自然分层水蓄能技术在上海某创意园区的应用

戴新泉，马 铁，季益华，高会武

（1.安科智慧城市技术（中国）有限公司 上海分公司，上海 200062；2.智慧城市信息技术有限公司，上海 200062）

自然分层水蓄能技术在上海某创意园区的应用

戴新泉1,2，马 铁1,2，季益华1,2，高会武1,2

（1.安科智慧城市技术（中国）有限公司 上海分公司，上海 200062；2.智慧城市信息技术有限公司，上海 200062）

通过对自然分层水蓄能技术的介绍，提出了自然分层水蓄冷技术设计及施工的主要控制点。结合工程实践，以上海某创意产业园区为例，通过负荷平衡策略及经济效益分析，得出水蓄能应用在创意产业园区的适用性结论，为以后的创业产业园区应用水蓄能技术提供借鉴。

自然分层水蓄能；斜温层；负荷平衡分析；创意产业园

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的提高，电力能源供应紧张已日益显著。在我国电网中，用电负荷在时间和强度上的差别明显，部分城市和地区在夏季和冬季的峰谷电力差已达到40%。电力需求侧管理（DSM）技术为解决这一问题提供了办法。在空调系统应用中，蓄能（蓄冷/热）技术，成为电力削峰填谷的一种有效方法。

发挥蓄冷技术经济效益，需要有作为支撑的峰谷电价差额度，也需要国家对移峰填谷的利好政策。2012年7月3日，财政部和国家发展和改革委员会关于印发《电力需求侧管理城市综合试点工作中央财政奖励资金管理暂行办法》的通知，明确指出“对通过移峰填谷技术的永久性节约电力负荷和转移高峰电力负荷，东部地区每千瓦奖励440元，中西部地区每千瓦奖励550元”，这无疑给蓄冷技术工程应用提供了政策支持。

1 自然分层水蓄能技术

1.1 自然分层水蓄能技术简介

水蓄能技术是用水作为蓄能（夏季蓄冷/冬季蓄热）介质，利用水的显热性蓄能的空调蓄能方式。通常，水蓄能系统蓄能槽结构设计有4种方式：自然分层型、迷宫式、多槽式和隔膜式，其中，自然分层型具有高效、低投入的特点，得到广泛应用，本文将围绕自然分层水蓄能技术的应用实例展开。

夏季：水被冷水机组冷却并储存在蓄冷槽内，用于满足空调时的供冷需要。水蓄冷系统的蓄冷温度一般为4～6℃，蓄冷温差为5～8℃，大温差水蓄冷系统的蓄冷温差可达12℃。冬季：水蓄热指在电力低谷期间，以水为介质将电锅炉产生的热量储存在蓄热装置中，适时供应给用热设备的系统。图1为自然分层水蓄能技术的蓄能槽，图2为斜温层示意图。

图1 自然分层水蓄能技术的蓄能槽

图2 斜温层示意图（夏季）

夏季的自然分层水蓄能系统功能为蓄冷，详见图1所示。从图1中可知，在蓄能槽中设置了上下2个均匀分配水流的布水器，为了实现自然分层，要求在蓄能和释能过程中，温水始终从上部布水器流入或流出，而冷水从下部布水器流入或流出。在自然分层水蓄能系统中，斜温层厚度是一个影响冷热分层和蓄冷效果的重要因素。蓄冷期间，随着冷水的流入与温水的流出，斜温层自下而上徐徐升高；放冷期间，随着冷水的流出与温水的流入，斜温层自上而下徐徐降低。故蓄能系统运行期间，斜温层一直保持着运动状态。

1.2 自然分层水蓄能技术设计及施工控制点

自然分层水蓄能技术应用关键是减少水在蓄能槽内的扰动，减小斜温层厚度，以获得优良的蓄能效果，提高蓄能效率。为此，依据工程应用实践，针对钢制圆柱形罐体，提出自然分层水蓄能技术设计及施工的几个主要控制点。

（1）设计主要控制点

•蓄能罐内上下布水器的设计。主要控制较低的雷诺数Re（即Re基本控制在100～600）、弗劳德数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）及布水器的整体平衡布置。

•蓄能罐罐体的高径比控制。即高径比基本控制在0.5～1.2）。

（2）施工主要控制点

•蓄能罐罐体底部焊接应力的控制。即可以先焊接短焊缝，再焊接长焊缝，也可采取刚性固定法在焊缝两侧加型钢、压铁或楔子压紧固定，防止钢板焊接时变形，及尽可能减少焊缝数量，减小焊缝长度。

•蓄能罐充水沉降试验的控制。即特别注意检查罐底严密性、校核罐壁强度及进行基础沉降观测等，同时在蓄能罐运行过程中也会产生沉降，对于拱顶罐体的基础整体倾斜沉降需控制在8‰D，D为罐体直径。

•蓄能罐罐体防冷桥（防结露）控制。即罐底的隔热沥青沙层配合比、配置温度、敷设温度方法要求，罐壁的泡沫塑料或聚氨酯发泡封堵冷桥阻断件，防止冷量通过螺栓传递至外部彩钢板。

2 自然分层水蓄能技术在创意园区的应用

2.1 工程概况

上海某创意园区位于上海宝山区，项目总建筑面积40 000 m2，包括1—6号共6座楼，集办公、设计师公寓、宾馆、餐饮、秀场等多种功能于一体，总空调面积为33 000 m2。

该园区原有1台1 500 kVA干式变压器，以满足整个园区电力供应，从园区各功能用电特性可知，该园区用电高峰时段为15：00，具体的园区电力负荷分析详见表1。

表1 园区电力负荷分析表

该创意园区由老工业厂房改造而成，各个建筑的维护结构均进行了节能处理，空调负荷经过详细校核设计，采用节能策略，利用负荷系数法计算出建筑物的逐时负荷，最终确定该园区夏季最大冷负荷出现在15：00，为3 220 kW；冬季最大热负荷为1 992 kW。园区夏季冷负荷逐时分布图如图3。

图3 夏季设计日冷负荷逐时分布图

从图3中可以看出，白天负荷较为集中，且该项目峰谷电价比达4.2，适合应用水蓄冷技术。具体的夏季峰、平、谷段电价详见图4。

2.2 夏季冷负荷平衡分析

图4 上海地区夏季电价分布图

蓄能（蓄冷/热）工程应用，关键是进行空调负荷的平衡分析，一般需分几个百分档次，以实现电力低谷段最大限度蓄存冷量、电力高峰段最大限度减少电力消耗。本项目根据项目特点分100%、75%、50%及25%4个百分档次进行负荷平衡分析，其中100%及50%百分档次的冷负荷平衡分析详见图5和图6。

图5 夏季100%设计日冷负荷平衡图

图6 夏季50%设计日冷负荷平衡图

2.3 空调系统设计特点

经过详细的技术论证，本创意园区空调设计方案采用地源热泵+水蓄能空调复合系统，主机选用依据夏季冷负荷平衡分析得出，即2台制冷量1 100 kW的蓄冷主机（热泵型）和1台550 kW的空调主机（热泵型）；夏季最大蓄冷量为16 800 kWh，故采用2只900 m3的钢制蓄能罐进行夏季蓄冷冬季蓄热（夏季最大蓄冷量时需要采用2个钢制罐同时蓄冷，冬季最大蓄热量只需采用1个钢制罐体进行蓄热）。地源热泵+水蓄能空调复合系统原理图详见图7，系统整体采用外切换模式实现夏季制冷、冬季制热。

图7 地源热泵+水蓄能复合系统原理图

本项目在水蓄能罐内设置上下2层布水器，该布水器为此项目专门设计，布水器型式和结构为专利产品，具有优良的布水性能，极大地减少冷热水混合扰动，蓄能/放能效率高。

2.4 经济效益分析

本项目通过与常规空调系统的初投资对比、年运行费用对比分析，得出项目的整体经济评估值。

（1）初投资对比。从图7中可以看出，本复合空调系统比常规的地源热泵系统增加了蓄能罐装置（含上下布水器）、板式换热器、蓄冷/放冷泵及整套自控装置等，但另一方面，也相应减少了约20%总装机容量及3 000 m2的地埋管面积。本项目空调系统及常规空调系统主要设备投资表详见表2和表3，表中不含相同的设备。

表2 本项目空调系统主要设备初投资表

表3 常规空调系统主要设备表

从表2和表3可以得出，本复合空调系统初投资比常规空调系统初投资额增加（755.3-478.75）万元=276.55万元。

以下通过模拟分析空调蓄冷/热系统的运行。结合上海气候特点及该创意园区运营状况，经计算，可得出蓄冷/热空调系统和常规空调系统的运行电费对比。空调供冷期/供暖期分别按每年150天和100天计，运行电费中不含末端空调设备运行电费。

（2）夏季运行电费分析，见表4。

表4 夏季空调系统年运行费用比较表

（3）冬季运行电费分析，见表5。

表5 冬季空调系统年运行费用比较表

（4）项目经济整体评估。通过以上的夏季、冬季空调运行费用分析，本工程采用水蓄能技术后，较常规空调系统每年节约的空调运行费用为（159.21-115.07）万元+（81.32-48.86）万元=76.59万元，初投资增加为276.55万元。详细的项目经济整体评估表详见表6。

表6 项目经济整体评估表

从表6中可以看出，在该创意园区应用水蓄能技术具有较小的投资回收期及良好的内部收益率，经济效益显著。同时，水蓄能罐体本身可作为创意园区的一处景观，诸如创意涂鸦等，符合园区的整体个性规划。

3 结束语

纵观世界上创意产业发展成熟的国家，无一不采用了集群式的发展模式，利用集聚效应，发展本国的创意产业，而且取得了很好的效果，在集群式的发展模式中，创业产业园区是一种普遍而且十分有效的模式，也是我国发展创意产业所采取的主要方式。上海作为我国城市经济发展的排头兵，创意产业园的发展在整体向前推进。

本文以上海某创意产业园区为例，对水蓄能工程的蓄冷与蓄热复合应用进行了详细介绍，尤其是对工程本身的经济效益进行了多个经济指标计算。根据创意产业园区的负荷特性，通过分析计算，可以得出水蓄能应用在创意产业园区的适用性，也为以后的创业产业园区应用水蓄能技术提供借鉴。

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[1]王宝龙.空调蓄冷技术在我国的研究进展[J].暖通空调，2012，40(6)：6-12.

[2]于航.空调蓄冷技术与设计[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]全国二级建造师执业资格考试用书编写委员会.机电工程管理与实务[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]SH/T 3068—2007,石油化工钢储罐地基与基础设计规范[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，江西抚州人，工学硕士，工程师，从事节能工程应用研究，现担任公司项目经理。