王凌飞

异形水槽蓄冷技术在商业建筑空调系统中的设计研究

王凌飞

(奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海 200031)

自然分层的水蓄冷技术在能耗梯级增长的商业建筑中具有重要的节能功效。对商业建筑项目中异形蓄水槽的布水均匀性、温度分层效果和防水保温进行了理论研究。在一个实际建筑项目案例中应用该理论设计了相应的研究方案，取得较好的效果。该研究结果对水蓄冷系统设计，尤其是对区域形状不规则的商业建筑项目具有重要参考意义。

商业建筑；异形蓄水槽；布水均匀性；温度分层

经济快速发展对工作居住环境要求提高带来能耗的梯级增长，以上海地区为例，在1990～2010年间商业建筑的总用电量由266.5亿千瓦时增长到2010年的1295.87亿千瓦时,是1990年的4.86倍,年均增长速度为7.8%。到2012年时，上海夏季商业用电峰值已达到2426.3万千瓦。其中空调用电比例较大，北京用电峰值近半为空调负荷。在这种前提和背景下，对蓄冷空调系统的推广具有现实意义，特别是在正在进行新建或改建的大型商业建筑中，蓄冷空调更有其积极的社会效益和宏观的经济效益。

1 水蓄冷系统应用现状

水蓄冷技术是利用夜间廉价低谷电全部或部分制出建筑物日间所需冷量，将冷量以低温冷水的方式蓄存起来，在电价高峰时段将冷量释放出来。其和冰蓄冷相比没有蓄存从冰化成水的相变能量，所以在储存相同冷量时需要占用更大的体积。该特点使得水蓄冷在寸土寸金的商业建筑项目中的推广受到制约，前十年间主要应用于空间宽裕的机场、工业项目及医院等公建项目中[1]。

近年来，电网移峰填谷的压力及LEED认证对节约能耗费用的要求使得更多商业开发商和暖通专业人士再次聚焦蓄冷技术应用。而同冰蓄冷技术相比，水蓄冷无需采用双工况的冷水机组、蓄冰槽及乙二醇溶液，这使得水蓄冷技术在造价和能耗方面又有了较大的优势，所以在很多商业项目中建筑师提出了采用一些商业价值极低的异形区域作为水蓄冷之用。而如何利用异形蓄水槽进行蓄冷放冷，则成为一个需要研究的课题。

2 异形水槽蓄冷理论特性研究

在目前商业和公建项目中通常考虑采用自然分层的蓄冷方式。从减少蓄冷水槽的冷热损失、投资及布管均匀性方面考虑，通常采用直立的平底圆柱体作为蓄水槽，由于长方体建造方便，可结合建筑物一起考虑，在实际项目中也运用较多。

在水蓄冷循环时，制冷设备送来的较低温度冷水由底部布水器进入蓄水槽，较高温度的水则从顶部排出，水槽中水量保持不变。在放冷循环中，水流动方向相反，较低温度的冷水由底部送至末端负荷侧，回流热水从顶部布水器进入蓄水槽。对于水蓄冷系统，布水器的设计尤其重要。

下面首先从自然分层影响因素对异性水槽蓄冷放冷可行性进行理论分析。

2.1 自然分层的形成

蓄水槽中的水由于密度的不同可以分成三个区域(如图1)：从空调设备末端返回水管上部温度较高的水，中间是有较高温度梯度的斜温层，下部为蓄存的温度较低的冷冻水。斜温层是冷热水直接的温度过渡层，要达到较高的蓄冷效率，必须降低斜温层厚度。

蓄冷和放冷过程中稳定温度分层在于顶部和底部布水器的设计因为自然分层水蓄冷系统的布水器必须能够形成一个冷、热混和程度最小的斜温层，还要保证斜温层不被以后发生的扰动所破坏[2]。设计中要依据适宜的弗罗德数去选择合适的布水器及孔口，合理确定其进水口高度，同时通过设计适当的雷诺数来减小斜温层的衰减确保合理运行。在异形水槽结构中，上述要求同样要满足。

图1 温度分层示意图

（1）弗罗德数

弗洛德数[3-4]是作用在流体上的惯性力与浮力之比的一个无因次量。当弗罗德数≤1时，入口处水流浮力大于惯性力，即可形成重力流。当弗罗德数＞1，重力流仍将维持，但弗罗德数＞2时，水混和效应明显增强。因此可先按照弗罗德数≤1来进行顶部和底部布水器高度设计（具体如下），然后根据实际安装高度进行修正。

—特征速度，m/s；

—设计流量，m3/s；

—散流长度，m；

—布水器单位长度的体积流量，m3/(m·s)；

—重力加速度，m/s2；

ρ—进口水密度，kg/m3；

ρ—周围水密度，kg/m3；

h—稳流器的最小进口高度，m。

由上式可知，能否形成重力流与蓄水流量、布水器有效长度及布水器安装高度相关，故在异形水槽设计中也可满足上述条件。

（2）雷诺数

雷诺数[3-4]是表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比的一个无因次量。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态。一般情况下，雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态。

为了保证稳定的蓄冷放冷过程及斜温层，蓄水槽的雷诺数有一定要求，对于小型水槽，雷诺数控制在200以下，对于深度大于5 m小于12 m的水槽，雷诺数一般控制在400~800之间。对于流量确定的水槽，则可通过雷诺数控制来计算布水器最小有效长度，具体如下：

/(Re·)，m；

Q—罐体出水流量，m3/s；

—进水在4~5℃时的粘滞系数m/s

Re—稳流器进口雷诺准数取值。Re=，式中，，，分别为流体的流速，密度和粘滞系数，d为特征长度。

与上述第一条分析相同，层流条件下雷诺数与蓄水流量和布水器有效长度相关，故在异形水槽设计中也可满足上述条件。

（3）布水的均匀性

当上述两个条件满足后，则需要考虑顶部和底部布水器出水的均匀性，对于规格的直立式圆柱体和正方体水槽，槽内布水器应设计在对称于水槽的垂直轴和水平面的中心线上，能在流量变化情况下尽量保持任何两个点的压力平衡和出水均匀，圆柱体通常采用八角形和径向圆盘形，而长方体水槽通常采用H形和水平条缝形[5][6]（如图3、4所示）。通常孔口的出流速度保证在0.3~0.6 m/s的范围内。

图2 槽内接管示意图

图3 八角形分配器布置图

图4 H形分配器布置图

而对于异形水槽来说，采用单一的布水器不能完全达到出水均匀性，特别是对于某些角落区域。故对于异形水槽来说需采用多种形式布水器结合方式，同时还可以考虑多次布水方式，增加布水器有效长度。

此外，尽量避免狭长的水槽形式，可以采用并联方式将水槽切分为体积相当的多个水槽。

3 不规则蓄水槽保温防水分析

在冷水蓄存期间，热损失主要由以下几方面产生：

1）储存的温度较低的水与来自盘管的温度较高的水直接混合产生热损失，其水温上升；

2）原回水的热量通过蓄冷水槽的壁面传给储存的冷水导致冷量的损失；

3）周围空气中的热量通过蓄冷水槽壁传热。

上述提及的热损失可通过下面相关措施以确保最小：

1）水槽内尽量避免结构柱存在以减少冷桥损失；

2）合理设计布水器，控制弗罗德数和雷诺数在要求的范围以内，使水的流动状态为层流减小混和传热；

3）通过对水槽内表面进行保温（如泡沫玻璃）减小冷热水通过池壁的热量传递；

4）通过对水槽外表面进行保温（如硬泡聚氨酯）隔绝与外界空气的热量传递。

通常情况下，采用基于热量的一个指标优良指数（FOM）[7]去衡量蓄水槽的蓄冷效果，即在蓄冷和释冷的整个蓄冷过程中冷量的损失。FOM由下式表示：

式中各参数含义为：

由此可见，在冷水的蓄存期间冷量损失越小，优良指数（FOM）就越大。一般情况下，蓄水槽的优良指数（FOM）需控制在0.85~0.92。

4 实际项目分析

本项目为华东地区一个综合体，包括商场、办公及酒店式公寓。根据当地电价政策及LEED的要求采用水蓄冷系统[8]，蓄冷水槽位于地下室二层和三层塔楼区域，由于该区域形状不规则，且周边有多处柱子，除作为机房和库房外，较难有其他用途，如图5所示。

项目采用两台冷冻机组串联运行，蓄冷进出口温度为4/12℃。

图5 蓄冷水槽平面布置

4.1 散流长度和布水器安装高度的确定

该区域平面为U形结构，考虑到布水的均匀性要求，在设计之初尽量避免直角布水区域，故分为3个槽体，3个槽体并联同步运行。根据上述分析，按下述设计原则可得出具体布水设计参数。

1）以雷诺系数Re 的取值确定布水散流长度L。如果采用多次布水系统，以雷诺系数取值确定次级散流长度（散流孔直径之总和L），以最后一次布水的散流长度（线性散流长度K）确定实际雷诺系数值（称雷诺系数修正值Re’）。

2）以最后一次布水的散流长度（线性散流长度K）及现场安装散流高度Hi’ 校核实际弗兰德参数（称弗兰德常数修正值Fr’）是否在允许取值范围内。

3）斜温层厚度的估算，应考虑如下水槽基本参数、重力流及层流等因素，结合实际运行经验加以确定实际弗兰德常数、实际雷诺系数、蓄冷温差、充（释）冷周期、水池内壁传导因素等。3个水槽基本参数如表1所示，重力流设计参数如表2所示，层流设计参数如表3所示。

表1 3个水槽基本参数

表2 重力流设计参数

表3 层流设计参数

4.2 异形水槽内布水器设置方式

异形水槽内布水器均匀性是自然分层能否实现的关键点，因为非对称形状使得布水时必须考虑下述因素：

1）到各个方向布水管道距离尽量相等；

2）需要较长的散流长度以保证单位长度流量小，需要考虑多次布水要求；

3）多种形式布水器组合使用。

故本项目布水器采用H形和水平条缝形组合进行设计，具体布置如图6所示：

图6 布水器组合方式布置

4.3 异形水槽防水和保温设计

利用地下室商业价值较小的异形空间作为水槽，基本上只能采用钢筋混凝土槽体，水池发生泄漏将导致槽体保温失效，因此蓄冷水池内防水要求较高，遵循多重设防，柔性为主的原则。

本项目分隔后的每个水槽内均没有柱子，故考虑采用外保温形式，对整个槽体进行完全包裹保温。除底部与大底板连接处不考虑外保温，槽体周边及上方采用聚氨酯发泡。具体如图7和图8所示：

图7 侧壁防水保温设计

图8 顶部防水保温设计

4.4 实际效果

目前该项目在安装调试过程中，在确定方案之初，对单个水槽的温度进行了初步试验模拟[9]，每隔0.9 m设置一个测试点，如图9所示。

图9 测试点布置

具体结果如图10所示：

图10 温度测试值

根据上述数据分析可知，该蓄冷槽在测试点区域可形成温度分层，但其斜温层比设计时略大。实际数据须待施工调试完成后进行。

5 结论

根据上述理论和实际案例分析，可知采用不规则异形水槽可以形成自然分层，从而实现系统的蓄冷和放冷，但在异形水槽布水及保温设计中需考虑下述事宜：

1）可采用分为多个水槽并联运行，尽量使得单个水槽内不存在转弯区域，从而更易满足布管均匀性要求；

2）与规则水槽体相比，异形水槽布水器设计时更应注意水管同程设计；

3）可采用多次布水增加散流长度，从而降低单位管道流量；

4）异形结构布水可采用多种布水器形式组合。

[1] 张永铨.我国蓄冷技术的发展[J].暖通空调,2010,40(6): 40-46.

[2] 唐佳丽,欧阳峥嵘,仇文君.基于SHMFF水蓄冷系统斜温层厚度影响因素分析[J].低温工程，2013(3):35-37.

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[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[5] 王子烨,黄凤苗,郭盛祯.新型H型水蓄冷布水器的设计与数值模拟研究[J].发电与空调,2013(1):59-63.

[6] 白鹃.自然分层型水蓄冷条缝形布水器的优化研究[D]. 天津:天津大学,2009.

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DESIGN RESEARCH ON UNREGULATED WATER STORAGE TANK IN COMMERCIAL BUILDING

WANG Ling-fei

(Arup Consultant Company Shanghai, Shanghai 200031, China)

Chilled water thermal energy storage in naturally stratified tanks is used in commercial buildings with increasing energy consumption to reduce energy cost and refrigeration plant capacity. This paper is devoted to theoretical research of water distribution, temperature stratification and tank water-proof and insulation for unregulated water tank design. Moreover, we have designed a real project with above analysis and achieved good performance, which offers some suggestions and references for the familiar commercial projects with unregulated water tank

commercial building; unregulated water storage tank; chilled water distribution; temperature stratification

TU831.6

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.04.016

1674-8085(2014)04-0074-06

2014-05-03；

2014-05-27

王凌飞(1980-)，女，福建浦城人，工程师，国家注册公用设备工程师，主要从事暖通工程研究(E-mail：Ling-Fei.Wang@arup.com).