溫度分層型水蓄冷裝置在上汽大眾的應用

陳雷田 于航

同濟大學機械與能源工程學院

引言

水蓄冷是指利用夜間谷電，將冷能以低溫水的方式貯存在一個大型的水罐（槽）中，白天峰電時段通過冷凍水的循環(huán)將貯存的冷能釋放到需要冷卻的場所。儲能技術是改善電力需求側負荷特性、優(yōu)化輸配電結構、提高發(fā)電效率的重要手段。在大規(guī)模儲電技術尚未成熟之前，冷（熱）能的貯存顯得尤為重要[1]。

水蓄冷裝置設計的關鍵是防止或減少冷熱水的混合，為此，人們發(fā)明了多種形式的蓄冷裝置，包括：雙罐式，隔膜式，迷宮式和溫度分層式等，其中溫度分層式因制作工藝簡單、成本低、便于維護等優(yōu)點而成為大型水蓄冷裝置的首選形式[2]。關于溫度分層型水蓄冷技術蓄冷效果的影響因素，國內(nèi)外已經(jīng)進行了一些相關的研究工作。1977年，Lavan和Thompson[3]對分層型水蓄冷進行了實驗研究，證實了該項技術的工程可行性。中國科技大學的方貴銀教授[4]對溫度分層型水蓄冷槽建立的物理數(shù)學模型，通過動態(tài)模擬分析斜溫層厚度的影響因素，蓄冷效率隨著蓄冷罐內(nèi)有效水深的增加、斜溫層厚度的減少而增大。同濟大學于航教授[5]對大溫差水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進行了模擬研究，分析溫度分層型蓄水槽斜溫層的形成和發(fā)展。胡國霞[6]研究了影響自然分層型水蓄冷槽的蓄冷特性的主要因素，對不同類型布水器的溫度場和速度場進行比較分析，發(fā)現(xiàn)斜溫層形成與布水器的設計有很大的關系。黃慶河[7]就大溫差與小溫差自然分層水蓄冷的充、放冷過程進行了模擬研究，計算結果表明，大溫差水蓄冷的斜溫層相對小溫差水蓄冷較穩(wěn)定，溫度分層明顯，蓄冷效率較高。本文將溫度分層型水蓄冷技術應用于上汽大眾儀征工廠，并對蓄冷裝置進行檢測，對蓄冷放冷過程、進出口溫度和斜溫層進行特性分析，對提高蓄冷裝置性能提供建設性意見。

1 水蓄冷系統(tǒng)設計

上汽大眾汽車有限公司儀征分公司（以下簡稱CP5）位于江蘇省儀征市揚州(儀征)汽車工業(yè)園，一期規(guī)劃年產(chǎn)30萬輛乘用車。全廠的集中冷凍站設在能源中心內(nèi)，四大車間（沖壓、車身、涂裝、總裝）、技術中心、辦公樓等空調(diào)冷凍水系統(tǒng)為一個系統(tǒng)，共配置5臺單機制冷量8 722 kW的水冷離心式冷水機組和2臺單機制冷量1 500 kW的水冷螺桿式冷水機組，另預留一臺離心式冷水機組與對應水泵位置。能源中心向廠區(qū)管網(wǎng)提供10℃/16℃的冷凍水。CP5作為大眾在中國的綠色標桿工廠，采用了光伏發(fā)電、地源熱泵、水蓄冷、空壓機余熱回收等多項綠色節(jié)能技術。

本項目采用了部分負荷水蓄冷方式（即夜間儲存的冷量不能滿足白天全部需求，仍需開啟冷凍機輔助制冷），在能源中心西側建了一個有效儲水容積10 000 m3的鋼制蓄冷罐（圖1），設計蓄冷量為92 800 kWh。冷凍機(1#與2#)與蓄冷罐并聯(lián)連接。夜間蓄冷時，兩臺冷凍機以蓄冷工況運行(冷凍水進/出水溫為14℃/6℃)，進行蓄冷，蓄冷用時約8小時。白天空調(diào)時段，兩臺冷凍機可參與直接供冷。蓄冷罐中蓄存的冷量通過兩臺放冷水泵和板式換熱器釋放出來。系統(tǒng)簡圖如圖2。

圖1 儀征工廠蓄冷罐現(xiàn)場實景

本項目根據(jù)使用需求和場地條件采用了溫度分層式結構，共設置了上下各四圈的多邊形布水器，在單個總長度約300 m的布水器上，均布了近1 800個直徑為25 mm的布水孔。冷凍水從罐體出入口到最后各布水孔出水經(jīng)過多次不同層面立體水流分配過程，確保水流到達各布水孔時流速和流量的穩(wěn)定、均勻。斜溫層下部流體的混合程度取決于布水器進口弗朗特數(shù)（Fr）和雷諾數(shù)（Re）[8]，本布水系統(tǒng)設計中Fr和Re分別為0.45和843，各布水孔的正常工作流速為0.39 m/s。

圖2 水蓄冷系統(tǒng)流程圖

蓄冷罐罐體按國家石油儲罐與水蓄冷系統(tǒng)的相應規(guī)范采用Q235B鋼板焊接而成。罐體外保溫采用100 mm厚阻燃型聚苯乙烯（50 mm兩層，錯縫粘接），保證設計氣象條件下罐體外表面不結露。罐體內(nèi)每隔0.5 m設置一個溫度傳感器。蓄冷罐同時還包括人孔、進出水管道、中心立柱、結構件、鋼爬梯、罐頂圍欄、避雷裝置、接地裝置、自動補水管、溢流管、檢查管、排污管等附屬結構和裝置。

該項目于2012年夏季投入使用，至今已應用六個制冷季，每天可節(jié)約運行費用1.4萬元，年節(jié)約費用250萬元左右，完全達到設計要求。

2 水蓄冷系統(tǒng)性能測試

在自然分層型水蓄冷系統(tǒng)中，斜溫層是一個影響冷熱分層和蓄冷效果的重要因素，它是由于冷熱水間自然導熱作用而形成的一個冷熱自然過渡層，確保穩(wěn)定而厚度適宜的斜溫層是提高蓄冷效率的關鍵。為了研究系統(tǒng)運行過程中斜溫層的變化情況，我們對該蓄冷裝置進行了兩天的詳細檢測。

本測試中選取蓄冷罐進水長直段作為流量測點，在對應的供回水管段布置溫度測點，Pt100溫度探頭貼壁安裝并覆以保溫材料；放冷板換一次側和二次側進出口分別布置溫度測點；蓄冷罐內(nèi)采用兩條溫度串進行測量，1號溫度串布置在蓄冷罐截面半徑距中心1/4處，2號溫度串布置在蓄冷罐截面中心處。每5分鐘記錄一次，各測點同步讀數(shù)。表1為測試參數(shù)及儀器，表2測試工況列表。

3 測試結果與性能分析

在自然分層型水蓄冷槽中，通常在斜溫層的底部水溫仍然保持初始溫度，在斜溫層的頂部水溫接近進口溫度。為了計算斜溫層厚度，引入無量綱溫度Φ：

表1 測試參數(shù)及儀器

表2 測試工況列表

式中，Tc代表進口溫度，Th代表槽的初始溫度。在斜溫層區(qū)域內(nèi)無量綱溫度的變化范圍為0～1，斜溫層下部為0，在斜溫層上部為1。對溫度串2的測試數(shù)據(jù)采用OriginPro7.5軟件進行處理，表3為處理得到的斜溫層厚度。

3.1 蓄、放冷過程分析

圖3和圖4顯示了兩種工況下蓄冷罐內(nèi)蓄冷和放冷過程中的溫度分布狀況。可以看到，2個溫度串的溫度曲線幾乎重合，說明在蓄冷罐水平面上溫度分布較為均勻，蓄冷罐保溫效果很好，橫向熱散失很少。在后續(xù)進出口溫度和斜溫層影響因素的分析過程中只針對溫度串2的測試數(shù)據(jù)分析討論。

從圖3中可以看出，在工況1開始蓄冷之時，蓄冷罐底層溫度為9℃，頂層溫度為11℃，斜溫層處于3.5 m的位置，蓄冷罐內(nèi)前一日的放冷并不充分。蓄冷溫度為6℃，不同溫度的水之間由密度差形成穩(wěn)定的重力流，冷、溫水之間形成了明顯的斜溫層，隨著蓄冷過程的繼續(xù)進行，斜溫層穩(wěn)步上升。蓄冷結束，斜溫層停留在蓄冷罐頂部。在日間的放冷過程中，工況1放冷并不充分（最高只到9.75℃，而設計為14℃），這是因為蓄冷罐與另外多臺離心冷凍機并聯(lián)供冷，整個系統(tǒng)的控制未以蓄冷罐放冷優(yōu)先來設置，蓄放冷策略和負荷變化的匹配度有待改善。

圖3 標準工況1蓄冷罐溫度分布曲線

3.2 進出口溫度變化特點分析

圖5 和圖6顯示了兩種工況下蓄、放冷過程中，蓄冷罐進出口溫度隨著時間的變化狀況?？梢钥闯?，進出口溫度曲線在放冷末期均呈現(xiàn)上升狀態(tài)，這是因為在放冷過程末期，蓄水池內(nèi)的下布水器出口周圍由于冷熱水的混合導熱作用，出口溫度升高，使得冷凍機出口溫度、蓄水罐上端進口溫度升高，這勢必會影響到下一個蓄冷工況的穩(wěn)定性。

表3 標準工況蓄冷罐斜溫層情況

圖4 標準工況2蓄冷罐溫度分布曲線

對比蓄冷階段和放冷階段，可以看出，在工況1中放冷過程的供回水溫差僅為3.75℃，遠小于蓄冷過程，而在工況2中放冷供回水溫差略高于蓄冷過程，這也反應了在工況1中受用戶側負荷偏小的影響沒有充分放冷。放冷過程中上布水器的進口溫度也在用戶側負荷不穩(wěn)定變化的影響下呈現(xiàn)出一定的波動性。

3.3 斜溫層影響因素分析

圖5 標準工況1蓄冷罐進出口溫度分布曲線

圖6 標準工況2蓄冷罐進出口溫度分布曲線

從圖3和圖4可以看出，標準工況下蓄冷罐內(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，隨著放冷結束斜溫層逐漸消失，蓄冷按設計工況運行時斜溫層控制較好。對比表3中蓄冷和放冷過程的斜溫層厚度值，發(fā)現(xiàn)在工況2夜間蓄冷過程中斜溫層厚度較大且不穩(wěn)定，綜合考慮進出口溫度和蓄冷罐內(nèi)溫度分布，在工況1放冷末期底層冷熱水的混合破壞了斜溫層的穩(wěn)定性，并反應在進出口溫度的變化上，導致再次進入蓄冷階段時，斜溫層厚度增加。因此在系統(tǒng)運行過程中，放冷至斜溫層完全消失或是斜溫層未被破壞狀態(tài)有助于下一個蓄冷工況斜溫層的穩(wěn)定性。

結合進出口溫度分布和斜溫層計算表，在放冷過程中斜溫層受上布水器進口溫度的變化呈現(xiàn)一定的波動性，由于用戶側負荷的不穩(wěn)定性，當上布水器進口溫度偏離蓄冷罐內(nèi)溫度時，水流進入罐內(nèi)會形成額外的混合，進而影響罐內(nèi)溫度分層。因此在系統(tǒng)運行過程中，可采取蓄冷優(yōu)先策略，并通過調(diào)節(jié)流量的方式充分放冷，增強放冷階段上布水器進口溫度的穩(wěn)定性。

4 結論

該項目采用的溫度分層型蓄冷技術基本達到了設計要求，具有良好的經(jīng)濟效益和可復制推廣性。通過對運行數(shù)據(jù)的蓄冷放冷過程、進出口溫度和斜溫層進行特性分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的控制策略、用戶側負荷變化、蓄冷放冷時間都會對斜溫層產(chǎn)生影響，蓄冷裝置不能作為一個孤立的設備來用，必須同時考慮冷凍機的出水溫度、負荷調(diào)節(jié)方式和用戶側末端的控制方式，使產(chǎn)冷、儲冷、輸冷和用冷作為一個有機的整體。未來應該在系統(tǒng)的整體控制策略方面改進提高。

[1]H Lin, XH Li,etc. Thermoeconomic evaluation of air conditioning system with chilled water storage[J]. Energy Conversion& Management, 2014,85(9):328-332.

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節(jié)能信息與動態(tài)

工行上海分行綠色金融“貸”動綠色發(fā)展

近年來，工商銀行上海分行積極踐行“綠色發(fā)展”和“綠色金融”理念，通過信貸結構的綠色調(diào)整促進經(jīng)濟社會實現(xiàn)綠色發(fā)展，截至2017年末，該行在綠色經(jīng)濟領域的貸款余額超過200億元。

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