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自然分层水蓄冷空调技术应用研究论文
自然分层水蓄冷空调技术应用研究
目录
1.引言3
2.水蓄冷技术应用现状3
2.1工程应用现状3
2.2全国部分主要水蓄冷应用案例3
2.3蓄冷技术的优势3
2.4影响蓄冷技术推广的不利因素3
3.自然分层水蓄冷技术简介3
4.典型水蓄冷系统案例分析3
4.1浦东国际机场二期水蓄冷空调系统3
4.1.1工程概况3
4.1.2空调分时电价3
4.1.3空调冷负荷分析3
4.1.4不同制冷方案的技术经济比较3
4.1.5水蓄冷空调系统设备配置和运行策略3
4.1.6设计优化及施工3
4.1.7实际运行情况3
4.2上海某创业产业园的水蓄冷空调系统3
4.2.1工程概况3
4.2.2夏季冷负荷平衡分析3
4.2.3空调系统设计特点3
4.2.4经济效益分析3
5.水蓄冷系统主要设计控制点3
5.1斜温层厚度及蓄冷水槽深度设计不合理3
5.2布水器设计难点及对策3
5.2.1雷诺数（Re）的控制3
5.2.2弗劳德数（Fr）的控制3
5.2.3孔口流速的控制3
5.2.4布水器的整体布置3
5.2.5核实蓄冷装置高径比3
5.3隔热保温和防水设计3
5.3.1隔热保温材料3
5.3.2隔热保温设计3
5.3.3防水设计3
6.水蓄冷系统主要施工控制点3
6.1水蓄冷储水罐罐底安装难点及对策3
6.1.1合理的焊缝设计3
6.1.2焊缝方法的选择3
6.1.3焊接施工过程的控制3
6.1.4焊中应力消除与焊后热处理3
6.2蓄水罐充水沉降试验注意事项3
6.2.1充水试验前3
6.2.2充水试验中3
6.2.3充水试验后3
6.3蓄水罐防冷桥（防结露）的技术方法3
6.3.1罐底隔热的控制方法3
6.3.2罐壁保温的控制方法3
7.商务模式3
7.1EMC的业务特点3
7.2EMC项目的三种运作模式3
7.3EMC的服务程序3
7.4政策补贴支持3
7.4.1国家层面政策3
7.4.2上海市地方层面政策3
8.加速蓄冷空调技术发展的几点建议3
8.1加强政策支持3
8.2灵活应用EMC模式3
8.3加大宣传推广力度3
9.水蓄冷技术发展展望3
10.参考文献3
摘要：
本文通过对自然分层水蓄冷技术背景及应用原理介绍，结合典型水蓄冷工程应用案例的详细分析，得出自然分层水蓄冷技术设计及施工的主要控制点。
同时，详细阐述了水蓄冷技术应用案例的合同能源管理商务模式，且提出水蓄冷工程的发展建议和展望，为水蓄冷的工程应用提供借鉴。
关键词：
自然分层水蓄冷；斜温层；布水器；合同能源管理；政策补贴；
1.引言
随着我国经济的高速发展和人民生活水平的提高，电力能源供应紧张已日益显著。
在我国电网中，用电负荷在时间和强度上的差别明显，部分城市和地区在夏季的峰谷电力差已达到40%【1】。
这一方面增加了发电装备的装机容量，降低了发电装备的平均效率，同时由于发电装备容量调节较为困难，对电网的安全运行构成了威胁。
为此，蓄冷技术应运而生，成为电力“削峰填谷”的一种有效方法。
从1995年起，我国各地根据国家有关部委的要求，逐步推行了分时电价制度，并出台了一系列鼓励用户移峰填谷的优惠政策。
2012年7月3日，财政部和国家发改委关于印发《电力需求侧管理城市综合试点工作中央财政奖励资金管理暂行办法》的通知，明确指出“对通过移峰填谷技术的永久性节约电力负荷和转移高峰电力负荷，东部地区每千瓦奖励440元，中西部地区每千瓦奖励550元”，这无疑给蓄冷技术应用注入一针强心剂。
在蓄冷技术中，水蓄冷技术具有初投资少，系统简单及维修方便等特点，在国内诸多大型工程中暂露头角【2】。
水蓄冷系统是以水作为蓄冷介质在夜间低谷电时段将冷量存储起来，白天用电高峰时段将储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺的需要，减少总装机容量，也提高了电网侧发电效率。
目前，水蓄冷装置的蓄冷水槽结构设计主要有自然分层型、迷宫式、多槽式和隔膜式，其中，自然分层型具有高效、低投入的特点，得到广泛应用。
2.水蓄冷技术应用现状
2.1工程应用现状
我国在上世纪70年代开始，即在体育场馆建筑中采用水蓄冷空调技术，根据天津大学张永铨教授多年对我国蓄冷技术应用情况统计【3】，截止至今年（2012年）年初，已有建成投入运行和正在施工的水蓄冷工程178个，项目分布在20多个省市，广泛实施于机场、酒店商场、电子、食品、医院等各行业。
主要的水蓄冷工程分布地域如下：
地区
广西
广东
北京
上海
江苏
湖北
其它
数量
33
33
17
15
19
19
42
合计
178
表1主要水蓄冷工程分布地域表
其中采用我国自主专利技术的10多个，供回水温差由原来的5℃提高到10℃甚至更大，使蓄冷密度由原来的5.8KW/m3提高到11.6KW/m3或更大。
水蓄冷工程在机场、酒店宾馆、产业园区等应用广泛，节能效果明显。
典型案例如上海浦东国际机场T2航站楼能源中心（区域供冷工程）、上海虹桥机场扩建工程（候机楼空调工程）、桂林两江国际机场、深圳宝安国际机场、南宁明园新都酒店（五星级酒店）、江苏省常熟喜来登酒店（五星级酒店）及上海国际工业设计中心等。
但是，从总体上来看，无论工程数量和技术水平方面与美国、日本等发达国家都还存在很大差距，设计单位和用户对蓄冷技术尚缺乏系统的了解和运行管理经验。
因此，迫切需要及时总结蓄冷技术在我国应用的经验或教训，增强政策扶持力度，使之在我国的经济发展中发挥出更大的作用。
2.2全国部分主要水蓄冷应用案例
建筑类型/行业
案例名称
备注
机场、交通类
上海浦东国际机场T2航站楼能源中心
区域供冷
上海虹桥机场扩建工程
候机楼空调
上海虹桥交通枢纽中心
桂林两江国际机场
候机楼空调/EMC
深圳宝安国际机场
昆明机场
酒店、宾馆类
南宁明园新都酒店
五星级
南宁明园饭店
四星级
广西天妃商务酒店
四星级
桂林帝苑酒店
五星级/EMC
桂林桂湖饭店
四星级/EMC
桂林观光酒店
四星级
南京金丝利喜来登酒店
五星级/EMC
苏州建屋酒店
四星级/EMC
江苏省常熟喜来登酒店
五星级/EMC
商场、超市类
武汉中商广场
大型商场/EMC
武汉中南商业大楼
大型商场/EMC
南昌丽华购物广场
江苏太仓华旭财富中心
石家庄万达广场
江西萍乡洪城大厦
科技、电子工业类
上海美维电子有限公
印刷电路厂/EMC
高德（无锡）电子有限公司
EMC
上海环旭电子
北京XX数据中心
长沙LG曙光电子
汕尾信利半导体有限公司二期
成都亚光电子
其它类
上海尚德太阳能电力有限公司（一期）
无锡尚德太阳能电力有限公司
电装（广州南沙）有限公司
天津中新生态城
济南奥体中心
宜兴竹海度假村
表2全国主要水蓄冷案例
天津大学环境科学与工程学院的张永铨教授对中国蓄冷技术的发展进行了长期关注，做了大量的蓄冷工程统计工作。
其中，有相当比例的水蓄冷工程案例采取了合同能源管理EMC的商务模式，关于合同能源管理EMC商务模式的业务特点、运作模式、服务程序及政策扶持情况等内容，将在后面章节详细介绍。
2.3蓄冷技术的优势
为了解决夏季用电峰谷差扩大的问题，做好迎峰度夏、有序用电工作，全国各级地方政府与供电部门开展了形式多样的电力需求侧管理活动。
蓄冷空调技术作为一项重要的电力需求侧管理技术，其自身优势明显，可归纳为以下几点【4】。
a）实现电力负荷的移峰填谷，优化电网负荷曲线；
蓄冷系统通过转移制冷设备的运行时间，充分利用夜间低谷电力，减少白天峰值用电量，优化电网负荷曲线，成为电力移峰填谷最有潜力的途径，兼具经济效益和社会效益。
b）减少空调冷热源设备的安装容量；
诸如机场、车站、大型办公写字楼晚上没有空调负荷的大型公共建筑采用蓄冷中央空调后，可减少制冷设备的安装容量，同时可节省运行费用。
c）作为备用冷源在供电不足的情况下满足建筑物的空调要求；
d）优化资源配置，延缓电力建设；
e）扩大原有空调系统的供冷能力。
2.4影响蓄冷技术推广的不利因素
正是由于蓄冷空调技术有诸多优势，从20世纪30年代该技术诞生以来，在世界各地得到了巨大发展和广泛应用。
该技术在美国、法国、日本及韩国等发达国家和地区已得到大批工程应用。
而在我国，虽有一批蓄冷技术空调应用，也取得了一些成绩，但蓄冷技术依旧难逃“叫好不叫座”的迷局，通过对用户工程项目的分析以及政策、推广机制的研究发现，影响蓄冷空调技术推广应用的不利用因素主要有一下几点：
a）项目建设投资成本较高，投资回收期较长，影响用户的积极性；
通过作者本人在上海的水蓄冷工程实践经验，空调面积在4万平米以下体量的建筑，采用水蓄冷系统初投资比常规空调系统高30%左右，静态投资回收期为4.5年左右（同时还得兼顾考虑建筑类别、当地峰谷电价差及建筑功能等因素的综合影响）。
如果考虑蓄冷设备占地所损失的经济效益，投资回收期将会更长，此将直接影响一些缺乏资金的用户采用该技术。
b）峰谷电价差对蓄冷空调技术的推广应用构成障碍；
经过分析我国各地电价，尤其是长三角地区电价，峰谷电价比目前大多浮动在3:
1～4.5:
1【5】，相比美国、日本、韩国等发达国家的峰谷电价比动辄10:
1左右，我国的峰谷电价差政策性拉大还有很长的路要走。
c）蓄冷技术应用补贴政策姗姗来迟影响该技术的推广；
直到今年2012年7月份才出台《电力需求侧管理城市综合试点工作中央财政奖励资金管理暂行办法》，且明确指出“对通过移峰填谷技术的永久性节约电力负荷和转移高峰电力负荷，东部地区每千瓦奖励440元，中西部地区每千瓦奖励550元”。
在此之前，一定程度上影响了用户采用蓄冷空调技术的积极性。
d）学术界对蓄冷空调技术的一些认识也是该技术推广应用的障碍之一【6】；
目前，学术界有部分人认为蓄冷空调技术为非节能技术，理由是蓄冷工况时空调机组的制冷效率会下降，同时在系统中存在能量的二次转换及蓄冷罐的能量损耗，而将用户产生的“节电效益”纯粹归功于分时电价。
3.自然分层水蓄冷技术简介
水蓄冷（chilledwaterstoragesystem）是用水作为蓄冷介质，利用水的显热热量蓄冷的空调蓄冷方式。
水被冷水机组冷却并储存在蓄冷水槽内，用于满足空调时的供冷需要（水蓄冷系统基本原理图详见图1）。
水蓄冷系统的蓄冷温度一般为4～6℃，蓄冷温差为5～8℃，大温差水蓄冷系统的温差可达12℃。
当然，提高蓄冷温差的同时，需提高水蓄冷系统的蓄冷效率，防止冷水与热水的混合以减少能量损失。
通常，水蓄冷系统蓄冷水槽结构设计有4种方式：
自然分层型、迷宫式、多槽式和隔膜式，其中，自然分层型具有高效、低投入的特点，得到广泛应用。
图1水蓄冷系统基本原理图
自然分层水蓄冷是利用水的不同温度下的密度不同实现自然分层。
在3.98℃时，水的密度最大，而大于3.98℃时，水的密度随着水温的升高而减小。
在自然分层水蓄冷中，通过水的密度特性使温度在4～6℃的冷水聚集在蓄冷水槽下部，而6℃以上的热水自然地聚集在蓄冷水槽的上部，来实现冷热水的自然分层，为将冷热水隔开而不相掺混的水层为斜温层。
图2自然分层水蓄冷水槽及斜温层示意图
如上图所示，在蓄冷水槽中设置了上下两个均匀分配水流的布水器，为了实现自然分层，要求在蓄冷和释冷过程中，热水始终从上部布
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