大型能源站水蓄冷/熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬分析

宋宏升

(北京燃?xì)饽茉窗l(fā)展有限公司，北京 朝陽(yáng) 100101)

0 引言

溫度分層型水蓄冷(熱)方式作為一種低投入、高效的蓄能方式正受到越來(lái)越多的重視和關(guān)注。國(guó)外對(duì)溫度分層型水蓄冷技術(shù)研究較多，1977年，Lavan和Thompson對(duì)分層型水蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，初步得出一些結(jié)論，證實(shí)了該項(xiàng)技術(shù)的工程可行性[1]。1982年，Gross根據(jù)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出分層型水槽內(nèi)溫度分布的一維特性和水槽內(nèi)表面對(duì)導(dǎo)熱的影響[2]。1983年后，M W Wildin和C R Trutnan對(duì)分層型水箱蓄冷進(jìn)行了近十年的實(shí)驗(yàn)研究[3-6]。Stewart(1992)建立二維穩(wěn)態(tài)模型，研究了從條縫中向下流到蓄水槽時(shí)的分層效果。研究表明，流體的分層效果主要取決于條縫開口寬度、進(jìn)口高度、以及雷諾數(shù)[7]。A I Najem和Homan、Oppel、Cole和Bellinger等分別對(duì)蓄冷水槽內(nèi)的溫度分布提出了一維的數(shù)學(xué)模型[8-9]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)溫度分層型水蓄冷的研究也較多，對(duì)斜溫層特性的研究主要集中在工程實(shí)踐上。中國(guó)科技大學(xué)方貴銀教授對(duì)溫度分層型蓄冷槽進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，建立數(shù)學(xué)物理方程，得出了斜溫層受供回水溫差，進(jìn)口處水流狀態(tài)及槽體保溫等因數(shù)影響[10-11]。同濟(jì)大學(xué)于航教授對(duì)大溫差水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，研究了溫度分層型蓄水槽斜溫層的形成和發(fā)展[12-13]。

以上相關(guān)國(guó)內(nèi)外的主要相關(guān)分析和研究主要是針對(duì)單一的水蓄冷工況所進(jìn)行的模擬分析及相關(guān)研究，對(duì)于水蓄熱尤其是針對(duì)具體工程實(shí)踐中的水蓄熱方面的研究分析很少，本文基于某冷熱電分布式多能耦合能源站系統(tǒng)中的水蓄冷(熱)系統(tǒng)的具體工程實(shí)踐，采用專業(yè)CFD軟件模擬并結(jié)合水蓄能系統(tǒng)相關(guān)的核心技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)計(jì)算的方式同時(shí)評(píng)價(jià)及驗(yàn)證了該項(xiàng)目水蓄冷及蓄熱工況是否完全滿足設(shè)計(jì)要求。評(píng)價(jià)計(jì)算及模擬分析的方法及結(jié)論也可以為今后行業(yè)內(nèi)類似項(xiàng)目提供一定的借鑒和參考。本文具體研究?jī)?nèi)容有：

1) 針對(duì)實(shí)際工程，根據(jù)水蓄冷(熱)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備實(shí)際選型參數(shù)，對(duì)相關(guān)核心技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算。

2) 利用CFD軟件建立水蓄冷(熱)系統(tǒng)的模擬模型，模擬水蓄冷及蓄熱工況下的系統(tǒng)性能。

3) 結(jié)合上述評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)是否完全滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

本文研究所基于的北京城市副中心行政辦公區(qū)某能源站通過(guò)將分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling, heating and power，CCHP)與地源熱泵系統(tǒng)、水蓄能、燃?xì)忮仩t以及電制冷機(jī)調(diào)峰設(shè)備等系統(tǒng)進(jìn)行耦合實(shí)現(xiàn)優(yōu)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，采用耦合系統(tǒng)不僅能提高燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量，而且可以降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)性[14-15]。能源站主站為地下建筑，總建筑面積為13 841.94 m2。其中燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)、溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組、鍋爐及配套電氣室、中控室、水泵間位于地下二層，其余設(shè)備位于地下三層。

能源站同時(shí)在各末端用能地塊配套設(shè)置12個(gè)制冷換熱子站，各制冷換熱子站通過(guò)地下管廊與主站連接，一期供能范圍包括區(qū)域內(nèi)12個(gè)地塊約56.56×104m2的冷熱負(fù)荷，二期供能范圍包括其西側(cè)約6.22×104m2冷熱負(fù)荷，能源站建成運(yùn)行以后將最大限度實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，具有多能耦合節(jié)能減排的示范意義，項(xiàng)目年采暖制冷時(shí)間如下：采暖季，11月8日至3月22日，共計(jì)134天；制冷季，5月1日至9月30日，共計(jì)153天。每天供冷及供熱時(shí)段均為全天24 h，在全年供能期間，系統(tǒng)大部分時(shí)間是運(yùn)行在部分負(fù)荷下的。該系統(tǒng)的供冷季、供暖季典型日逐時(shí)冷熱負(fù)荷數(shù)據(jù)詳見圖1。

圖1 供能季典型日逐時(shí)負(fù)荷圖Fig.1 Typical day hourly cooling and heating load

2 水蓄冷(熱)空調(diào)系統(tǒng)介紹

目前，常用的水蓄冷(熱)方法有自然分層法、多蓄能罐/空罐法、迷宮法和隔膜法等4種[15]，本項(xiàng)目采用自然分層蓄冷法。自然分層型蓄能裝置的核心特征是利用溫度不同的水的密度不同形成重力自然分層，冷熱混合形成的斜溫層成為冷水區(qū)和熱水區(qū)的分隔層。在蓄冷時(shí)，使4 ℃的冷水聚集在蓄能水池的下部，而使11 ℃的熱水聚集在蓄能水池的上部，從而實(shí)現(xiàn)冷熱水的分層。在蓄熱時(shí)，使50 ℃的熱水聚集在蓄能水池的上部，而使45 ℃的冷水聚集在蓄能水池的下部，從而實(shí)現(xiàn)冷熱水的分層。

圖4 水蓄冷(熱)空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of chilled water and water heat storage air conditioning system

需要在水槽內(nèi)設(shè)置高效布水器(又稱穩(wěn)流器)來(lái)控制蓄冷槽的內(nèi)部流動(dòng)，保證斜溫層穩(wěn)定且厚度盡可能薄。自然分層型布水器的類型主要有八角型布水器、輻射圓盤型布水器、H型布水器、多孔板(均流板/篩漏板)式布水器，本項(xiàng)目采用H型布水器結(jié)合均流板的布水器形式，罐內(nèi)設(shè)置上下共2套精密面布水器，均流板分別敷設(shè)于上布水器的下方和下布水器的上方，具體布水裝置布置形式如下圖2所示，布水器經(jīng)過(guò)多次布水分流后進(jìn)入布水管道，將水流均布于蓄冷水罐水平面，經(jīng)過(guò)布水器上數(shù)萬(wàn)個(gè)開孔形成活塞流，水體內(nèi)部擾動(dòng)被約束至極小的程度。通過(guò)合理控制布水器的出口流速以及弗勞德數(shù)(Fr)和雷諾數(shù)(Re)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可確保超薄的斜溫層厚度和自然分層布水效果并獲得優(yōu)異的布水器性能。第二級(jí)精密面布水均流板上以孔間距5 mm左右60°錯(cuò)位開直徑2.5 mm的圓孔，合理布置，有效控制通過(guò)孔的流速低于0.006 m/s，起到很好的整流作用。本項(xiàng)目所采用的H型布水器及第二級(jí)精密面布水均流板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 蓄能水池內(nèi)布水裝置布置形式Fig.2 Layout of water distribution device in energy storage pool

圖3 H型布水器及布水均流板結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural of H-type water distributor and water distribution balancer

本項(xiàng)目能源站設(shè)計(jì)了共計(jì)3個(gè)鋼混凝土水槽作為蓄能裝置，水池液位8.5 m，蓄能水池總體積約2×104m3，蓄能系統(tǒng)包含3個(gè)蓄能水池，其中1號(hào)蓄能水池容量5 525 m3，2號(hào)蓄能水池容量6 343 m3，3號(hào)蓄能水池容量8 798 m3。3個(gè)水池并聯(lián)運(yùn)行，液位高度8.5 m。1號(hào)水池夏季蓄冷冬季蓄熱；2、3號(hào)水池僅夏季蓄冷，冬季不使用。蓄能水池采用溫度分層技術(shù)，蓄冷供回水溫度為4/11 ℃(設(shè)計(jì)值)，蓄熱的供回水溫度為50/45 ℃(設(shè)計(jì)值)。本項(xiàng)目混凝土水池底面、西側(cè)面、南側(cè)面、及部分北側(cè)面外為土壤，東側(cè)面、及部分北側(cè)面與頂面外為地下室。蓄水池保溫工藝采用聚氨酯現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡技術(shù)，防水工藝采用第3代聚脲防水體系。水蓄冷(熱)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在夏季夜間電價(jià)低谷時(shí)，閑置的地源熱泵及電制冷機(jī)向蓄能水池蓄冷，將蓄能水池冷量蓄滿；夏季白天在電價(jià)尖峰段時(shí)，優(yōu)先使用蓄能水池釋冷，當(dāng)蓄能水池蓄冷量仍有剩余時(shí)，繼續(xù)在電價(jià)尖峰段剩余負(fù)荷釋冷。

在冬季夜間電價(jià)低谷時(shí)，部分負(fù)荷日時(shí)，夜間負(fù)荷較小，閑置的地源熱泵向蓄能水池蓄熱，將蓄能水池?zé)崃啃顫M；冬季白天在電價(jià)高峰時(shí)，優(yōu)先使用蓄能水池釋熱，當(dāng)蓄能水池蓄熱量仍有剩余時(shí)，繼續(xù)在電價(jià)尖峰段剩余負(fù)荷釋熱。

3 水蓄能的核心技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 弗勞德數(shù)及雷諾數(shù)計(jì)算及評(píng)價(jià)

目前，布水器設(shè)計(jì)的主要參考依據(jù)是基于Wildin及其合作者的研究成果，通過(guò)比例模型和相關(guān)性研究，指出只要進(jìn)口布水器可以形成重力流，就可以形成較好的斜溫層。自然分層時(shí)，由于0～20 ℃水的密度差不大，形成的斜溫層不太穩(wěn)定。因此要求通過(guò)布水器的進(jìn)出口水流流速足夠小，以免造成斜溫層的擾動(dòng)破壞，這就需要確定恰當(dāng)?shù)母诘聰?shù)(Fr)和布水器進(jìn)口高度，確定合理的雷諾數(shù)(Re)來(lái)避免斜溫層品質(zhì)的下降。

弗勞德數(shù)(Fr)是表示作用在流體上的慣性力與浮升力之比的無(wú)因次準(zhǔn)則數(shù)。理論計(jì)算以及試驗(yàn)證實(shí)：Fr≤1時(shí)，浮升力大于慣性力，可很好地形成重力流。

進(jìn)口的弗勞德數(shù)(Fr)的計(jì)算公式為

(1)

式中：Fr為布水器進(jìn)口的弗勞德數(shù)；q為布水器單位長(zhǎng)度的體積流量，m3/(m·s)；g為重力加速度，m/s2；hi為布水器最小進(jìn)口高度，m；ρi為進(jìn)口水密度，kg/m3；ρs為周圍水密度，kg/m3。

雷諾數(shù)(Re)是一種可用來(lái)表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動(dòng)是層流或湍流，也可用來(lái)確定物體在流體中流動(dòng)所受到的阻力。對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該采用的最大Re數(shù)為2 000。對(duì)于深度大于5 m的槽，建議限值可取400～850。為了減小Re數(shù)值，借助布水器的設(shè)計(jì)能使水混合減弱到最小程度，使蓄冷量增到最大，Re數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中υ為進(jìn)口的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

經(jīng)過(guò)對(duì)項(xiàng)目3個(gè)蓄能水池的相關(guān)分析計(jì)算，得出本項(xiàng)目3個(gè)蓄能水池的蓄能工況下的Re數(shù)和Fr數(shù)如下表1所示。

表1 蓄能水池的蓄能工況下的Re數(shù)和Fr數(shù)Table 1 Re number and Fr number of three energy storage pools under storage conditions

由表1可知：布水器雷諾數(shù)(Re)小于850完全滿足設(shè)計(jì)要求，能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部層流；弗勞德數(shù)(Fr)小于1說(shuō)明小孔出流屬于重力流，布水器設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 蓄能水池蓄能及釋能的CFD模擬

采用專業(yè)CFD軟件對(duì)布水器的均流效果以及蓄冷水罐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布的變化進(jìn)行了建模并執(zhí)行CFD模擬。

采用Gambit 2.1.2作為幾何結(jié)構(gòu)建模軟件，數(shù)值計(jì)算則采用Fluent 6.1.18。上表面和左右表面均采用symmetry邊界條件。數(shù)值計(jì)算采用的數(shù)學(xué)模型為k-epsilon二方程湍流模型；管上小孔作為入口和出口的邊界條件分別為velocity-inlet和pressure-outlet；罐體內(nèi)平均溫度的計(jì)算采用Fluent UDF編程實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)蓄能水池在蓄冷(熱)及釋冷(熱)全過(guò)程中的CFD數(shù)值模擬結(jié)果如圖5—6所示。

圖5 蓄能水池蓄冷及釋冷工況模擬結(jié)果Fig.5 Simulated results of chilled water thermal storage and release conditions of energy storage pool

圖6 蓄能水池蓄熱及釋熱工況模擬結(jié)果Fig.6 Simulated results of water heat storage and release conditions of energy storage pool

根據(jù)CFD模擬分析計(jì)算出的蓄能水池在蓄冷(熱)及釋冷(熱)全過(guò)程中總蓄能量、斜溫層厚度變化及24 h(冷)熱損失量數(shù)據(jù)如表2—3所示。

表2 蓄冷及釋冷工況下蓄能水池模擬數(shù)據(jù)Table 2 Simulated data of energy storage pool under chilled water thermal storage and release conditions

備注：1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)蓄水池總蓄冷量146 813 kW·h，24 h總冷損失400.7 kW·h。

表3 蓄熱及釋熱工況下蓄能水池模擬數(shù)據(jù)Table 3 Simulated data of energy storage pool under water heat storage and release conditions

備注：1號(hào)蓄水池總蓄熱量28 069.8 kW·h，24 h總熱損失308.88 kW·h。

3.3 蓄能水池效率計(jì)算及評(píng)價(jià)

水蓄能的技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)最核心的是蓄能水池效率，其定義為可從蓄冷罐移走的冷量(即釋冷量)與理論可用蓄冷量之比。由于蓄水池內(nèi)在釋能工況下不可利用的區(qū)域?yàn)樾钅芩貎?nèi)上布水器以上區(qū)域、斜溫層以及下布水器以下3個(gè)區(qū)域，因此通過(guò)結(jié)合表2—3所得出的蓄能水池在釋冷及釋熱工況下的斜溫層厚度模擬計(jì)算結(jié)果以及蓄能水池內(nèi)上布水器以上區(qū)域及下布水器以下區(qū)域的高度尺寸，可計(jì)算出蓄能水池分別在實(shí)際釋冷及釋熱工況下的蓄能水池效率。

蓄能水池效率的計(jì)算公式為

式中：ηFOM為蓄能水池效率，%；Hhg為蓄能水池保溫(冷)熱損失當(dāng)量高度，m；Hwd為布水器高度，m；Htht為釋能工況斜溫層厚度，m；H為蓄能水池液位高度，m；Qs為蓄能水池保溫(冷)熱損失，kW·h；Qxt為蓄能水池總蓄(冷)熱量，kW·h。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本項(xiàng)目蓄能水池的夏季實(shí)際蓄冷效率為85.4%，冬季實(shí)際蓄熱效率為84.1%。

4 結(jié)論

本文對(duì)北京城市副中心某能源站水蓄冷/熱系統(tǒng)相關(guān)的核心技術(shù)指標(biāo)(雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、蓄能水池效率等)進(jìn)行了模擬分析及評(píng)價(jià)，CFD模擬分析計(jì)算結(jié)論如下：

(1) 本項(xiàng)目布水器雷諾數(shù)(Re)小于850完全滿足設(shè)計(jì)要求，能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部層流。弗勞德數(shù)(Fr)小于1說(shuō)明小孔出流屬于重力流，布水器設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 本項(xiàng)目蓄能水池的夏季實(shí)際蓄冷效率為85.4%，冬季實(shí)際蓄熱效率為84.1%，滿足設(shè)計(jì)要求。