大型蓄热水系统斜温层控制的研究与应用.pdf

以某大型蓄热水系统项目为例，对蓄热槽内布水器进行研究与设计，并通过电子计算机对设计成果进行流体模拟试验。试验结果表明：该设计成果能够有效控制斜温层厚度，减少水体流动产生的扰动和对斜温层的破坏，保证了换热效果，提高了蓄热利用效率。通过对后期运营过程中监测的实际运行数据进行分析发现，供暖能耗费用节约 21%。在实行阶梯电价或绿色能源充沛的地区，应用蓄热水系统可以节约能源、节省能耗费用、降低碳排放。关键词：蓄热水系统；斜温层；布水；碳排放中图分类号：P 45/49 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)16-2044-04RESEARCH AND APPLICATION OF THERMOCLINE CONTROL IN LARGE-SCALE HEAT STORAGE WATER SYSTEMSHEN Peng(CITIC Construction Co.,Ltd.,100027,Beijing,China)Abstract:Based on the example of a large-scale heat storage water system project,water distributor in the heat storage tank was studied and designed,and a fluid simulation test toward the design achievements was conducted using electronic computers.The test results indicate that the design achievements can effectively control the thickness of the thermocline and reduce the disturbance caused by water flow and the damage to the thermocline,thereby ensuring the heat transfer effect and improving the utilization efficiency of stored heat.According to the analysis on the actual operating data monitored in the course of later operation,the heating energy consumption cost has been saved by 21%.In regions with a step tariff or abundant green energy,energy and energy consumption cost can be saved,and carbon emissions can be reduced owing to the application of the heat storage water system.Keywords:heat storage water system;thermocline;water distribution;carbon emission1 研究与应用背景本项目位于北京 2022 年冬奥会张家口赛区核心区，总建筑面积 55 万 m2，为冰雪公共服务的综合配套设施，主要包括颁奖广场、商业街区、冰雪会堂、会展中心、会议中心、高端酒店等。项目建设地点为山区，距离市区较远，没有市政热力及燃气管网，但当地风力发电比较充沛，然而风电等绿色能源通常会出现供应不足或弃能不用的情况。地方政府为了鼓励弃风能源的利用，针对采用蓄能系统的新建项目，出台了优惠的电价补偿政策，因此本项目将电锅炉与蓄热槽相结合作为主要供暖热源。依据气象参数、负荷计算参数等边界条件，以及多业态特点下的情景分析、敏感性分析，模拟了冬季供暖逐时热负荷的需求，结合初始投资、运行费用、投资回收期，最终确定蓄热容量为最大日耗热量的 65%，划分 4 个供暖分区，电锅炉装机总量为50 MW，蓄热槽9 274 m3，按建筑层高及设备房面积，采用了 168658 m3容积不等的 24 个蓄热槽。由于蓄热槽是项目供暖的主要热源，为了节约能源，降低运营能耗费用，在设计过程中需要重点考虑如何提升蓄热槽的蓄热效率，而影响蓄热效率的主要因素就是控制好换热过程中的斜温层。2 斜温层产生原因及对蓄热的影响在自然分层的蓄热槽中，水温分布按其密度自然地进行分层，在水温大于 4 的情况下，温度低的水密度大，位于蓄热槽的下方，而温度高的水密度小，位于蓄热槽的上方。水层间的热传导、水与蓄热槽面之间的热传导作用形成了一个冷热温度过渡层，过渡层会随着储存时间的延长而增厚，从而形成一个厚度与温度变化的带状层流，即斜温层。收稿日期：20230509作者简介：申鹏（1979），男，山东淄博人，高级工程师，e-mail:.2023 年 8 月2045申鹏：大型蓄热水系统斜温层控制的研究与应用斜温层的产生减少了实际可用的蓄热水体积，进而减少了可用的蓄热量；过厚或不稳定的斜温层导致蓄热槽下部冷水与上部热水混合，进而导致出水温度难以控制。因此，斜温层是影响蓄热槽蓄热效果的重要因素。储存期内斜温层厚度是衡量斜温层控制效果的主要指标，厚度在 0.30.8 m，能够有效防止水流入和流出对储存热水的影响1。如何保证斜温层厚度，并减少水体流动产生的扰动和破坏，以保证换热效果，蓄热槽内分配水流的布水设计便是关键环节。3 布水设计及计算3.1 布水形式的设计在蓄热和释热阶段，为了获得稳定且厚度尽量小的斜温层，布水形式需保证水在流入和流出过程中，能够依靠不同温度下水的密度差与惯性，沿水平方向移动，以减弱不同温度层的对流混合，使蓄热槽内水体形成沿槽底或槽顶水平分布的重力流，避免蓄热水体内部出现紊流和冷热掺混情况。因此，相对于蓄热槽体，布水形式应遵循对称自平衡原则，进出水点和分配水流的主干管、分支干管，要在蓄热槽的垂直和水平方向上形成空间对称结构，不引起干支管水流的偏流，布水单位长度的水流量均等，减少蓄热槽内水平方向的扰动。同时需控制流速，避免水流入和流出惯性较大，产生水体垂直和水平方向的扰动，对斜温层造成影响。结合本项目热源站有效建筑面积、结构层高，采用高宽比较小的矩形蓄热槽2，内部布水形式采用 H 形，有利于流速控制、流量均等分布；同时为了减弱水流冲击动能对斜温层产生的扰动，布水开口方向应背向斜温层布设。3.2 布水点位的设计在设计标准工况下，先确定各蓄热槽流量，再依据布水支管设计流速应均匀并小于 0.3 m/s1、分支流量分配均匀的要求，进一步计算出所需布水头数量；按蓄热槽有效平面尺寸，采用数次中间对等分流的方式，修正、校核布水点空间占位及数量；依次确定分支管路、干管管径及长度。布水管流速见表 1。表 1 布水管流速水槽编号蓄热槽流量/（m3/h）布水管流量/（m3/h）布水管流速/（m/s）布水头流速/（m/s）北 1 号蓄热槽64.40.5030.2440.223北 2 号蓄热槽56.30.4400.2140.195北 3 号蓄热槽74.70.5840.2830.258北 4 号蓄热槽74.70.5840.2830.258北 5 号蓄热槽32.60.5090.2470.225经计算验证，各蓄热槽布水头流速均满足小于0.3 m/s 的要求，蓄热槽内布水形式如图 1 所示。图 1 蓄热槽内布水形式3.3 控制指标的验证雷诺数 Re 与弗雷德数 Fr 决定了斜温层的水力特性。若这两个数值过大，进口处惯性流增大或以惯性流为主3，都将引起冷热水混合加剧，破坏斜温层。一般要求 240 Re 850、Fr21。为了验证设计成果，选取部分水槽进行验证。雷诺数 Re 的计算公式1,3如下：Re=q/v（1）式中：q=Q/3 600L为单位流量，m2/s；=0.000 000 346 为运动粘度系数（85 最不利），m2/s；Q=64.4 为设计流量（最大流量工况），m3/h；L=100.8 为散流长度（有效长度为实形尺寸的 2 倍），m。弗雷德数 Fr 的计算公式1,3如下：()0.53issqFrgh=（2）式中：h=0.2 为进口高度，m；g=9.8 为重力加速度，m/s2；i=983.13 为进口水（65.0）密度，kg/m3；s=969.3 为周围水（85.0）密度，kg/m3。雷诺数与弗雷德数计算结果见表 2。由表 2 可知，所有水槽布水器雷诺数 240Re850，能实现内部层流；水槽浮力大于惯性力，属于重力流。表 2 雷诺数与弗雷德数计算结果水槽编号散流长度/m单位流量/（m2/s）ReFr北 1 号蓄热槽100.80.000 1775130.005 7北 2 号蓄热槽100.80.000 1554490.005北 3 号蓄热槽123.20.000 1694870.005 4北 4 号蓄热槽123.20.000 1694870.005 4北 5 号蓄热槽46.40.000 1955640.006 34 蓄热槽 CFD 模拟计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟利用电子计算机模拟实际流体流动情况，建 筑 技 术第 54 卷第 16 期2046基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。本模拟试验以北 1 号蓄热槽为例，其中蓄热槽规格为 12 600 mm8 000 mm 4 200 mm，采用第 3.1 节中的布水形式，蓄热结束温度为 85，释热结束温度为 65。4.1 物理模型建立模型的边界条件如下：蓄热设计温度为 85，释热结束温度为 65，蓄冷温差为 20，蓄热槽的总容积约为 423 m3，蓄热槽总流量为 64.4 m3/h，每个布水器流量为 0.503 m3/h，槽体壁面为绝热条壁面。蓄热槽经布水设计、校验后，蓄热参数均符合层流模型的要求。采用 CFD 模拟创建几何模型，如图 2 所示；然后对几何模型进行网格划分，如图 3 所示。图 2 几何模型图 3 网格模型4.2 模拟过程将第 4.1 节的边界条件代入蓄热槽分析模型，进行数值模拟计算，可得到水池蓄热、释热过程中温度分层的情况，为了方便观察蓄水池内水温变化，截取单元槽体的垂直纵截面作为观察对象，得到该截面温度分层情况。4.2.1 蓄热过程蓄热初期、中期、后期温度分布云图如图 4 图6 所示。蓄热过程斜温层曲线如图 7 所示。3.58E+023.57E+023.57E+023.56E+023.55E+023.54E+023.53E+023.52E+023.51E+023.51E+023.50E+023.49E+023.48E+023.47E+023.47E+023.46E+023.45E+023.44E+023.44E+023.43E+02图 4 蓄热初期温度分布云图3.58E+023.57E+023.57E+023.56E+023.55E+023.54E+023.53E+023.52E+023.51E+023.51E+023.50E+023.49E+023.48E+023.47E+023.47E+023.46E+023.45E+023.44E+023.44E+023.43E+02图 5 蓄热中期温度分布云图3.58E+023.57E+023.57E+023.56E+023.55E+023.54E+023.53E+023.52E+023.51E+023.51E+023.50E+023.49E+023.48E+023.47E+023.47E+023.46E+023.45E+023.44E+023.44E+023.43E+02图 6 蓄热后期温度分布云图3.58E+023.56E+023.54E+023.52E+023.50E+023.48E+023.46E+023.44E+023.42E+02温度/K0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5位置/m0.58 m图 7 蓄热过程斜温层曲线4.2.2 释热过程释热初期、中期、后期温度分布云图如图 8 图10 所示。释热过程斜温层曲线如图 11 所示。2023 年 8 月20473.58E+023.57E+023.57E+023.56E+023.55E+023.54E+023.53E+023.52E+023.51E+023.51E+023.50E+023.49E+023.48E+023.47E+023.47E+023.46E+023.45E+023.44E+023.44E+023.43E+02图 8 释热初期温度分布云图3.58E+023.57E+023.57E+023.56E+023.55E+023.54E+023.53E+023.52E+023.51E+023.51E+023.50E+023.49E+023.48E+023.47E+023.47E+023.46E+023.45E+023.44E+023.44E+023.43E+02图 9 释热中期温度分布云图3.58E+023.57E+023.57E+023.56E+023.55E+023.54E+023.53E+023.52E+023.51E+023.51E+023.50E+023.49E+023.48E+023.47E+023.47E+023.46E+023.45E+023.44E+023.44E+023.43E+02不可利用热水量约 0.2 m 高图 10 释热后期温度分布云图3.60E+023.58E+023.56E+023.54E+023.52E+023.50E+023.48E+023.46E+023.44E+023.42E+02温度/K0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5位置/m0.58 m图 11 释热过程斜温层曲线4.3 模拟结论从蓄热、释热过程的温度分布云图来看，无论是蓄热还是释热，水流在垂直方向上的温度分布均呈层流形重力流分布。根据数值模拟结果，斜温层曲线测得斜温层的平均厚度为 0.58 m，满足 0.30.8 m 的厚度要求，不可利用热水量高度约为 0.2 m，占蓄热量（总高度 4.2 m）的 4.8%。运行期间，通过内部自下而上均匀布设的温度传感器，测量不可用热水高度基本符合电子计算机模拟高度。5 现场实际使用情况20212022 年采暖季，蓄热水箱系统尚未调试完成，未投入使用，全部采用电锅炉直投方式供暖。20222023 年采暖季，热源群控系统搭建及调试完成，蓄热水系统利用夜间低谷电价将蓄热槽介质加热到预设热量/温度，达到预设值后自动进入保温模式，非蓄热时段蓄热锅炉停止运行。非蓄热时段将蓄热槽热量按需释放，以满足供暖及供给生活热水需求，达到“移峰填谷”、降低采暖成本节能的目的。整个采暖季，蓄热水系统运营可靠平稳，现场斜温层厚度约为 0.6 m，保证了换热效果，提升了蓄热利用效率，降低了供暖能耗费用，20212022 年，采暖季的平均能耗费用从 0.56 元/kWh 降低到 0.44 元/kWh；整体节约能耗费用超过 21%，取得了较好的经济效益。6 结束语提升蓄热效率的重点是控制好蓄热水体在换热过程中产生的斜温层。通过布水设计，形成内部层流的重力分布，避免出现紊流，尽可能减少对稳定水体产生的扰动，才能获得稳定且尽可能薄的斜温层，实现理想的换热效率。本项目位于绿色清洁能源示范区，蓄热水系统的设计形式及规模在国内尚无同类案例可以参考。项目大型蓄热水系统的斜温层控制与研究能够为同类型项目提供设计指导；还可以在降低能耗费用、减少碳排放方面，为绿色可再生能源分布式储能技术、电能调峰、热电解耦、低谷电利用、工业余热利用等多场景应用提供参考4。参考文献1 蓄能空调工程技术标准:JGJ 1582018S.2 王晔,陶旭东.蓄能空调系统中蓄能槽体的设计选型及经济性分析 J.制冷空调与电力机械,2004(2):5254.3 李玉柱,苑明顺.流体力学 M.北京:高等教育出版社,2008.4 叶水泉.蓄能空调技术及其发展 J.电力需求侧管理,2000(4):1114.申鹏：大型蓄热水系统斜温层控制的研究与应用