水蓄冷运行控制分析

张敏，王晨晓

摘 要：随着空调蓄冷技术的不断发展，它已逐渐在节能效果、经济效益和社会效益等方面展现出强大的生命力和广阔的市场。主要探讨了自然分层蓄冷形式，该方式利用温度和密度不同的原理，通过斜温层分隔高、低温水。必须严格进行水蓄冷系统的运行控制，否则极易打破其自然分层的规律。

关键词：水蓄冷；自然分层；斜温层；运行控制

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）21-0061-02

1 概论

1.1 水蓄冷系统简述

水蓄冷利用水的显热储存冷量，将夜间电网多余的谷段电力与水的显热相结合蓄冷，以低温冷冻水的形式储存冷量，并在用电高峰时段使用储存的低温冷冻水作为空调系统的冷源。

蓄冷罐储存冷量的大小取决于蓄冷罐储存冷水的数量和蓄冷运行供回水温差。

蓄冷温差的维持可通过降低储存冷水温度、提高回水温度和防止回流温水与储存冷水混合等措施实现。典型的水蓄冷系统的蓄冷温度在4～7 ℃之间。

1.2 水蓄冷的形式

为了提高蓄冷水罐的蓄冷能力、满足供冷时的负荷要求和提高水蓄冷系统的蓄冷效率，应维持尽可能大的蓄冷温差并防止储存冷水与回流热水混合，可总结为4种形式：自然分层蓄冷、多罐式蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷。

自然分层蓄冷是一种结构简单、蓄冷效率较高、经济效益较好的蓄冷方法，目前应用得较为广泛。本文探讨的也是采用自然分层形式的水蓄冷系统。

1.3 自然分层蓄冷的基本原理

水的密度与其温度密切相关，在水温高于4 ℃时，密度随水温的升高而降低；在0～4 ℃的范围内，密度随水温的升高而增大，3.98 ℃时水的密度最大。自然分层蓄冷就是依靠密度大的水自然会聚集在蓄冷罐下部，进而形成高密度水层趋势的原理进行的。在分层蓄冷中，使温度为4～6 ℃的冷水聚集在蓄冷罐下部，10～18 ℃的热水自然会聚集在蓄冷罐上部，依靠密度差可使温水与冷水分隔，避免因冷水与温水混合而造成热量损失，从而实现冷、热水的自然分层。

自然分层水蓄冷罐的结构形式：为了使水重力流或活塞流平稳地导入槽内（或由槽内引出），其关键是要在蓄冷罐中设置散流器，以确保水流在储槽内均匀分配。

在蓄冷罐中设置了上、下2个均匀分配水流散流器。为了实现自然分层的目的，要求在蓄冷和释冷过程中，热水始终从上部散流器流入或流出，而冷水从下部散流器流入或流出。为了确保自然分层的效果，应严格控制Re数、Fr数，尽可能地形成分层水的上下平移运动。为了保证蓄冷罐能够长期、稳定、高效运行，必须严格控制蓄冷罐的工作流量。

在自然分层水蓄冷罐中，斜温层是影响冷热分层和蓄冷罐蓄冷效果的重要因素之一。它是由冷热水间的自然导热作用形成的冷热温度过渡层，明确而稳定的斜温层能防止蓄冷罐下部的冷水与上部热水混合。蓄冷罐储存期内斜温层的变化是衡量蓄冷罐蓄冷效果的主要考察指标之一。

斜温层的厚度一般控制在0.3～1.0 m之间。蓄冷运行时将斜温层全部更换，以保证在每个蓄冷、释冷循环后，上一循环产生的斜温层不会影响下一循环。为了防止水的流入和流出影响储存冷水，应在自然分层水蓄冷罐中设置散流器，使水流以较小的流速均匀地流入蓄冷罐，以减少对蓄冷罐水的扰动和对斜温层的破坏。因此，分配水流的散流器也是影响斜温层厚度变化的重要因素之一，稳定而厚度适宜的斜温层是提高蓄冷效率的关键。

另外，多罐并联运行控制的重点是同步每罐充、放冷的速度。在每罐流量基本一致的情况下，理论上每罐的液面水位相差不会太大。在调试阶段，应密切监视每罐的液位变化，调控管路阀门，并找出阀门开闭度与液位的关系。在正常运行阶段，应监控每罐的液面水位，特别是在蓄冷即将完成时，更要严密监控每一个水罐的出水温度，必要时手动调整运行方式。

2 浦东机场2#能源中心水蓄冷中的问题

2.1 蓄冷罐无法按照蓄冷设计要求充冷

根据设计要求，蓄冷罐内的蓄冷低温水为4 ℃、高温水为12 ℃，斜温层的厚度控制在0.5～1.5 m之间。因此，充冷过程的进水温度应控制在4 ℃，出水温度控制在12 ℃，直至斜温层到达顶端，出水温度开始下降，当出水温度低于12 ℃时充冷停止，充冷过程完成。此时，4 ℃低温水的厚度为20.5 m左右，斜温层的水温在4～12 ℃之间，厚度为1 m左右，蓄冷罐达到最大蓄冷量。

在对蓄冷罐进行充冷调试时发现，当蓄冷罐出水温度下降至充冷停止温度时，蓄冷罐内底部的水温为4 ℃，顶部的水温为12 ℃，斜温层的厚度为9.5 m，且蓄冷罐内的蓄水温度分布未安自然分层过渡，出现水层温度分布交错跳跃。由此可见，蓄冷低温水的水量和斜温层的厚度均未能达到设计要求。

2.2 原因分析

根据蓄冷罐内温度的分布情况，充冷终结时斜温层过厚，且斜温层的温度分布不正常，主要原因为在安装调试初期，蓄冷罐进行过多次充、放冷，每次充、放冷时均未将斜温层全部移至蓄冷罐外，便开始下一轮充、放冷调试，造成蓄冷罐内的蓄水分层水温非常混乱。此外，在充冷前，蓄冷罐内的温度分层不正常。因此，在充冷时，当上部出水温度已满足低于12 ℃的停止条件时，罐内还存有大量温度高低交错的斜温层，造成储存的低温水严重不足，蓄冷能力大为下降，无法按要求满足蓄冷计划。

2.3 解决对策

充冷时的水温更替是由下往上逐步变化的，如果充冷前蓄冷罐内的温度分层混乱，当出水温度达到充冷停止的条件时，则斜温层无法被全部更替。因此，充冷前蓄冷罐内温度分层混乱是造成斜温层破坏和导致蓄冷失败的主要原因。

3 解决方案

共拟定了2种解决方案：①改变原先充冷时“蓄冷罐出水温度下降至12 ℃停止充冷”的条件，将充冷的停止条件改为“当蓄冷罐内原有的斜温层全部移至罐外时”停止充冷，这样蓄冷罐内将会全部储存新充入的低温冷水。但由于受到制冷机组冷冻水回水最低温度保护的限制，当蓄冷罐出水温度降至9 ℃时，即制冷机组的冷冻水回水温度低于9 ℃时，制冷机组将卸载停机，进而停止制冷。此时，制冷机的冷冻水出水温度将不断上升，无法再对蓄冷罐充冷。 ②由于正常的充冷条件为“充冷前蓄冷罐内的水温必须按自然分层温度分布，且斜温层厚度必须正常”，所以在充冷前，可检测蓄冷罐的水温分层，当罐内的斜温层过厚、水温分层错乱时，必须将其全部排至罐外，以确保水温符合充冷条件。

由此可见，采用第一种方法将受制于制冷机组的运行条件，无法将非正常的斜温层全部排至罐外。但要将这些分层错乱的斜温层排至罐外，就要消耗大量的时间和能源，这样既不能满足运行时间控制的要求，又不符合水蓄冷系统的节能原则。因此，必须在日常运行操作中使蓄冷罐内的水温满足正常的充冷条件。在日常运行中，必须按照以下4点要求进行操作。

3.1 严格控制充冷冷量

根据次日气温预测和用户热负荷预测，估算出较为精确的充冷冷量，从而使当晚充入的冷量在次日既满足用户需要，又能全部用完。

3.2 增开制冷机

当因估算不准确或用户负荷变化而造成蓄冷冷量不足时，应增开制冷机补充。

3.3 避免在一个供冷日中多次充、放冷

充、放冷操作应以“一次充入、一次放完”为原则，避免在一个供冷运行日中进行多次充、放冷操作，防止蓄冷自然温度分层被破坏。

3.4 严格控制蓄冷罐放冷运行时的回水温度

应严格控制蓄冷罐放冷运行时的回水温度，使其不低于9.5 ℃，以保证充冷运行时制冷机组能正常制冷。

根据第二种方案进行试运行操作时，蓄冷罐的充、放冷运行正常，运行操作平稳、安全，基本符合原设计的充蓄冷的温度要求。需要注意的问题是，运用此方案时，必须准确估算充冷冷量，这就需要大量的原始数据和丰富的经验，且要在实践中不断修正、完善。

4 不同负荷下的运行方案

浦东机场为上海市的窗口行业，在设计负荷的25%～100%基本都有供冷需求。在不同负荷运行的情况下，回水温度也会有明显的变化，这样对斜温层有着很大的影响。因此，通过结合以往的气温变化情况和参考数据，得出了以下运行方案。

4.1 夏季运行方案

当设计日处于夏天最热的时候，应结合空调逐时的冷负荷分布图和上海市的电价政策设计。具体按以下3种工作模式运行：①“主机供冷+主机蓄冷”模式。在每日的22：00至次日6：00为电力低谷时段，可采用3～5台主机提供夜间冷负荷；5～7台主机全力蓄冷。至次日6：00时系统的总蓄冷量可达到1.16×105 Rth。②主机与蓄冷槽联合供冷模式。在每日的8：00—11：00和18：00—21：00，采用3～4台主机在空调工况下运行，以满足部分冷负荷的需求，其他的冷负荷由蓄冷槽供应。③主机单独供冷模式。除上述所有时段外，采用8～10台主机在空调工况下运行，以满足所有冷负荷的需求。

4.2 日负荷较小时的运行方案

在天气发生变化、日负荷较小时，系统将依据实际的冷负荷需求，通过控制系统调节运行模式，自动调整每一时段内蓄冷槽供冷与主机供冷的比例，以实现分量储冷模式逐步向全量储冷模式的转化，并按照“蓄冷槽优先供冷”的原则，最大限度地控制主机在电力高峰期间的运行，从而节省运行费用。

4.3 空调75%设计日水蓄冷空调的方案

结合空调逐时冷负荷分布图和上海市的电价政策，空调75%设计日水蓄冷空调具体可按以下4种工作模式运行：①“主机供冷+主机蓄冷”模式。在每日的22：00至次日6：00为电力低谷时段，可采用3～5台主机提供夜间冷负荷；5～7台主机全力蓄冷。至次日6：00时系统的总蓄冷量可达1.16×105 Rth。②主机与蓄冷槽联合供冷模式。在每日的8：00—11：00和18：00—20：00，采用3～4台主机在空调工况下运行，以满足部分冷负荷的需求，其他的冷负荷由蓄冷槽供应。③蓄冷槽单独供冷模式。在每日的20：00—21：00，由蓄冷槽满足全部冷负荷的需求。④主机单独供冷模式。除上述所有时段外，采用8～10台主机在空调工况下运行，以满足所有冷负荷的需求。

4.4 空调50%设计日水蓄冷空调的方案

结合空调逐时冷负荷分布图和上海市的电价政策，空调50%设计日水蓄冷空调具体可按以下4种工作模式运行：①“主机供冷+主机蓄冷”模式。在每日的22：00至次日6：00为电力低谷时段，可采用2～3台主机提供夜间冷负荷；7～8台主机全力蓄冷。至次日6：00时系统的总蓄冷量可达1.16×105 Rth。②主机与蓄冷槽联合供冷模式。在每日的12：00—13：00，采用5台主机在空调工况下运行，以满足部分冷负荷的需求，其他的冷负荷由蓄冷槽供应。③蓄冷槽单独供冷模式。在每日的8：00—11：00和18：00-22：00，由蓄冷槽满足全部冷负荷的需求。④主机单独供冷模式。除上述所有时段外，采用5台主机在空调工况下运行，以满足所有冷负荷的需求。

4.5 空调25%设计日水蓄冷空调的方案

结合空调逐时冷负荷分布图及和上海市的电价政策，空调25%设计日水蓄冷空调具体可按以下3种工作模式运行：①“主机供冷+主机蓄冷”模式。在每日的22：00至次日6：00为电力低谷时段，可采用1～2台主机提供夜间冷负荷；7～8台主机全力蓄冷。至次日6：00时系统的总蓄冷量可达1.16×105 Rth。②主机与蓄冷槽联合供冷模式。在每日15：00—18：00，采用1～2台主机在空调工况下运行，以满足部分冷负荷的需求，其他的冷负荷由蓄冷槽供应。③蓄冷槽单独供冷模式。在每日的8：00—11：00和18：00-22：00，由蓄冷槽满足全部冷负荷的需求。

5 结论

通过采用上述一系列的运行方案，运行操作平稳、安全，基本符合原设计充蓄冷的温度要求，现蓄冷水罐内的斜温层已经能够稳定地控制在0.3～1 m之间。水蓄冷作为分布式能源的一部分，符合科学发展观，是高效、环保的能源利用方式，有利于调整能源结构和实现节能减排的目标。

参考文献

[1]刘传聚.浦东国际机场二期水蓄冷空调系统的可行性分析[J].暖通空调，2006（03）.

[2]殷亮、刘道平.自然分层水蓄冷技术[J].暖通空调，1997，27（01）：50-53.

[3]黄丽.温度分层型水蓄冷槽的模拟与理论研究[D].武汉：武汉科技大学，2010.

〔编辑：张思楠〕

Control of Water Storage Operation

Zhang Min， Wang Chenxiao

Abstract： With the continuous development of air-conditioned storage technology， this has been gradually showing strong vitality and broad market in energy savings， economic and social aspects. Mainly discusses the natural form of stratified thermal storage， temperature and density of the utilization of different principles， separated by thermocline high and low temperature water. Must strictly control the water storage system running， or vulnerable to break out of its natural stratification of the law.

Key words： water storage； natural stratification； thermocline； operational control