上汽大众仪征工厂水蓄冷斜温层实测分析

徐新恒，陈雷田

（上海安悦节能技术有限公司，上海 200081）

引言

水蓄冷是利用水的显热实现冷量的储存[1]。自然分层型水蓄冷系统中，斜温层是影响冷热分层和蓄冷效果的重要因素，它是由于冷热水之间自然的导热作用而形成的冷热温度过渡层[2]，稳定的斜温层能防止冷水与热水的混合，但斜温层的存在降低了蓄冷效率，确保稳定而厚度适宜的斜温层是提高蓄冷效率的关键。

国内外对斜温层的产生机理和影响因素已进行了较多研究，刘文胜教授[3]通过理论推导分析研究了多股射流相互干扰下影响斜温层厚度的因素。Bahnfleth[4]对蓄冷槽进行了层流和湍流模拟，利用斜温层厚度、损失容量和等效损失高度等热性能指标，对模型的性能进行了评价。Kahar Osman[5]采用数值模拟方法确定了蓄冷罐尺寸和斜温层的关系。为进一步研究斜温层影响因素，本文基于上海大众汽车有限公司仪征分公司（以下简称仪征大众）蓄冷系统实测数据，分析不同因素对斜温层的影响，探究斜温层的变化情况。

1 仪征大众水蓄冷系统简介

仪征大众位于江苏省仪征市扬州汽车工业园，全厂集中冷冻站设在能源中心。厂区车间及办公楼空调冷冻水系统采用部分负荷水蓄冷方式，在能源中心西侧建了一个容积为10000m3的蓄冷水罐，图1为仪征大众水蓄罐现场照片，罐体直径30m，高16m。

图1 仪征大众水蓄冷罐

仪征大众水蓄冷系统如图2所示，蓄冷罐与蓄冷主机-1、蓄冷主机-2连接。蓄冷时，主机以蓄冷工况运行，放冷时主机以额定工况运行供冷，额定工况和蓄冷工况如表1所示，蓄放冷工况电动阀开关情况见表2。

图2 仪征大众水蓄冷系统图

表1 仪征大众主机额定工况和蓄冷工况参数

表2 蓄放冷工况阀门开关情况

2 仪征大众水蓄冷系统测试方案

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；板式换热器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。以上测点数据每5分钟记录一次，各测点同步读数。表3为测试仪器及参数。

表3 仪征大众测试参数及仪器

表4 仪征大众实测工况

仪征大众实测工况见表4，其中Case-1，Case-2和Case-3为变流量工况，将Case-2和Case-3与标准工况对比，用以探究变流量工况下蓄冷罐斜温层的变化情况。

3 仪征大众蓄冷罐垂直温度分布分析

针对标Case-1～Case-3，每间隔1小时取一次数据，绘制Case-1～Case-3蓄冷罐水体逐时垂直温度分布曲线，如图 3～图8所示。

图3 Case-1蓄冷阶段垂直温度分布

图4 Case-1放冷阶段 垂直温度分布

图6 Case-2放冷阶段 垂直温度分布

图7 Case-3蓄冷阶段垂直温度分布

图8 Case-3放冷阶段 垂直温度分布

从图3～图4所示的标准工况垂直温度分布中可以看出，Case-1开始蓄冷时，蓄冷罐底层温度约9℃，顶层温度约11℃，斜温层处于3m的位置，说明蓄冷罐内前一日放冷并不充分。蓄冷过程中，斜温层稳步上升，蓄冷结束，蓄冷终温为 6℃，斜温层停留在蓄冷罐顶部。在日间的放冷过程中，Case-1放冷并不充分，放冷终温约为9.3℃。

从图5～图8中可以看出，由于变流量工况的蓄放冷时间、流量都发生了变化，蓄冷罐水体垂直温度分布也较Case-1复杂。Case-2蓄冷阶段，蓄冷罐上部出现了局部蓄冷情况，导致蓄冷罐上下温度分布不均匀。放冷阶段，蓄冷罐上部温度分布并不稳定，而是随高度增加呈逐渐上升趋势。由于蓄冷初始温度较高，5:00前蓄冷温度最低只达到了8℃，受此影响，其后又进一步发生了从 8℃-6℃的“小温差”蓄冷过程。在Case-3放冷阶段中，先针对蓄冷罐下部发生了局部放冷，导致斜温层厚度增加，放冷结束蓄冷罐内温度达到了11℃左右。

4 仪征大众水蓄冷系统斜温层分析

斜温层厚度是评价水蓄冷罐分层效率的一个常用指标，为计算斜温层厚度，采用Musser和Bahnfleth提出的表达式，引入无量纲温度Φ[6]，如式（1）所示：

式中：T——斜温层区域某点处的温度，℃；

Tc——入口平均温度，℃；

Th——蓄冷水槽内最初的整体温度，℃；

在斜温层区域内无量纲温度Φ的变化范围为0～1，斜温层下部为0，斜温层上部为1。在计算斜温层厚度时取容忍量为0.15，即将斜温层无量纲温度值Φ=0.15～0.85对应的范围视为斜温层。对温度串2的测试数据采用OriginPro软件进行处理，得到的斜温层厚度如表5～表6所示。

表5 Case-1斜温层厚度

表6 Case-2和Case-3斜温层厚度

对比表 5蓄冷和放冷过程的斜温层厚度，可以看出在Case-1放冷过程斜温层厚度较大且不稳定，与蓄冷阶段对比其温差较小，说明增加冷热水温差有利于减小斜温层厚度，提高蓄冷系统运行稳定性。

从表6中可以看出，计算变流量工况斜温层厚度时所采用的斜温层无量纲温度范围有所改变，这是因为斜温层集中表征蓄冷罐内主要温度变化，且Case-2和Case-3蓄冷罐水体垂直温度分布不规则，与标准工况差异较大，因此结合工况特点重新确定了斜温层无量纲温度范围。Case-2中，蓄冷阶段先消耗了0.6℃的温差，故将无量纲温度区间左端点0.15右移，取0.25，得到无量纲温度范围0.25～0.85；放冷阶段右侧存在2℃左右的局部放冷，故将无量纲温度区间右端点0.85左移，取0.55，得到无量纲温度范围0.15～0.55。Case-3中，蓄冷阶段图线左右两侧均有额外消耗温差，左右两侧消耗温差分别为1.3℃、1℃，故将无量纲温度区间缩短为0.35～0.7；放冷阶段则在左侧多消耗了1.5℃温差，故将无量纲温度区间左端点 0.15右移，取 0.4，得到无量纲温度范围 0.4～0.85。结合表6中数据，Case-2放冷阶段和Case-3蓄冷阶段斜温层单位高度内温度差较大，说明二者在对应的斜温层无量纲温度范围，温度分层情况较好。

5 仪征大众水蓄冷系统测试小结

本节通过分析标准工况 Case-1、变流量工况 Case-2～Case-3蓄冷罐垂直温度变化情况，结合各工况特点计算蓄、放冷阶段斜温层，分析斜温层变化规律。其中标准工况Case-1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；变流量工况Case-2～Case-3蓄冷罐垂直温度分布则较为复杂，出现了“局部蓄冷”的情况。

总的来看，仪征大众水蓄冷系统在设计工况下具有较高的蓄冷效率和系统能效，但该系统运行过程中蓄放冷策略和负荷变化的匹配度有待改善，存在比较严重的放冷不完善现象，系统效率偏低。建议优化系统控制方法，根据车间生产情况及时调节蓄冷量，采用“蓄冷优先”的运行控制策略，保证所蓄冷量的充分释放。

[1] 王向宏.智能建筑节能工程[M].南京:东南大学出版社,2010.12,155.

[2] 李新禹.建筑能源应用工程[M].北京:机械工业出版社, 2016.08,141.

[3] 刘文胜,吴喜平.多喷嘴射流的速度分布及对斜温层的影响[J].上海节能,2002,21(1):14-16

[4] BahnflethWP, Song J,Cimbala JM . Measured and Modeled Charging of a Stratified Chilled Water Thermal Storage Tank with Slotted Pipe Diffusers[J], HVAC&R Research, 2003:187～196

[5] Kahar Osman, Syed Muhammad Nasrul Al Khaireed, etal. Dynamic modeling of stratification for chilled water storage tank[J], Energy Conversion and Management, 2008, 49(11) :3270～3273

[6] A. Musser, W. Bahnfleth, Evolution of temperature distributions in a full-scale stratified chilled water storage tank,ASHRAE Transacti-ons 104 (1) (1998) 55–67.