Ｎｏ ３ ｎ ２０１０ Ｎｏ２２９ Ｖｏｌ３８ ｉ ｆ＿ｒ０ｔａｌ ＮＴ－． 。 １． ．叭。等第 瓤 ？ 卷 ２２９ＪＪｌ］）建筑节能 ‘ ’’。 … ■暖通与设备 ＨＥＡＴＩＮＧ ＶＥＮＴＩＬＡＴＩＯＮ＆ＥＱＵＩＰＭＥＮｔ水蓄冷技术在商场空调冷源中的 设计应用及节能分析 黄丽，刘秋新 ４３００７０１ （武汉科技大学，武汉摘要： 以１幢建筑面积约３２ ０００ ｍ 的商场楼的空调系统为研究对象，简述了利用消防水池蓄冷的设计方法，重点论述了自然分层技 术及水蓄冷系统、蓄水池、分布器的布管方式和长度、开孔方法等的设计，并与常规空调系统进行了经济性分析和比较。研究表 明水蓄冷空调具有显著的经济效益和社会效益。 关键词： 水蓄冷： 设计； 经济性 中图分类号：ＴＵ８３ｌ 文献标志码：Ａ 文章编号： １６７３—７２３７（２０１０）０３．００４６—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｌｌｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｔｏｒａｇｅ ｆｏｒ Ａｊｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｃｏｌｄ Ｓｏｕｒｃｅ ｉｎ ａ Ｓｈｏｐｐｉｎｇ Ｍａｌｌ ＨＵＡＮＧ Ｌｉ，ＬＩＵ Ｑｉｕ－ｘｉｎ （Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｗｉｔｈｆｉｒｅ ｐｏｏｌ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓ）￣ｔｅｍ ｏｆ ａ ｓｈｏｐｐｉｎｇ ｍｄｌ，叩一 ｐｒｏｘｉｎｕ￣ｔｅｌｙ ３２，０００ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｅｒｓ，∞ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｏｂｊｅｃｔ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｎａｔｕｒａｌｏ ｌａ）ｅｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓ— ｔｅｍ ａｎｄ ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒｐｏｏｌ ａｒｅｆｏｃｕｓｅｄ，∞ｗｅｌｌ∞ｔｈｅ ｐｉｐｉｎｇ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ ａｎｄ ｏｐｅｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｙ ｎａｌｙｓｉａｓ ａｎｄ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ａｉｒ——ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｒｅ－－ ｍａｒｋｏｂｌｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｎｄ ａｓｏｃｉａｌ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｈｉｌｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｏｒａｇｅ；ｄｅｓｉｇｎ；ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎａｌｙｓｉｓ １水蓄冷空调系统 蓄能系统对改善和缓解电力供需矛盾，平抑电网 峰谷差有着积极作用，社会效益和经济效益良好。目 前，工程上常用的蓄能方式有冰蓄冷和水蓄冷，冰蓄冷 系统具有投资大、管理难度大等缺点，相比之下，水蓄 大楼空调时间为８：Ｏ０．２０：Ｏ０，尖峰冷负荷为 ６ ０００ ｋＷ（１７０６ＲＴ），设计日总负荷为５９ ９４０ ｋＷ・ｈ。整 个系统设计日逐时冷负荷如图１。 冷具有经济、简单的特点。水蓄冷是利用水的温度变化 储存显热量［４．１８７ ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］，蓄冷温差一般采用６～ １０℃，蓄冷温度通常为４～６℃，它可直接与常规空调 系统匹配，无需其他专门设备。由于水蓄冷方式是利 用水的显热来储存热量，单位蓄冷能力较低（７～ ≥ 柱 ！ 栩ｉ 目； 目； 时刻／ｈ ｌ１．６ ｋＷ・ｈ／ｍ ，因此，一般需要较大蓄水池，但大型 建筑一般都建有消防水池，蓄水池可以消防水池兼 用，这样，蓄冷系统投资低、运行效率较高、运行可靠， 有利于提高空调制冷系统的制冷能力，同时，消防水池 中的水保持流动和低温状态，可有效防止水质变坏和 藻类滋生，使水蓄冷技术在空调冷源中得到广泛应用。 ２工程设计 ２．１工程概况 匝巫圜 图１设计曰逐时负荷图 ２．２水蓄冷运行策略的确定 本工程设计采用位于制冷机房旁的消防水池作 为蓄冷水槽，消防水池可蓄水容积为５８０ ｍ ，蓄冷时， 蓄水槽进出水温度采用４￣Ｃ／１２℃，则蓄水槽可蓄冷 量为：Ｑ＆＝ＶＡｔｐ ・ＦＯＭ・ａ ／３ ６００＝５８０ｘ８￣１ ０００ｘ ４．１８７￣０．８５ｘ０．９５／３ ６００＝４ ３５８（ｋＷ．ｈ） （１） 式中：Ｐ为蓄冷水的密度，一般取１ ０００ ｋｇ／ｍ’；ＣＤ为冷 水的比热容，取４．１８７ ｋＪ／ｋｇ・Ｋ；Ｑ 为蓄冷量，ｋＷ．ｈ； 该商场楼位于湖北地区，地下３层，地上７层，空 调建筑面积约３万ｍ ，制冷设备房位于地下室３层。 收稿Ｅｔ期：２０１０—０１．１４：修回日期：２０１Ｏ－０１．２５ Ａｔ为释冷回水温度与蓄冷进水温度问的温度差，℃； ＦＯＭ为蓄冷水槽的完善度，考虑混合和斜温层等因 数的影响，一般取８５％￣９０％；ａ 为蓄冷水槽的体积 利用率，考虑配水器的布置和蓄冷水槽内其他不可用 空间等的影响，一般取９５％。 由于消防水池容积有限，所以不能满足全部或主 要由蓄冷水池供冷的运行要求。因此，只能采用部分 负荷蓄冷的方式运行，该工程设计采用部分负荷均衡 蓄冷策略，制冷机在设计周期内连续运行，负荷高峰 时蓄冷装置同时提供释冷。系统流程见图２，控制模 式如表ｌ。 ≥ 梧 ２ ２ ｌ ｌ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ ——原有的系统 …一改造增加的系统 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ Ｏ 图２水蓄冷空调系统流程图 表】控制模式 门状态 Ｖｌ Ｖ２ Ｖ３ Ｖ４ Ｖ５ Ｖ６ 机组蓄冷 关 关 开 开 关 一 机组供冷 开 开 关 关 一 关 水池释冷 关 关 关 关 开 开 塑 ±查 堡 部分负荷均衡蓄冷策略下，冷水机组的容量计算 为： Ｑ （Ｑｄ—Ｑｓ）／ｔ＝（５９ ９４０—４ ３５８）／１２－－－４ ６３ｌ（ｋＷ）（２） 式中：Ｑｄ为设计日总冷量，ｋＷ・ｈ；Ｑ５为蓄冷量，ｋＷ・ｈ； ｔ为释冷后制冷机的运行时间，ｈ。 因此，选用２台２４６ｌ ｋＷ离心式冷水机组。 由计算Ｎ＝４ ３６８／２ ４６１＝１．８ ｈ可知：蓄水槽蓄冷量 仅需单台制冷机组在电价低谷段全力蓄冷２ ｈ即可。 为了减少蓄水槽表面热损失，应尽可能减少蓄水槽内 冷冻水的储存时间。因此，在商场上午开始营业前的 低谷电价段２ ｈ运用单台冷水机组全力制冷。空调负 荷运行策略见图３＂－－－６。 ０：ｏｏ ４：Ｏ０ ８：Ｏ０ ｌ２：０Ｏ ｌ６：ＯＯ ２０：０Ｏ ２：０Ｏ ６：Ｏ０ １Ｏ：ＯＯ ｌ４：Ｏ０ １８：Ｏ０ ２２：ＯＯ 时刻／ｈ 图３设计日负荷运行策略图 喜 柱 时刻／ｈ — 丽 图４ ７５％负荷运行策略图 ０：００ ４：Ｏ０ ８：Ｏ０ １２：Ｏ０ ｌ６：００ ２０．－ＯＯ ２：ＯＯ ６：Ｏ０ ｌＯ：Ｏ０ ｌ４：ＯＯ １８：ＯＯ ２２：ｏｏ 时刻／ｈ 叵亟二至噩二 圃 图５ ５０％负荷运行策略图 ｜。 ｜｜｜＿。 ＿ ｊ ≥ 【＼＼ ｜ ｜ ＿ ｜０譬 枢 ；ｌｌ＿ ｌ － ，ｚ霞重理霞馥‘ ｉ～一．．，， Ｊ＼Ｌ ｜ ｜｜． …＿ 祷 － 髓 ２：Ｏ０ ６：Ｏ０ ｌ０：Ｏ０ ｌ４：Ｏ０ １８：Ｏ０ ２２：Ｏ０ 时刻／ｈ 叵巫 重匾 图６ ２５％负荷运行策略图 ２．３蓄冷水槽的设计 ２．３．１分层式水蓄冷原理 由于水的密度在约３．９８℃时最大，而＞３．９８℃ 时，水的密度随着水温的升高而减小。在自然分层水 蓄冷中，通过水的密度特性使温度在４～６℃的冷水 聚集在蓄水槽下部，而６℃以上的温水自然地聚集在 蓄水槽的上部，来实现冷温水的自然分层。 在一个自然分层的蓄水槽中，由于温、冷水之间 存在温差引起的导热过程，致使在冷、温水分界面附 近，冷水温度有所升高，温水温度有所降低，从而形成 一个温度过渡层——斜温层。斜温层内水的温度近似 呈直线上升。 在蓄冷时，通过水流分布器使低温冷冻水缓慢地 从蓄冷池底部流入，高温水从上部被抽出，斜温层在蓄 水槽内自下而上逐渐升高。反之，在放冷时，随着高温 水不断从上部散流器流入和低温冷冻水不断从下部散 流器流出，斜温层在蓄水槽内自上而下逐渐降低。 ７ ２．３．２配水器的设计 取Ｒｅ＝２００，配水器有效长度为： Ｖ／ｑ Ｖ／（Ｒｅ・ｕ）＝２３４ ｍ （４） 配水器由开孔圆管构成，分上下２层。上部配水 器离水面的距离与下部配水器至水槽底的距离相等。 并且上下配水器的形状一样。自然分层水蓄冷系统的 配水器必须能够形成一个冷热水混合程度最小的斜 式中： 为最大流量，ｍ３／ｓ；ｑ为单位分配器长度的有 效流量，ｍ３／（ｍ・ｓ）；ｕ为水的运动粘度，ｍＶｓ。 配水器孔口高度可由公式（５ 得出： Ｆ， ＝ｑ／［ｇｈ ３（ｏ －ｐ ） （５） 式中：ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ ；ｈ 为进水口最小高度，ｍ； Ｐ 为进水密度，ｋｇ／ｍ ；ｐ目为周围水密度，ｋｇ／ｍ 。 温层，还要保证斜温层不被以后发生的扰动破坏。经 验证，八角形、水平连续条缝形、径向圆盘形和Ｈ形配 水器具有良好的自然分层性能。八角形和径向圆盘形 从几何形状来说适用于圆柱形水槽，而水平条缝形和 Ｈ形最适合应用于方形水槽。由于本工程的消防水池 配水器孔口高度的定义：进入蓄冷水槽或者离开 配水器时的密度流所占有的垂直距离。对于一个靠近 形状类似为长方形，因此，采用Ｈ形配水器ｆ见图７１， 水平连续条缝形开孔。 流器直管 量分配用支管 图７配水器不惹图 蓄冷水进水水流的雷诺数Ｒｅ会影响有效分层， 雷诺数的下限值取决于水槽的构造：对于很短的水槽 或者侧壁倾斜的水槽，Ｒｅ＝２００；对于深度＞５ ｒｎ的水 槽，Ｒｅ＝４００￣８００；对于深度＞１２ ｍ的水槽，进水口的 雷诺数Ｒｅ＞２０００。设计应采用的最大Ｒｅ＝２０００，推荐 的下限值为Ｒｅ＝８５０。 Ｆｒ弗洛德数是表示作用在流体上的惯性力与浮力 之比的无因次准则数。研究表明，若能满足Ｆｒ＞１，浮力 大于惯性力，就可以较好地形成密度流；但当Ｆｒ＞２ 时，惯性力作用太大，就会引起明显的混合现象。 配水器孔口的流量不均匀将导致水槽内产生涡 流。实现均匀的出流速度，必须保证整个分配器管内 的静压平衡。若能使任意一根配水器支管上的孔口总 面积不大于支管端面积的５０％，即可近似满足要求。 蓄水槽内的配水管应设计在对称于水槽的垂直 轴和水平面的中心线上，它能在各种情况下保证支管 上任意２个相应点处的压力均衡，而且还具有自平衡 能力。配水器上的孔口定位方向应该使进入水槽内的 流体朝着邻近的水槽底或稍高的水槽表面流出。如果 使孔口间的距离略小于孔口高度的２倍，并限制通过 孔口的流速，则能使水混合的程度减到最小，通常孔 口的水流速度应限制在０．３～０．６ ｍ／ｓ。开口角度一般 为９０。～１２０。，在夜间低谷电价时段，开单台冷水机 组全力制冷，蓄水槽单位时间最大蓄水量为： Ｖ＝Ｑ／ＡｔｐＣＤ＝２ ４６１／［（１２—４）１ ０００ｘ４．１８７］＝０．０７５（ｍ３／ｓ）（３） 式中：Ｑ为制冷量，ｋＷ：ｐ为蓄冷水的密度，一般取 １ ０００ ｋｇ／ｍ ：Ａｔ为蓄冷出水温度与蓄冷进水温度间的 温度差，℃；ＣＤ为冷水的比热容，取４．１８７ ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）。 槽底的配水器，此高度即为水槽底至配水器进水口颈 部间的距离。进水口高度应根据Ｆｒ＝１选择。 ２．３．３蓄冷水槽的绝热和防结露 蓄冷水池的绝热处理，是保持其蓄冷能力的重要 措施之一。在进行绝热处理时，应保证由底部传入热 量必须小于由侧壁传入的热量，否则可能会形成水温 分布的逆转。诱发对流，破坏水的自然分层。对于消防 水池而言，保温材料可采用聚苯乙烯泡沫板，现场螺 钉固定或粘接。有条件也可采用聚氨酯现场发泡。 ３经济性分析 湖北省分时电价情况：高峰期（１０：００—１２：００， １８：００—２２：００）电价１．２２元／０（ｗ・ｈ１；平段期（８：００—１０：００； １２：００．１８：００；２２：０Ｏ一２４：００）电价０．７０５元／（ｋＷ．ｈ１；低 谷期ｆ０：００—８：００）电价０．３６９元／（ｋＷ．ｈ）。 常规空调系统及水蓄冷空调系统设备配置见表 ２、３。 表２常规空调系统设备配置 假设全年夏季制冷为１２０ ｄ，其中设计日负荷和 ２５％负荷各为１５ ｄ，７５％和５０％设计负荷各为４５ ｄ， 常规空调方案和水蓄冷空调方案的空调全年运行费 用比较见表４。 （下转第６８页） 垂直管道深度＋埋深＋连接管＋外露长度１×２＝ｆ１２０＋ 度现场检测满足设计要求，减少对地基的影响，节约 ０．６＋０．９＋０．５）￣２＝２４４ ｍ。 处理地基的造价。 垂直管道安装完毕后要进行埋管１００％￣次试压 ５地埋管施工过程应注意的问题和处理方法 和灌水循环试验，确定地埋管道质量； （１）在整体施工前应进行地质勘探，并进行成孔试 （３）填料回填控制：封井材料为碎石、细砂和水泥 验，选择适合的位置，确保试验孔具备代表性； 的混合浆。用泥浆泵通过灌浆管将混合浆灌入孔中。 （２）注意钻孔过程中机械设备平稳、钻杆垂直、接 回灌时，根据灌浆的快慢将灌浆管逐渐抽出，使混合 头牢固。施工钻探开孔时机手应注意机架的稳定，施 浆自下而上回灌封井，确保钻孔回灌密实，无空腔。灌 工过程要检查钻杆垂直、接头可靠； 浆过程中对灌浆量进行统计，单孔灌浆控制量计算按 （３）成孔时出现坍孔，会造成管道无法正常放入， 式（３）计算： 底部出现大量的泥夹层，要控制好套管的深度，避免 Ｖ ‘Ｌ‘Ａ （３） 套管不到位形成孔内坍塌，发现坍塌要重新钻孔，如 式中：口为回灌密实度系数０．８～０．８５； 坍孔严重，移位重新钻孔； Ｌ为孔深； （４）钻孔出现偏斜、倾斜。安装机架要对导杆进行 Ａ为孔截面积。 校正，遇到硬土层、倾斜岩或砂卵石应控制进尺，低速 水平管开挖宽度应以满足水平管安装宽度为基 钻进，机手要及时控制，出现倾斜严重超过１．５％，应 准，设计水平管为 １００，开挖宽度＝２Ｄ＋２Ｂ＝２Ｘ 拔管重新钻孔； ０．１＋２ｘ０．３＝０．８ ｍ，实际选用挖掘机０．６ ｍ宽挖斗开挖， （５）出现粘钻不进尺，主要是在黏性土层中，黏土 人工清理侧壁，实际宽度保证在０．８±０．０５ ｍ左右。 被钻头强力搅拌黏附在钻头上，产生抱钻、糊钻导致 水平管回填要注意管道的保护，通常回填土密实 不进尺。可以向孔内投入砂砾，加大配重，仍然解决不 度控制在０．９３，考虑现场地下水丰富，用土方直接回 了可提出钻头清理后再施钻。 填无法达到控制要求。经与设计、建设单位协调采用 砂回填，回填砂利用钻井钻出的沙石、河砂和生石灰 作者简介：徐立（１９６９），男，浙江绍兴人，工程师，主要从事建设项目 按２０：１０：１拌和回填，回填时管道灌满水并加压到 管理方向的研究（７６８８０９８８０＠ｑｑ．ｔｏｍ）。 ０．２ＭＰａ，采用３层人工夯填，每层厚度２００ｍｌＴｌ，密实 从表４可以看出：全年累积下来，水蓄冷空调系 调系统经济效益显著。 统比常规电空调系统运行费用节省了７２ ２６３．Ｏ０元。 水蓄冷空调系统有显著的经济效益，发展前途广阔。 参考文献： ４结语 ［１］宋孝春．蓄冷空调设计及工程实践［Ｊ］．建设科技，２００６（２２）：３６—３８． （１）水蓄冷单位蓄冷能力较低，需要较大的蓄水 ［２］宋洁，施逵，吴喜平．水蓄冷系统中蓄水槽设计需注意的几个问题［Ｊ］ 池，但可由消防水池兼用蓄水池； 上海节能，２００７（２）：２５—２９． （２）自然分层水蓄冷系统的配水器必须能够形成 ［３】陆耀庆．实用供热空调设计手册【Ｋ］．北京：中国建筑工业出版社，２００８ 一个冷热水混合程度最小的斜温层，还要保证斜温 层不被以后发生的扰动破坏。这就需要实现蓄冷水 作者简介： 黄丽（１９８５），女，武汉科技大学城市建设学院硕士研究生 进出水流均匀的出流速度和弗洛德数Ｆｒ、雷诺数Ｒ （ｈｕａｎｇｌｉ・１２３＠１６３．ｃｏｍ）ｏ 的控制； 指导教师：刘秋新（１９５６），男，博士，教授，暖通空调教研室主任（１２５ （３）当系统设计完善，设备配置合理时，水蓄冷空 ７３０５６８＠ｑｑ．ｃｏｒｎ）ｏ