引言水蓄冷技术[1-3]属于一种储能技术，借助具有大比热特性的水储存冷量。该技术是将用于制冷的低温水，在夜间制取且存储于蓄能水槽，次日从蓄能水槽释放，用于冷负荷供应。当白天空调负荷较高时，自动控制系统决定制冷主机和蓄能水槽的供冷组合方式，尽量在白天峰电时段内由蓄能水罐（槽）供冷，不开或少开制冷主机，以降低空调系统的运行费用。水蓄冷技术的应用对社会和用户均具有重要意义[4]。对电力供给侧，水蓄冷技术具有削峰填谷的作用，显著弥补峰谷负荷差，有效降低电网负荷波动，保证电网的安全平稳运行，同时可在一定程度上减少电厂和输配电系统的投资。对用户侧，水蓄冷空调系统能够减少峰时段价电的电力使用，充分利用峰谷电价差，减少运行费用。此外，制冷系统的容量按日平均负荷配置，无须按尖峰负荷配置，有效减少制冷主机容量及配电容量，降低初投资。白天蓄能水槽开启少量水泵即可向末端供冷，可充当备用冷源，显著提高空调系统的可靠性。1工程设计某建筑尖峰负荷约720 RT，设计采用水蓄冷空调系统，设置2台蓄冷水罐，蓄冷容积分别为729 m3和495 m3，释冷温度为6/13 ℃。冷源为2台180 RT制冷主机，供回水温度为6/13 ℃，白天蓄冷水罐与主机联合供冷，满足尖峰负荷需求。1.1防止冷热水混合蓄冷水罐是水蓄冷系统中较为关键的设备，冷水与热水的混合使蓄冷温差降低，影响蓄冷系统效率。蓄冷水罐的技术要点的关键在于最大限度地防止冷水与热水混合。常用技术路线主要包括自然分层蓄冷、多槽式蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷，其中，自然分层蓄冷应用最为广泛。自然分层蓄冷的原理是利用水在不同温度、不同密度条件下，实现自然分层，具有结构简单、蓄能效率较高、经济效益较好等优点。自然分层水蓄冷原理如图1所示。由图1(a)可知，整个系统由蓄水罐、制冷机、用冷负荷、进出水泵以及相应的阀组构成。蓄冷循环时，制冷机通过水泵接收来自蓄水罐上层的热水，经降温后送至蓄水罐底部布水器，罐内水位保持不变；放冷循环中，制冷机侧水泵关闭，负荷侧水泵开启，冷水自底部被抽出送至负荷，经过吸热后回流至水罐顶部布水器。由图1(b)可知，放冷过程中，水罐内水量自100%逐渐下降至0。根据能量平衡原理，蓄冷效率为蓄水罐实际放冷量与蓄能水罐实际蓄冷量之比，即蓄冷效率=（曲线A与C之间的面积）/（曲线B与D之间的面积）。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.003.F001图1自然分层水蓄冷原理自然分层蓄能水罐中，斜温层[5]是热回水和冷进水间的温差自然形成的一个过渡区域。冷热水在该区域内发生沿罐壁和水层间自然导热，水通过罐壁散冷。随着储存时间的延长，斜温层逐渐增厚，可以降低罐内的可用冷量。因此尽量保证斜温层区域稳定，才能够减缓冷热水之间的混合。斜温层厚度的变化需要在蓄能工作过程中持续关注。一般斜温层厚度约为1 m。为尽量减小斜温层的厚度，通常需要通过布水器，将水流以很小的流速注入蓄水罐，从而降低罐内水层间的上下扰动，使得斜温层受到最小影响。因此合理设计分配水流的布水器，成为蓄能水罐工作效率的关键因素。1.2布水器的设计水蓄冷储罐中常用的布水器结构主要包括：八角形[6]、H形、径向盘形等。H形适用于方形蓄水槽，八角形和径向盘形适用于圆柱形蓄水罐。根据本项目的实际情况及蓄水罐的外形尺寸，使用八角形布水器与均流孔板组合布水可获得良好的分层效果。水流经过八角形分流结构后流入布水管道，且布置在罐内水平面上，水流速度显著降低后，蓄冷水罐水平面和八角形布水器间形成一个静压腔体，再经均流孔板上数千万个布水孔形成精密活塞流，从而降低水体内部扰动至极小的程度。通过上述工艺过程，斜温层厚度可降至最薄。工程中设计1个水容积约为730 m3的蓄冷水罐，1个495 m3的蓄冷水罐。蓄冷结束温度为6 ℃，释冷结束温度13 ℃，蓄冷温差7 ℃。夏季蓄冷时，2个水罐全部投入蓄冷，温度较高的水自罐体上布水器抽出水罐，温度较低的冷冻水从下布水器流入水罐，大蓄冷水罐的最大蓄冷设计流量为92 m3/h，小蓄冷水罐的最大蓄冷设计流量为62 m3/h；释冷时，水罐内水流向相反，即温度较高的回水自罐体上布水器进入水罐，温度较低的冷冻水从下布水器抽出水罐，大蓄冷水罐的最大释冷设计流量为92 m3/h，小蓄冷水罐的最大释冷设计流量为62 m3/h。根据上述信息，大蓄冷水罐选用设计流量为92 m3/h，高效精密布水装置1套，单套包含上、下各一组八角形高效布水装置及均流板。小蓄冷水罐设计选用设计流量为62 m3/h的线面高效精密布水装置1套，包含上、下各一组八角形高效布水装置及均流板。本项目采用八角形布水器，大、小蓄能水罐均采用3次布水，布水器平面形状如图2所示。蓄冷水罐第一级线布水器通过3次布水，通过图2中16根开孔管道的布水管将流量均匀分配到蓄冷水罐整个水平断面。大蓄能水罐16根开孔布水管上总开孔数量3 520个，小蓄能水罐16根开孔布水管上总开孔数量2 880个。在每组开孔点，沿管道弧面等角距开孔。布水管开口方向同样是影响罐内斜温层分布的重要因素。为降低进水对罐中水的扰动影响，防止水流动能对斜温层的冲击，顶部布水管的开口方向朝上设置，底部布水管的开口方向朝下设置。本项目中，沿布水管水流方向设置若干组喷孔。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.003.F002图2布水器形状1.3均流板性能技术参数第二级精密面布水均流板的开孔布置如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.003.F003图3开孔布置由图3可知，精密面各孔以一定的间距，呈60°错位开圆孔。本项目大蓄冷水罐中总开孔数量约为3 627 000个，小蓄冷水罐的总开孔数量约为2 559 000个，开孔面积占总孔板面积的23%，水流在各孔中流过速度低于0.001 9 m/s，具有良好的整流作用。2蓄冷水罐CFD模拟分析在完成布水器设计方案及理论验证基础上，采用专业计算流体力学软件，分别对蓄冷水罐内水温变化和罐内流动效果进行建模和模拟，更直观地反映蓄冷水罐内的温度场分布与斜温层的大致情况。采用网格结构建模软件Gambit 2.1.2，计算流体力学数值计算软件Fluent 6.1.18。为使计算过程更快捷有效，需要针对复杂的实际几何结构模型进行适当简化[7]。鉴于蓄冷罐容积上部以及左右两侧具有与所选研究对象相同的空间结构，罐内上表面和左右表面均采用对称边界条件，其他壁面均按wall处理。湍流模型采用k-epsilon二方程模型，布水器的流板小孔的边界条件分别为入口velocity-inlet和出口pressure-outlet，罐体内平均温度通过Fluent UDF编程统计。2.1模拟简化依据本模拟基于3个基本假设：（1）假设容器壁面绝热。（2）假设充冷过程中布水器工作达理想状态，即布水器的各出口、各时刻温度、流量均呈现均匀状态。（3）假设整个蓄冷罐为一个封闭体。大蓄冷水罐的CFD模拟：按照设计流量92 m3/h，对应蓄冷时长约8 h；设计释冷流量92 m3/h，对应释冷时长约7 h，根据以上信息进行模拟。小蓄冷水罐的CFD模拟：按照设计流量62 m3/h，对应蓄冷时长约8 h；设计释冷流量62 m3/h，对应释冷时长约7 h，根据以上信息进行模拟。2.2蓄冷过程CFD模拟图大蓄冷水罐蓄冷工况模拟如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.003.F004图4蓄冷水罐蓄冷放冷工况模拟由图4可知，蓄冷过程流量较小，蓄冷时间为8 h，蓄冷过程中低温水从下布水器进入，高温水从上布水器抽出，斜温层平稳上移。随着时间的变化，蓄冷量逐渐增多，直至斜温层被推到最上方，即上布水器处蓄冷结束。蓄冷结束时，冷水温度约为6 ℃。2.3释冷过程CFD模拟图大蓄冷水罐放冷工况模拟如图5所示。由图5可知，放冷过程流量较大，放冷时间为7 h，放冷过程中高温水从上布水器进入，低温水从下布水器抽出，供应到末端，斜温层平稳下移。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.003.F005图5蓄冷水罐放冷工况模拟随着时间的变化，蓄冷水罐内冷量逐渐减少，直至斜温层被推到最下方，即下布水器处，放冷结束。放冷结束时，冷水温度约为13 ℃。小蓄冷水罐蓄放冷CFD模拟结果与大蓄冷水罐模拟结果基本一致。3经济性分析本建筑蓄冷主机为2台180 RT制冷主机，功率为120 kW。蓄冷水罐参数如下：（1）蓄冷水罐1：蓄冷容积729 m3，有效蓄水容积656 m3,蓄冷温差6/13 ℃，蓄冷量1 688 RTH，有效释冷量1 519 RTH。（2）蓄冷水罐2：蓄冷容积495 m3，有效蓄水容积446 m3,蓄冷温差6/13 ℃，蓄冷量1 146 RTH，有效释冷量1 031 RTH。3.1系统运行方式（1）水蓄冷系统运行方式：夜间开启2台180 RT主机约8 h，充分利用夜间低谷电进行蓄冷，蓄冷量可达2 834 RTH；白天按照7 h平均放冷考虑，此7 h为峰电时段，放冷量360 RT/h。放冷水泵变频，按照变频计算其耗电量。（2）常规系统的运行方式：蓄冷水罐释冷量为2 550 RTH。此部分冷量采用常规系统满足，即采用常规系统方式满足白天2 550 RTH峰电负荷，则2台180 RT主机需运行7 h。3.2初投资计算为满足720 RT尖峰负荷需求，常规系统比水蓄冷系统多配置360 RT主机容量，约78 万元；水蓄冷系统比常规系统多配置2台蓄冷水罐，费用约150 万元。综合对比，水蓄冷系统相比常规系统，初投资费用增加72 万元。3.3运行费用计算水蓄冷系统的蓄冷阶段及放热阶段年运行费用如表1所示，常规系统年运行费用如表2所示。由表1可知，水蓄冷系统的年运行费用为11.0 万元。水蓄冷系统的年运行费用与常规系统年运行费用相比，水蓄冷系统的年运行费用每年可节约19.4 万元。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.003.T001表1水蓄冷系统蓄冷阶段及放热阶段年运行费用项目蓄冷阶段放热阶段电功率/kW备注电功率/kW备注主机120两台主机开启，每台主机功率120 kW。0无须开启蓄冷水泵15两台蓄冷水泵开启，每台水泵功率15 kW。0无须开启放冷水泵0无须开启15放冷水泵变频运行冷却水泵15两台冷却水泵开启，每台水泵功率15 kW。0无须开启冷却塔8两组冷却塔开启，每台冷却塔功率8 kW。0无须开启总功率/kW316—30—电价/(元/kWh)0.213谷电时段电价0.916峰电时段电价日运行时间/h8—7—年运行天数/d150—150供冷按照150 d运行年运行费用/万元8.08总功率×电价×日运行时间×年运行天数/10 0002.89总功率×电价×日运行时间×年运行天数/10 00010.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.003.T002表2常规系统年运行费用项目电功率/kW备注主机120两台主机开启，每台主机功率120 kW。冷冻水泵15两台冷冻水泵开启，每台水泵功率15 kW。冷却水泵15两台冷却水泵开启，每台水泵功率15 kW。冷却塔8两组冷却塔开启，每台冷却塔功率8 kW。总功率/kW316—电价/(元/kWh)0.916峰电时段电价日运行时间/h7—年运行天数/d150供冷按照150 d运行年运行费用/万元30.4总功率×电价×日运行时间×年运行天数/10 0004结语采用水蓄冷系统可削峰填谷，显著减少峰价电时段的电力使用，充分利用峰谷电价差，减少运行费用，可有效减少制冷主机容量及配电容量。本项目采用水蓄冷时，每年可节约运行费用19.4 万元。水蓄冷系统初投资相比常规系统多出72 万元，约4 a即可收回额外投资。通过对某大型商业楼宇使用蓄能水罐方案进行设备选型的设计及经济性分析，结果表明采用水蓄冷具有良好的经济性和调峰优势，今后可以在大型商业建筑中进行推广使用。