞分層效果。水蓄冷水槽的允許冷量損失為每天蓄冷量的1%～5%，該項損失的大小取決