筏基迷宫式水蓄冷槽内部温度分布特点及其建模原理验证

陶 瑾， 黄瑷莉， 薛栓平， 朱洲江

（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；3.杭州源牌科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

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。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。

目前，我国已由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㎡，利用建筑物原有的筏基做成土建蓄冰槽，总蓄冷量46 378.7kW.h[3]；中国大饭店，建筑面积约10万㎡，利用机房下面的筏基做土建蓄冰槽，总蓄冷量33 851.1kW.h[4-5]。

但目前国内外，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相当重要。可以通过模型实验来研究弗劳德准则对于迷宫式水蓄冷系统模型实验的适应性分析，同时根据模型实验中蓄冷、释冷工况下水槽内部水温变化及分布特点，为实际工程温度测点布置方案提供参考意见。

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。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。

以上海某项目拟建的迷宫式筏基水蓄冷项目为例，将其按重力相似（弗劳德准则）缩小建立实物模型，进行模型实验。分别在模型各小水槽内部设置温度测点，采集记录各水槽内部水温进行对比分析。

1 实验步骤

1.1 水池模型

首先将原蓄水池按相似性原理缩小5倍建立模型。包括水池的外形尺寸、水池内壁厚度、蓄水池槽壁的开孔尺寸及定位等均在原型尺寸的基础上缩小5倍得来，首先确保其几何相似。所有槽壁的开孔均由一个直径120mm大孔和若干直径100mm小孔组成，槽壁厚度为72mm，水池净深度336mm。，流体流道如图1所示，蓄冷时流体流动方向如图箭头所示，释冷时则逆向流动。模型水槽实际蓄水平均高度282mm，总蓄水量16.92m3。

图1 筏基实验模型流道示意图Fig.1 Schematic diagram of raft experimental model

1.2 温度测点布置

首先对模型小水槽进行标号，按蓄冷流动方向依次标号，如图2所示。

图2 筏基模型水槽编号图Fig.2 raft model sink number diagram

温度传感器布置如图3所示，T2～T39为投入式温度传感器，用于监测水槽内部水温变化。T2、T39安装于水槽进出口，1#、9#、16#、21#、26#水槽分别布置3个温度传感器，分别设置在水槽上、中、下不同高度（距下底面分别为240mm、140mm、40mm）。其余水槽均在水槽中间布置一个温度传感器（距下底面140mm）；

4#水槽中的t1～t12温度传感器用于测量单仓内的温度分布，鉴于8个角落容易产生死区，故在8个角落各布置一温度传感器（上探头距上液面约30mm，下探头距下底面约30mm）；

其中t1-X，t2-X，t3-X为线缆式温度传感器，该线缆安装于开孔PVC管道内；而t4-X，t5-X，t6-X为上下折线式安装的线缆式温度传感器。

1.3 实验方案

进行三组不同流量的蓄冷/释冷循环实验。实验一蓄冷流量3.92m3/h，释冷流量7.88m3/h；实验二蓄冷流量4.72m3/h，释冷流量9.38m3/h；实验三蓄冷流量5.2m3/h，释冷流量10.4m3/h。

蓄冷温度设定为12/20℃，在实验过程中主机出口温度在11～13℃范围波动，不影响实验结果。

2 实验结果

2.1 同流量下不同水槽内温度对比

以1#、9#、16#水槽的蓄冷实验为例，其内部分别布置有上、中、下不同高度的3个温度传感器（平面位置均在水槽中间区域），距离底面高度分别为240mm、140mm、40mm。实验蓄冷流量3.92m3/h。

图3 温度传感器测点布置示意图Fig.3 The temperature sensor measurement point layout schematic

图4 1#水槽内部温度变化趋势图Fig.4 The temperature change trend chart in the tank of No.1

图5 9#水槽内部温度变化趋势图Fig.5 The temperature change trend chart in the tank of No.9

图6 16#水槽内部温度变化趋势图Fig.6 The temperature change trend chart in the tank of No.16

由1#、9#和16#水槽温度趋势图可知，蓄冷工况下40～240mm高度内的温度传感器测量值基本一致，故蓄冷工况下水槽中部温度值可以视为水槽平均温度，具有代表性。同时说明水槽内部温度分布均匀，蓄冷效果良好。

2.2 不同流量下同一水槽内温度分析

以9#水槽为例，分析不同蓄冷流量下水槽内部温度变化。

图7 流量3.92m3/h下9#水槽温度变化趋势图Fig.7 The temperature change trend chart in the tank of No.9 when the flow is 3.92m3/h

图8 流量4.72m3/h下9#水槽温度变化趋势图Fig.8 The temperature change trend chart in the tank of No.9 when the flow is 4.72m3/h

图9 流量5.2m3/h下9#水槽温度变化趋势图Fig.9 The temperature change trend chart in the tank of No.9 when the flow is 5.2m3/h

综上，说明即使蓄冷流量不断增加，但40～240mm高度的温度传感器测量值均一致，说明该高度内的温度能代表各流量下水槽的平均温度，且3.92～5.2m3/h的蓄冷流量其蓄冷效果均较为良好。对于实际工程，建议温度传感器测点高于底面0.2m。

2.3 死区分析

以4#水槽为例，分析蓄冷工况下其内部不同位置温度变化。蓄冷流量3.92m3/h。

图10 4#水槽内部温度变化趋势图Fig.10 The temperature change trend chart in the tank of NO.4

在该蓄冷流量下t1、t3、t5、t7、t11温度变化相对较慢，说明水槽上液面的四个角落容易形成死区，并且蓄冷入口侧上角落形成死区较大，底面的4个角落不太容易产生死区；但随着蓄冷时间的推移，上平面的死区逐渐消除，该流量下约45分钟死区完全消失。

2.4 线缆式温度传感器适用性分析

布置线缆式温度传感器主要目的为验证线缆式温度传感器的布置位置及安装于PVC管道内对实际测温效果的影响。

实验发现，上下折线式安装的线缆式温度传感器与投入式温度传感器测温值基本一致，测温值准确无误，直线平铺式安装的线缆式温度传感器的测温值与投入式温度传感器测温值在蓄冷过程中基本一致，偏差不大，亦可适用。

3 结语

（1）通过对比蓄冷/释冷的模型实验验证了重力相似即弗劳德准则适用于迷宫式水蓄冷系统的建模实验，对实际工程具有指导意义。

（2）蓄冷工况下，水槽上表面容易产生死区；而蓄热工况下则水槽下底面容易产生死区。在实际工程中应选择合适的流量，减少死区。

（3）实际工程中，推荐温度探头测点布置于水槽中间区域，测点高度不宜过高也不宜过低，避开死区，可以正确反映水池内部温度。

（4）实际工程中可选用直线平铺式安装的线缆式温度传感器。但为减少PVC套管对测温效果的影响，PVC套管直径较大为宜，管道宜多开孔。

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