水蓄冷技术及应用

水蓄冷技术是利用夜间谷电时段，用常规电动冷水机组制备冷水，再把冷水储存在水罐(槽)内；第二天白天用电高峰时段，用储存的冷水向用户供冷。水蓄冷技术可以削峰填谷，平衡电网负荷。

水蓄能是利用水的显热来实现冷/热量储存。

对于水蓄冷，利用冷水机组制取4-7℃的水蓄至储罐，在供冷时间可直接取用水池的低温水向末端供冷，经末端盘管换热释放冷量后回至储罐。

对于水蓄热，利用供热设备制备热水，热水温度根据系统运行的具体情况而定，蓄热温度通常在60~95 ℃，其余与水蓄冷相同。

实施水蓄冷的基本条件：

水蓄冷和冰蓄冷的对比：

蓄冷量的大小取决于蓄冷水槽体积以及温差；

典型水蓄冷系统的蓄冷温度为4~7℃，常压下水的密度在4℃最大；

布水器设计是保证水蓄冷系统高效运行的关键。

散流器/布水器的形式：

水蓄能的类型：

1.迷宫型：

通常用于利用建筑物筏基内的局促空间进行蓄冷的工程，日本建筑物多设双层抗震筏基，利用其2m不到的高度进行蓄冷；

土建构造过于复杂，应用极少。

2.单槽、多槽型

通常应用于储能装置的高度受到限制的场合；

单槽空置式储罐的控制复杂／可靠性较低，需要设置钢砼或者钢制隔板。

多槽串联式储槽需要设置若干组双重钢砼或者钢制隔板。

3.自然分层型

核心特征是利用温度不同的水的密度不同形成重力自然分层，冷热混合形成的斜温层成为冷水区和热水区的分隔层。

需要在储罐内设置高效布水器（又称稳流器）来控制蓄冷槽的内部流动，保证斜温层稳定且厚度尽可能薄。

水蓄冷储水形式：

隔板法：类似自然分层式储水法，在蓄水罐内部安装一个活动的柔性膈膜或一个可移动的刚性隔板来实现冷热水的分离，通常隔膜或隔板为水平布置。这样的蓄水罐可以不用散流器，但隔膜或隔板的初投资和运行维护费用与散流器相比并不占优势。

一般来说，自然分层法储水既无迷宫法容易产生用水死区导致蓄冷量减少的问题，也无隔板法机械活动机构的故障隐患，是最简单、有效和经济的储水方法，如果设计合理，蓄冷效率可以达到85%-95%。

自然分层式储水的技术关键在于散流器/布水器，将水平稳地引入罐中，依靠密度差而不是惯性力产生一个沿罐底或罐顶水平分布的重力流，形成一个使冷热水混合作用尽量小、厚度尽量薄的斜温层，要求通过散流器的进出口水流流速合理，以免造成斜温层的扰动破坏。

最适合自然分层的蓄水罐的形状为直立的平底圆柱体。与立方体或长方体蓄水罐相比，圆柱体在同样的容量下，蓄冷罐的面积容量比最低，热损失就越小，单位冷量的基建投资就越低。

蓄冷罐的设计要素：

蓄冷罐的容积V的计算公式为：

V=3600×Q/Δt×ρ×Cp×FOM×av

其中除ρ蓄冷水密度（1000kg/m3）、Cp冷水比热容（4.18kJ/kg×℃）为定值外，其余均为直接影响蓄冷罐最终容积的变量，如Q蓄冷量（RT）、Δt放冷回水温度与蓄冷进水温度间的温差、FOM蓄冷罐保温效率、av蓄冷罐容积效率。

板式换热器的使用：

由前面计算公式可推算得知，当蓄冷罐一定时，蓄冷量与放冷回水温度与蓄冷进水温度间的温差成正比关系，而采用板式换热器需要一、二次侧保证一定的温差用于换热，假设换热器需要温差1℃，那在蓄冷罐温差普遍只有6~7℃的现状下，蓄冷量将减少约14%；

使用板式换热器的初衷其实是为了保证水质，但开式蓄冷罐的水质也有其他办法可以解决，因此，建议无需为了水质问题在蓄冷系统配置板式换热器；

至于如果采用地下水池式冷槽必须使用板式换热器的，或者北方使用了免费冷源的机房已经使用了板式换热器的，则无需讨论。

开式蓄冷罐的水质保障措施：

开式蓄冷水罐虽然与大气接触，但只通过一透气口，与罐外空气接触面很小，冷冻水中的含氧量变化很小，加上水罐水体量相对于原空调系统的水量来讲大得多，只要保证初始补水水质合格，以后的水质更容易保持；

即使担心开式蓄冷水罐的水质保持问题，还可以采用氮气密封系统，这种系统广泛应用于石化行业，用于隔离罐内物质免受大气氧气作用，而且普遍都是持压罐体。

水蓄冷罐的串联形式：

水蓄冷罐串联接入一般是用于空调系统的容灾备份，蓄冷罐内的冷水持续流动以保证随时保有备用蓄冷量供应，蓄冷罐通常采用承压闭式罐形式。

水蓄冷罐的并联形式：

在并联接入中，蓄冷罐既作为冷机的负荷端（蓄冷模式），也作为末端负荷的供冷源（放冷模式），根据不同状况切换。

案例：水蓄冷技术在机场项目中的应用

上海市电网夏季工商业35kV销售电价。

虹桥综合交通枢纽：

两个能源中心：一个服务虹桥机场T2航站楼、宾馆、指廊；另一个服务于东交通广场

虹桥机场能源中心设计2只直径33m，水面高度26.2m(总高31.016m)，公称容积22000m3的蓄冷水罐。水罐场地面积约为3300m2。

水蓄冷系统方案：

浦东国际机场二期：

常规电制冷系统和水蓄冷系统年用电量及电费比较：

三种供冷方案综合技术数据汇总：

注：热水锅炉和蒸汽锅炉的电力安装容量较小，已分别计入3个方案。照明等其它辅助用电亦已计入3个方案。

能源中心制冷机房的运行分析：

能源中心制冷机房2010 年7 月7 日能耗情况

制冷机房的运行分析：

水蓄冷系统的工作模式：

小结：

水蓄冷系统结合成熟的自控技术，为城市电力供应“削峰填谷”，缓解供需矛盾。

机场/交通枢纽类建筑物空调负荷大，负荷变化大，空调用电量大，需要减少高峰负荷用电量，机场/交通枢纽类建筑物一般有较广阔且廉价的土地，非常适合蓄冷尤其是水蓄冷技术的应用。

多层建筑尽可能利用蓄冷水罐(槽)直接供冷 ，减少换热损失 。高层建筑考虑设置板式热交换器。

自然分层方式技术成熟可靠 ，但必须控制好斜温层。

从发展趋势看，水蓄冷+天然气冷热电三联供技术应该是机场/交通枢纽类建筑物空调冷热源的较好选择。

转自暖通南社，版权属于原作者，供学习交流。