大型能源站水蓄冷/热系统设计及模拟分析

2020-05-16宋宏升

分布式能源 2020年2期

宋宏升

(北京燃气能源发展有限公司，北京朝阳 100101)

0 引言

温度分层型水蓄冷(热)方式作为一种低投入、高效的蓄能方式正受到越来越多的重视和关注。国外对温度分层型水蓄冷技术研究较多，1977年，Lavan和Thompson对分层型水蓄冷系统进行了实验研究，初步得出一些结论，证实了该项技术的工程可行性[1]。1982年，Gross根据实验总结出分层型水槽内温度分布的一维特性和水槽内表面对导热的影响[2]。1983年后，M W Wildin和C R Trutnan对分层型水箱蓄冷进行了近十年的实验研究[3-6]。Stewart(1992)建立二维稳态模型，研究了从条缝中向下流到蓄水槽时的分层效果。研究表明，流体的分层效果主要取决于条缝开口宽度、进口高度、以及雷诺数[7]。A I Najem和Homan、Oppel、Cole和Bellinger等分别对蓄冷水槽内的温度分布提出了一维的数学模型[8-9]。

目前，国内对温度分层型水蓄冷的研究也较多，对斜温层特性的研究主要集中在工程实践上。中国科技大学方贵银教授对温度分层型蓄冷槽进行了动态模拟，建立数学物理方程，得出了斜温层受供回水温差，进口处水流状态及槽体保温等因数影响[10-11]。同济大学于航教授对大温差水蓄冷空调系统进行了模拟研究，研究了温度分层型蓄水槽斜温层的形成和发展[12-13]。

以上相关国内外的主要相关分析和研究主要是针对单一的水蓄冷工况所进行的模拟分析及相关研究，对于水蓄热尤其是针对具体工程实践中的水蓄热方面的研究分析很少，本文基于某冷热电分布式多能耦合能源站系统中的水蓄冷(热)系统的具体工程实践，采用专业CFD软件模拟并结合水蓄能系统相关的核心技术指标评价计算的方式同时评价及验证了该项目水蓄冷及蓄热工况是否完全满足设计要求。评价计算及模拟分析的方法及结论也可以为今后行业内类似项目提供一定的借鉴和参考。本文具体研究内容有：

1) 针对实际工程，根据水蓄冷(热)系统的相关设备实际选型参数，对相关核心技术指标进行评价计算。

2) 利用CFD软件建立水蓄冷(热)系统的模拟模型，模拟水蓄冷及蓄热工况下的系统性能。

3) 结合上述评价计算机模拟验证结果，对系统是否完全满足设计要求进行评价。

1 工程概况

本文研究所基于的北京城市副中心行政办公区某能源站通过将分布式冷热电三联供系统(combined cooling, heating and power，CCHP)与地源热泵系统、水蓄能、燃气锅炉以及电制冷机调峰设备等系统进行耦合实现优优势互补，采用耦合系统不仅能提高燃气内燃发电机装机容量，而且可以降低运行成本，提高经济性[14-15]。能源站主站为地下建筑，总建筑面积为13 841.94 m2。其中燃气内燃发电机、溴化锂吸收式热泵机组、锅炉及配套电气室、中控室、水泵间位于地下二层，其余设备位于地下三层。

能源站同时在各末端用能地块配套设置12个制冷换热子站，各制冷换热子站通过地下管廊与主站连接，一期供能范围包括区域内12个地块约56.56×104m2的冷热负荷，二期供能范围包括其西侧约6.22×104m2冷热负荷，能源站建成运行以后将最大限度实现项目经济效益和环境效益，具有多能耦合节能减排的示范意义，项目年采暖制冷时间如下：采暖季，11月8日至3月22日，共计134天；制冷季，5月1日至9月30日，共计153天。每天供冷及供热时段均为全天24 h，在全年供能期间，系统大部分时间是运行在部分负荷下的。该系统的供冷季、供暖季典型日逐时冷热负荷数据详见图1。

图1 供能季典型日逐时负荷图Fig.1 Typical day hourly cooling and heating load

2 水蓄冷(热)空调系统介绍

目前，常用的水蓄冷(热)方法有自然分层法、多蓄能罐/空罐法、迷宫法和隔膜法等4种[15]，本项目采用自然分层蓄冷法。自然分层型蓄能装置的核心特征是利用温度不同的水的密度不同形成重力自然分层，冷热混合形成的斜温层成为冷水区和热水区的分隔层。在蓄冷时，使4 ℃的冷水聚集在蓄能水池的下部，而使11 ℃的热水聚集在蓄能水池的上部，从而实现冷热水的分层。在蓄热时，使50 ℃的热水聚集在蓄能水池的上部，而使45 ℃的冷水聚集在蓄能水池的下部，从而实现冷热水的分层。

图4 水蓄冷(热)空调系统流程图Fig.4 Flow chart of chilled water and water heat storage air conditioning system

需要在水槽内设置高效布水器(又称稳流器)来控制蓄冷槽的内部流动，保证斜温层稳定且厚度尽可能薄。自然分层型布水器的类型主要有八角型布水器、辐射圆盘型布水器、H型布水器、多孔板(均流板/筛漏板)式布水器，本项目采用H型布水器结合均流板的布水器形式，罐内设置上下共2套精密面布水器，均流板分别敷设于上布水器的下方和下布水器的上方，具体布水装置布置形式如下图2所示，布水器经过多次布水分流后进入布水管道，将水流均布于蓄冷水罐水平面，经过布水器上数万个开孔形成活塞流，水体内部扰动被约束至极小的程度。通过合理控制布水器的出口流速以及弗劳德数(Fr)和雷诺数(Re)的设计指标，可确保超薄的斜温层厚度和自然分层布水效果并获得优异的布水器性能。第二级精密面布水均流板上以孔间距5 mm左右60°错位开直径2.5 mm的圆孔，合理布置，有效控制通过孔的流速低于0.006 m/s，起到很好的整流作用。本项目所采用的H型布水器及第二级精密面布水均流板结构如图3所示。

图2 蓄能水池内布水装置布置形式Fig.2 Layout of water distribution device in energy storage pool

图3 H型布水器及布水均流板结构图Fig.3 Structural of H-type water distributor and water distribution balancer

本项目能源站设计了共计3个钢混凝土水槽作为蓄能装置，水池液位8.5 m，蓄能水池总体积约2×104m3，蓄能系统包含3个蓄能水池，其中1号蓄能水池容量5 525 m3，2号蓄能水池容量6 343 m3，3号蓄能水池容量8 798 m3。3个水池并联运行，液位高度8.5 m。1号水池夏季蓄冷冬季蓄热；2、3号水池仅夏季蓄冷，冬季不使用。蓄能水池采用温度分层技术，蓄冷供回水温度为4/11 ℃(设计值)，蓄热的供回水温度为50/45 ℃(设计值)。本项目混凝土水池底面、西侧面、南侧面、及部分北侧面外为土壤，东侧面、及部分北侧面与顶面外为地下室。蓄水池保温工艺采用聚氨酯现场发泡技术，防水工艺采用第3代聚脲防水体系。水蓄冷(热)空调系统结构如图4所示。

在夏季夜间电价低谷时，闲置的地源热泵及电制冷机向蓄能水池蓄冷，将蓄能水池冷量蓄满；夏季白天在电价尖峰段时，优先使用蓄能水池释冷，当蓄能水池蓄冷量仍有剩余时，继续在电价尖峰段剩余负荷释冷。

在冬季夜间电价低谷时，部分负荷日时，夜间负荷较小，闲置的地源热泵向蓄能水池蓄热，将蓄能水池热量蓄满；冬季白天在电价高峰时，优先使用蓄能水池释热，当蓄能水池蓄热量仍有剩余时，继续在电价尖峰段剩余负荷释热。

3 水蓄能的核心技术评价指标

3.1 弗劳德数及雷诺数计算及评价

目前，布水器设计的主要参考依据是基于Wildin及其合作者的研究成果，通过比例模型和相关性研究，指出只要进口布水器可以形成重力流，就可以形成较好的斜温层。自然分层时，由于0～20 ℃水的密度差不大，形成的斜温层不太稳定。因此要求通过布水器的进出口水流流速足够小，以免造成斜温层的扰动破坏，这就需要确定恰当的弗劳德数(Fr)和布水器进口高度，确定合理的雷诺数(Re)来避免斜温层品质的下降。

弗劳德数(Fr)是表示作用在流体上的惯性力与浮升力之比的无因次准则数。理论计算以及试验证实：Fr≤1时，浮升力大于惯性力，可很好地形成重力流。

进口的弗劳德数(Fr)的计算公式为

(1)

式中：Fr为布水器进口的弗劳德数；q为布水器单位长度的体积流量，m3/(m·s)；g为重力加速度，m/s2；hi为布水器最小进口高度，m；ρi为进口水密度，kg/m3；ρs为周围水密度，kg/m3。

雷诺数(Re)是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。对于本设计来说，应该采用的最大Re数为2 000。对于深度大于5 m的槽，建议限值可取400～850。为了减小Re数值，借助布水器的设计能使水混合减弱到最小程度，使蓄冷量增到最大，Re数计算公式为

(2)

式中υ为进口的运动粘度，m2/s。

经过对项目3个蓄能水池的相关分析计算，得出本项目3个蓄能水池的蓄能工况下的Re数和Fr数如下表1所示。

表1 蓄能水池的蓄能工况下的Re数和Fr数Table 1 Re number and Fr number of three energy storage pools under storage conditions

由表1可知：布水器雷诺数(Re)小于850完全满足设计要求，能实现内部层流；弗劳德数(Fr)小于1说明小孔出流属于重力流，布水器设计完全满足设计要求。

3.2 蓄能水池蓄能及释能的CFD模拟

采用专业CFD软件对布水器的均流效果以及蓄冷水罐内的温度场分布的变化进行了建模并执行CFD模拟。

采用Gambit 2.1.2作为几何结构建模软件，数值计算则采用Fluent 6.1.18。上表面和左右表面均采用symmetry边界条件。数值计算采用的数学模型为k-epsilon二方程湍流模型；管上小孔作为入口和出口的边界条件分别为velocity-inlet和pressure-outlet；罐体内平均温度的计算采用Fluent UDF编程实现。

通过对蓄能水池在蓄冷(热)及释冷(热)全过程中的CFD数值模拟结果如图5—6所示。

图5 蓄能水池蓄冷及释冷工况模拟结果Fig.5 Simulated results of chilled water thermal storage and release conditions of energy storage pool

图6 蓄能水池蓄热及释热工况模拟结果Fig.6 Simulated results of water heat storage and release conditions of energy storage pool

根据CFD模拟分析计算出的蓄能水池在蓄冷(热)及释冷(热)全过程中总蓄能量、斜温层厚度变化及24 h(冷)热损失量数据如表2—3所示。

表2 蓄冷及释冷工况下蓄能水池模拟数据Table 2 Simulated data of energy storage pool under chilled water thermal storage and release conditions

备注：1号、2号、3号蓄水池总蓄冷量146 813 kW·h，24 h总冷损失400.7 kW·h。

表3 蓄热及释热工况下蓄能水池模拟数据Table 3 Simulated data of energy storage pool under water heat storage and release conditions

备注：1号蓄水池总蓄热量28 069.8 kW·h，24 h总热损失308.88 kW·h。

3.3 蓄能水池效率计算及评价

水蓄能的技术评价指标最核心的是蓄能水池效率，其定义为可从蓄冷罐移走的冷量(即释冷量)与理论可用蓄冷量之比。由于蓄水池内在释能工况下不可利用的区域为蓄能水池内上布水器以上区域、斜温层以及下布水器以下3个区域，因此通过结合表2—3所得出的蓄能水池在释冷及释热工况下的斜温层厚度模拟计算结果以及蓄能水池内上布水器以上区域及下布水器以下区域的高度尺寸，可计算出蓄能水池分别在实际释冷及释热工况下的蓄能水池效率。

蓄能水池效率的计算公式为

式中：ηFOM为蓄能水池效率，%；Hhg为蓄能水池保温(冷)热损失当量高度，m；Hwd为布水器高度，m；Htht为释能工况斜温层厚度，m；H为蓄能水池液位高度，m；Qs为蓄能水池保温(冷)热损失，kW·h；Qxt为蓄能水池总蓄(冷)热量，kW·h。

经过计算，本项目蓄能水池的夏季实际蓄冷效率为85.4%，冬季实际蓄热效率为84.1%。