中国移动南方基地水蓄冷项目布水系统技术方案

2019-04-12


布水系统技术方案

中国移动南方基地水蓄冷项目

2019年4月


1.1 水蓄冷系统简介2

1.2 保温设计说明6

1.2.1 蓄冷水槽保温工艺说明6

1.2.2 蓄冷水保温计算书7

1.3 布水器设计说明10

1.3.1 布水器的形式10

1.3.2 本项目布水器设计方案说明11

1.3.3 布水器设计的理论验证计算11

1.3.4 蓄冷水槽FOM及有效释冷量计算13

1.4 水蓄冷辅件设计16

1.4.1 垂直温度测量系统16

1.4.3 布水器支吊架系统19

1.1 水蓄冷系统简介

水蓄冷系统是利用水的显热来储存冷量。水经过冷水机组冷却后储存于蓄冷槽中,用于次日的冷负荷供应,即夜间制出低温水,在白天空调负荷较高的时候,自动控制系统决定制冷主机和蓄冷水的供冷组合方式。尽量在白天峰电时段内由蓄冷水供冷,且蓄冷水内的冷量应尽量用完,不开或者少开制冷主机,以降低空调系统的运行费用。

蓄冷槽储存冷量的大小取决于蓄冷槽储存冷水的量和蓄冷温差。温差的维持可通过降低储存冷水温度、提高回水温度以及防止回流温水与储存冷水的混合等措施来实现。典型的水蓄冷系统,其蓄冷温度在4℃-10℃之间。本项目的蓄冷水供回水温度为5/12,蓄冷温差达到7

一个设计合理的蓄冷系统应通过维持尽可能大的蓄水温差并防止冷水与热水的混合来获得最大的蓄能效率,蓄能装置是水蓄能系统中较为关键的设备。在水蓄能技术中,关键问题是蓄能水的结构形式应能防止所蓄冷水与回流热水的混合。为实现这一目的,目前常用的有以下几种方法。

多蓄水方法

将蓄能水的释能回水分别储存在不同的中,以保证送至负荷侧的蓄能水的温度维持不变,多个蓄水有不同的连接方式,一种是空方式。如右图,它保持蓄水系统中总有一个在蓄能或释能循环开始时是空的。随着蓄能或释能的进行,各依次倒空。

另一种连接方式是将多个串联连接或将一个蓄水分隔成几个相互连通的分格。如下图,图中示出蓄冷时的水流方向(蓄热的水流方向正好相反)。蓄冷时,冷水从第一个蓄水的底部入口进入中,顶部溢流的热水送至第二个的底部入口,依次类推,最终所有的中均为冷水;放冷时,水流动方向相反,冷水由第一个的底部流出。回流热水从最后一个的顶部送入。

迷宫法

采用隔板把水蓄水分成很多个单元格,水流按照设计的路线依次流过每个单元格。右图所示为迷宫式畜水中水流的路线。迷宫法能较好地防止冷热水混合。但在蓄冷和放冷过程中有一个是热水从底部进口进入或冷水从顶部进口进入。这样易因浮力造成混合;另外,水的流速过高会导致扰动及冷热水的混合;流速过低会在单元格中形成死区,降低蓄冷系统的容量。

自然分层法

自然温度分层就是指利用水在不同温度下密度不同而实现自然分层。自然分层水蓄能是一种结构简单、蓄冷效率较高、经济效益较好的水蓄能方法,目前应用得最为广泛。

在蓄冷循环时,制冷设备送来的冷水由底部布水器进入蓄水,热水则从顶部排出,中水量保持不变。在放冷循环中,水流动方向相反,冷水由底部送至负荷侧,回流热水从顶部布水器进入蓄水

水的密度与其温度密切相关,在水温大于4℃时,温度升高密度减小,而在0~4℃范围内,温度升高密度增大,3.98℃时水的密度最大。自然分层水蓄冷就是依靠密度大的水自然会聚集在蓄冷槽的下部,形成高密度水层的趋势进行的,在分层蓄冷中使温度为4~6℃的冷水聚集在蓄冷槽的下部,而10~18℃的热水自然地聚集在蓄冷槽的上部,来实现冷热水的自然分层。


在自然分层蓄能水中,斜温层(Thermocline)是一个影响冷热分层和蓄能水蓄能效果的重要因素,它是由于冷热水间自然的导热作用而形成的一个冷热温度过渡层。它会由于通过该水层的导热、水与蓄能水壁面和沿壁的导热,并随着储存时间的延长而增厚,从而减少实际可用蓄水的体积,减少可用蓄能量,明确而稳定的斜温层能防止蓄能水下部冷水与上部热水的混合。

蓄能水储存期内斜温层变化是衡量蓄能水蓄能效果的主要考察指标。一般希望斜温层厚度(Thermocline Thickness, 简称THT)在0.3-1.0m之间,为了防止水的流入和流出对储存蓄能水的影响,在自然分层蓄能水中采用的布水器应使水流以较小的流速均匀地流入蓄能水,以减少对蓄能水的扰动和对斜温层的破坏。因此,分配水流的布水器是影响斜温层厚度变化的重要因素。

自然分层的蓄水需要用布水器将水平稳地引入中,依靠密度差而不是惯性力产生一个沿底或顶水平分布的重力流,形成一个使冷热水混合作用尽量小的斜温层。在自然分层蓄能水中,水流入的速度要相当小,以减少与内流体的混合。实际上,由于不可避免的导热和混合,蓄能储存水温度会升高0.5-1℃。运行过程中要求蓄能时将斜温层全部更换,以保证每个蓄能,释能循环后,上一循环产生的斜温层不会影响下一循环。

020℃范围内,水的密度差不大,形成的斜温层不太稳定。因此要求通过布水器的进出口水流流速足够小,以免造成斜温层的扰动破坏,这就需要确定恰当的Fr数(作用在流体上的惯性力与浮升力之比的无因次准则数)和布水器进口高度h,确定合理的Re数(作用在流体上的惯性力与粘性力之比的无因次准则数)来避免斜温层品质的下降。

在设计中要注意布水器的开口方向,尽量减少进水对中水的扰动。通常顶部布水器的开口方向朝上,避免有直接向下冲击斜温层的动量,底部布水器的开口方向朝下,避免有直接向上的动量。

通过对温度分层型水蓄冷的模拟计算,得到以下主要结论:


经过上述理论分析,并根据招标文件的技术规范要求,本项目中采用温度差自然分层方法设计蓄冷水内的布水器。

1.2
保温设计说明

蓄水是蓄能技术应用中较为关键的一个部件,是冷量储存的容器,对系统是否能够正常运行有着举足轻重的作用。蓄水必须具有优良的防水和防渗漏性能。同时,其保温必须满足防结露、减小热损失等性能要求。一般要求满足以下条件:

Ø 钢砼蓄冷水的建筑结构必须稳固;

Ø 钢砼蓄冷水必须具有优良的防渗漏性能;

Ø 钢砼蓄冷水的保温必须满足防结露、保冷等性能要求;

Ø 布水器设计必须保证良好的温度自然分层,提高有效蓄冷容积以及有效释冷量。

本项目蓄冷水个容积4000m31#2#混凝土水组成,蓄冷水采用内保温工艺,保温采用聚氨酯现场发泡,底部保温层厚度为100mm,侧壁保温层厚度为100mm,顶部保温层厚度为80mm

1.2.1 蓄冷水槽保温工艺说明

对于蓄冷水槽,如果采用挤塑保温板施工,则需要对数量众多的保温板进行固定,国标设计图集(06K610)推荐做法中需要在壁上预留大量孔洞,以备保温板施工时通过膨胀螺栓对保温板进行固定,这对于防水系统来讲是潜在不利因素。另外,如选用板材作为侧壁保温材料还要处理板材之间接缝等工程技术问题。而根据类似工程经验,并考虑到防水材料的抗强度、伸长率、撕裂强度等重要物理性能优异,完全可以承受保温材料的微小形变,故建议采用硬质聚氨酯现场发泡的方式进行保温施工。

对于水底部保温,具体做法是,聚氨酯现场发泡,保温厚度100mm,发泡完毕之后将保温层表面进行局部修整然后保温层外,用增强网格布防水抗裂砂浆做一道防护层,进行找平处理,接着做聚脲防水,再做80mm混凝土砂浆找平,砂浆内敷设加固铁丝网,应注意阴阳角的圆角过渡处理。

对于水顶部保温,采用80mm厚度聚氨酯泡沫现场喷涂的方式进行保温施工。


对于水侧壁保温,采用100mm厚度聚氨酯泡沫现场喷涂的方式进行保温施工,发泡完毕之后将保温层表面进行局部修整然后保温层外,用增强网格布防水抗裂砂浆做一道防护层,进行找平处理,接着做聚脲防水

u 聚氨酯现场发泡技术优点

在现场发泡聚氨酯泡沫塑料隔热层的方法,其表面是一整体,没有接缝,冷损失减少,而且施工效率高,易于达到质量要求,减少施工程序,还省去被保温设备管道表面的防腐涂层。

u 聚氨酯现场发泡施工工艺原理

聚氨酯泡沫塑料发泡喷涂、灌注工艺原理,是聚醚异氰酸酯的聚合反应能生成胺基甲酸酯,即能生成所需的聚氨基甲酸乙酯,也就是常称的聚氨酯泡沫塑料。在反应过程中同时加入催化剂(二月桂酸二丁基锡、三乙烯二胺、三乙醇胺)、交联剂(乙二胺聚醚)、发泡剂(R-113R-11和水)、泡沫稳定剂(硅油)等,其作用是促进和完善化学反应。

这些原料分两组,经充分混合后分别由计量泵按比例打入特制的喷枪内,在喷枪或灌注混合器内充分混合喷涂于管道或设备表面,发生反应,在510s内起泡而生成泡沫塑料,并固化成型。

聚氨酯保温材料物理参数

技术性能

单位

参数

容量

kg/m3

40±5

导热系数

W/m·k

0.024

使用温度

-90-+120

闭孔率

%

≥97

吸水率

kg/m2

≤0.3

氧指数

h

≥26

抗压强度

MPa

150

1.2.2 蓄冷水保温计算书

1.2.2.1 换热面积计算

因底部与空气隔绝,属于半无限大换热,而蓄冷水顶部与冷水没有直接接触,因此蓄冷水底部和顶部单位面积热损失小于侧面,采用三部分分开计算。三部分的计算均简化为平板传热计算。本次计算中,考虑混凝土顶板上方空间和混凝土侧壁空间处于地下室空间,根据要求,选取30℃计算;底板处于温度为20℃的环境中。个水相互相连,考虑作为整体计算热损失。

蓄冷水换热面积


顶板(m2

壁板(m2

底板(m2

换热面积

2120

1214

2120

环境条件

内部空气隔层,保温板和混凝土顶板组成保温层

内部防水层,保温层及混凝土壁板及外部土层形成蓄冷水保温层。

内部防水层,保温层及混凝土底板及外部土层形成蓄冷水保温层。

温度条件

30℃

30℃

20℃

1.2.2.2 蓄冷传热模型分析

蓄冷水槽内的最低工作温度为蓄冷结束温度,即为5,冷量自水传递至空气需克服四重热阻,冷水槽内水体的自然对流换热热阻、钢筋混凝土壁的热传导热阻、保温层的热传导热阻以及槽外空气的自然对流换热热阻,以下为传热模型示意。

钢砼

保温层

水体

1.2.2.3 冷损失计算

序号

常用参数

单位

参数值

1

聚氨脂导热系数λ1

w/m•k

0.024

2

混凝土导热系数λ2

w/m•k

1.74

3

空气导热系数λ3

w/m•k

0.023

4

内壁水的对流换热系数α1

w/m2•k

300

5

外壁空气的对流换热系数α2

w/m2•k

5

6

地下室空间温度T4

30

7

下部土层温度T5

20

8

冷冻水温度T1

5

冷损失计算公式:


顶热损失

顶传热面积

T

保温

厚度

顶板厚度

空气隔离层厚度

综合热阻

热损失

24小时

热损失

m2

mm

mm

mm

m2•k/W

W

kWh

2120

25

80

200

500

25.39

2087

50

壁热损失

壁传热

面积

T

保温厚度

壁厚度

综合热阻

热损失

24小时

热损失

m2

mm

mm

m2•k/W

W

kWh

1214

25

100

200

4.48

6767

162

底热损失

底传热面积

T

保温厚度

混凝土加土层厚度

综合热阻

热损失

24小时

热损失

m2

mm

mm

m2•k/W

W

kWh

2120

15

100

300

4.34

7323

176

由以上数据及公式计算得本项目个蓄冷水槽槽24小时冷损失为388 kWh,引起的温升为0.042℃/,约占蓄冷量的0.6%


1.3 布水器设计说明

1.3.1 布水器的形式

水蓄冷系统中常见的布水器形式主要有三种:线布水、面布水、点布水。线布水指水流沿管道流动并在沿途开口出流,出口射流呈现线型布置。面布水指水流在某一平面上进行全断面出流,出口射流呈现平面布置。点布水则需结合专用布水头,通常和线布水或面布水组合使用,通过扩腔、阻挡等方式实现水流减速、转向。目前主流的应用方式是线布水,在存在较高要求或特殊要求的场合,可以采用多种形式复合使用的方法获得所需性能。

线布水器常用的型式有:八角型、H型,径向盘型等。H式适用方形蓄水,八角型和径向盘型适用于圆柱形蓄水,八角形更适合大型体。


H型布水器平面示意

1.3.2
本项目布水器设计方案说明

本工程中蓄冷结束温度为5,释冷结束温度12,蓄冷温差7℃

对于4000的蓄冷水,蓄冷水设计流量为750 m3/h,采用型号为JUAN520~521的布水器,布水器配管采用H型布水形式,布水管道≤DN150采用硬PVC-U管,布水管>DN150采用钢管布水器采用一体成型UPVC材质的产品,模块化生产,一体成型,布水器采用五级以上布水,其中H型布水管道平行距离不大于80cm,以保证必要的布水精度,保证斜温层厚度不超过500mm

本项目设计为H型布水H型布水器经过8次布水分流,通过最末端的360度立体圆盘径向布水器,将流量均匀分配到蓄冷整个水平断面。

精密布水蓄冷系统采用H型梳状精密平面布水技术,将水流平均分布到水平面上,精确到每平方厘米,使斜温层厚度降至极限,换热残余量可小于3%。布水器整体厚度15厘米左右,极大的提高了蓄能效率,弧形缓冲360度圆盘径向布水等多项技术的运用,保证了每个出水口的流量均等,最新弧线形设计,完美的水流缓冲和平衡调节作用,将水力垂直扰动厚度降低到3厘米以下。

在设计中注意布水的开口方向,尽量减少进水对中水的扰动。通常上布水器的开口方向朝上,避免有直接向下冲击斜温层的动量,下布水器的开口方向朝下,避免有直接向上的动量。本项目中,沿布水器水流方向设置若干组喷孔。

1.3.3 布水器设计的理论验证计算

自然分层的蓄能需要用布水器将水平稳地引入中,依靠密度差而不是惯性力产生一个沿底或顶水平分布的重力流,形成一个使冷热水混合作用尽量小的斜温层。在0-20℃范围内,水的密度差不大,形成的斜温层不太稳定。因此要求通过布水器的进出口水流流速足够小,以免造成斜温层的扰动破坏,这就需要确定恰当的Fr数和布水器进口高度h,确定合理的Re数来避免斜温层品质的下降。Fr数是表示作用在流体上的惯性力与浮升力之比的无因次准则数。理论计算以及试验证实:Fr<=1时,浮升力大于惯性力,可很好地形成重力流。

1.3.3.1 Fr数计算

Fr数是表示作用在流体上的惯性力与浮升力之比的无因次准则数。理论计算以及试验证实:Fr<=1时,浮升力大于惯性力,可很好地形成重力流。Fr数越小,则流动形态更加趋近重力流,布水器性能更好。

布水器进口的弗劳德数Fr的计算公式如下:


式中:Fr——布水器进口的弗劳德数;

       q——布水器单位长度的体积流量;

       g——重力加速度;

       hi——布水器最小进口高度;

      ——进口水密度;

      ——周围水密度;

蓄冷水Fr数计算结果如下:

Fr=0.072<1

以上计算结果说明小孔出流属于重力流,布水器设计完全满足设计要求。

1.3.3.2 Re数计算

Re数是表示作用在流体上的惯性力与粘性力之比的无因次准则数。理论计算以及试验证实:较低的进口Re数有利于减小斜温层进口侧的理想的分层效率。与Fr数类似,Re数越低则流动形态更加趋于稳定,布水器性能更好。

WildinTruman通过试验证明,较低的进口Re数有利于减小斜温层进口侧的理想的分层效率,进口Re数在2000时能取得理想的分层效果。Re数的定义由下式给出:


式中:q——布水器单位长度的体积流量

      ν——进口的运动粘度;

蓄冷水Re数计算结果如下:

Re=453850

由以上计算结果,蓄能水布水器设计Re数完全满足设计要求。

1.3.4 蓄冷水槽FOM及有效释冷量计算

1.3.4.1 FOM值定义

在水蓄冷系统中,由于不可避免的冷热水混合和通过斜温层的导热、通过蓄冷水槽槽体与外界发生的热交换以及布水器与底之间不能用的冷水(在释冷工况控制时,蓄冷水槽的出口温度达到并超过设计温度则必须停止释冷,此时蓄冷水槽内下布水器与槽底之间的空间内的水无法全部有效利用),都会使的可用蓄冷量减少。

因此为考察水蓄冷系统蓄冷槽的性能,国际上通常引用完善度(Figure of MeritFOM),也称为蓄冷效率(Storage Efficiency)来描述蓄水的蓄冷效果。根据美国国家标准ANSI/ASHRAE Standard 150-2000 (RA2004) (译作国标GB/T26194-2010《蓄冷系统性能测试方法》)中的规定,蓄冷效率的定义是蓄冷槽实际释冷量与蓄冷槽实际蓄冷量之比。它考虑了实际上由于上述原因导致的冷量损失,其定义为可从蓄冷槽移走的冷量(即释冷量)与理论可用蓄冷量之比,下图说明了完善度的概念,即完善度=面积A/(面积A+面积B

面积A相应于释冷过程中从蓄冷槽移走的总冷量,(面积A+面积B)相应于根据蓄冷过程入口温度和释冷过程中回水温度得到的理论可用总冷量。设计良好的自然分层水蓄冷槽和水分配布水器,其完善度可达90,甚至更高的水平。

1.3.4.2 FOM值计算

热损失对FOM值影响

计算变量

符号

数值

单位

备注

24小时热损失

Ql

388

kWh


水的比热容

C

4.2

kJ/kgK


水槽横截面积

As

2120

m2


水密度

ρ

999.99

Kg/m3

4下水的密度

设计温差

ΔT

7


计算公式


计算结果

Hheat gain=0.022m

不可用冷水量对FOM值影响

本项目蓄冷水槽下布水器到槽底的距离为0.05m,而下布水器到槽底之间的冷水在释冷过程中是不能通过布水管道提供冷量的。

Hdiffuser=0.05m

斜温层对FOM值影响

水蓄冷系统中由冷热水混合而出现的斜温层不能用于空调供冷。斜温层厚度的大小直接影响到了系统的FOM值。我司承诺,本项目设计布水器的斜温层厚度不大于0.5m

Htht=0.5m

FOM计算

本项目中,蓄冷水槽设计水体高度为Htank=4.05m,由上述计算数据,有:

FOM=1-Hheat gain+Hdiffuser+Htht/Htank=86%

满足设计要求

1.3.4.3 蓄冷水槽有效释冷量计算

本项目个蓄冷水槽体积实际为8500m³,按照7℃温差计算,则系统蓄冷量为69417kWh=19737RTh,根据前述完善度FOM的计算,可知系统的有效释冷量约为69417×86%=59698kWh。满足设计要求。

1.4
水蓄冷辅件设计

1.4.1 垂直温度测量系统

为了监测蓄冷水槽温度分层情况并保证蓄冷效果,本项目在每个蓄冷水槽内设置2套垂直线缆式温度传感器。选用韩感LHG8663-1型数据采集模块配合LHG8000-5型线缆式数字温度传感器。每根线缆式温度传感器每隔500mm封装一个温度传感器,共封装11个温度传感器。

    LHG8663-1型数据采集模块

LHG8000系列线缆式数字温度传感器

LHG8663-1型数据采集模块的产品技术特点如下:

CPU系统结构可保证系统的高速信息交换和自主数据采集,实时监听通讯命令,上位机可随时读取数据,通讯无需延时,系统可靠性高;

通讯端口采取光电隔离、突波保护(TVS)及自恢复保险等多重保护,使用隔离电源,应用看门狗(WatchDog)技术,确保模块的安全及抗干扰特性;

支持的点的数最少可达256点,且每通道均可支持分支器;

RS485接口与上位机以MODBUS-RTU方式通讯,同一网络支持128个模块,波特率9600/19200/38400可选,总线传输距离1200米;

采用符合GB12476.1-90IEC61241-1-1防爆标准的机壳,全密闭防水,防护等级IP67,可直接在现场使用,密闭性好,防熏蒸,带有过压、过流、突波、隔离、雷击保护电路;

各功能模块之间采用数字信号传输,只需要一条3芯线,即可连接各种传感器及功能模块,系统易扩展性突出。使用更适合现场要求接插方便的可插拔端子连接器;

支持多种组态软件;

电源:10~30V 输入(可按要求订制);

模块工作温度:070℃,存储温度:-2585℃

LHG8000系列温度传感器为工厂定制封装线缆式数字温度传感器,核心器件采用美国达拉斯半导体公司生产的MAXIM产品。本项目中根据水箱的设计高度以及布水器的设置位置。测温线缆捆扎于一条垂直钢缆(连接配重)之上,保证始终垂直。

其产品技术特点如下:

可长期浸没在蓄能水箱中使用,线缆可承受50公斤拉力,抗水压大于1.0M Pa,可确保线缆的密封不渗水;

传感器温度分辨率不低于±0.1℃,温度测量误差不低于±0.5℃。工作稳定;

工作温度:095℃

系统结构简单,施工方便,维护便捷;

1.4.2 投入式液位传感器

本项目蓄冷水槽所在位置为地下室水,且蓄冷水槽四周已经贴紧坑壁,难以在位置最低的排水管上安装液位传感器,故选用投入式液位传感器。采用广东康宇KYB19系列传感器,已在我司大量工程项目中成功应用,证明性能可靠。

该产品采用聚四氟乙烯制造,真正防腐,可耐任何浓度酸碱的腐蚀。采用进口传感器芯体,并进行了精密的非线性补偿及宽温区温度补偿,使得变送器的非线性、回差、重复性及温度漂移均达到了高指标。具体技术参数及技术特点如下:

u 量程: 0-70m

u 测量介质:各类水、重轻油、原油、酸碱等各类腐蚀液;

u 精度: 0.5%F.S

u 输出:4-20mA

u 温度:介质温度0-70℃

u 电源:24VDC

u 防尘防潮:全天候;

u 防爆级别:EXiaⅡCT5

1.4.3
布水器支吊架系统

水蓄冷系统中,上下布水器均需要进行可靠的管道支撑。但管道的支撑对蓄冷水槽的防水保温存在一定的影响,在选择合适的支撑工艺时,应尽可能降低对防水保温的要求,尽量少穿透防水保温层,以提高整个蓄冷水槽防水保温体系的可靠性。

为此,针对上布水器及下布水器,我司建议采用不同的支撑方式。

对于下布水器,与防水保温的施工配合具体如下图所示。

上布水器以及与上布水器连接的主管均采用蓄冷水槽顶板预埋件结合常规管道吊装工艺安排管道垂直吊挂。