基于有限空间的蓄能水池解决思路及典型项目分析

基于有限空间的蓄能水池解决思路及典型项目分析

马鹏亮,田胜

北京燃气能源发展有限公司 

摘要 水蓄冷空调系统是利用水的显热实现冷量的储存，对电力负荷进行削峰填谷，不仅可以利用峰、谷、平电价差节约运行费用，还可以利用削峰填谷的原理降低高峰时刻的电力负荷，从而减少电力建设的投资，因此水蓄冷在供冷系统中越来越被认可。但是往往由于项目特性和项目场地原因，蓄能水池只能设置在地下室，而地下室的高度往往有限，导致高径比不能够达到最优比例，甚至远远低于推荐区间的最低值。针对这种“低”高径比的蓄能水池，本论文提出一种将蓄能水池进行独立划分，并依次进行蓄冷/释冷的解决思路。

关键词 水蓄冷系统 高径比 运行策略 节约费用 工程适用性

1水蓄冷简介

水蓄冷空调系统由电制冷制冷主机（地源热泵主机）与蓄冷水池以及循环水泵、板换机组、配套管路及阀部件组成。根据水在不同温度下密度不同而进行自然分层，电制冷制冷主机（地源热泵主机）制出的冷水从池底部进入室内，并通过布水器将水均匀的分布在水池中，随着进入蓄冷水池的冷水不断增加，将“热水”源源不断的挤出水池进入电制冷制冷主机（地源热泵主机）进行制冷。

水蓄冷空调系统利用水在温度变化是释放出来的显热进行冷量的储存，即利用热力学公式表达为：

Q=c*m*Δt

式中：c——水的比热容（Kj/(K*Kg）

m——蓄冷水池内水的质量（Kg）

Δt——蓄冷水池进出口水的温差（K）

水蓄冷空调系统原理图1所示，其中电制冷制冷主机（地源热泵主机）既可以对蓄冷水池进行蓄冷，同时也可以联合蓄冷水池一同对外进行供冷。当系统上阀门V2/V3打开、其余阀门关闭时，电制冷制冷主机（地源热泵主机）既对蓄冷水池开始蓄冷；当系统上阀门V1/V4/V5/V6打开、其余阀门关闭时，电制冷制冷主机（地源热泵主机）既联合蓄冷水池一同对外进行供冷。

图1 水蓄冷空调系统原理图

2项目介绍

以位于北京通州某处区域供冷项目的分布式能源站为例进行“低”高径比的蓄能水池解决思路及工程适用性分析。该分布式能源站供能面积约60万㎡，其中以居民住宅为主，以及配套学校、商业、公共建筑，供冷系统配套6台地源热泵机组、单台蓄冷冷量为1379.9kW，2台电制冷机组、单台蓄冷冷量为6680kW，蓄冷温度为4~11℃。项目配置一座约20000m³的蓄能水池，其中蓄能水池的占地面积约为2000㎡，总高度为10m，有效高度为8.5米，即蓄能水池的有效容积约为17000m³。

该蓄能水池的技术方式采用自然分层，利用水在不同温度下密度会发生变化，而实现的自然分层技术。在蓄冷循环时，电制冷制冷主机（地源热泵主机）制出的冷水由底部布水器进入蓄冷水池，热水则从顶部排出，蓄冷水池中水量保持不变。在放冷循环中，水流动方向相反，冷水由底部送至释冷板换，经板换换热后水的温度升高，热水从顶部布水器进入蓄冷水池。

该分布式能源站的系统原理图如2所示，主要包括地源热泵主机和电制冷主机、蓄冷水池以及相应配套的冷却塔、循环水泵、管路和阀部件等等。

图2 北京通州某处区域供冷项目的分布式能源站系统图

3问题分析

本项目位于地下，高度有限，同时末端供冷面积大、负荷高，导致蓄冷水池容积装机就需要很大。这样就势必导致蓄冷水池变为底面积大、高度底的“矮胖”身材，而“矮胖”身材的蓄冷水池与设计规范推荐的“瘦高”身材相背驰，造成蓄冷效果不佳、效率低下等问题。

无论“矮胖”与“瘦高”转化为指标即是高径比，当高径比小时（即“矮胖”）会导致面流速低，则会降低蓄冷水池效率。因为总蓄冷水池的蓄冷量不变、蓄冷设备不变，蓄冷时间就无法改变，而高径比“低”（即“矮胖”）则必然导致蓄能水池的斜温层上升速度（面流速）缓慢，根据热力学原理传热原理，上升速度如果缓慢就会导致斜温层的热扰动加剧，最后形成的斜温层厚度增加、体量增大，从而降低蓄能水池效率。

按照热力学原理，高径比（HD）的计算方式：

式中：H——蓄能水池高度（m）

D——蓄能水池的当量直径（m）

本项目换算当量直径约为54米，则高径比（HD）=8.5/54=0.15,此高径比远低于推荐值0.25-0.50（规范推荐：钢筋混凝土贮槽的高径比宜为0.25-0.50）。

4解决方案

4.1解决方式

为解决此项目高径比（HD）远远低于推荐值、提高蓄能水池效率的问题，将蓄能水池分为三个并联、独立蓄能水池（1#水池、2#水池、3#水池），并在蓄能水池外部增加连通管解决3个水池之间的水利平衡问题，分割后3个水池容积分别为1#蓄冷水池：面积558㎡，容积47431m³；按照4～11℃的蓄冷工况，蓄冷量为38.7MWh，高径比（HD）变为0.32。

2#蓄冷水池：面积635㎡，容积53981m³；按照4～11℃的蓄冷工况，蓄冷量为44MWh，高径比（HD）变为0.30。

3#蓄冷水池：面积893㎡，容积75901m³；按照4～11℃的蓄冷工况，蓄冷量为61.9MWh，高径比（HD）变为0.26。

3个蓄能水池容积共计17731m³，总蓄冷量：144.6MWh，经过分割后3个蓄能水池的高径比均在推荐值范围内。

新的运行方式为3个蓄能水池依次蓄冷，即所有冷源集中给1个蓄冷水池进行蓄冷，当1个蓄冷水池完成蓄冷后，再进行第二个蓄冷水池的蓄冷运行。各个蓄冷水池的面流速，通过自控系统依次开启/关闭各个蓄冷水池进出电动蝶阀实现，而各个蓄冷水池内的管网均按照设计总流量2733.36m3/h（3个水池全开的流量），以流量为依据进行水力平衡进行管线设计。

4.2运行策略

蓄冷运行工况：首先开启1#蓄能水池相对应的进、出水管的电动蝶阀，开启1#蓄冷水池的蓄冷工作，当第1#蓄冷水池的上层温度传感器达到5℃时，同步关闭1#蓄冷水池进、出水管的电动蝶阀和开启2#蓄冷水池的进、出水管的电动蝶阀；

当2#蓄冷水池的上层温度传感器达到5℃时，同步关闭2#蓄冷水池进、出水管的电动蝶阀和开启3#蓄冷水池的进、出水管的电动蝶阀，当3#蓄冷水池的上层温度传感器达到5℃时，整个蓄冷结束。

根据水蓄冷系统的工况进行软件模拟（斜纹层按照5～10℃计算），1#水池完成蓄冷需要1.5h，2#水池完成蓄冷需要1.75h，3#水池完成蓄冷需要2.5h；具体蓄冷过程中蓄能水池的温度变化趋势如下：

释冷运行工况：首先开启1#蓄能水池相对应的进、出水管的电动蝶阀，当1#蓄冷水池的下层温度传感器达到5℃时，同步关闭1#蓄冷水池进、出水管的电动蝶阀和开启2#蓄冷水池的进、出水管的电动蝶阀；

当2#蓄冷水池的下层温度传感器达到5℃时，同步关闭2#蓄冷水池进、出水管的电动蝶阀和开启3#蓄冷水池的进、出水管的电动蝶阀；当3#蓄冷水池的下层温度传感器达到5℃时，整个释冷结束。

蓄能水池配套循环水泵加减泵的控制，为了提高换热效果，无论几台循环水泵运行，其板换均采用全部并联运行。根据系统进/出水设置的温度控制目标值，作为PID闭环控制器变频器，实施变流量控制。当其回水温度达到温度控制目标值+0.2℃时，则启动第2台循环水泵，由此自动启动其余各台循环水泵。当其回水温度达到温度控制目标值-0.2℃时，则逐台停止循环水泵的运行。

5结论

由于项目规划原因往往导致蓄能水池只能设置在建筑物内部或者地下室内，因此蓄能水池的高度受到限制，导致高径比达不到行业推荐值。通过将蓄能水池进行独立划分，并配合调整蓄能水池的运行策略，从而解决“低”高径比的问题，提高蓄能水池效率。

参考文献：

[1]刘璇.蓄能水罐蓄冷过程温度分布CFD动态模拟与验证.北京建筑大学硕士学位论文.TU83

[2]王峥，王建.水蓄冷空调系统设计及经济性分析.《华北电力大学学报》.2007年3月第34卷第2期

[3]秦初息.水蓄冷空调技术的运用于经济性分析.《企业科技与发展》.2010年第20期

[4]蒋辉华.大温差水蓄冷技术应用及经济性分析.《电力行业节能》.2018年第8期