蓄冷水罐在分布式能源系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

陳彩霞,姜 梅

(中國電力工程咨詢集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川成都 610021)

在近年經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中，我國的能源結(jié)構(gòu)長期以煤炭為主，其帶來的環(huán)境污染與生態(tài)問題已嚴(yán)重影響了我國的可持續(xù)性發(fā)展。目前，我國政府已經(jīng)開始對(duì)能源戰(zhàn)略及政策進(jìn)行調(diào)整，其中不乏大力鼓勵(lì)與支持發(fā)展分布式能源項(xiàng)目的政策[1]。分布式能源是一種相對(duì)于集中的分散式供能方式，是指安裝在用戶端高效的冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)。目前，分布式能源系統(tǒng)主要以燃?xì)庾鳛槟茉?，?duì)天然氣進(jìn)行梯級(jí)利用，將天然氣發(fā)電后產(chǎn)生的余熱用于制冷，并將余熱供應(yīng)給附近的用戶。在分布式能源項(xiàng)目中，當(dāng)外界負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，采用蓄冷技術(shù)將多余的冷量儲(chǔ)存起來，是提高能源利用率的有效途徑[2]。在各種蓄冷技術(shù)之中，水蓄冷技術(shù)以其簡(jiǎn)單可靠且初投資低等顯著優(yōu)勢(shì)備受廣大用戶及設(shè)計(jì)師們的青睞。在眾多水蓄冷方式中，蓄冷水罐因蓄冷效率高、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中被廣泛采用。

1 蓄冷水罐的蓄冷原理

水的密度與溫度相關(guān)(圖1)。在一定范圍內(nèi)，隨溫度的下降而增大，當(dāng)水溫降至4 ℃時(shí)，其密度達(dá)到最大值；溫度繼續(xù)下降，其密度則開始減小，直至結(jié)冰。4～6 ℃的冷水會(huì)聚集在水罐底部，而10～18 ℃的溫水聚集在水罐上部。蓄冷水罐則是利用這個(gè)原理，使不同溫度下的水在罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)自然分層來達(dá)到蓄冷與放冷[3]。

圖1 水的密度隨溫度變化

在蓄冷和放冷過程中，為了達(dá)到自然分層，溫水須從上部布水器流入或流出，而冷水須從下部布水器流入或流出，流入或流出的水流速度應(yīng)盡可能低，使分層水形成上下平移運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)良好的蓄冷水罐能使上部溫水區(qū)與下部冷水區(qū)之間形成并維持一定高度的斜溫層，如圖2所示。界線清晰而穩(wěn)定的斜溫層能夠防止上層溫水與下層冷水混合。斜溫層的厚度通常宜控制在 0.3～1.0 m 之間。蓄冷水罐內(nèi)斜溫層的變化是衡量蓄冷水罐蓄冷效果的主要考察指標(biāo)之一，厚度適宜且穩(wěn)定的斜溫層是提高蓄冷效率的關(guān)鍵[3]。

(a)蓄冷原理

(b)斜溫層概念簡(jiǎn)圖

2 分布式能源系統(tǒng)中的蓄冷特點(diǎn)分析

在分布式能源系統(tǒng)中，天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)與空氣混合燃燒發(fā)電，排出的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，首先拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸汽經(jīng)過發(fā)電利用后，品位降低，這時(shí)再以抽汽或者背壓排汽的形式供冷或供熱。此外，煙氣換熱器利用余熱鍋爐尾部煙氣產(chǎn)生高溫?zé)崴?，可用于夏季供冷、冬季供暖及提供全年生活熱水等?/p>

分布式能源系統(tǒng)的用戶冷負(fù)荷主要分為工業(yè)用冷和空調(diào)冷負(fù)荷。其中工業(yè)用冷情況隨著企業(yè)生產(chǎn)班次及淡旺季的不同而發(fā)生變化，冷負(fù)荷也隨之波動(dòng)；空調(diào)冷負(fù)荷則隨室外氣溫及房間使用情況波動(dòng)。然而，分布式能源系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行較為穩(wěn)定，其產(chǎn)生的余熱量也是穩(wěn)定的，熱水型溴化鋰機(jī)組利用余熱制備的冷量亦較為穩(wěn)定。因此，在用戶冷負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，分布式能源系統(tǒng)中即會(huì)產(chǎn)生富余冷量。通常，存在富余冷量的時(shí)間段是在夜間，利用蓄冷水罐將這部分富余冷量儲(chǔ)存起來，用于白天高溫時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻或供給用冷企業(yè)，這不僅能提高能源利用率，而且能夠獲得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

通過上述分析可以看出，在分布式能源系統(tǒng)中采用蓄冷水罐蓄冷目的是為了儲(chǔ)存末端用戶無法消納的系統(tǒng)余熱，其蓄冷量是由分布式能源系統(tǒng)較為穩(wěn)定的余熱量與具有波動(dòng)性的用戶冷負(fù)荷決定的。此外，隨著用戶生產(chǎn)的調(diào)整，富余冷量也可能隨之變化，從而導(dǎo)致蓄冷量變化。

3 蓄冷水罐在分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用探討

(1)蓄冷水罐容積計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，蓄冷水罐容積的基本計(jì)算公式如下[4]：

式中：ρ為冷水密度(kg/m3)；cp為冷水的比熱容，取4.187kJ/(kg℃)；Qs為蓄冷量(kWh)；K為冷損失附加率；Δt為蓄冷水罐進(jìn)出水溫差(℃)；FOM為蓄冷水罐的完善度，考慮混合和斜溫層等因素的影響，一般取85 %～90 %；αv為蓄冷水罐的體積利用率，考慮布水器的布置以及蓄冷水罐內(nèi)其他不可用空間的影響，一般取95 %。

對(duì)于蓄冷空調(diào)，蓄冷量Qs是基于逐時(shí)負(fù)荷分析及不同負(fù)荷狀態(tài)下的運(yùn)行策略分析來確定的，是需求量，也是蓄冷水罐在放冷時(shí)需釋放出來的冷量。因此，在計(jì)算蓄冷水罐容積時(shí)需考慮一定的冷損失附加率K，以滿足放冷時(shí)段用戶的冷負(fù)荷需求。冷損失附加率K一般取1.01～1.03。

對(duì)于分布式能源系統(tǒng)中的蓄冷水罐，其蓄冷量Qs是末端用戶無法消納的余熱制冷量，是可輸入蓄冷水罐中的總冷量。在計(jì)算蓄冷水罐容積時(shí)，不需考慮冷損失附加率，即上述計(jì)算公式中K值取1。

(2)蓄冷水罐與冷水系統(tǒng)的連接方式。

通常情況下，為簡(jiǎn)化管路系統(tǒng)及減少冷損失，蓄冷空調(diào)的蓄冷水罐通常布置于制冷站附近，低位布置，罐內(nèi)水位線低于建筑高度，蓄冷水罐中的水必須通過板式換熱器與系統(tǒng)空調(diào)水換熱放冷，如圖3所示。

圖3 蓄冷水罐與空調(diào)冷水系統(tǒng)間接連接示意

在區(qū)域分布式能源項(xiàng)目中，制冷站通常是單層建筑，蓄冷水罐亦布置在制冷站端頭地面上，區(qū)域供冷冷水系統(tǒng)與末端用戶通常采用間接連接，板式換熱器設(shè)置于末端用戶機(jī)房內(nèi)。從分布式能源站至末端用戶板式換熱器的冷水管網(wǎng)通常采用直埋或矮支墩敷設(shè)，冷水管網(wǎng)系統(tǒng)最高點(diǎn)一般不會(huì)高于10 m。根據(jù)蓄冷量及場(chǎng)地情況，調(diào)整蓄冷水罐的高度直徑比，可使蓄冷水罐液面高度大于等于13 m，這就使得蓄冷水罐可與區(qū)域供冷冷水系統(tǒng)采用直接連接，如圖4所示。這不僅可以減少項(xiàng)目初投資，而且能夠減少冷損失，提高能源利用率。

圖4 蓄冷水罐與冷水系統(tǒng)直接連接示意

4 結(jié) 論

在分布式能源系統(tǒng)中，蓄冷水罐的蓄冷量是由分布式能源系統(tǒng)較為穩(wěn)定的余熱量與具有波動(dòng)性的用戶冷負(fù)荷決定的。在計(jì)算蓄冷水罐容積時(shí)，與蓄冷空調(diào)不同，其蓄冷量為末端用戶無法消納的余熱制冷量，不需要考慮冷損失附加率。

基于區(qū)域分布式能源系統(tǒng)中區(qū)域供冷系統(tǒng)與末端用戶的連接方式及管網(wǎng)敷設(shè)特點(diǎn)，蓄冷水罐與區(qū)域供冷冷水系統(tǒng)之間可不設(shè)置板式換熱器，采用直接連接，從而可簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置，減少冷損失，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。