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【论文精选】温度分层型蓄能水箱应用与研究进展综述

时间：2021-10-20 来源：浏览：

【论文精选】温度分层型蓄能水箱应用与研究进展综述

原创董波伟，等煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作者：董波伟，王海超，李骥， Katja Granlund ，余力

第一作者单位：大连理工大学土木工程学院

摘自《煤气与热力》2021年10月刊

1 概述

截至 2018 年，北方城镇建筑供暖面积为 147 × 10 ⁸ m ² ，供暖能耗约占建筑总能耗的 25% ^［
1 ^］。考虑制冷能耗后，能耗更加巨大。随着城镇化水平提高，以及长江流域城市实施供暖的呼吁日益高涨，未来供暖面积将有大幅增长。这易导致热负荷峰谷差的扩大，特别是热电联供供热系统，有增加热电厂建设成本的趋势。针对上述问题，蓄能技术应运而生，以实现负荷的削峰填谷，降低供热供冷系统的运行成本。

目前，主要的蓄能方法有显热蓄能、潜热蓄能、化学反应蓄能。得益于技术成熟、易于建设及成本低，显热蓄能应用最为广泛 ^［ ² ^］。蓄能水箱是一种显热蓄能技术，它利用冷热水的温度分层原理，在水箱中进行蓄冷、蓄热。蓄能水箱蓄能密度低，占用空间大。为提高蓄能效率，实现热（冷）能利用的最大化，必须降低蓄能过程中产生的热（冷）损失，并结合用户侧负荷波动进行优化调控。热（冷）损失包括：箱体与外界环境的热（冷）量损失，垂直热扩散引起的内部能量损失 ^［ ³ ^］。

国外，早在 19 世纪 70 年代，水的温度分层现象就开始被研究。与完全混合型蓄能水箱相比，温度分层型蓄能水箱能够提升 20% 的蓄能效率。目前，国外对蓄能水箱的应用研究已经十分广泛，特别是热网中蓄热水箱的优化。在德国、丹麦、芬兰、瑞士、美国、日本、韩国等国家都有蓄能水箱在电厂的应用，目前全球最大的蓄能水箱容积已达 7 × 10 ⁴ m ³ ^［
4 ^］。容积超过 1 × 10 ⁴ m ³ 的大型蓄能水箱在德国、丹麦的区域供热项目中已得到实际应用 ^［ ^5-6 ^］。芬兰赫尔辛基 Vuosaari 热电厂蓄热水箱的容积达到 2 × 10 ⁴ m ³ ，通过 换热器 与热网间接连接，大幅提升热网运行灵活性与经济性 ^［ ⁷ ^］。另外，瑞士、德国将热水蓄热技术与可再生能源利用装置结合，得到迅速发展 ^［ ⁸ ^］
3 。美国、日本的蓄冷、蓄热项目也得到了比较广泛的应用 ^［ ⁹ ^］
5 。

国内，左家庄供热厂内建设了国内第 1 个区域供热蓄热项目，蓄热水箱容积达 8 000 m ³ ，有效提高了热量利用率与供热系统的灵活性、可靠性 ^［ ¹⁰ ^］。总体上，国内对蓄能水箱的研究处于起步阶段，理论基础与实际工程应用联系并不紧密，缺乏蓄能水箱性能与效果评价。

本文对温度分层型蓄能水箱的应用与研究进展进行综述，主要涉及蓄能水箱效率的影响因素、特殊蓄能水箱技术研究、蓄能水箱设计依据和评价指标。归纳现阶段研究存在的欠缺，展望研究方向。

2 蓄能水箱效率的影响因素

2.1 箱体外形

箱体是蓄能水箱内部与外界产生能量损失的重要途径。箱体外形对温度分层过程中冷热水混合程度产生明显的影响，从而显著影响蓄能水箱的蓄放能效率。

Yang 等人 ^［ ¹¹ ^］研究了不同形状太阳能蓄热水箱的热能损失、热分层程度，结果显示，与圆柱形蓄热水箱相比，球形、琵琶桶形蓄热水箱的蓄热能力更好。但仅考虑了静置状态下形状的影响，未对动态蓄放能过程进行研究。刘宇圣 ^［ ¹² ^］
29 指出，在绝热条件下，同体积同高度的圆柱形、长方体蓄冷水箱的蓄冷性能基本相同，但忽略了涉及壁面与水流之间的蓄热与摩擦对斜温层的扰动。当保冷性能达不到要求时，圆柱形蓄冷水箱比长方体蓄冷水箱的蓄冷性能更优。由以上内容可知，目前的研究大多以圆柱形、长方体蓄能水箱为主，对于异形箱体的研究较少，这与异形箱体容易形成水流死区，从而导致蓄能能力下降以及投资较高有关。针对箱体形状产生的不利影响进行改进，将大幅拓展蓄能水箱的应用场景，实现对一些不规则的场地进行有效利用。

高径比是影响箱体外形的重要因素，对于体积一定的蓄能水箱，高径比的增大意味着水箱体型由扁平变为瘦高。从而影响到箱体的表面积、截面流速、冷热流体间的导热，由于这三者与蓄能水箱的热（冷）量损失密切相关，因而不利的高径比易导致非必要的热（冷）量损失。戈志华等人 ^［ ⁴ ^］以圆柱形蓄热水箱为例，通过数值模拟，研究了箱体高径比对蓄热性能的影响，以斜温层厚度及㶲损为评价指标，比较得出瘦高型比矮胖型蓄热水箱的蓄热性能更好，但是未注意到所使用箱体的容积是不同的，因此不能排除容积对蓄热性能的影响。 Wahiba 等人 ^［ ¹³ ^］采用三维瞬态数值模拟方法，考虑高径比、进出水口位置对太阳能蓄热水箱运行的影响，发现较大高径比的蓄热水箱拥有更好的热分层效果，且斜温层更具稳定性，并运用实验数据进行了验证。但模拟时未设置布水器，对水的温度分层效果产生了一定的影响。张倩男 ^［ ⁸ ^］
43 研究箱体内速度场的变化情况发现，增大高径比能够增强流动的均匀性，但会导致蓄热时间的延长。

对于高径比的适宜范围，高琳 ^［ ¹⁴ ^］研究得出，蓄冷水箱高径比为 0.53~1.80 时，高径比越大蓄冷效果越好。但值得注意的是，研究中将布水器简化为进口面均匀出流的模式，与实际布水过程有差别。 Wunvisa 等人 ^［ ¹⁵ ^］在高径比范围为 0.7~2.0 条件下，对同容积的 7 个圆柱形蓄冷水箱释冷过程进行了数值模拟。研究表明，高径比为 2 时冷水剩余量最多。赵庆珠 ^［ ¹⁶ ^］
59 提到，高径比为 2~4 时，蓄冷水箱能取得较高的蓄冷效率。 Lavan 等人 ^［ ¹⁷ ^］指出，蓄热水箱高径比维持在 3~4 时可兼顾性能与成本。刘宇圣 ^［ ¹² ^］
39 指出，在非绝热条件下，当高径比为 4~8 时蓄冷水箱拥有良好的蓄冷性能。综上所述，高径比的合理范围需要进一步分析研究，从而提升蓄能水箱的蓄能效率。值得注意的是，高径比的研究宜在箱体容积和用户负荷相同的基础上进行。

2.2 蓄能水箱保温（冷）性能

保温（冷）性能是影响温度分层型蓄能水箱蓄能效率的关键因素。过量的底部和下部漏热会导致箱内自然对流加剧，无法形成自然温度分层，从而导致蓄能失败 ^［ ¹⁸ ^］。因此 JGJ 158 — 2018 《蓄能空调工程技术标准》规定，蓄热及释热周期内蓄热装置的热损失不应超过蓄热量的 5% 。目前，常用的绝热材料有：无机纤维材料、有机泡沫材料、 PUR-PIR 、真空隔热板（ VIP ）、气凝胶等 ^［ ³ ^］。

刘宇圣 ^［ ¹² ^］
32 针对蓄冷水箱与外界存在传热的情况，模拟分析了 1 cm 与 3 cm 厚玻璃棉的保冷性能。结果显示，当采用 3 cm 厚玻璃棉时，蓄冷性能与绝热条件接近。在玻璃棉厚 1 cm 时，圆柱形蓄冷水箱的蓄冷性能要优于长方体蓄冷水箱。赵庆珠 ^［ ¹⁶ ^］
62 指出，过度增大保冷层厚度对提高蓄冷效果没有帮助。 Villasmil 等人 ^［ ¹⁹ ^］研究显示，与玻璃棉相比，真空保温层能够大幅降低保温层体积，但只有在建筑价格达到一定条件后才能使得真空保温层具有一定的经济优势，用以节省建筑空间。

蓄能水箱的保温（冷）至关重要，数值模拟过程中一般将边界条件设置为绝热，忽略环境与箱体之间存在传热，这并不合适。后续研究应给予考虑，在保证蓄能性能的基础上优化保温（冷）设计。

2.3 布水器的性能

布水器作为蓄能水箱中实现水流稳定分层的关键部件，能够使出流更加均匀，对于减少扰动、抑制水流掺混、减小斜温层厚度具有重要作用。因此，加强布水器的性能研究是提高蓄能水箱蓄能效率的关键之一。

戈志华等人 ^［ ⁴ ^］以配置水平双侧开孔布水器的圆柱形蓄热水箱为例，探讨了布水器的开孔数量、开孔直径、布水器直径等结构参数对蓄热水箱放热性能的影响。结果显示，在流量一定时，随着开孔数量增多及开孔直径变大，斜温层会减薄。针对布水器直径变化情况得出，布水器外侧开孔到箱体内壁的距离应略小于布水器直径，但是只局限于放热过程而对蓄热过程没有涉及。胡国霞 ^［ ²⁰ ^］发现，在相同流量下，开孔直径大的布水器比开孔直径小的布水器形成的斜温层更薄更稳定，并且当孔口之间的距离与孔口所处高度比值在 1~2 时，蓄冷效果较更好，但未注意到总孔口面积的影响。

邓育涌 ^［ ⁹ ^］
51 通过比较 8 角形和径向圆盘形两种布水器的混合因子（ EDDY ）发现，在同样条件下径向圆盘形布水器的混合因子更小，蓄冷效率更高。张素芬等人 ^［ ²¹ ^］以 8 角形布水器为例，针对蓄冷水箱布水器的结构进行了研究，通过数值模拟分析得到布水器出口流速是否均匀与开孔直径与布水器自身直径之比有关。王子烨等人 ^［ ²² ^］进行了 H 形布水器的设计与研究，通过改善布水器孔口的出流区域对斜温层厚度进行控制，从而提高蓄冷效率。结果表明， H 形布水器能够使布水器的出流更加均匀，能够降低对蓄冷水箱内主流及斜温层造成的干扰和冲击。白鹃 ^［ ²³ ^］将 H 形条缝布水器结合均流孔板，实验结果表明均流孔板对减小斜温层厚度可起到一定作用。高良军等人 ^［ ²⁴ ^］通过灵活设计 8 角形布水器的圈数以及开孔，并辅助流场分析设计，保证了布水器的运行效果和安全性，为大型布水器的国产化提供了技术支持。

尽管学者们对布水器进行了诸多研究，但主要集中在布水器的开孔直径、开孔数量及布水器形式等，对于布水器放置位置、开孔样式、复杂的布水器模型、布水器与其他影响因素（如与箱体内壁距离）之间的关系以及布水器入口均流手段等研究比较少。易导致设计人员严重依赖经验，因此对布水器的设计及运行进行全面系统的梳理应引起重视。

2.4 动态运行参数

Karim ^［
18 ^］研究了不同流量对斜温层厚度的影响，发现蓄冷水箱中布水器孔口流量是斜温层形成的主要因素之一。程友良等人 ^［ ²⁵ ^］基于小型太阳能蓄热水箱的温度分层现象进行研究，根据模拟结果分析得出，蓄热水箱存在着合适质量流量及入口直径，使蓄热水箱的温度分层明显。 Musser 等人 ^［ ²⁶ ^］通过建立圆柱形蓄冷水箱模型，模拟了下部布水器附近流体瞬态流动及传热，结果显示，流体入口速度对箱体内整体温度场影响并不明显，但没有探明进口湍流流态对整体温度场有何影响。钱怡洁 ^［ ²⁷ ^］进行了蓄热水箱蓄热性能的实验研究，分别进行了在不同流量下的蓄放热实验及静置散热实验，最后显示箱体径向不存在温度梯度，并建议在含有斜温层时流量不宜过低。刘宇圣 ^［ ¹² ^］
27 研究得出，冷热水温差越大，斜温层越大；增大温差能够增大蓄冷量，但不利于蓄冷效率的提高。孙鹏劼等人 ^［ ²⁸ ^］在描述水的物性参数时采用多项式函数代替 Boussinesq 模型，比较后得出，采用多项式函数描述水的密度与温度变化关系更接近实测结果，但是计算时间会延长。

目前，运行参数调整主要集中在冷热流体温差、流量等方面，但一定要在满足负荷需求的基础上进行优化分析。

3 特殊蓄能水箱技术研究

3.1 冷热双罐分离蓄热技术

为克服冷热掺混造成的能量损失并提高蓄能效率，有专家学者提出冷热双罐分离蓄热技术，将冷热水分开储存。在蓄能过程中，冷流体被输送到加热装置进行加热，然后储存在热液罐中。在释能时，热流体被输出并被冷却后回流到冷液罐，从而完成 1 次循环 ^［ ^29-30 ^］。

以色列 Luz 公司在美国所建电站中采用了冷热双罐分离蓄热技术，以导热油作为蓄热介质 ^［ ³¹ ^］。相对于单体蓄热水箱，冷热双罐分离蓄热技术虽然具有更高的蓄热效率，但成本更高 ^［ ³² ^］，散热损失也比单体蓄热水箱高。因此，投资成本、散热损失是限制冷热双罐分离蓄热技术应用的主要因素。

3.2 蓄热蓄冷一体化水箱

对同时有冷热负荷的地区，将蓄冷与蓄热相结合，相比单一蓄冷蓄热使得蓄能水箱能够被更加充分地利用。孙德超等人 ^［ ³³ ^］对山东青岛某商场采用的水蓄能系统进行了分析计算，该系统在供暖期、供冷期使用，经济效益显著（利用了峰谷电价政策），与常规集中供热相比，供暖期运行费用可节省 24.1% 。李翔宇等人 ^［ ³⁴ ^］指出，水蓄能系统与地源热泵机组联合运行，利用峰谷电价进行蓄能，可实现机组的高效运行及电力削峰填谷，运行费用可降低 20% 以上。宋宏升 ^［ ³⁵ ^］对某能源站蓄能水箱的设计运行进行了模拟验证，计算得出，供冷期、供暖期的蓄冷、蓄热效率均可达 85% 左右，能够满足冷热负荷需求。

目前，将蓄冷蓄热结合的一体化蓄能水箱研究仍较为缺乏。蓄热蓄冷一体化水箱涉及供暖期、供冷期，保证蓄能水箱在不同工况均能及时响应并保持最大的蓄能效率是今后研究的重点。

4 蓄能水箱设计依据和评价指标

4.1 设计依据

为使蓄能水箱出流稳定，提高蓄能效率，在设计制造蓄能水箱时就需要一定的参数要求，这样才能保证蓄能水箱满足基本的性能要求。目前，主要以蓄冷、蓄热阶段水箱内水的雷诺数、弗洛德数作为设计依据。

赵庆珠 ^［ ¹⁶ ^］
57 指出，小型水池的雷诺数不宜超过 850 ，最好状况应维持在 200 以下，当水池高度超过 12 m 时，雷诺数应控制在 2 000 以下，并给出了具体的计算式。高良军等人 ^［ ²⁴ ^］在设计大型布水器时，也将雷诺数保持在 2 000 以下。因此，要想获得水箱内良好的温度分层效果，雷诺数应尽量保持在层流状态。

弗洛德数为流体的惯性力与浮升力之比。弗洛德数应小于 1 ，有利于保持重力流状态，维持稳定的温度分层 ^［ ³⁶ ^］，但对于大型温度分层型蓄热水箱，弗洛德数不应超过 2 ^［
24 ^］。当弗洛德数超过 2 时，将会以惯性流为主，水流将会出现明显的掺混，从而破坏水的温度分层。值得注意的是，较低的弗洛德数易导致布水器出口压降不均匀，影响水流的均匀分布，因此应保持合适的弗洛德数。

4.2 评价指标

斜温层厚度是评价自然分层型蓄能水箱分层效率的常用指标，一般通过限定无量纲温度值来确定斜温层厚度 ^［ ⁴ ^］。 JGJ 158 — 2018 《蓄能空调工程技术标准》第 3.3.12 条指出，蓄冷（热）水箱内斜温层厚度宜为 0.3~0.8 m 。斜温层厚度显示了冷热流体的混合程度，但实际过程中往往存在温度测点不能连续监测，导致不能精准测量计算斜温层厚度的问题 ^［ ³⁷ ^］。赵昕波等人 ^［ ³⁸ ^］对采用改进型布水器的蓄热水箱内部进行数值模拟，并测出水箱内斜温层厚度，结果显示，蓄热水箱斜温层最大厚度在合理范围内，验证了新型布水器的性能。王小惠等人 ^［ ³⁹ ^］将热损失纳入考虑范围，研究了连续蓄放热对斜温层厚度的影响，发现随着蓄放热次数的增加，斜温层厚度会增大，从而影响蓄热水箱的有效使用率。杨大锚等人 ^［ ⁴⁰ ^］研究得出，蓄放热过程中应确保斜温层与箱体顶部、箱体底部均有一定余量，并且避免较大的充放水流量。

Castell 等人 ^［ ⁴¹ ^］对混合数（ MIX number ）进行了定义：用于计算给定时间点热分层的性能指标，变化范围为 0~1 ，表征热分层程度。混合数未将流量对水箱分层特性的影响纳入考虑范围，有一定局限性。而理查德森数是浮力与混合力的比，同样可描述热分层的特性。与混合数相比，理查德森数仅能定性而不能量化分层程度。黄华杰等人 ^［ ⁴² ^］针对两者的不足，定义了填充效率来表征水箱分层特性，兼顾了进口流量与进出口水温的影响，变化范围为 0~1 ，当取值为 0 时代表完全混合型蓄能水箱，取值为 1 时代表理想分层型蓄能水箱。

Oppel 提出了混合因子（ EDDY ）的概念，表征混合的强烈 ^［ ⁴³ ^］。葛世文等人 ^［ ⁴³ ^］以常压蓄热水箱蓄热过程作为对象，研究了入口混合因子对蓄热水箱斜温层厚度的影响，研究得出，入口混合因子越大，蓄热完成耗时越长。邓育涌 ^［ ⁹ ^］
35 通过对蓄冷水箱内温度分布模拟，确定了水箱内混合强度的分布规律，研究表明，入口处混合因子最大，从入口到出口按指数函数递减。

针对布水器对水流的扰动，任亮等人 ^［ ⁴⁴ ^］定义了布水器扰流度指标，并根据这一指标对布水器进行优化，优化后的布水器在蓄冷及释冷过程中扰流度大幅降低。

系统完善度（ FOM ）的概念由 Tran 提出，是实际蓄冷（热）量与理论蓄冷（热）量的比 ^［ ^45-47 ^］。系统完善度考虑了由于冷热水混合及斜温层区域冷热水之间导热所引起的冷量损失，可用来评判蓄能效率。另一方面，㶲分析也同样涉及水箱混合与导热而形成的热（冷）量损失，但与系统完善度相比，主要用于评判冷热水的混合程度 ^［ ⁴⁶ ^］。此外，王小惠等人 ^［ ³⁹ ^］针对蓄热水箱放热程度定义了放热效率，与出口温度达到指定温度放热结束不同，她认为放热时出口温度等于冷水进口温度时放热才结束。

综上所述，蓄能水箱的评判标准各异，缺乏简便有效的评价规则。因此，需要研究者注意区分各种评价指标的局限性，将各种评价指标进行有效结合。

5 结语

温度分层型蓄能水箱具有造价低、设计运行方便、维护难度低等优点，可使现有系统在无需特殊装备的情况下完成升级改造。对于蓄能水箱在国内的工程应用，存在着设计依据和优化参数不具体、蓄能性能评价标准不统一、在蓄放能过程中没有规范的操作流程等问题。随着研究的逐步深入，将推动蓄能水箱在家庭、集中供热和工业生产领域的规模化应用。

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