水蓄冷模擬管理論文

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摘要：本文介紹了溫度分層型水蓄冷的模擬研究。闡述了計算模型、計算條件和計算結果。分析了溫度分層型水蓄冷的斜溫層在充冷和釋冷過程中的特點，討論和評價了殘留斜溫層的影響。對不同蓄冷溫度差與斜溫層進行了對比和回歸分析，特別是定量分析了不同流速對斜溫層的影響。本研究對溫度分層型水蓄冷的設計和工程應用提供了參考。

關鍵詞：水蓄冷溫度分層型斜溫層

0引言

在城市現代化建設過程中，用電結構發生變化，表現在電網峰谷差加大，造成白天高峰電力緊張，夜間電量需求不足的矛盾。由于空調用電在總電力負荷中的比例不斷增加，空調蓄冷技術對城市電網的“削峰填谷”效果越來越重要。空調蓄冷技術就是利用蓄冷介質的顯熱或潛熱特性將冷量儲存起來，供應電網高峰時段全部或部分空調負荷，少開或不開制冷機。

水蓄冷是空調蓄冷的重要方式之一，利用水的顯熱儲存冷量，發達國家已進行了較長時間的研究和應用。水蓄冷儲槽的類型有多槽混合型、溫度分層型、隔膜型等，實踐證明，溫度分層型（垂直流向型）和串連混合型（水平流向型）最簡單有效。溫度分層型水蓄冷是利用水在不同溫度時密度不同這一特性，依靠密度差使溫水和冷水之間保持分隔，避免冷水和溫水混合造成的熱量損失。水在4℃左右時的密度最大，隨著水溫的升高密度逐漸減小，利用這一特性，使溫度低的水儲存于槽的下部，溫度高的水位于儲槽的上部。設計良好的溫度分層型水蓄冷槽在上部溫水區與下部冷水區之間形成并保持一個斜溫層。一個穩定而厚度適宜的斜溫層是提高蓄冷效率的關鍵。

在溫度分層型水蓄冷儲槽中，為了使水以重力流或活塞流平穩地導入槽內（或由槽內引出），其關鍵是須在儲槽的冷溫水進出口處設置布水器，以確保水流在儲槽內均勻分配，擾動小。

1模型建立

1.1單元模型

如圖1，是一個由7個布水口組成的單元體。

圖1單元模型

1.2計算條件

（1）初始條件

充冷過程：蓄冷罐內充滿12.5℃溫水。充冷開始后，4℃冷水自底板布水口流入，12.5℃溫水自頂板布水口流出。

釋冷過程：蓄冷罐內充滿4℃的冷水。釋冷開始后，12.5℃的溫水自頂板布水口流入，4℃冷水自底板布水口流出。

（2）邊界條件

單元模型與相鄰單元間沒有熱量交換，為絕熱邊界條件。

2計算結果

2.1充冷過程

充冷開始階段底板附近流場和溫度場分布如圖2、3所示。4℃冷水流入水蓄冷罐時，布水口處流速最大，離開布水口后流速迅速減小。在本文的計算條件下，充冷開始階段底板附近斜溫層厚度為0.49米。圖4為斜溫層厚度隨充冷時間增加的變化曲線，可以看出，斜溫層的厚度是隨著充冷時間的增加而增大的。

2.2釋冷過程

釋冷過程水蓄冷罐內流場及溫度場分布與充冷過程相似。由于充冷過程結束應以斜溫層完全移出水蓄冷罐、罐內充滿4℃冷水為標志，而釋冷過程的出口冷水溫度高于4℃時即結束，因此充冷和釋冷過程所需時間并不相同，充冷過程需要更長的時間。

2.3殘留斜溫層的影響

（1）釋冷完成度的影響

通常認為，當釋冷過程的冷水出口溫度高于規定溫度時，釋冷過程即告結束。但此時水蓄冷罐內尚殘留有一個厚度為最大值的斜溫層。如果立即開始下面一個充冷過程，殘留斜溫層將導致充冷過程中斜溫層的初始厚度不為0，且為殘留斜溫層的厚度。圖5分別示出釋冷5.5小時和6小時后再充冷時斜溫層的厚度曲線，可以看出，殘留斜溫層造成充冷過程斜溫層厚度顯著增加。但是，隨著充冷時間增加，這種影響呈逐漸弱化的趨勢。

圖2底板附近的速度場

圖3底板附近的溫度場圖4充冷過程的斜溫層

（2）充冷完成度的影響

同樣地，由于充冷不完全也會造成其后的釋冷過程斜溫層厚度增大。充冷完成度越高，殘留斜溫層越少，對釋冷過程影響越小（圖6）。

3通過罐壁的熱量傳遞分析

本文定量分析了通過罐壁的熱量傳遞對水蓄冷罐內斜溫層的影響及其所造成的熱量損失。采用二維平面計算模型（如圖7），環境、保溫層、罐壁、冷水等的溫度通過計算耦合確定。計算結果見圖8。從圖中可以看出，由于保溫層的設置，環境溫度對罐內冷水的影響被有效地限制在很小的范圍。

4不同運行條件對斜溫層的影響

4.1斜溫層與蓄冷溫差

如表1，改變蓄冷水進出口溫度差，計算結果如圖10。由于蓄冷溫差減小，斜溫層厚度也隨之有所減小。根據計算結果對斜溫層厚度與進出水溫差進行了多項式回歸分析，如式（1）、（2）。

圖8罐壁附近溫度場分布?

斜溫層最大值的多項式回歸：

y=–0.0013x3+0.0159x2+0.1248x+1.4381（1）(R2=0.9987)

斜溫層平均值的多項式回歸：

y=-0.001x3+0.0143x2+0.0343x+0.9622（2）(R2=0.9988)

表1進出口溫度設定值序號進口溫度出口溫度蓄冷溫差

14℃8℃4℃

24℃9℃5℃

34℃10℃6℃

44℃11℃7℃

54℃12.5℃8.5℃

64℃13℃9℃

74℃14℃10℃

84℃15℃11℃

圖10斜溫層厚度與溫差

4.2斜溫層與布水口流速

改變布水口流速的工程意義是加快蓄冷或釋冷速度。如將布水口流速增加一倍，則蓄冷或釋冷所需時間將隨之縮短一半；將布水口速增大到4倍，則蓄冷或釋冷所需時間將縮短為1/4。圖11為不同布水口流速條件下的斜溫層厚度計算結果。斜溫層厚度與布水口水流速的多項式回歸分析如式（3）、（4）。

圖11斜溫層厚度與布水口流速

斜溫層最大值的多項式回歸：

y=–926.92x3+120.9x2+6.7355x+2.5382（3）(R2=0.9996)

斜溫層平均值的多項式回歸：

y=–2019.9x3+343.63x2-7.3244x+1.6224（4）(R2=0.9885)

5結束語

通過對溫度分層型水蓄冷的模擬計算，得到以下主要結論。

（1）合理設計的大型水蓄冷罐可以實現良好且穩定的溫度分層。

（2）雖然斜溫層的初始厚度較小，但隨著充冷或釋冷時間的增加，斜溫層厚度也隨之增大。

（3）充冷和釋冷所需時間并不相同，充冷過程需要更長時間。

（4）斜溫層厚度隨進出口溫差增加而增大。

（5）良好的罐體保溫結構，可以將環境溫度對罐內冷水的作用范圍及熱損失控制在較小范圍。

（6）布水口流速增大時，斜溫層厚度也隨之增大。

（7）殘留斜溫層導致下面一個過程的斜溫層初始厚度不為0，降低蓄冷罐效率。

參考文獻

1嚴德隆，張維君.空調蓄冷應用技術.中國建筑工業出版社.

2（社團法人）空氣調和·衛生工學會.蓄熱式空調システム基礎と應