温度分层型水蓄冷装置在上汽大众的应用

陈雷田 于航

同济大学机械与能源工程学院

引言

水蓄冷是指利用夜间谷电，将冷能以低温水的方式贮存在一个大型的水罐（槽）中，白天峰电时段通过冷冻水的循环将贮存的冷能释放到需要冷却的场所。储能技术是改善电力需求侧负荷特性、优化输配电结构、提高发电效率的重要手段。在大规模储电技术尚未成熟之前，冷（热）能的贮存显得尤为重要[1]。

水蓄冷装置设计的关键是防止或减少冷热水的混合，为此，人们发明了多种形式的蓄冷装置，包括：双罐式，隔膜式，迷宫式和温度分层式等，其中温度分层式因制作工艺简单、成本低、便于维护等优点而成为大型水蓄冷装置的首选形式[2]。关于温度分层型水蓄冷技术蓄冷效果的影响因素，国内外已经进行了一些相关的研究工作。1977年，Lavan和Thompson[3]对分层型水蓄冷进行了实验研究，证实了该项技术的工程可行性。中国科技大学的方贵银教授[4]对温度分层型水蓄冷槽建立的物理数学模型，通过动态模拟分析斜温层厚度的影响因素，蓄冷效率随着蓄冷罐内有效水深的增加、斜温层厚度的减少而增大。同济大学于航教授[5]对大温差水蓄冷空调系统进行了模拟研究，分析温度分层型蓄水槽斜温层的形成和发展。胡国霞[6]研究了影响自然分层型水蓄冷槽的蓄冷特性的主要因素，对不同类型布水器的温度场和速度场进行比较分析，发现斜温层形成与布水器的设计有很大的关系。黄庆河[7]就大温差与小温差自然分层水蓄冷的充、放冷过程进行了模拟研究，计算结果表明，大温差水蓄冷的斜温层相对小温差水蓄冷较稳定，温度分层明显，蓄冷效率较高。本文将温度分层型水蓄冷技术应用于上汽大众仪征工厂，并对蓄冷装置进行检测，对蓄冷放冷过程、进出口温度和斜温层进行特性分析，对提高蓄冷装置性能提供建设性意见。

1 水蓄冷系统设计

上汽大众汽车有限公司仪征分公司（以下简称CP5）位于江苏省仪征市扬州(仪征)汽车工业园，一期规划年产30万辆乘用车。全厂的集中冷冻站设在能源中心内，四大车间（冲压、车身、涂装、总装）、技术中心、办公楼等空调冷冻水系统为一个系统，共配置5台单机制冷量8 722 kW的水冷离心式冷水机组和2台单机制冷量1 500 kW的水冷螺杆式冷水机组，另预留一台离心式冷水机组与对应水泵位置。能源中心向厂区管网提供10℃/16℃的冷冻水。CP5作为大众在中国的绿色标杆工厂，采用了光伏发电、地源热泵、水蓄冷、空压机余热回收等多项绿色节能技术。

本项目采用了部分负荷水蓄冷方式（即夜间储存的冷量不能满足白天全部需求，仍需开启冷冻机辅助制冷），在能源中心西侧建了一个有效储水容积10 000 m3的钢制蓄冷罐（图1），设计蓄冷量为92 800 kWh。冷冻机(1#与2#)与蓄冷罐并联连接。夜间蓄冷时，两台冷冻机以蓄冷工况运行(冷冻水进/出水温为14℃/6℃)，进行蓄冷，蓄冷用时约8小时。白天空调时段，两台冷冻机可参与直接供冷。蓄冷罐中蓄存的冷量通过两台放冷水泵和板式换热器释放出来。系统简图如图2。

图1 仪征工厂蓄冷罐现场实景

本项目根据使用需求和场地条件采用了温度分层式结构，共设置了上下各四圈的多边形布水器，在单个总长度约300 m的布水器上，均布了近1 800个直径为25 mm的布水孔。冷冻水从罐体出入口到最后各布水孔出水经过多次不同层面立体水流分配过程，确保水流到达各布水孔时流速和流量的稳定、均匀。斜温层下部流体的混合程度取决于布水器进口弗朗特数（Fr）和雷诺数（Re）[8]，本布水系统设计中Fr和Re分别为0.45和843，各布水孔的正常工作流速为0.39 m/s。

图2 水蓄冷系统流程图

蓄冷罐罐体按国家石油储罐与水蓄冷系统的相应规范采用Q235B钢板焊接而成。罐体外保温采用100 mm厚阻燃型聚苯乙烯（50 mm两层，错缝粘接），保证设计气象条件下罐体外表面不结露。罐体内每隔0.5 m设置一个温度传感器。蓄冷罐同时还包括人孔、进出水管道、中心立柱、结构件、钢爬梯、罐顶围栏、避雷装置、接地装置、自动补水管、溢流管、检查管、排污管等附属结构和装置。

该项目于2012年夏季投入使用，至今已应用六个制冷季，每天可节约运行费用1.4万元，年节约费用250万元左右，完全达到设计要求。

2 水蓄冷系统性能测试

在自然分层型水蓄冷系统中，斜温层是一个影响冷热分层和蓄冷效果的重要因素，它是由于冷热水间自然导热作用而形成的一个冷热自然过渡层，确保稳定而厚度适宜的斜温层是提高蓄冷效率的关键。为了研究系统运行过程中斜温层的变化情况，我们对该蓄冷装置进行了两天的详细检测。

本测试中选取蓄冷罐进水长直段作为流量测点，在对应的供回水管段布置温度测点，Pt100温度探头贴壁安装并覆以保温材料；放冷板换一次侧和二次侧进出口分别布置温度测点；蓄冷罐内采用两条温度串进行测量，1号温度串布置在蓄冷罐截面半径距中心1/4处，2号温度串布置在蓄冷罐截面中心处。每5分钟记录一次，各测点同步读数。表1为测试参数及仪器，表2测试工况列表。

3 测试结果与性能分析

在自然分层型水蓄冷槽中，通常在斜温层的底部水温仍然保持初始温度，在斜温层的顶部水温接近进口温度。为了计算斜温层厚度，引入无量纲温度Φ：

表1 测试参数及仪器

表2 测试工况列表

式中，Tc代表进口温度，Th代表槽的初始温度。在斜温层区域内无量纲温度的变化范围为0～1，斜温层下部为0，在斜温层上部为1。对温度串2的测试数据采用OriginPro7.5软件进行处理，表3为处理得到的斜温层厚度。

3.1 蓄、放冷过程分析

图3和图4显示了两种工况下蓄冷罐内蓄冷和放冷过程中的温度分布状况。可以看到，2个温度串的温度曲线几乎重合，说明在蓄冷罐水平面上温度分布较为均匀，蓄冷罐保温效果很好，横向热散失很少。在后续进出口温度和斜温层影响因素的分析过程中只针对温度串2的测试数据分析讨论。

从图3中可以看出，在工况1开始蓄冷之时，蓄冷罐底层温度为9℃，顶层温度为11℃，斜温层处于3.5 m的位置，蓄冷罐内前一日的放冷并不充分。蓄冷温度为6℃，不同温度的水之间由密度差形成稳定的重力流，冷、温水之间形成了明显的斜温层，随着蓄冷过程的继续进行，斜温层稳步上升。蓄冷结束，斜温层停留在蓄冷罐顶部。在日间的放冷过程中，工况1放冷并不充分（最高只到9.75℃，而设计为14℃），这是因为蓄冷罐与另外多台离心冷冻机并联供冷，整个系统的控制未以蓄冷罐放冷优先来设置，蓄放冷策略和负荷变化的匹配度有待改善。

图3 标准工况1蓄冷罐温度分布曲线

3.2 进出口温度变化特点分析

图5 和图6显示了两种工况下蓄、放冷过程中，蓄冷罐进出口温度随着时间的变化状况。可以看出，进出口温度曲线在放冷末期均呈现上升状态，这是因为在放冷过程末期，蓄水池内的下布水器出口周围由于冷热水的混合导热作用，出口温度升高，使得冷冻机出口温度、蓄水罐上端进口温度升高，这势必会影响到下一个蓄冷工况的稳定性。

表3 标准工况蓄冷罐斜温层情况

图4 标准工况2蓄冷罐温度分布曲线

对比蓄冷阶段和放冷阶段，可以看出，在工况1中放冷过程的供回水温差仅为3.75℃，远小于蓄冷过程，而在工况2中放冷供回水温差略高于蓄冷过程，这也反应了在工况1中受用户侧负荷偏小的影响没有充分放冷。放冷过程中上布水器的进口温度也在用户侧负荷不稳定变化的影响下呈现出一定的波动性。

3.3 斜温层影响因素分析

图5 标准工况1蓄冷罐进出口温度分布曲线

图6 标准工况2蓄冷罐进出口温度分布曲线

从图3和图4可以看出，标准工况下蓄冷罐内温度曲线较为规则，蓄冷初期斜温层逐渐形成，呈现出明显的温度分层，随着放冷结束斜温层逐渐消失，蓄冷按设计工况运行时斜温层控制较好。对比表3中蓄冷和放冷过程的斜温层厚度值，发现在工况2夜间蓄冷过程中斜温层厚度较大且不稳定，综合考虑进出口温度和蓄冷罐内温度分布，在工况1放冷末期底层冷热水的混合破坏了斜温层的稳定性，并反应在进出口温度的变化上，导致再次进入蓄冷阶段时，斜温层厚度增加。因此在系统运行过程中，放冷至斜温层完全消失或是斜温层未被破坏状态有助于下一个蓄冷工况斜温层的稳定性。

结合进出口温度分布和斜温层计算表，在放冷过程中斜温层受上布水器进口温度的变化呈现一定的波动性，由于用户侧负荷的不稳定性，当上布水器进口温度偏离蓄冷罐内温度时，水流进入罐内会形成额外的混合，进而影响罐内温度分层。因此在系统运行过程中，可采取蓄冷优先策略，并通过调节流量的方式充分放冷，增强放冷阶段上布水器进口温度的稳定性。

4 结论

该项目采用的温度分层型蓄冷技术基本达到了设计要求，具有良好的经济效益和可复制推广性。通过对运行数据的蓄冷放冷过程、进出口温度和斜温层进行特性分析，发现系统的控制策略、用户侧负荷变化、蓄冷放冷时间都会对斜温层产生影响，蓄冷装置不能作为一个孤立的设备来用，必须同时考虑冷冻机的出水温度、负荷调节方式和用户侧末端的控制方式，使产冷、储冷、输冷和用冷作为一个有机的整体。未来应该在系统的整体控制策略方面改进提高。

[1]H Lin, XH Li,etc. Thermoeconomic evaluation of air conditioning system with chilled water storage[J]. Energy Conversion& Management, 2014,85(9):328-332.

[2] 方贵银. 蓄冷空调工程应用技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2000.05, 141-145.

[3] Lavan Z, Thompson J.Experimental study of thermally stratified hot water storage tanks[J]. Solar Energy, 1977, 19(5): 519-524.

[4] 方贵银. 空调水蓄冷温度分层动态特性研究[J]. 太阳能学报, 1999,20(3):279-283.

[5] 于航,邓育涌等.温度分层型水蓄冷罐的仿真研究[J]. 电力与能源,2006, 27(3):120-122.

[6] 胡国霞.自然分层型水蓄冷槽布水器的模拟[J].电力与能源, 2007,28(4):237-240.

[7]黄庆河,曹连华等.水蓄冷技术在数据中心的应用研究[J]. 暖通空调,2016, 46(10):1-4.

[8]A.Musser,W.P. Bahnfleth.Parametric Study of Charging Inlet Diffuser Performance in Stratified Chilled Water Storage Tanks with Radial Diあusers: Part 1–Model Development and Validation.Hvac & R Research,2001, 7(1):31-49.

节能信息与动态

工行上海分行绿色金融“贷”动绿色发展

近年来，工商银行上海分行积极践行“绿色发展”和“绿色金融”理念，通过信贷结构的绿色调整促进经济社会实现绿色发展，截至2017年末，该行在绿色经济领域的贷款余额超过200亿元。

在绿色交通运输项目中，工行上海分行大力支持城市轨道交通、铁路和港口航道等基础建设，截至2017年末，贷款余额超过180亿元，减少标准煤9.06万t，减排CO2当量9.56万t。在可再生能源及清洁能源项目投入上，该行大力支持风电项目，截至2017年末，该领域贷款余额达10亿元，减少标准煤12.79万t，减少CO2当量31.72万t，节水2.37 t。该行十分注重“绿色环保”这一民生工程，截止2017年末，投入垃圾处理及污染防治项目的贷款近5亿元。此外，工行上海分行支持部分大型工业企业技术设备升级，降低能耗减少环境污染，积极支持这些企业升级改造，截止2017年末，该行在工业节能节水环保领域的贷款余额约3.3亿元。同时，该行积极支持城市污水处理净化项目的建设扩容，城市节水项目贷款余额近1.5亿元。