不同蓄冷流速对筏基迷宫式水蓄冷效率的影响

钱轶珺，刘毅，华炜，张新记，张杰，陈聪慧

（1.上海世博绿色能源发展有限公司，上海200002；2.华东建筑设计研究总院，上海200002）

不同蓄冷流速对筏基迷宫式水蓄冷效率的影响

钱轶珺1，刘毅2，华炜2，张新记2，张杰1，陈聪慧1

（1.上海世博绿色能源发展有限公司，上海200002；2.华东建筑设计研究总院，上海200002）

针对某筏基迷宫式水蓄冷项目，根据流体力学相似原理建立筏基水槽模型，模拟不同蓄冷/释冷流量的蓄冷/释冷工况，进行模型实验。计算不同工况下的冷量转移和水槽体积利用率。分析研究流速对筏基迷宫式水蓄冷性能的影响，并给出推荐蓄冷/释冷流速。最后，通过相似性原理推算到实际项目中，为实际项目执行提供参考意见。

迷宫式水蓄冷；相似原理；模型实验；冷量转移效率；体积利用率

0引言

上海某项目欲利用建筑地下筏基结构充当蓄冷水槽，采用迷宫式水蓄冷，将蓄冷水槽与建筑空间完美结合在一起，提高建筑空间利用率，提出筏基迷宫式水蓄冷模式。

目前，国内已有多个利用筏基充当容器的冰蓄冷工程实例，比如北京国贸中心二期工程综合楼，建筑面积约12万m2，利用建筑物原有的筏基做成土建蓄冰槽，总蓄冷量46378.7kWh；中国大饭店，建筑面积约10万m2，利用机房下面的筏基做土建蓄冰槽，总蓄冷量33851.1kWh。

但目前国内甚至国外，均无利用筏基进行水蓄冷的工程案例。并且，相关的实验研究也很少，对于如何验证利用建筑筏基进行水蓄冷的实际效果也几乎处于空白状态。因此，采用模型实验对筏基迷宫式水蓄冷进行分析研究具有相当的重要性和必要性。本文主要通过模型实验来探究蓄冷及释冷流速对筏基迷宫式水蓄冷系统效率的影响。

1 迷宫式水蓄冷简介

1.1 迷宫式水蓄冷

水蓄冷系统是利用水的显热特性来储存冷量。而迷宫式水蓄冷是采用隔板把蓄水槽分成很多个小单元格，水流按照设计的路线依次流过每个单元格。图1所示为迷宫式蓄水罐中水流的路线。迷宫式水蓄冷能较好地防止冷热水混合。但在蓄冷和放冷过程中有一个是热水从底部进口进入或冷水从顶部进口进入，这样易因浮力造成混合。另外，水的流速过高会导致扰动及冷热水的混合；流速过低会在单元格中形成死区，降低蓄冷系统的容量[1]。

图1 迷宫式水蓄冷原理图

1.2 项目原型

上海某项目拟利用地下筏基区域进行水蓄冷，该项目共有7大筏基区。该实验以东南筏基区一条流道为研究分析原型。

图2 东南筏基区蓄冷水流线示意图

图3 筏基区某一内墙留洞示意图

该项目设计采用迷宫式水蓄冷，其蓄冷水流线及内墙开孔如图2、图3所示，其蓄水最大高度不能超过1.48m，平均蓄水高度1.41m，内墙厚360mm。设计蓄冷温度13/20℃。

2 迷宫式水槽实验理论

2.1 实验思路

由于目前国内缺少实际项目案例，不能直接分析流量对蓄冷效率的影响。故将上述东南筏基区的一条流道缩小建立实物模型，然后进行模型实验。保证蓄冷、释冷温度一致，改变蓄冷和释冷流速，从而分析流速对迷宫式水蓄冷效率的影响。

2.2 实验原理

模型实验的关键是模型流体和原型流体必须保持流动相似。这就需要满足以下几个条件：几何相似、运动相似、动力相似、初始条件和边界条件相似。

几何相似是指原型与模型的外形相似，其各对应角相等，而且对应部分的线尺寸均成一定比例。

对应角相等：

线性尺寸成比例：

运动相似是指原型与模型两个流动的流速场和加速度场相似。要求两个流场中所有对应的速度和加速度的方向对应一致，大小都维持固定的比例关系。

速度比尺：

时间比尺：

加速度比尺：

运动相似规定了时间比尺，只要对任一对应点的流速和加速度都维持固定的比尺关系，也就固定了长度比尺λl和时间比尺λt，就保证了运动相似。

动力相似是指原型与模型两个流动的力场几何相似。要求两个流场中所有对应点的各种作用力的方向对应一致，大小都维持固定比例关系。

初始条件和边界条件相似是指流体所处环境及边界状况相似，主要包括压力、温度、摩擦系数等。

已知迷宫式水蓄冷槽内水流属于液位差驱动的孔口淹没射流，根据满足一个主要力相似忽略其他次要力相似的模型律原则，选用弗劳德准则数，也即主要相似为重力相似[2]。

弗劳德数：

当原型与模型的弗劳德数相等时，两者重力相似，即：

长度比尺：

则体积比尺：

流量：

可得速度比尺：

流量比尺：

时间比尺：

根据该原理，确立实验模型参数及各工况对应参数，进行实验。

3 迷宫式水槽实验模型及实验工况

根据上述实验原理，按长度比尺1:5建立模型水槽。

图4 模型水槽蓄冷水流线示意图

该实验模型水槽用材采用10mm厚聚丙烯塑料板，连接方式为热熔焊。聚丙烯（Polypropylene，简称PP）是一种半结晶的热塑性塑料，具有较高的耐冲击性，机械性质强韧，并且具有良好的隔热性能，其密度为920kg/m3，熔点为164-170℃，符合模型制造要求。

水槽外型尺寸根据原模型缩小5倍制成。水槽上下底面高度330mm，内壁厚度62mm（用两块10mm厚PP板形成42mm夹层）模拟实际墙体厚度并具有较好隔热效果；模型水槽壁的开孔尺寸及开孔位置均在原型尺寸的基础上缩小5倍得来，所有槽壁的开孔均由一个Φ120mm大孔，一个Φ80mm的小孔（泄水孔）和若干Φ100mm小孔组成。共设5个透明玻璃液位计。如图4、图5所示，图中箭头代表蓄冷流向，释冷流向相反。

侧壁保温采用60mm厚橡塑保温，由两层30mm厚橡塑保温材料构成；顶部盖60mm厚泡沫板进行保温。由于聚丙烯材料本身传热性能差，具有较好的隔热性能，故底部和内壁夹层不设置保温。

模型水槽实际蓄水平均高度282mm，总蓄水量16.92m3。

水槽实验工况共分四种情况见表1。

图5 模型水槽侧壁开孔示意图

表1 迷宫式水槽实验结果分析

3.1 不同流量水槽体积利用率

评价蓄冷系统性能主要有冷量转移效率和蓄冷容积利用率两个指标。其蓄冷体积利用率计算方式如下：

表2 相关体积记录m3

表3 水槽体积利用率记录%

实验一，蓄冷流量较小，其蓄冷循环水量仅14.02m3，水槽内蓄水量为完全循环；实验二可认为水槽蓄水恰好循环一次；实验三工况蓄冷近似全水槽恰好均有效蓄冷；实验四过度蓄冷。

对比分析4次实验有效蓄冷量和蓄冷循环水量的比值，可发现随着蓄冷流量的增加，其有效蓄冷体积占比先增加后减少，在蓄冷流量为5.2m3/h时其蓄冷效率最高。

对比有效释冷体积与有效蓄冷体积比值可发现，随着释冷流量的不断增加，其比值不断减少（实验四有所上升是由于其过度蓄冷，导致其蓄冷结束时水槽内平均水温偏低），说明释冷流量不宜过大。根据该实验分析，推荐实际释冷流量不宜大于10.4m3/h，释冷流量在7-10m3/h范围内其效率较高能达70%左右。

从水槽体积利用率方面考虑，为保证水槽能充分利用，其蓄冷流量不宜过小，应尽量保证水槽均有效蓄冷，同时蓄冷流量也不宜过大，流量过大一方面增加水泵能耗，另一方面造成冷量富裕二浪费。根据该实验分析，该模型水槽推荐蓄冷流量为5.2m3/h，保证水槽恰好完全有效蓄冷，并且冷量利用率高。

3.2 不同蓄冷流量对蓄冷效率的影响

另一个冷量转移效率指标计算方式如下：

可根据蓄冷工况进出口温度及蓄冷流量分别计算出4次实验总蓄冷量，总蓄冷量量计算公式：

而温度传感器测量值得出有效蓄冷水量，并根据蓄冷前后温差计算：

计算结果见表4。

表4 不同蓄冷流量对蓄冷效率的影响

实验一、二的冷量转移效率基本一致，实验三、四的冷量转移效率也基本一致。而实验一、二蓄冷流量较小，蓄冷结束时水槽为完全蓄冷，实验三、四已完全蓄冷，说明完全蓄冷情况下冷量转移效率会高于未完全蓄冷工况。其原因为未完全蓄冷工况下，在释冷过程中水槽掺混区域更大，因此推荐实际蓄冷时确保水槽尽可能完全蓄冷。

3.3 不同流量蓄冷1小时

截取实验一、实验二、实验三（实验四过度蓄冷不具代表性，不再讨论）3次实验蓄冷前一小时数据，计算总蓄冷量和有效蓄冷量（水槽内水温不高于释冷温度上限即为有效蓄冷量，可从全水槽温度分布中查阅各小水槽温度，从而估算有效蓄冷体积，然后根据（Q=cmΔt）计算有效蓄冷量）。

表5 不同蓄冷1小时的结果

蓄冷阶段第一小时3次实验水槽进出口温差均稳定在7℃左右（实验4由于流量较大蓄冷温差有所波动），根据控制变量法原则，可排除进出口温度波动对有效蓄冷量的影响，同时1h的循环水量远小于水槽蓄水量可排除水槽容积对有效蓄冷量的影响。故此处可认为蓄冷流量大小是影响有效蓄冷效率的唯一因素。

分析表明，在实验允许误差范围内，有效蓄冷率随蓄冷流量的增加而减小，其原因为流速越大，水流掺混越严重，能源品质下降多。故蓄冷以及释冷流量均不宜过大，流速大掺混严重。并且可从侧面反映，该实验最小蓄冷流量3.92m3/h下，其蓄冷效率较高，说明该流量蓄冷时水槽内死区不大。

4 根据实验结果进行原型推算

根据相似性原理可将实验结果逆推到原型中（详见实验原理章节），从而估算实际运行有效释冷量（换算关系详见实验原理章节）。该推算基于实际释冷温差与实验释冷温差一致，均为7℃左右。以实验一为例，详细实验推算过程如下：

从而可推出算，在实验一工况下，系统总蓄冷流量：

系统总释冷流量：

系统总蓄冷量：

系统总蓄冷功率：

系统释冷量：

系统释冷功率：

即使平均分配到8h释冷（假设效率不变），系统平均释冷功率：

设计日冷负荷为89630kW，故该工况下系统能在白天减少制冷主机开机台数。

表6 不同蓄冷实验的原型推算

由于实验四过度蓄冷，不推荐用于实际工程，故不再推算。实验一、二、三详细结果见表6。

由于此次模拟对象为东南筏基区内一条流向上的水槽，对模拟数据处理计算可得到该区域供冷能力等参数，为分析整个能源站（7个筏基区）的蓄冷效果，假设其余未模拟的筏基区蓄冷效果亦相同，因此系统供冷能力为模拟区域供冷能力的19450/1505.5=12.91倍，系统效率与模拟区域效率相同。

5 结语

由该次实验可知，在设计工况下，该迷宫式水蓄能系统冷量转移效率在70%左右，水槽体积利用率也可达65%以上，与美国、日本等迷宫式水蓄冷体积利用率接近，符合设计需求，该流道设计可应用于工程实际。

该次模型实验蓄冷流量在3.92-5.2m3/h范围内蓄冷效果均较好，差距不大，故实际工程中总蓄冷流量可控制在2829-3753m3/h之间。

该模型实验释冷流量在7.5-10.4m3/h范围内释冷效果良好，建议实际工程释冷流量控制在7506m3/h之内，但特殊情况也可高于该值。

根据该实验可知，水槽完全蓄冷工况下其系统效率较高，故实际运行中应尽量确保每个筏基区流道完全蓄冷。

实际项目为7个筏基区流道并联运行，在负荷需求较低的过渡季节，可切断部分筏基流道，确保参与蓄冷的流道蓄冷完全。

若夜间蓄冷较多，白天负荷需求较少，释冷时可仅开部分筏基流道进行释冷，确保参与释冷流道释冷基本完全，其他未参与释冷流道扔未完全蓄冷状态，从而提高系统效率。

每个筏基区流道蓄冷/释冷流道流量分配应根据实际蓄水量分配，其流量比即为蓄水量比，若蓄水高度一致，则流量比即为可用蓄冷底面积之比。根据水槽实际蓄水量分配各支路流量，保证各筏基区流道蓄冷/释冷基本同时完成。

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 周光炯，严宗毅，徐世雄，等.流体力学[M].2版.北京：化学工业出版社，2014.

修回日期：2016-11-25

Analysis on Efficiency of Water Storage in Raft Foundation Labyrinth on Fifferent Flow Velocity

QIAN Yi-jun1，LIU Yi2，HUA Wei2，ZHANG Xin-ji2，ZHANG Jie1，CHEN Cong-hui1
（1.Shanghai Power Green Energy Co.，Ltd，Shanghai 200002，China；2.East China Architectural Design&Research Institute MEP 2，Shanghai 200002，China）

In a raft of labyrinth water storage projects, according to the principle of fluid mechanics similar raft flume model, simulation of different storage/release of cool storage/release cold condition of cold flow, model experiments. The cold calculation under different working conditions was transfer and utilization rate of water tank volume. Velocity analysis research on the properties of raft labyrinth water storage, and recommended storage/release cold flow velocity is given. Finally, through the principle of similarity calculation to the actual project, provides reference for actual project execution .

labyrinth water storage；the similar principle；model experiment；cold energy transfer efficiency；volume utilization

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.019

TU831

B

2095-3429（2016）06-0070-06

钱轶珺（1969-），女，上海人，工程师，主要从事天然气分布式供能投资相关工作；刘毅（1964-），男，上海人，教授级高级工程师。

2016-10-25