蓄冷空调系统设计（3）

　　　　　　　　　　　　　　　第一节 水蓄冷系统

　　水蓄冷系统投资较低，首先因为一般用于空调的冷水机，均可直接用于水蓄冷，因而即使在蓄冷阶段也可保持较高的制冷效
率，其次蓄冷用水池往往可以和消防水池等共同使用，因而可以节省水池结构部分的单独投资。
　　但是，水蓄冷利用的是水的显热变化，由于水的比热远远小于其相变热量（水比热为：1.0Kcal/kg·℃，水冰相变热为：80Kcal/kg·℃），因此，即使将利用的水温差加大到10℃（5℃/15℃），其单位容积蓄冷量也要比冰蓄冷小10倍之多。而且其可利用温差影响因素很多，因为水蓄冷技术主要是利用水的物理特性，随着水温的降低其密度也在不断加大，如果不受到外力扰动，一般容易形成冷水在下，热水在上的自然分层状态，但水在4℃以下时物性却出现明显的非规律性变化，即4℃水温时其密度最大（冰下鱼儿的生存条件也是利用了这个条件），因而水蓄冷水温可利用的下限为4℃。
　　影响水蓄冷效率的主要因素是如何尽量减少水池内冷热水（进出水）之间的直接渗混。而影响渗混的关键是进出水口处的水流扰动和不可避免的水流与池壁之间摩擦引起的扰动。当然制冷机是否能提供稳定的较低水温的冷源是前提条件。我们可以初步规纳为如下几个因素来分别研究：冷机可提供的最低水温，空调系统设计中允许采用的最高水温（例如常用为7℃/12℃），水池结构形式，进出水口的分布器构造，水池允许的水位多少，水池保温条件等等。目前，认为蓄冷效率最高的是分层蓄冷水池。所谓"分层"就是仅只利用密度的影响将热水与冷水分隔开。为了使蓄冷水池达到分层，就要在上部热区和下部冷区之间创造和保持一个温度剧变层，依靠稳定的温度剧变层阻止下部的冷水与上部的热水相互混合。如图3-1，在水池3米深度处形成温度剧变层，该层将4℃的冷水和13℃的热水分开，温度剧变层的厚度越薄越好，一般不希望超过0.5m。
　　蓄冷水池应通过水流分布器从池中取水和向池中送水，水流分布器可使水缓慢地流入水池和从水池流出，以尽量减少紊流和扰乱温度剧变层。这样，才能如图3-2所示，当蓄冷时，随着冷水不断从下部送入水池和热水不断从上部被抽出，温度剧变层稳步上升。反之，当取冷时，随着热水不断从上部流入和冷水不断从下部被抽出，温度剧变层逐渐下降。好的分层的蓄冷水池所蓄存能量的90%可以有效地用于供冷。水温在槽内的分布情况，可参见图3-1，3-2。

一、蓄冷水池

　　蓄冷水池可为钢制或钢筋混凝土制，形状可为园形或矩形。蓄冷水池最好的形状是平底立式圆柱形，圆柱形水池外表面与体积之比小于同体积的矩形水池。再者，对圆柱形蓄冷水池的高径比有一定限制，因为，增加高径比可以减少温度剧变层所占据的水池容积，提高蓄冷效率，但是，水池造价将有所增加，所以，钢筋混凝土蓄冷水池的高径比一般为0.25～0.5。地面以上钢槽，高径比可采用0.5～1.2。
　　其他形状的蓄冷水池也可采用，但必须注意避免由于水流垂直运动，造成冷热水混掺。不希望采用卧式圆柱形蓄冷水罐，它难以解决分层问题。 蓄冷水池的体积可按下式计算：

式中：ESC―设计日所需蓄冷量KW·h。
　　　P－容积率与贮槽结构、形式等因素有关，一般为1.08～1.3，对分层蓄冷型水槽可取低限，对多槽混合型及容量小者可取高限。
　　　h－蓄冷效率与蓄槽结构、形式、保温情况等有关，一般取为0.8～0.90.
　　　Dt－水蓄冷槽可利用的进出水温差，一般为6～10℃。 当然，实际蓄冷水池的体积应大于上述计算值，因为要考虑水面距池顶的空间。

二、水流分布器

　　水流分布器放置于蓄冷水池的上部（热水）和底部（冷水）。它的作用是使水以重力流或活塞流平稳地流入或引出水槽，以便使水按不同温度相应的密度差异依次分层，形成并维持一个稳定的斜温层，以确保水流在贮槽内均匀分布，扰动小。此斜温层流体力学特性可用弗兰德（Frande）准数决定，同时也受雷诺 （Renolds）准数及系统运行合理与否的影响。
　　Fr准数的流体力学物理意义是作用于流体的惯性力与浮升力之比，无量纲。它是确立形成斜温层的必要条件，流体状态与Fr准数值之间的关系，经大量研究可以用下列数值作简单判别：
　　当Fr≤1时，在进出口水流中，浮力大于惯性力，则流型为重力流；
　　当Fr > 1时，重力流仍将维持；
　　当Fr≈2时，惯性流为主、水流混合明显出现。所以为了使取冷时从上部进入的热水和蓄冷时从下部进入的冷水，主要依靠密度差而不是依靠惯性力横向流动，设计水流分布器时应保证Fr数约为1，而绝不大于2。
　　Fr（弗诺德）数为惯性力与浮力之比，由下式计算：

　式中：G --最大流量，m3 /s；
　　　 L --分布器有效管长，m；
　　　 G --重力加速度，m/s2 ；
　　　　hi --最小入口高度（分布器管底距池底的距离）m；
　　　　ρi --进水密度，Kg/m3 ；
　　　　ρa--周围水的密度，Kg/m3 。
　　再者，为了尽量减少温度剧变层上下部分水的混合，应保证蓄冷水进水流的Re数不超过一定范围。Re（雷诺）数为惯性力与粘性力之比，可用下式计算：

式中：ν--水的运动粘滞系数，m2/s。
　　对于很小的水池，希望Re小于200；一般来说，建议Re不超过850。对于高度超过12m的水槽Re数可适当稍大些。至于分布器孔口的水出流速度，希望限制在0.3～0.6m/s；孔口之间的距离小于2hi。布水器孔口应根据不同水池形式选用，一般有花管孔口形、连续缝隙形、蜗壳渐扩形等等，为使水流均匀，相应布管形状也很多。如图3-3、3-4所示的八角形、树枝形等。

三、蓄冷水系统
　　蓄冷水池为开式水池，而空调冷水系统一般均采用闭式系统，两者如何相联是蓄冷水系统必须解决的问题。图3-5给出一种具有蓄冷水池的管道系统联接图。该系统设有四个电动蝶阀（V1～V4）用于启闭某管段，一个电动调节阀V5，一个阀前压力调节阀V6。系统共设三台水泵，水泵P1为冷冻机供冷用水泵；水泵P2为蓄冷用水泵，该泵流量不要大于P1，以增大进出水温差，有利蓄冷；水泵P3为取冷用水泵。

该系统可以有四种运行模式，即蓄冷工况、冷冻机供冷工况、蓄冷水池供冷工况以及冷冻机与蓄冷水池同时供冷工况。值得强调的是，只要采用蓄冷水池供冷，必须依靠V6保证阀前压力为膨胀水箱维持的系统静水压力，这样，可保证系统全部充满水，以便实现可靠的运行。

由于水池为开式状态，依靠压力传感器可以适当控制系统中水的倒流，但若空调水系统压力过高，楼层高静压过大，受压力传感器控制的阀门承压过高，操作灵敏度很受限制，会造成系统运行中的失误。所以建议采用水蓄冷的系统，不要供应超过6层的建筑。若必须供高层时，可在出口加板式换热器，将水力系统隔开，当然水温最少要损失1℃。