自然分層水蓄能技術(shù)在上海某創(chuàng)意園區(qū)的應用

戴新泉，馬 鐵，季益華，高會武

（1.安科智慧城市技術(shù)（中國）有限公司 上海分公司，上海 200062；2.智慧城市信息技術(shù)有限公司，上海 200062）

自然分層水蓄能技術(shù)在上海某創(chuàng)意園區(qū)的應用

戴新泉1,2，馬 鐵1,2，季益華1,2，高會武1,2

（1.安科智慧城市技術(shù)（中國）有限公司 上海分公司，上海 200062；2.智慧城市信息技術(shù)有限公司，上海 200062）

通過對自然分層水蓄能技術(shù)的介紹，提出了自然分層水蓄冷技術(shù)設計及施工的主要控制點。結(jié)合工程實踐，以上海某創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例，通過負荷平衡策略及經(jīng)濟效益分析，得出水蓄能應用在創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)的適用性結(jié)論，為以后的創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)應用水蓄能技術(shù)提供借鑒。

自然分層水蓄能；斜溫層；負荷平衡分析；創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，電力能源供應緊張已日益顯著。在我國電網(wǎng)中，用電負荷在時間和強度上的差別明顯，部分城市和地區(qū)在夏季和冬季的峰谷電力差已達到40%。電力需求側(cè)管理（DSM）技術(shù)為解決這一問題提供了辦法。在空調(diào)系統(tǒng)應用中，蓄能（蓄冷/熱）技術(shù)，成為電力削峰填谷的一種有效方法。

發(fā)揮蓄冷技術(shù)經(jīng)濟效益，需要有作為支撐的峰谷電價差額度，也需要國家對移峰填谷的利好政策。2012年7月3日，財政部和國家發(fā)展和改革委員會關(guān)于印發(fā)《電力需求側(cè)管理城市綜合試點工作中央財政獎勵資金管理暫行辦法》的通知，明確指出“對通過移峰填谷技術(shù)的永久性節(jié)約電力負荷和轉(zhuǎn)移高峰電力負荷，東部地區(qū)每千瓦獎勵440元，中西部地區(qū)每千瓦獎勵550元”，這無疑給蓄冷技術(shù)工程應用提供了政策支持。

1 自然分層水蓄能技術(shù)

1.1 自然分層水蓄能技術(shù)簡介

水蓄能技術(shù)是用水作為蓄能（夏季蓄冷/冬季蓄熱）介質(zhì)，利用水的顯熱性蓄能的空調(diào)蓄能方式。通常，水蓄能系統(tǒng)蓄能槽結(jié)構(gòu)設計有4種方式：自然分層型、迷宮式、多槽式和隔膜式，其中，自然分層型具有高效、低投入的特點，得到廣泛應用，本文將圍繞自然分層水蓄能技術(shù)的應用實例展開。

夏季：水被冷水機組冷卻并儲存在蓄冷槽內(nèi)，用于滿足空調(diào)時的供冷需要。水蓄冷系統(tǒng)的蓄冷溫度一般為4～6℃，蓄冷溫差為5～8℃，大溫差水蓄冷系統(tǒng)的蓄冷溫差可達12℃。冬季：水蓄熱指在電力低谷期間，以水為介質(zhì)將電鍋爐產(chǎn)生的熱量儲存在蓄熱裝置中，適時供應給用熱設備的系統(tǒng)。圖1為自然分層水蓄能技術(shù)的蓄能槽，圖2為斜溫層示意圖。

圖1 自然分層水蓄能技術(shù)的蓄能槽

圖2 斜溫層示意圖（夏季）

夏季的自然分層水蓄能系統(tǒng)功能為蓄冷，詳見圖1所示。從圖1中可知，在蓄能槽中設置了上下2個均勻分配水流的布水器，為了實現(xiàn)自然分層，要求在蓄能和釋能過程中，溫水始終從上部布水器流入或流出，而冷水從下部布水器流入或流出。在自然分層水蓄能系統(tǒng)中，斜溫層厚度是一個影響冷熱分層和蓄冷效果的重要因素。蓄冷期間，隨著冷水的流入與溫水的流出，斜溫層自下而上徐徐升高；放冷期間，隨著冷水的流出與溫水的流入，斜溫層自上而下徐徐降低。故蓄能系統(tǒng)運行期間，斜溫層一直保持著運動狀態(tài)。

1.2 自然分層水蓄能技術(shù)設計及施工控制點

自然分層水蓄能技術(shù)應用關(guān)鍵是減少水在蓄能槽內(nèi)的擾動，減小斜溫層厚度，以獲得優(yōu)良的蓄能效果，提高蓄能效率。為此，依據(jù)工程應用實踐，針對鋼制圓柱形罐體，提出自然分層水蓄能技術(shù)設計及施工的幾個主要控制點。

（1）設計主要控制點

?蓄能罐內(nèi)上下布水器的設計。主要控制較低的雷諾數(shù)Re（即Re基本控制在100～600）、弗勞德數(shù)Fr（即Fr基本控制在小于1.0）、孔口流速（即孔口流速ν基本控制在小于0.1 m/s）及布水器的整體平衡布置。

?蓄能罐罐體的高徑比控制。即高徑比基本控制在0.5～1.2）。

（2）施工主要控制點

?蓄能罐罐體底部焊接應力的控制。即可以先焊接短焊縫，再焊接長焊縫，也可采取剛性固定法在焊縫兩側(cè)加型鋼、壓鐵或楔子壓緊固定，防止鋼板焊接時變形，及盡可能減少焊縫數(shù)量，減小焊縫長度。

?蓄能罐充水沉降試驗的控制。即特別注意檢查罐底嚴密性、校核罐壁強度及進行基礎沉降觀測等，同時在蓄能罐運行過程中也會產(chǎn)生沉降，對于拱頂罐體的基礎整體傾斜沉降需控制在8‰D，D為罐體直徑。

?蓄能罐罐體防冷橋（防結(jié)露）控制。即罐底的隔熱瀝青沙層配合比、配置溫度、敷設溫度方法要求，罐壁的泡沫塑料或聚氨酯發(fā)泡封堵冷橋阻斷件，防止冷量通過螺栓傳遞至外部彩鋼板。

2 自然分層水蓄能技術(shù)在創(chuàng)意園區(qū)的應用

2.1 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40 000 m2，包括1—6號共6座樓，集辦公、設計師公寓、賓館、餐飲、秀場等多種功能于一體，總空調(diào)面積為33 000 m2。

該園區(qū)原有1臺1 500 kVA干式變壓器，以滿足整個園區(qū)電力供應，從園區(qū)各功能用電特性可知，該園區(qū)用電高峰時段為15：00，具體的園區(qū)電力負荷分析詳見表1。

表1 園區(qū)電力負荷分析表

該創(chuàng)意園區(qū)由老工業(yè)廠房改造而成，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，最終確定該園區(qū)夏季最大冷負荷出現(xiàn)在15：00，為3 220 kW；冬季最大熱負荷為1 992 kW。園區(qū)夏季冷負荷逐時分布圖如圖3。

圖3 夏季設計日冷負荷逐時分布圖

從圖3中可以看出，白天負荷較為集中，且該項目峰谷電價比達4.2，適合應用水蓄冷技術(shù)。具體的夏季峰、平、谷段電價詳見圖4。

2.2 夏季冷負荷平衡分析

圖4 上海地區(qū)夏季電價分布圖

蓄能（蓄冷/熱）工程應用，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蓄存冷量、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%4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圖5和圖6。

圖5 夏季100%設計日冷負荷平衡圖

圖6 夏季50%設計日冷負荷平衡圖

2.3 空調(diào)系統(tǒng)設計特點

經(jīng)過詳細的技術(shù)論證，本創(chuàng)意園區(qū)空調(diào)設計方案采用地源熱泵+水蓄能空調(diào)復合系統(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1 100 kW的蓄冷主機（熱泵型）和1臺550 kW的空調(diào)主機（熱泵型）；夏季最大蓄冷量為16 800 kWh，故采用2只900 m3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）。地源熱泵+水蓄能空調(diào)復合系統(tǒng)原理圖詳見圖7，系統(tǒng)整體采用外切換模式實現(xiàn)夏季制冷、冬季制熱。

圖7 地源熱泵+水蓄能復合系統(tǒng)原理圖

本項目在水蓄能罐內(nèi)設置上下2層布水器，該布水器為此項目專門設計，布水器型式和結(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。

2.4 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。

（1）初投資對比。從圖7中可以看出，本復合空調(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，也相應減少了約20%總裝機容量及3 000 m2的地埋管面積。本項目空調(diào)系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要設備投資表詳見表2和表3，表中不含相同的設備。

表2 本項目空調(diào)系統(tǒng)主要設備初投資表

表3 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要設備表

從表2和表3可以得出，本復合空調(diào)系統(tǒng)初投資比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資額增加（755.3-478.75）萬元=276.55萬元。

以下通過模擬分析空調(diào)蓄冷/熱系統(tǒng)的運行。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。空調(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)設備運行電費。

（2）夏季運行電費分析，見表4。

表4 夏季空調(diào)系統(tǒng)年運行費用比較表

（3）冬季運行電費分析，見表5。

表5 冬季空調(diào)系統(tǒng)年運行費用比較表

（4）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（159.21-115.07）萬元+（81.32-48.86）萬元=76.59萬元，初投資增加為276.55萬元。詳細的項目經(jīng)濟整體評估表詳見表6。

表6 項目經(jīng)濟整體評估表

從表6中可以看出，在該創(chuàng)意園區(qū)應用水蓄能技術(shù)具有較小的投資回收期及良好的內(nèi)部收益率，經(jīng)濟效益顯著。同時，水蓄能罐體本身可作為創(chuàng)意園區(qū)的一處景觀，諸如創(chuàng)意涂鴉等，符合園區(qū)的整體個性規(guī)劃。

3 結(jié)束語

縱觀世界上創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟的國家，無一不采用了集群式的發(fā)展模式，利用集聚效應，發(fā)展本國的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，而且取得了很好的效果，在集群式的發(fā)展模式中，創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)是一種普遍而且十分有效的模式，也是我國發(fā)展創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)所采取的主要方式。上海作為我國城市經(jīng)濟發(fā)展的排頭兵，創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園的發(fā)展在整體向前推進。

本文以上海某創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例，對水蓄能工程的蓄冷與蓄熱復合應用進行了詳細介紹，尤其是對工程本身的經(jīng)濟效益進行了多個經(jīng)濟指標計算。根據(jù)創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)的負荷特性，通過分析計算，可以得出水蓄能應用在創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)的適用性，也為以后的創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)應用水蓄能技術(shù)提供借鑒。

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[1]王寶龍.空調(diào)蓄冷技術(shù)在我國的研究進展[J].暖通空調(diào)，2012，40(6)：6-12.

[2]于航.空調(diào)蓄冷技術(shù)與設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[3]全國二級建造師執(zhí)業(yè)資格考試用書編寫委員會.機電工程管理與實務[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]SH/T 3068—2007,石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規(guī)范[S].

Engineering application of natural stratified water?storage technology in an innovation industry park in Shanghai

DAI Xin?quan1,2，MA Tie1,2，JI Yi?hua1,2，GAO Hui?wu1,2
（China Security&Surveillance Technology,Inc.(R&D Center),Smart City Information Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200062,China）

This article puts forward the main control points of the natural stratified water?storage technology design and construc?tion,through natural stratified water?storage technology introduc?tion.Combined with engineering application,and taking an innova?tion industry park in shanghai for example,the paper draws a con?clusion that it is applicable for water?storage to be used in the inno?vation industry park through the load equilibrium strategy and the economic efficiency analysis.Meanwhile,it provides reference for the following water?storage used in the innovation industry park.

natural stratified water?storage;thermocline;load equilibrium analysis;innovation industry park

F407.61；TK018

B

1009-1831（2013）01-0025-04

2012-09-21

戴新泉（1983），男，江西撫州人，工學碩士，工程師，從事節(jié)能工程應用研究，現(xiàn)擔任公司項目經(jīng)理。