錢軼珺，劉毅，華煒，張新記，張杰，陳聰慧

（1.上海世博綠色能源發(fā)展有限公司，上海200002；2.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海200002）

不同蓄冷流速對(duì)筏基迷宮式水蓄冷效率的影響

錢軼珺1，劉毅2，華煒2，張新記2，張杰1，陳聰慧1

（1.上海世博綠色能源發(fā)展有限公司，上海200002；2.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海200002）

針對(duì)某筏基迷宮式水蓄冷項(xiàng)目，根據(jù)流體力學(xué)相似原理建立筏基水槽模型，模擬不同蓄冷/釋冷流量的蓄冷/釋冷工況，進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。計(jì)算不同工況下的冷量轉(zhuǎn)移和水槽體積利用率。分析研究流速對(duì)筏基迷宮式水蓄冷性能的影響，并給出推薦蓄冷/釋冷流速。最后，通過相似性原理推算到實(shí)際項(xiàng)目中，為實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行提供參考意見。

迷宮式水蓄冷；相似原理；模型實(shí)驗(yàn)；冷量轉(zhuǎn)移效率；體積利用率

0引言

上海某項(xiàng)目欲利用建筑地下筏基結(jié)構(gòu)充當(dāng)蓄冷水槽，采用迷宮式水蓄冷，將蓄冷水槽與建筑空間完美結(jié)合在一起，提高建筑空間利用率，提出筏基迷宮式水蓄冷模式。

目前，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)利用筏基充當(dāng)容器的冰蓄冷工程實(shí)例，比如北京國(guó)貿(mào)中心二期工程綜合樓，建筑面積約12萬m2，利用建筑物原有的筏基做成土建蓄冰槽，總蓄冷量46378.7kWh；中國(guó)大飯店，建筑面積約10萬m2，利用機(jī)房下面的筏基做土建蓄冰槽，總蓄冷量33851.1kWh。

但目前國(guó)內(nèi)甚至國(guó)外，均無利用筏基進(jìn)行水蓄冷的工程案例。并且，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究也很少，對(duì)于如何驗(yàn)證利用建筑筏基進(jìn)行水蓄冷的實(shí)際效果也幾乎處于空白狀態(tài)。因此，采用模型實(shí)驗(yàn)對(duì)筏基迷宮式水蓄冷進(jìn)行分析研究具有相當(dāng)?shù)闹匾院捅匾?。本文主要通過模型實(shí)驗(yàn)來探究蓄冷及釋冷流速對(duì)筏基迷宮式水蓄冷系統(tǒng)效率的影響。

1 迷宮式水蓄冷簡(jiǎn)介

1.1 迷宮式水蓄冷

水蓄冷系統(tǒng)是利用水的顯熱特性來儲(chǔ)存冷量。而迷宮式水蓄冷是采用隔板把蓄水槽分成很多個(gè)小單元格，水流按照設(shè)計(jì)的路線依次流過每個(gè)單元格。圖1所示為迷宮式蓄水罐中水流的路線。迷宮式水蓄冷能較好地防止冷熱水混合。但在蓄冷和放冷過程中有一個(gè)是熱水從底部進(jìn)口進(jìn)入或冷水從頂部進(jìn)口進(jìn)入，這樣易因浮力造成混合。另外，水的流速過高會(huì)導(dǎo)致擾動(dòng)及冷熱水的混合；流速過低會(huì)在單元格中形成死區(qū)，降低蓄冷系統(tǒng)的容量[1]。

圖1 迷宮式水蓄冷原理圖

1.2 項(xiàng)目原型

上海某項(xiàng)目擬利用地下筏基區(qū)域進(jìn)行水蓄冷，該項(xiàng)目共有7大筏基區(qū)。該實(shí)驗(yàn)以東南筏基區(qū)一條流道為研究分析原型。

圖2 東南筏基區(qū)蓄冷水流線示意圖

圖3 筏基區(qū)某一內(nèi)墻留洞示意圖

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用迷宮式水蓄冷，其蓄冷水流線及內(nèi)墻開孔如圖2、圖3所示，其蓄水最大高度不能超過1.48m，平均蓄水高度1.41m，內(nèi)墻厚360mm。設(shè)計(jì)蓄冷溫度13/20℃。

2 迷宮式水槽實(shí)驗(yàn)理論

2.1 實(shí)驗(yàn)思路

由于目前國(guó)內(nèi)缺少實(shí)際項(xiàng)目案例，不能直接分析流量對(duì)蓄冷效率的影響。故將上述東南筏基區(qū)的一條流道縮小建立實(shí)物模型，然后進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。保證蓄冷、釋冷溫度一致，改變蓄冷和釋冷流速，從而分析流速對(duì)迷宮式水蓄冷效率的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

模型實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是模型流體和原型流體必須保持流動(dòng)相似。這就需要滿足以下幾個(gè)條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、初始條件和邊界條件相似。

幾何相似是指原型與模型的外形相似，其各對(duì)應(yīng)角相等，而且對(duì)應(yīng)部分的線尺寸均成一定比例。

對(duì)應(yīng)角相等：

線性尺寸成比例：

運(yùn)動(dòng)相似是指原型與模型兩個(gè)流動(dòng)的流速場(chǎng)和加速度場(chǎng)相似。要求兩個(gè)流場(chǎng)中所有對(duì)應(yīng)的速度和加速度的方向?qū)?yīng)一致，大小都維持固定的比例關(guān)系。

速度比尺：

時(shí)間比尺：

加速度比尺：

運(yùn)動(dòng)相似規(guī)定了時(shí)間比尺，只要對(duì)任一對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流速和加速度都維持固定的比尺關(guān)系，也就固定了長(zhǎng)度比尺λl和時(shí)間比尺λt，就保證了運(yùn)動(dòng)相似。

動(dòng)力相似是指原型與模型兩個(gè)流動(dòng)的力場(chǎng)幾何相似。要求兩個(gè)流場(chǎng)中所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的各種作用力的方向?qū)?yīng)一致，大小都維持固定比例關(guān)系。

初始條件和邊界條件相似是指流體所處環(huán)境及邊界狀況相似，主要包括壓力、溫度、摩擦系數(shù)等。

已知迷宮式水蓄冷槽內(nèi)水流屬于液位差驅(qū)動(dòng)的孔口淹沒射流，根據(jù)滿足一個(gè)主要力相似忽略其他次要力相似的模型律原則，選用弗勞德準(zhǔn)則數(shù)，也即主要相似為重力相似[2]。

弗勞德數(shù)：

當(dāng)原型與模型的弗勞德數(shù)相等時(shí)，兩者重力相似，即：

長(zhǎng)度比尺：

則體積比尺：

流量：

可得速度比尺：

流量比尺：

時(shí)間比尺：

根據(jù)該原理，確立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)及各工況對(duì)應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 迷宮式水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)驗(yàn)工況

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理，按長(zhǎng)度比尺1:5建立模型水槽。

圖4 模型水槽蓄冷水流線示意圖

該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退塾貌牟捎?0mm厚聚丙烯塑料板，連接方式為熱熔焊。聚丙烯（Polypropylene，簡(jiǎn)稱PP）是一種半結(jié)晶的熱塑性塑料，具有較高的耐沖擊性，機(jī)械性質(zhì)強(qiáng)韌，并且具有良好的隔熱性能，其密度為920kg/m3，熔點(diǎn)為164-170℃，符合模型制造要求。

水槽外型尺寸根據(jù)原模型縮小5倍制成。水槽上下底面高度330mm，內(nèi)壁厚度62mm（用兩塊10mm厚PP板形成42mm夾層）模擬實(shí)際墻體厚度并具有較好隔熱效果；模型水槽壁的開孔尺寸及開孔位置均在原型尺寸的基礎(chǔ)上縮小5倍得來，所有槽壁的開孔均由一個(gè)Φ120mm大孔，一個(gè)Φ80mm的小孔（泄水孔）和若干Φ100mm小孔組成。共設(shè)5個(gè)透明玻璃液位計(jì)。如圖4、圖5所示，圖中箭頭代表蓄冷流向，釋冷流向相反。

側(cè)壁保溫采用60mm厚橡塑保溫，由兩層30mm厚橡塑保溫材料構(gòu)成；頂部蓋60mm厚泡沫板進(jìn)行保溫。由于聚丙烯材料本身傳熱性能差，具有較好的隔熱性能，故底部和內(nèi)壁夾層不設(shè)置保溫。

模型水槽實(shí)際蓄水平均高度282mm，總蓄水量16.92m3。

水槽實(shí)驗(yàn)工況共分四種情況見表1。

圖5 模型水槽側(cè)壁開孔示意圖

表1 迷宮式水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同流量水槽體積利用率

評(píng)價(jià)蓄冷系統(tǒng)性能主要有冷量轉(zhuǎn)移效率和蓄冷容積利用率兩個(gè)指標(biāo)。其蓄冷體積利用率計(jì)算方式如下：

表2 相關(guān)體積記錄m3

表3 水槽體積利用率記錄%

實(shí)驗(yàn)一，蓄冷流量較小，其蓄冷循環(huán)水量?jī)H14.02m3，水槽內(nèi)蓄水量為完全循環(huán)；實(shí)驗(yàn)二可認(rèn)為水槽蓄水恰好循環(huán)一次；實(shí)驗(yàn)三工況蓄冷近似全水槽恰好均有效蓄冷；實(shí)驗(yàn)四過度蓄冷。

對(duì)比分析4次實(shí)驗(yàn)有效蓄冷量和蓄冷循環(huán)水量的比值，可發(fā)現(xiàn)隨著蓄冷流量的增加，其有效蓄冷體積占比先增加后減少，在蓄冷流量為5.2m3/h時(shí)其蓄冷效率最高。

對(duì)比有效釋冷體積與有效蓄冷體積比值可發(fā)現(xiàn)，隨著釋冷流量的不斷增加，其比值不斷減少（實(shí)驗(yàn)四有所上升是由于其過度蓄冷，導(dǎo)致其蓄冷結(jié)束時(shí)水槽內(nèi)平均水溫偏低），說明釋冷流量不宜過大。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)分析，推薦實(shí)際釋冷流量不宜大于10.4m3/h，釋冷流量在7-10m3/h范圍內(nèi)其效率較高能達(dá)70%左右。

從水槽體積利用率方面考慮，為保證水槽能充分利用，其蓄冷流量不宜過小，應(yīng)盡量保證水槽均有效蓄冷，同時(shí)蓄冷流量也不宜過大，流量過大一方面增加水泵能耗，另一方面造成冷量富裕二浪費(fèi)。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)分析，該模型水槽推薦蓄冷流量為5.2m3/h，保證水槽恰好完全有效蓄冷，并且冷量利用率高。

3.2 不同蓄冷流量對(duì)蓄冷效率的影響

另一個(gè)冷量轉(zhuǎn)移效率指標(biāo)計(jì)算方式如下：

可根據(jù)蓄冷工況進(jìn)出口溫度及蓄冷流量分別計(jì)算出4次實(shí)驗(yàn)總蓄冷量，總蓄冷量量計(jì)算公式：

而溫度傳感器測(cè)量值得出有效蓄冷水量，并根據(jù)蓄冷前后溫差計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同蓄冷流量對(duì)蓄冷效率的影響

實(shí)驗(yàn)一、二的冷量轉(zhuǎn)移效率基本一致，實(shí)驗(yàn)三、四的冷量轉(zhuǎn)移效率也基本一致。而實(shí)驗(yàn)一、二蓄冷流量較小，蓄冷結(jié)束時(shí)水槽為完全蓄冷，實(shí)驗(yàn)三、四已完全蓄冷，說明完全蓄冷情況下冷量轉(zhuǎn)移效率會(huì)高于未完全蓄冷工況。其原因?yàn)槲赐耆罾涔r下，在釋冷過程中水槽摻混區(qū)域更大，因此推薦實(shí)際蓄冷時(shí)確保水槽盡可能完全蓄冷。

3.3 不同流量蓄冷1小時(shí)

截取實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)三（實(shí)驗(yàn)四過度蓄冷不具代表性，不再討論）3次實(shí)驗(yàn)蓄冷前一小時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算總蓄冷量和有效蓄冷量（水槽內(nèi)水溫不高于釋冷溫度上限即為有效蓄冷量，可從全水槽溫度分布中查閱各小水槽溫度，從而估算有效蓄冷體積，然后根據(jù)（Q=cmΔt）計(jì)算有效蓄冷量）。

表5 不同蓄冷1小時(shí)的結(jié)果

蓄冷階段第一小時(shí)3次實(shí)驗(yàn)水槽進(jìn)出口溫差均穩(wěn)定在7℃左右（實(shí)驗(yàn)4由于流量較大蓄冷溫差有所波動(dòng)），根據(jù)控制變量法原則，可排除進(jìn)出口溫度波動(dòng)對(duì)有效蓄冷量的影響，同時(shí)1h的循環(huán)水量遠(yuǎn)小于水槽蓄水量可排除水槽容積對(duì)有效蓄冷量的影響。故此處可認(rèn)為蓄冷流量大小是影響有效蓄冷效率的唯一因素。

分析表明，在實(shí)驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)，有效蓄冷率隨蓄冷流量的增加而減小，其原因?yàn)榱魉僭酱螅鲹交煸絿?yán)重，能源品質(zhì)下降多。故蓄冷以及釋冷流量均不宜過大，流速大摻混嚴(yán)重。并且可從側(cè)面反映，該實(shí)驗(yàn)最小蓄冷流量3.92m3/h下，其蓄冷效率較高，說明該流量蓄冷時(shí)水槽內(nèi)死區(qū)不大。

4 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行原型推算

根據(jù)相似性原理可將實(shí)驗(yàn)結(jié)果逆推到原型中（詳見實(shí)驗(yàn)原理章節(jié)），從而估算實(shí)際運(yùn)行有效釋冷量（換算關(guān)系詳見實(shí)驗(yàn)原理章節(jié)）。該推算基于實(shí)際釋冷溫差與實(shí)驗(yàn)釋冷溫差一致，均為7℃左右。以實(shí)驗(yàn)一為例，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)推算過程如下：

從而可推出算，在實(shí)驗(yàn)一工況下，系統(tǒng)總蓄冷流量：

系統(tǒng)總釋冷流量：

系統(tǒng)總蓄冷量：

系統(tǒng)總蓄冷功率：

系統(tǒng)釋冷量：

系統(tǒng)釋冷功率：

即使平均分配到8h釋冷（假設(shè)效率不變），系統(tǒng)平均釋冷功率：

設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷為89630kW，故該工況下系統(tǒng)能在白天減少制冷主機(jī)開機(jī)臺(tái)數(shù)。

表6 不同蓄冷實(shí)驗(yàn)的原型推算

由于實(shí)驗(yàn)四過度蓄冷，不推薦用于實(shí)際工程，故不再推算。實(shí)驗(yàn)一、二、三詳細(xì)結(jié)果見表6。

由于此次模擬對(duì)象為東南筏基區(qū)內(nèi)一條流向上的水槽，對(duì)模擬數(shù)據(jù)處理計(jì)算可得到該區(qū)域供冷能力等參數(shù)，為分析整個(gè)能源站（7個(gè)筏基區(qū)）的蓄冷效果，假設(shè)其余未模擬的筏基區(qū)蓄冷效果亦相同，因此系統(tǒng)供冷能力為模擬區(qū)域供冷能力的19450/1505.5=12.91倍，系統(tǒng)效率與模擬區(qū)域效率相同。

5 結(jié)語(yǔ)

由該次實(shí)驗(yàn)可知，在設(shè)計(jì)工況下，該迷宮式水蓄能系統(tǒng)冷量轉(zhuǎn)移效率在70%左右，水槽體積利用率也可達(dá)65%以上，與美國(guó)、日本等迷宮式水蓄冷體積利用率接近，符合設(shè)計(jì)需求，該流道設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工程實(shí)際。

該次模型實(shí)驗(yàn)蓄冷流量在3.92-5.2m3/h范圍內(nèi)蓄冷效果均較好，差距不大，故實(shí)際工程中總蓄冷流量可控制在2829-3753m3/h之間。

該模型實(shí)驗(yàn)釋冷流量在7.5-10.4m3/h范圍內(nèi)釋冷效果良好，建議實(shí)際工程釋冷流量控制在7506m3/h之內(nèi)，但特殊情況也可高于該值。

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)可知，水槽完全蓄冷工況下其系統(tǒng)效率較高，故實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量確保每個(gè)筏基區(qū)流道完全蓄冷。

實(shí)際項(xiàng)目為7個(gè)筏基區(qū)流道并聯(lián)運(yùn)行，在負(fù)荷需求較低的過渡季節(jié)，可切斷部分筏基流道，確保參與蓄冷的流道蓄冷完全。

若夜間蓄冷較多，白天負(fù)荷需求較少，釋冷時(shí)可僅開部分筏基流道進(jìn)行釋冷，確保參與釋冷流道釋冷基本完全，其他未參與釋冷流道扔未完全蓄冷狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)效率。

每個(gè)筏基區(qū)流道蓄冷/釋冷流道流量分配應(yīng)根據(jù)實(shí)際蓄水量分配，其流量比即為蓄水量比，若蓄水高度一致，則流量比即為可用蓄冷底面積之比。根據(jù)水槽實(shí)際蓄水量分配各支路流量，保證各筏基區(qū)流道蓄冷/釋冷基本同時(shí)完成。

[1] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 周光炯，嚴(yán)宗毅，徐世雄，等.流體力學(xué)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

修回日期：2016-11-25

Analysis on Efficiency of Water Storage in Raft Foundation Labyrinth on Fifferent Flow Velocity

QIAN Yi-jun1，LIU Yi2，HUA Wei2，ZHANG Xin-ji2，ZHANG Jie1，CHEN Cong-hui1
（1.Shanghai Power Green Energy Co.，Ltd，Shanghai 200002，China；2.East China Architectural Design&Research Institute MEP 2，Shanghai 200002，China）

In a raft of labyrinth water storage projects, according to the principle of fluid mechanics similar raft flume model, simulation of different storage/release of cool storage/release cold condition of cold flow, model experiments. The cold calculation under different working conditions was transfer and utilization rate of water tank volume. Velocity analysis research on the properties of raft labyrinth water storage, and recommended storage/release cold flow velocity is given. Finally, through the principle of similarity calculation to the actual project, provides reference for actual project execution .

labyrinth water storage；the similar principle；model experiment；cold energy transfer efficiency；volume utilization

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.019

TU831

B

2095-3429（2016）06-0070-06

錢軼珺（1969-），女，上海人，工程師，主要從事天然氣分布式供能投資相關(guān)工作；劉毅（1964-），男，上海人，教授級(jí)高級(jí)工程師。

2016-10-25