地下防護工程空調(diào)相變儲熱水池儲熱性能實驗研究

張洪宇，盧?軍，莊春龍，黃光勤，余?杰，劉亞姣

地下防護工程空調(diào)相變儲熱水池儲熱性能實驗研究

張洪宇1，盧?軍2，莊春龍1，黃光勤1，余?杰1，劉亞姣1

(1. 陸軍勤務(wù)學院軍事設(shè)施系，重慶 401311；2. 重慶大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院，重慶 400044)

針對既有地下防護工程傳統(tǒng)空調(diào)冷卻水池儲熱能力不足，外置冷卻塔易造成工程紅外暴露而影響工程安全的問題，提出了采用空調(diào)相變冷卻水池方案以期增強系統(tǒng)儲熱能力，延長工程隔絕防護條件下空調(diào)系統(tǒng)運行保障時間．搭建了地下防護工程空調(diào)相變儲熱水池實驗臺，研究了定負荷條件下相變儲熱單元用量、冷卻水流量對相變儲熱水池儲熱性能的影響；考慮添加相變儲熱單元對水池儲熱能力與連續(xù)保障能力的影響，提出了地下防護工程空調(diào)相變儲熱水池儲熱性能評價指標：相變儲熱水池單位體積儲熱量和基于出口溫度定義的相變儲熱水池保障效能系數(shù)．研究表明：向地下防護工程空調(diào)儲熱水池中加入相變單元能夠提升空調(diào)儲熱水池儲熱能力；與未加入相變儲熱單元的空調(diào)儲熱水池相比，當相變儲熱單元體積占空調(diào)儲熱水池有效容積的2.84%、4.26%時，相變儲熱水池單位體積儲熱量分別提高了6.35%和9.03%，相變儲熱水池保障效能系數(shù)分別提高了7%和11%，空調(diào)系統(tǒng)運行保障時間分別延長了1.77h和2.82h；在實驗條件下，流速從250L/h提高至450L/h時，水池單位體積儲熱量和保障效能系數(shù)均有所降低，大流量工況(450L/h)下，相變儲熱單元存在未完全融化，水池儲熱能力與連續(xù)保障能力明顯降低，因此在不影響熱泵機組正常運行和水池儲熱性能的情況下，適當降低冷卻水流量對空調(diào)儲熱水池儲熱系統(tǒng)是有益的．

地下防護工程；空調(diào)冷卻水池；相變材料；相變儲熱

地下防護工程能正常運轉(zhuǎn)，要求工程內(nèi)部空氣的溫濕度必須保持在一定范圍內(nèi)，而這正是通過通風空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)的．隨著電子設(shè)備的驟然增多，地下防護工程中余熱急劇增加[1]，導致工程處于隔絕防護狀態(tài)時，原有空調(diào)冷卻水池所能維持空調(diào)系統(tǒng)的運行時間大大降低，而擴建空調(diào)冷卻水池施工困難，加設(shè)冷卻塔易造成工程紅外暴露．

為解決傳統(tǒng)地下防護工程空調(diào)冷凝熱處理模式不足，學者們從增強工程隱蔽效果、冷凝熱處理模式轉(zhuǎn)換等方面做了大量工作．周滌生等[2]和馮爽[3]采用冷卻塔入地方案，應(yīng)用于上海外灘觀光隧道工程.王晉生等[4-5]和劉文杰等[6]提出防護工程非定型冷卻塔的設(shè)計理論，將冷卻塔置于地下空調(diào)冷卻水池上方，利用水池的水蒸發(fā)和柴油電站進排風帶走熱量，設(shè)計方案應(yīng)用在了上海某國防工程．何葉從等[7]研發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)噴霧間接蒸發(fā)冷卻器，可安裝于地下建筑排風通道內(nèi)．耿世彬等[8]采用地下儲水箱和風冷熱泵機組聯(lián)合的方式來替代冷卻塔．上述方案有的僅減少了紅外暴露點，有的對使用地點及工程內(nèi)負荷分配要求較高．相變材料作為儲能的良好介質(zhì)，如選擇合適的相變材料應(yīng)用于地下防護工程空調(diào)冷卻水池，在不增加水池容積的基礎(chǔ)上，可增加水體熱容量，延長空調(diào)系統(tǒng)運行時間．基于此，本文提出在空調(diào)冷卻水池中加入相變儲熱單元構(gòu)成空調(diào)相變冷卻水池，利用相變儲能技術(shù)解決既有空調(diào)冷卻水池儲熱量不足的問題.

1?空調(diào)相變冷卻水池儲熱實驗系統(tǒng)及實驗方案

1.1?實驗系統(tǒng)

為分析空調(diào)相變冷卻水池運行特性，搭建了空調(diào)相變冷卻水池儲熱實驗臺．系統(tǒng)示意如圖1所示，實驗臺實物圖如圖2所示．實驗設(shè)備及主要儀器包括：管道加熱器、相變水池、相變儲熱單元、循環(huán)水泵、浮子流量計、管路部件以及T型熱電偶模塊、溫度采集儀等．

圖1?空調(diào)相變冷卻水池儲熱實驗系統(tǒng)示意

（a）水池外觀 ?? （b）相變單元布置

管道加熱器額定功率2kW，水池規(guī)格(長×寬×高)為1.3m×1.3m×1.2m，有效容積1.86m3，進出口分別位于水池上下中心處．循環(huán)水泵為德國威樂管道泵，額定揚程5m，額定流量13L/min．浮子流量計量程60～600L/h，精度為±2.5%．循環(huán)管道采用DN20鍍鋅鋼管，為減少實驗過程熱損失，循環(huán)管道及水池四面用15mm厚橡塑保溫棉做保溫處理．熱電偶精度為±0.1℃，溫度采集頻率為1次/min．1＃、8＃熱電偶分別監(jiān)測水池入口、出口溫度，實驗測點及相變儲熱單元布置見實驗方案．

傳統(tǒng)的相變儲熱裝置一般只采用一種相變材料，已有研究表明，儲熱過程中儲熱裝置內(nèi)會出現(xiàn)溫度分層[9-11]，嚴重時會出現(xiàn)靠近入口處相變材料已經(jīng)完全相變并迅速升溫，而遠離入口處相變材料還未完成相變的不利情況．本文提出一種地下防護工程多熔點空調(diào)相變儲熱水池概念，即在地下防護工程空調(diào)冷卻水池中采用具有不同熔點的多種相變材料代替單一相變材料，根據(jù)熔點高低合理安排其排放位置，最大限度地利用相變潛熱儲熱，提高相變潛熱有效利用率．選用2種石蠟相變材料分別填充相變單元，其主要物性參數(shù)見表1．

表1?PCM-1和PCM-2相變石蠟的主要物性參數(shù)

Tab.1?Main physical parameters of the PCM-1 and PCM-2 phase change paraffin

考慮到相變材料對封裝材料的腐蝕性[12]以及封裝材料應(yīng)具有較高的導熱系數(shù)，選用304不銹鋼進行封裝，封裝尺寸為1.1m×0.1m×0.03m．

1.2?實驗方案

通過閥門開度的調(diào)節(jié)改變進入儲熱水池的流量，研究冷卻水流量對空調(diào)儲熱水池流場及儲熱性能的影響，流量主要包括3種情況：250L/h、350L/h、450L/h．此外，通過調(diào)整相變單元的數(shù)量，研究相變儲熱單元用量對儲熱水池儲熱性能的影響，相變單元用量主要包括16個和24個兩種情況．實驗過程中，為了研究儲熱水池內(nèi)部水體溫度分布情況，沿水池豎向高度布置2?！?＃共6個熱電偶，熱電偶豎向間距19cm．同時，為了觀測相變材料在儲熱過程中的溫度變化特性，在每層中間位置相變儲熱單元內(nèi)部布置1?！?＃共4個相變溫度測點，測點分別布置在4個相變單元的中心位置．相變單元及溫度測點具體布置方案見圖3．

（a）24個相變單元

（b）16個相變單元

圖3?相變儲熱單元及測點布置

Fig.3 Phase change heat storage unit and measuring point layout

2?相變儲熱水池性能評價指標

國內(nèi)外學者對相變儲熱裝置的傳熱特性進行了大量研究[13-15]，并且有一些學者提出了相應(yīng)的評價指標[16-17]．但對于應(yīng)用于地下防護工程空調(diào)冷卻水池的評價指標較少，本文依據(jù)相變儲熱水池的預期目標效益，提出兩種指標對空調(diào)相變水池的儲熱性能進行定義和研究．

2.1?相變儲熱水池單位體積儲熱量

相變水池所能儲存的熱量是評價其儲熱能力的一個重要指標，對水池設(shè)計容量的確定具有重要指導意義．當冷卻水流速不變時，其計算方法為

為了更加科學指導相變水池的設(shè)計，定義相變儲熱水池單位體積儲熱量作為相變儲熱水池儲熱能力評價指標之一，其計算式為

2.2?基于出口溫度定義的相變儲熱水池保障效能系數(shù)

3?實驗結(jié)果及分析

3.1?未加入相變儲熱單元空調(diào)儲熱水池儲熱性能實驗

作為添加相變儲熱單元儲熱效果的對比依據(jù)，本文實驗研究了未加入相變儲熱單元的空調(diào)冷卻水池儲熱性能．圖4為未加入相變儲熱單元空調(diào)儲熱水池出入口溫度變化情況．

圖4 未加入相變儲熱單元空調(diào)儲熱水池進出口溫度變化

3.2?相變儲熱單元用量對空調(diào)相變儲熱水池儲熱性能的影響

為了研究不同相變儲熱單元用量對空調(diào)相變儲熱水池儲熱性能的影響，開展了2種不同相變單元數(shù)量的儲熱實驗：16個相變單元、24個相變單元．其中16個相變單元的相變材料填充量為PCM-1、PCM-2各22kg；24個相變單元的相變材料填充量為PCM-1、PCM-2各33kg．

圖5 不同數(shù)量相變儲熱單元下空調(diào)儲熱水池進出口溫度變化

表2為不同相變儲熱單元數(shù)量下儲熱水池性能分析情況．

表2?不同相變儲熱單元數(shù)量下空調(diào)儲熱水池性能

Tab.2 Performance of air-conditioning reservoir under different quantities of phase change heat storage units

3.3?冷卻水流量對空調(diào)相變儲熱水池儲熱性能的影響

在水池加熱功率基本不變的情況下，水池進口流量與進口溫度為一對耦合變量，提高流量則進口溫度降低，降低流量則進口溫度提高，與大部分現(xiàn)有地下防護工程空調(diào)系統(tǒng)運行時負荷基本為定值的情況較一致．

圖6為空調(diào)相變儲熱水池在不同進口流量下的進出口溫度變化情況，圖7為空調(diào)相變儲熱水池在不同進口流量下的進出口平均溫度變化情況．

圖6?不同進口流量下的進出口溫度

圖7?不同進口流量下的進出口平均溫度

由圖6還可以看出，冷卻水流量為250L/h時，在儲熱開始的前2.76h，進出口溫度幾乎沒有變化，主要原因在于由于冷卻水的流量較小，溫度從上向下擴散需要較長時間，這段時間進入空調(diào)儲熱水池的冷凝熱主要由上部水體儲存．通過分析2?！?＃熱電偶監(jiān)測溫度可知相變儲熱水池豎向溫度分布情況，流量為250L/h時水溫的分層現(xiàn)象比較明顯(見圖9(a)).主要原因在于流量較小，冷卻水進出口溫差較大．豎向溫度梯度較大．當冷卻水流量增大到350L/h、450L/h時，冷卻水進出口溫差減少，空調(diào)儲熱水池中對流作用增強，熱擴散迅速，豎向溫度分布較均勻，分層現(xiàn)象較小流量時明顯減弱(見圖9(b)、(c))．

圖8?流量為450L/h時相變儲熱單元內(nèi)部溫度變化

表3為變流量實驗工況下相變儲熱水池儲熱性能分析統(tǒng)計．

可見，在既有空調(diào)儲熱水池中加入相變儲熱單元，在儲熱過程中當相變儲熱單元完全相變情況下，改變進口流量對相變儲熱水池儲熱性能影響微弱．在實際應(yīng)用中，如增加冷卻水流量即提高流速，則泵需要消耗更多的功，儲熱過程能量損耗提高，因此在不影響熱泵機組正常運行和水池儲熱性能的情況下，適當降低流量對儲熱系統(tǒng)是有益的．

表3?變流量實驗工況下相變儲熱水池儲熱性能

Tab.3?Thermal storage performance of the phase change heat storage resevoir under variable flow experimental conditions

（a）250 L/h

（b）350 L/h

（c）450 L/h

4?結(jié)?論

本文對地下防護工程空調(diào)相變儲熱水池儲熱性能進行了實驗研究，提出了相變儲熱水池單位體積儲熱量和基于出口溫度定義的相變儲熱水池保障效能系數(shù)，分析了相變單元用量和冷卻水流速對相變水池儲熱能力的影響，主要得到如下結(jié)論．

(2) 在實驗條件下，流速從250L/h提高至450L/h時，水池單位體積儲熱量和保障效能系數(shù)均有所降低，大流量工況(450L/h)下，相變儲熱單元存在未完全融化情況，水池儲熱能力與連續(xù)保障能力明顯降低．

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Performance of the Phase Change Heat Storage Air-Conditioning Reservoir for Underground Protective Engineering

Zhang Hongyu1，Lu Jun2，Zhuang Chunlong1，Huang Guangqin1，Yu Jie1，Liu Yajiao1

(1. Department of Military Facilities，Army Logistic University of PLA，Chongqing 401311，China；2. School of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

Aiming for the insufficient thermal storage capability of the traditional air-conditioning reservoir and the problem of engineering safety caused by infrared exposure on the external cooling tower for existing underground protective engineering，the phase change storage reservoir scheme is proposed to strengthen the thermal storage capability and to prolong the run time of the HVAC system under the isolation protection condition. An experiment on the phase change heat storage air-conditioning reservoir was conducted，and the effects of the quantity of the phase change heat storage unit and the water mass flow on the capability of the reservoir are analyzed under the fixed load condition. To analyze the effects of the phase change heat storage unit on the heat storage capacity and continuous safeguarding capacity of the reservoir，the following performance parameters of the phase change heat storage reservoir for underground protective engineering are proposed：Heat storage capacity per unit volume and safeguarding efficiency of the phase change heat storage pool. The results show that adding the phase change heat storage unit can significantly improve the heat storage capacity of the reservoir. Compared with the reservoir without phase change heat storage unit，when the volume of the phase change heat storage unit accounts for 2.84% and 4.26% of the effective volume of the reservoir，the heat storage capacity per unit volume of the phase change heat storage reservoir is increased by 6.35% and 9.03%，the guaranteed efficiency coefficient of the phase change heat storage reservoir is increased by 7% and 11%，and the guaranteed operation time is prolonged by 1.77h and 2.82 h，respectively. Under the experimental conditions，when the flow rate is increased from 250 L/h to 450 L/h，the heat storage capacity per unit volume and guaranteed efficiency coefficient are both reduced. When the flow rate is high (450 L/h)，the phase change heat storage units do not melt completely and the heat storage capacity and guaranteed continuous capacity of the pool are significantly reduced. Therefore，properly reducing the cooling water flow rate is beneficial to the heat storage system of the reservoir without affecting the operation of the heat pump unit and the heat storage performance of the reservoir.

underground protective engineering；air-conditioning reservoir；phase change material；phase change heat storage

TK02

A

0493-2137(2019)11-1187-07

10.11784/tdxbz201812004

2018-12-03；

2018-12-28.

張洪宇（1981—??），男，博士研究生，講師，13883291029@163.com.

盧?軍，lujun66@vip.sina.com.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFC0806305)；國家自然科學基金資助項目(51706243).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFC0806305)，the National Natural Science Foundation of China(No.51706243).

(責任編輯：田?軍)