关于水蓄冷系统设计中的几个问题

关于水蓄冷系统

设计中的几个问题

□湖南省建筑设计院/陈　超

【提要】　水蓄冷槽是空调水蓄冷系统中的核心设备之一。本文根据日本最近的资料,主要就蓄冷槽及其关连部分在设计中的一些问题作一阐述。

【关键词】　蓄冷槽　效率　保温

Some P ro blems to Desig n R eser v oir Coo ling System

Chen Chao

A BST RA CT:R eser vo ir coo ling tank is one of essential e-quipment o f r eserv ior co oling system used in air co ndition-er.Based on Japanese document,t his paper describes desig n on r eser v oir coo ling tank and cor r espondent aspects.

K EYW OR DS:reser vo ir coo ling tank　efficiency　heat-pro of

随着国民经济的迅速发展,人民生活水平的不断提高,人们对能源特别是电力能源的需求越来越大,同时电力需求的结构也在发生变化。工业用电的比重相对在减少,而城市生活、商业用电却在快速增长,并且供电网络的峰谷电力负荷差也在不断加大,使得电力供需矛盾日益紧张。为了缓解电网缺电矛盾,目前许多省、市、地区的电力部门都纷纷推行峰谷分时电价政策,以达到电力的“削峰平谷”目的。这种峰谷分时电价政策的推行,也为空调蓄冷技术的应用提供了广阔的市场。

目前在国外应用比较多的空调蓄冷方式主要有三大类:水蓄冷、冰蓄冷、潜热蓄冷。对于不同的蓄冷方式,其系统设计方式也是不同的。本文根据日本最新的资料,对空调水蓄冷系统设计中的一些问题作一阐述。

1　蓄冷槽的最佳流动特性

在空调水蓄冷系统设计中,最重要的环节之一是水蓄冷槽的设计。水蓄冷槽按其构造可分为两大类,即有连接完全混合型和温度成层型。所谓连接完全混合型蓄冷槽,即是把多个具有完全混合特性的单体槽串联起来的水蓄冷槽,被串接后的槽在整体上具有“活塞式”流动特性,温度分层分明(图1—a)。温度成层型蓄冷槽则是利用高温部和低温部的密度差(浮力)进行分层流动,具有较好的流动特性(图1—b)。这两种类型的蓄冷槽因可利用建筑物的地下箱基础的空间,无需占用其它有效建筑空间,因此在高层建筑中很适于采用这种方式。

(来自二次侧的回水,约15℃)

(a)连接完全混合型　(b)温度成层型

图1　蓄冷槽简图

对于一个蓄冷性能好的蓄冷槽,它的高温部和低温部的水流应尽量不被混合,具有“活塞式”的流动特性。也即无论是连接完全混合型蓄冷槽,还是温度成层型蓄冷槽,尽量使槽内水流接近层状流动,避免不同温度水体间的混合是提高蓄冷槽效率的重要手段之一。图2(a)(b)分别表示了槽内水混合激烈和槽内水混合小时蓄冷槽整体的水温分布状况。图2(a)、(b)的纵轴的最上端表示蓄冷槽的最高温度处,最下端表示蓄冷槽的最低温度处,轴的中间部位则表示高、低温部之间的各个位置。横轴表示对应纵轴的槽的各个部位之间的水温,图中的虚线则表示槽内各个部位、各个时刻的水温。当蓄冷完毕放热开始之前,图2(a)(b)的水温分布几乎同样,槽内各处的温度在6°C左右。但当放冷开始后(8∶00以后),随着从空调系统二次侧15°C的回水的不断流入,槽内水混合小(图2(b))的蓄冷槽的水温从上部(回水进水端)开始逐时上升并向下部(送水出口端)推移,在放冷的大部分过程中,槽下部的水温几乎与放冷前的水温相同(6°C 左右),直至放冷接近结束时才达到和上部同样的温度(9°C);而槽内水混合大(图2(a))的蓄冷槽,自放冷开始后槽内上下各部位的水温几乎同时地逐时上升,导致槽下部出水端的温度逐时在上升。虽然在放冷过程最终结束时,槽下

部的水温也同样是9°C,但两图的温度分布有很大不同。图中的阴影部分表示放冷期间蓄冷槽提供的蓄冷量,显然图2 (b)的放冷量要大于图2(a)。这也就是说,对于具有同样容积同样蓄冷量的蓄冷槽,具有“活塞式”流动特性,槽内水混合小的蓄冷槽实际提供的冷量比槽内扰动大、槽内水混合大的蓄冷槽提供的冷量要大。

(a)混合大的蓄冷槽　(b)混合小的蓄冷槽

图2　蓄冷槽内水温分布

2　蓄冷槽的基本设计参数

蓄冷槽的最基本的设计参数是水深和水流速度。对于温度或层型槽来说,由于其是利用高低温部之间的密度差产生的浮力进行流动的,因此具有较好的由上向下的温度分层、小混合的流动特性,近似于图2(b)的流动特性。但这种类型的蓄冷槽对水的深度要求比较高,水的深度越大,流动特性越好。有条件的地方,可做成立式温度成层型槽。但对于设在地下的情况,槽体不可能做得太深,因此一般希望水深在2m以上,并要求出水流速度应尽量小,一般在0.1m/s以下,为了加大蓄冷量,可将多个蓄冷槽并联连接,因是并联连接,槽的连接量与槽内的水流流动特性没有关系。值得提出的是,最近日本在水深1.7m的成层型蓄冷槽内也获得了较好的温度成层特性。这主要是他们对设在槽的上、下部位处的进出口水的扩散装置的结构进行了改进,进出水流速为 =0.03m/s。

对于连接完全混合型蓄冷槽来说,由于被串联的单个槽体具有完全混合特性,因此相对层型槽来说,水的深度可设计得比较浅些,1～2m即可。各连通管的流速 ≥0.2m/s,一般取 =0.3m/s。为了使串联后的蓄冷槽在整体上具有混合小,“活塞式”流动特性,对串联的单体槽的个数也有一定的要求。图3为完全混合型蓄冷槽出口水温的阶梯响应曲线。把串联后的蓄冷槽视为一整体,并设蓄冷槽内的初始温度为0°C,单使1°C的水以一定的流量、阶梯状地从蓄冷槽的进水端流入时,在蓄冷槽的出口端即可得到一个出口水温的响应值(计算值)。由图可知,随着连接槽数的增多,出口水温的上升速度被减慢,升温时间被延长,当槽数增至20个时,其流动的状态类似于2(b)的流态,接近于温度成层型的流动特性。由此可见,被连接的槽数越多,连接完全混合型蓄冷槽的流动特性越好。但值得注意的是,槽数过多时,由于连通管部的压力损失随之增大,导致前后槽的水位差增大。因此,在设计连接完全混合型蓄冷槽时,一般来说,其槽数可在15～50个间取值,当所需槽数大于50时,应采取分组并联的方式。

图3　完全混合型蓄冷槽出口水温的阶梯响应曲线3　蓄冷槽的两个效率指标

蓄冷效率 st和蓄冷槽效率 v是衡量蓄冷槽热工特性的两个重要指标。所谓蓄冷效率 st即表示投入到蓄冷槽内的冷量中,有多少蓄冷量被有效使用了。该投入量与取出量的差反映了蓄冷槽的保温隔热性能的优良,表明了蓄冷槽的蓄冷静特性。根据一些工程的实测数据以及以往的经验数据,该蓄冷效率蓄冷时 st=5%～8%,蓄热时 st=10%～15%。 st按下式计算:

st=某个时间段内从蓄冷槽内取出可利用的冷量

某个时间段内投放到蓄冷槽的冷量

蓄冷槽效率 v则是衡量蓄冷槽设置空间的有效利用度的指标。 V按下式计算:

v=实际蓄存在蓄冷槽内并可被利用的蓄冷量

理论上在蓄冷槽内可贮存的蓄冷量

由于槽的构造、形状等因素的影响,在槽的某些区域产生死水域,导致蓄冷槽的有效容积减少。它反映了蓄冷槽的蓄冷动特性。在温度成层型蓄冷槽内,由于其具有较好的流动特性,在槽内很难产生死水域。但是对于连接完全混合型蓄冷槽来说这种死水域则比较容易产生。由图4可见,蓄冷时死水域则多产生于位于槽下部的水底附近。根据以往的经验及理论解析可知,当槽内水流的弗罗德数F v越大,蓄冷槽的进出水温差越小时,槽内水的混合度将越大,死水域越不易产生。

(a)冷水槽 (b)热水槽

图4　死水域的概念图

F r d= /L?g?△r/r0(1)

……………………………

其中, —速通管出水口的平均流速(m/s);

L—速通管的长度(m);

g—重力加速度(m/s2);

△r(= r s-r0 ),r s由空调系统二次侧的回水流至蓄冷槽入口处的容重(kg/m3);r0蓄冷结束时蓄冷槽内平均水温的容重(kg/m3)。

由式(1)可知,当加大连通管部出水口的流速 ,并减少进水口水的密度差,可提高弗罗德数F r,反之,可减小F r。

蓄冷槽效率 v是确定容积为V的蓄冷槽的有效蓄冷量的关键参数。该参数的确定方法有中原信生等根据实验设计法提出的蓄冷槽效率推算表的比较精确的推算方法,也有经验概算值。表1中列出了几种常见槽型的蓄冷槽效率的概算值。

表1　蓄冷槽效率的概算值

方 式构造(平面/剖面)蓄冷槽效率水深和连通管部流速

连接完全混合型0.65～0.80

水深:1～2m 流速:0.3m/s

连接完全混合型的改进型0.75～0.85

水深:>2m

流速<0.1m/s

温度成层型(并联)　0.80～0.90

水深:>2m

流速:<0.1m/s

4　蓄冷槽的防水与保温

蓄冷槽多是设在建筑物的最下层(一般地下1～2层),所处地下深度一般为5～10m。这样深度处的地层温度的变化比地表温度的变化要小得多,因此夏季蓄冷时,通过槽壁传到土壤中的热量是很小的。对于冷水槽来说,需做好保温防结露的部位主要是槽的顶部。但对于热水槽或是冷热水兼用的槽来说,壁面的保温也变得很重要。这是因为蓄热水时,槽内水与槽外土壤的温差比冷水时要大得多。另外,当地下水位比较高时,不但要解决好蓄冷槽的保温隔热问题,同时还要处理好槽的防水问题。以减小由于地下水的流动或浸入,导致槽内热损失增加的可能性,达到提高蓄冷效率 st的目的。

对于蓄冷槽周围地下水的水位比蓄冷槽内水位高的情况,由于检修护修等原因,有时需把蓄冷槽内的水放空。这时如果挡土外壁上有裂缝时,有可能由于地下水的浸入导致对蓄冷槽的隔热保温层产生过大的压力。因此在设计时应对这类问题予以充分的注意和考虑。另外,防水保温对于蓄冷槽来说都是非常重要的,而防水防湿对于蓄冷槽的保温层来说也是一个不可忽略的问题。作为防水方法,从前采用得较多的方法是在挡土外壁上加深水泥防水砂浆,以防地下水的浸入;而现在用得较多的方法则是将合成树脂、合成橡胶的涂料或薄板涂抹或是张贴在挡土外壁上。作为保温材料,多采用发泡聚苯乙烯板( =0.034w/m°C)或是氨基甲酸乙酯现场发泡( =0.018+0.00011t)。在图5中列举了两种常见的防水保温隔热作法。作法之一是,先在挡土外壁上贴上合成树脂或是合成橡胶的防水板,然后再用螺钉将发泡聚苯乙烯板固定在其上。最后是蓄冷槽墙体(图5—a),这时地下浸入水可通过挡土外壁和保温隔热材料之间的缝隙排至集水坑;作法之二是首先在挡土外壁和混凝土之间设置一排水板,然后在混凝土表布涂抹或粘贴合成树脂、合成橡胶的涂料或是防水板,其次是做隔热保温层,该保温层可以是发泡聚苯乙烯板,也可以是氨基甲酸乙酯现场发泡(图5—b),这时地下浸入水可通过挡土外壁与保温层之间的排水板的缝隙排至集水抗。

图5　蓄冷槽的防水、隔热

5　二次侧空调送回水系统

蓄冷槽通过与二次侧的空调器,风机盘管的连接而向它们放冷的。对于蓄冷槽来说,保持放冷侧(二次侧)较大的送回水温差,是保证蓄冷槽内较大密度差,减小弗罗德数F r,控制蓄冷槽整体的水混合的有效措施之一。因此,如图6所示,通常是在二次侧的回水管路上设置二通阀来控制管路的流量和热负荷,而不是用三通阀来控制。其理由是,当

(下转第6页)

域)及屋顶全年所得热和热损失(M J/a)和各层周边部分及顶屋楼板面积(m2)的比值;CEC为空调全年总耗能量(M J/a)和空调全年假想负荷(M J/a)的比值。其中假想负荷,即不包括新风负荷在内的冷热负荷。这样,把对建筑保温隔热性能要求和对空调系统提高效率的要求划分开来,有利于建筑设计人员和空调设计人员分别在满足各自目标要求的前提下,充分发挥其在设计中的创造性。引入有关假想空调负荷的概念,使空调设计人员为了满足CEC 指标的要求,除了要尽量提高空调系统的效率,还不能不考虑排气的能量回收。PA L指标是从宏观上提出建筑围护结构保温隔热的要求,比硬性规定围护结构的热阻及窗墙比要好,为建筑设计人员留有更多的灵活在性,有利于建筑设计中创造性的发挥。我国前城乡建设及环境保护部和国家委、国家计委、国家建材局1987年发布《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》以来,建成了一大批在原来能耗的水平上节能30%的节能建筑,同时在北京、哈尔滨、西安等地开展了建设节能50%的试验住宅小区和试点工程,促进了各种新型保温复合墙体材料、节能型建筑塑料窗等采暖供热新技术的应用与发展。为了进一步推进节能50%的第二步目标,1995年12月发布了新的中华人民共和国行业标准《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26—95),并规定从1996年7月1日起施行。至于空调建筑设计的节能要求,有的地区也发布过一些地区性的条例,但大多限于节电方面,还没有形成全国性有约束力的法规。目前我国空调设计冷热负荷不进行详细计算、设备容量偏大的现象非常普遍,不仅浪费了建设的初投资,而且由于各种设备总是在低效率的工况下运行,造成能源的浪费和运行费用的增加。由此可见,关于空调建筑节能设计要求的规范化立法工作,已是刻不容缓的了。

总之,建筑能耗所占国民经济总能耗的份额与日俱增,建筑能耗中,空调能耗占的比例越来越大。能源短缺既制约着空调的应用,又成为推动空调技术发展的强大动力。研究节能型空调也必将为整个国民经济的持续发展作出贡献。

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二次侧为部分负荷运行时,由于二通阀的控制,管路流量减少,回水温度有可能提高,使得放冷侧的送回水温差提高。反之,若是采用三通阀控制,因是定流量系统,当部分负荷运行时必须导致管路的回水温度降低,使得放冷侧的送回水温差降低,进而导致蓄冷槽效率降低。

图6　蓄冷系统的基本流程图

另外,为防止二次侧的空调设备的腐蚀,并减小二次侧水泵的动力,近来多采用通过水—水式热交换器将蓄冷槽与二次侧的空调设备连接起来的间接方式,换热器多采用板式热交换器。采用这种连接方式,将带来1～1.5°C的热交换温差损失。对此通常采用的解决办法是: 降低冷冻机的出口温度; 提高二次侧的送口水温度。还有一点需要指出的是,在高层建筑中采用这种连方式时,还应考虑热交换器的耐压问题。

根据从上的分析和讨论,主要可归纳为以下几点:

1)无论是连接完全混合型蓄冷槽(就蓄冷槽整体而言),还是温度成层型蓄冷槽,尽量使槽内水流接近“活塞式”流动,减小槽内不同温度水体的混合是提高蓄冷槽效率的重要手段之一。

2)在设计连接完全混合型蓄冷槽时,槽的水深一般可取1～2m,连通管部的水速 >0.2m/s,一般可按 =0.3m/ s,槽的连接个数可在15～50个间取值。

3)在设计温度成层型蓄冷槽时,槽的水深一般应大于2m,水的流速 <0.1m/s(进出水扩散口的流速)。

4)蓄冷效率 st的取值可按下述值考虑:蓄冷槽, st= 5%～8%;热水槽, st=10%～15%。蓄冷槽效率 v的取值可按表1。

参考文献

[1]空气调节,卫生工程学会,蓄热式空调系统基础及应用,丸善株

式会社,1995年10月

[2]空气调节,卫生工程学会,空气调节卫生工程便览,第2章,通用

机器?空调机器篇,丸善株式会社,1995年3月

[3]N.Nak ahara and K.Sagara:ASHRAE Trans actions,1988年