于航 邓育涌 孙斌 张旭

摘要： 本文介绍了温度分层型水蓄冷的模拟研究。阐述了计算模型、计算条件和计算结果。分析了温度分层型水蓄冷的斜温层在充冷和释冷过程中的特点，讨论和评价了残留斜温层的影响。对不同蓄冷温度差与斜温层进行了对比和回归分析，特别是定量分析了不同流速对斜温层的影响。本研究对温度分层型水蓄冷的设计和工程应用提供了参考。

关键词： 水蓄冷 温度分层型 斜温层

0 引言

在城市现代化建设过程中，用电结构发生变化，表现在电网峰谷差加大，造成白天高峰电力紧张，夜间电量需求不足的矛盾。由于空调用电在总电力负荷中的比例不断增加，空调蓄冷技术对城市电网的“削峰填谷”效果越来越重要。空调蓄冷技术就是利用蓄冷介质的显热或潜热特性将冷量储存起来，供应电网高峰时段全部或部分空调负荷，少开或不开制冷机。

水蓄冷是空调蓄冷的重要方式之一，利用水的显热储存冷量，发达国家已进行了较长时间的研究和应用。水蓄冷储槽的类型有多槽混合型、温度分层型、隔膜型等，实践证明，温度分层型（垂直流向型）和串连混合型（水平流向型）最简单有效。温度分层型水蓄冷是利用水在不同温度时密度不同这一特性，依靠密度差使温水和冷水之间保持分隔，避免冷水和温水混合造成的热量损失。水在4℃左右时的密度最大，随着水温的升高密度逐渐减小，利用这一特性，使温度低的水储存于槽的下部，温度高的水位于储槽的上部。设计良好的温度分层型水蓄冷槽在上部温水区与下部冷水区之间形成并保持一个斜温层。一个稳定而厚度适宜的斜温层是提高蓄冷效率的关键。

在温度分层型水蓄冷储槽中，为了使水以重力流或活塞流平稳地导入槽内（或由槽内引出），其关键是须在储槽的冷温水进出口处设置布水器，以确保水流在储槽内均匀分配，扰动小。

1 模型建立

1.1 单元模型

如图1，是一个由7个布水口组成的单元体。

图1 单元模型

1.2 计算条件

（1）初始条件

充冷过程：蓄冷罐内充满12.5℃温水。充冷开始后，4℃冷水自底板布水口流入，12.5℃温水自顶板布水口流出。

释冷过程：蓄冷罐内充满4℃的冷水。释冷开始后，12.5℃的温水自顶板布水口流入，4℃冷水自底板布水口流出。

（2）边界条件

单元模型与相邻单元间没有热量交换，为绝热边界条件。

2 计算结果

2.1 充冷过程

充冷开始阶段底板附近流场和温度场分布如图2、3所示。4℃冷水流入水蓄冷罐时，布水口处流速最大，离开布水口后流速迅速减小。在本文的计算条件下，充冷开始阶段底板附近斜温层厚度为0.49米。图4为斜温层厚度随充冷时间增加的变化曲线，可以看出，斜温层的厚度是随着充冷时间的增加而增大的。

2.2 释冷过程

释冷过程水蓄冷罐内流场及温度场分布与充冷过程相似。由于充冷过程结束应以斜温层完全移出水蓄冷罐、罐内充满4℃冷水为标志，而释冷过程的出口冷水温度高于4℃时即结束，因此充冷和释冷过程所需时间并不相同，充冷过程需要更长的时间。

2.3 残留斜温层的影响

（1）释冷完成度的影响

通常认为，当释冷过程的冷水出口温度高于规定温度时，释冷过程即告结束。但此时水蓄冷罐内尚残留有一个厚度为最大值的斜温层。如果立即开始下面一个充冷过程，残留斜温层将导致充冷过程中斜温层的初始厚度不为0，且为残留斜温层的厚度。图5分别示出释冷5.5小时和6小时后再充冷时斜温层的厚度曲线，可以看出，残留斜温层造成充冷过程斜温层厚度显著增加。但是，随着充冷时间增加，这种影响呈逐渐弱化的趋势。

图2 底板附近的速度场

图3 底板附近的温度场 　　　图4 充冷过程的斜温层

（2）充冷完成度的影响

同样地，由于充冷不完全也会造成其后的释冷过程斜温层厚度增大。充冷完成度越高，残留斜温层越少，对释冷过程影响越小（图6）。

图5 残留斜温层对充冷过程的影响

图6残留斜温层对释冷过程的影响

图7 罐壁热传递二维计算模型

3 通过罐壁的热量传递分析

本文定量分析了通过罐壁的热量传递对水蓄冷罐内斜温层的影响及其所造成的热量损失。采用二维平面计算模型（如图7），环境、保温层、罐壁、冷水等的温度通过计算耦合确定。计算结果见图8。从图中可以看出，由于保温层的设置，环境温度对罐内冷水的影响被有效地限制在很小的范围。

4 不同运行条件对斜温层的影响

4.1 斜温层与蓄冷温差

如表1，改变蓄冷水进出口温度差，计算结果如图10。由于蓄冷温差减小，斜温层厚度也随之有所减小。根据计算结果对斜温层厚度与进出水温差进行了多项式回归分析，如式（1）、（2）。

图8 罐壁附近温度场分布?

斜温层最大值的多项式回归：

y=–0.0013x³ 0.0159 x² 0.1248x 1.4381 （1） (R²=0.9987)

斜温层平均值的多项式回归：

y=-0.001x³ 0.0143x² 0.0343x 0.9622 （2） (R²=0.9988)

图10 斜温层厚度与温差

4.2 斜温层与布水口流速

改变布水口流速的工程意义是加快蓄冷或释冷速度。如将布水口流速增加一倍，则蓄冷或释冷所需时间将随之缩短一半；将布水口速增大到4倍，则蓄冷或释冷所需时间将缩短为1/4。图11为不同布水口流速条件下的斜温层厚度计算结果。斜温层厚度与布水口水流速的多项式回归分析如式（3）、（4）。

图11 斜温层厚度与布水口流速

斜温层最大值的多项式回归：

y=–926.92x³ 120.9 x² 6.7355x 2.5382 （3） (R²=0.9996)

斜温层平均值的多项式回归：

y=–2019.9x³ 343.63 x²-7.3244x 1.6224 （4） (R²=0.9885)

5 结束语

通过对温度分层型水蓄冷的模拟计算，得到以下主要结论。

（1）合理设计的大型水蓄冷罐可以实现良好且稳定的温度分层。

（2）虽然斜温层的初始厚度较小，但随着充冷或释冷时间的增加，斜温层厚度也随之增大。

（3）充冷和释冷所需时间并不相同，充冷过程需要更长时间。

（4）斜温层厚度随进出口温差增加而增大。

（5）良好的罐体保温结构，可以将环境温度对罐内冷水的作用范围及热损失控制在较小范围。

（6）布水口流速增大时，斜温层厚度也随之增大。

（7）残留斜温层导致下面一个过程的斜温层初始厚度不为0，降低蓄冷罐效率。

参考文献

1 严德隆，张维君. 空调蓄冷应用技术. 中国建筑工业出版社.

2 （社团法人）空气调和·卫生工学会.蓄热式空调システム基础と应