1、溫度分層型水蓄冷的模擬研究于航鄧育涌孫斌張旭摘要：本文介紹了溫度分層型水蓄冷的模擬研究。闡 述了計算模型、計算條件和計算結(jié)果。分析了溫度分層型 水蓄冷的斜溫層在充冷和釋冷過程中的特點，討論和評價 了殘留斜溫層的影響。對不同蓄冷溫度差與斜溫層進行了 對比和回歸分析，特別是定量分析了不同流速對斜溫層的 影響。本研究對溫度分層型水蓄冷的設計和工程應用提供 了參考。關鍵詞：水蓄冷溫度分層型斜溫層0引言在城市現(xiàn)代化建設過程中，用電結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 表現(xiàn)在電網(wǎng)峰谷差加大，造成白天高峰電力緊張，夜間電 量需求不足的矛盾。由于空調(diào)用電在總電力負荷中的比例 不斷增加，空調(diào)蓄冷技術對城市電網(wǎng)的“削峰填谷”效果 越來

2、越重要。空調(diào)蓄冷技術就是利用蓄冷介質(zhì)的顯熱或潛 熱特性將冷量儲存起來，供應電網(wǎng)高峰時段全部或部分空 調(diào)負荷，少開或不開制冷機。水蓄冷是空調(diào)蓄冷的重要方式之一，利用水的顯熱儲 存冷量，發(fā)達國家已進行了較長時間的研究和應用。水蓄 冷儲槽的類型有多槽混合型、溫度分層型、隔膜型等，實 踐證明，溫度分層型（垂直流向型）和串連混合型（水平 流向型）最簡單有效。溫度分層型水蓄冷是利用水在不同 溫度時密度不同這一特性，依靠密度差使溫水和冷水之間 保持分隔，避免冷水和溫水混合造成的熱量損失。水在4°c 左右時的密度最大，隨著水溫的升高密度逐漸減小，利用 這一特性，使溫度低的水儲存于槽的下部，溫度高的水

3、位 于儲槽的上部。設計良好的溫度分層型水蓄冷槽在上部溫 水區(qū)與下部冷水區(qū)之間形成并保持一個斜溫層。一個穩(wěn)定 而厚度適宜的斜溫層是提高蓄冷效率的關鍵。在溫度分層型水蓄冷儲槽中，為了使水以重力流或活 塞流平穩(wěn)地導入槽內(nèi)（或由槽內(nèi)引出），其關鍵是須在儲槽 的冷溫水進出口處設置布水器，以確保水流在儲槽內(nèi)均勻 分配，擾動小。1模型建立單元模型如圖1,是一個由7個布水口組成的單元體。圖1單元模型計算條件（1）初始條件充冷過程：蓄冷罐內(nèi)充滿。c溫水。充冷開始后，4°c冷水自底板布水口流入，°c溫水自頂板布水口流出。釋冷過程：蓄冷罐內(nèi)充滿4°c的冷水。釋冷開始后，°c

4、的溫水自頂板布水口流入，4°c冷水自底板布水口流出。(2)邊界條件單元模型與相鄰單元間沒有熱量交換，為絕熱邊界條 件。2計算結(jié)果充冷過程充冷開始階段底板附近流場和溫度場分布如圖2、3所 示。4°c冷水流入水蓄冷罐時，布水口處流速最大，離開布 水口后流速迅速減小。在本文的計算條件下，充冷開始階 段底板附近斜溫層厚度為米。圖4為斜溫層厚度隨充冷時 間增加的變化曲線，可以看出，斜溫層的厚度是隨著充冷 時間的增加而增大的。釋冷過程釋冷過程水蓄冷罐內(nèi)流場及溫度場分布與充冷過程相 似。由于充冷過程結(jié)束應以斜溫層完全移出水蓄冷罐、罐 內(nèi)充滿4°c冷水為標志，而釋冷過程的出口冷水

5、溫度高于4°c 時即結(jié)束，因此充冷和釋冷過程所需時間并不相同，充冷 過程需要更長的時間。殘留斜溫層的影響(1 )釋冷完成度的影響通常認為，當釋冷過程的冷水出口溫度高于規(guī)定溫度 時，釋冷過程即告結(jié)束。但此時水蓄冷罐內(nèi)尚殘留有一個 厚度為最大值的斜溫層。如果立即開始下面一個充冷過程, 殘留斜溫層將導致充冷過程中斜溫層的初始厚度不為0,且 為殘留斜溫層的厚度。圖5分別示出釋冷小時和6小時后 再充冷時斜溫層的厚度曲線，可以看出，殘留斜溫層造成 充冷過程斜溫層厚度顯著增加。但是，隨著充冷時間增加, 這種影響呈逐漸弱化的趨勢。圖2底板附近的速度場圖3底板附近的溫度場圖4充冷過程的斜溫層(2)充

6、冷完成度的影響同樣地，由于充冷不完全也會造成其后的釋冷過程斜 溫層厚度增大。充冷完成度越高，殘留斜溫層越少，對釋 冷過程影響越小(圖6)。圖5殘留斜溫層對充冷過程的影響圖6殘留斜溫層對釋冷過程的影響圖7罐壁熱傳遞二維計算模型3通過罐壁的熱量傳遞分析本文定量分析了通過罐壁的熱量傳遞對水蓄冷罐內(nèi)斜溫層的影響及其所造成的熱量損 失。采用二維平面計算模型(如圖7),環(huán)境、保溫層、罐 壁、冷水等的溫度通過計算耦合確定。計算結(jié)果見圖80從 圖中可以看出，由于保溫層的設置，環(huán)境溫度對罐內(nèi)冷水 的影響被有效地限制在很小的范圍。4不同運行條件對斜溫層的影響斜溫層與蓄冷溫差如表1,改變蓄冷水進出口溫度差，計算結(jié)果

7、如圖10。 由于蓄冷溫差減小，斜溫層厚度也隨之有所減小。根據(jù)計 算結(jié)果對斜溫層厚度與進出水溫差進行了多項式回歸分析, 如式(1)、(2)o圖8罐壁附近溫度場分布?斜溫層最大值的多項式回歸: y= - 3+x2+ (1) (r2=)斜溫層平均值的多項式回歸：y=_3+2+ (2) (r2=)表1進出口溫度設定值序號進口溫度出口溫度蓄冷溫差 14°c8°c4°c24°c9°c5°c34°c10°c6°c44°cll °c7°c54°c °c °c 6

8、4 oc13°c9oc74°c1 4°c10°c84°c15 °c11°c 圖10斜溫層厚度與溫差 斜溫層與布水口流速改變布水口流速的工程意義是加快蓄冷或釋冷速度。 如將布水口流速增加一倍，則蓄冷或釋冷所需時間將隨之 縮短一半；將布水口速增大到4倍，則蓄冷或釋冷所需時 間將縮短為l/4o圖1 1為不同布水口流速條件下的斜溫層 厚度計算結(jié)果。斜溫層厚度與布水口水流速的多項式回歸 分析如式(3)、(4)o 圖11斜溫層厚度與布水口流速 斜溫層最大值的多項式回歸： y二-3+x2+ (3) (r2=)斜溫層平均值的多項式回歸：y= - 3+x2-+ (4) (r2=)5結(jié)束語通過對溫度分層型水蓄冷的模擬計算，得到以下主要結(jié)論。(1) 合理設計的大型水蓄冷罐可以實現(xiàn)良好且穩(wěn)定的 溫度分層。(2) 雖然斜溫層的初始厚度較小，但隨著充冷或釋冷 時間的增加，斜溫層厚度也隨之增大。(3) 充冷和釋冷所需時間并不相同，充冷過程需要更 長時間。(4) 斜溫層厚度隨進岀口溫差增加而增大。(5) 良好的罐體保溫結(jié)構(gòu)，可以將環(huán)境溫度對罐內(nèi)冷 水的作用范