水蓄冷-自然分层布水器设计
水蓄冷系统之自然分层蓄冷系统
水蓄冷系统之自然分层蓄冷系统水蓄冷系统是目前比较常见的一种节能型空调系统，它利用低峰时段电力进行夜间制冷，将冷水储存在蓄冷槽中，然后在白天利用这些冷水进行空调冷却，从而达到节能的目的。
而自然分层蓄冷系统则是一种新型的水蓄冷系统，它以自然对流的形式将水分层，实现更高效的制冷。
自然分层蓄冷系统的基本原理自然分层蓄冷系统采用的是一种新型的储冷槽，它在槽的内部设置一组垂直固定的流道板，将槽内的水分割成多个相互独立的垂直流道。
当蓄冷槽内的水被冷却后，不同温度的水就会因密度的差异产生自然对流，从而形成一种从低温到高温的自然分层。
在日间使用这些储存在蓄冷槽中的冷水时，通过设置水流的进出口，使得进口水流深入到低温层并循环，从而实现高效的冷却效果。
与传统的储冷槽相比，自然分层蓄冷系统的特点在于：不同温度的水被分层储存在同一个储冷槽中，而且在冷却过程中不需要额外的电力或机械设备，只需要利用自然对流的能力就能够实现高效的冷却效果。
因此，自然分层蓄冷系统的节能效果更为明显，而且运行成本更低。
自然分层蓄冷系统的优点相对于传统的储冷槽，自然分层蓄冷系统具有以下的几个优点：1. 节能性能更优自然分层蓄冷系统利用水的自然对流实现分层储冷，不需要额外的动力设备，再加上白天使用时只需利用之前储存在槽内的冷水就能够达到制冷效果，节能的效果更为明显。
2. 运行成本更低由于自然分层蓄冷系统运行过程中不需要用到额外的机械设备，而且夜间激活系统也只需要很少的电力，运行成本更低。
3. 环保性能更优从环保的角度来看，自然分层蓄冷系统比传统的空调更加环保和健康。
由于不需要额外的动力设备，因此系统排放的废气更少；同时，这种系统不会产生过多的噪声和震动，更加安静。
4. 可维护性更强自然分层蓄冷系统的维护成本也要低于传统的储冷槽，因为它不需要额外的动力设备，所以需要维护和更换的零部件也会减少。
总结自然分层蓄冷系统，是基于自然对流原理设计的一种新概念的水蓄冷系统。
水蓄冷系统
水蓄冷系统自然分层储水池布水系统设计一、工程概况本工程位于四川省成都市的一套错峰运行热回收空调系统，蓄水池采用的是现浇钢筋混凝土水池，形状为方形。
二、蓄冷形式的选择考虑经济适用性能以及建造施工难度，本蓄冷系统采用自然分层水蓄冷形式。
三、蓄冷池布水系统的设置自然分层系统主要是利用冷热水密度的不同，使温度低的冷水向下运动，温度高的热水向上运动，从而实现冷热水的分层。
从热力学原理我们可以知道，两个温度不同的物体放在一起它们之间会有热传递，我们的蓄冷池水层也一样，会在冷热水层中间形成一个温度过度层，我们叫它斜温层，这个斜温层一方面会把我们的冷水冷量传递给热水（由于传递速率不大，冷量流失不多），另一方面又能起到一个冷热区域隔离的作用，因此蓄冷效果的好坏直接受到斜温层的影响，斜温层越稳定，那么我们的冷热区域热量混合就越少，所以自然分层蓄水池的关键是在冷热水层间建立稳定的斜温层。
1、布水管路系统的形式选择本工程的储水池为方形，根据国内外实际运行经验，选择H型布管形式更加有效，因此我方对本工程也采用H型的布管形式，如下图所示：布水器分为上下两层，上部为热水的进出口，下部为冷水的进出口，为了防止有压水扰动斜温层，冷水布水器的出水孔设置在管道的下部，热水布水器的出水孔设置在管道的上部，出水孔的宽度一般控制在管道圆周的90°—120°范围内，如下图所示：冷水出水孔热水出水口2、布水器的设计计算由于蓄冷系统的冷热水温度相差不大，通常小于20℃，所以水的密度差不大，形成的斜温层不是很稳定，因此要求布水器出口的水流速度足够小，以免造成对斜温层的扰动破坏，那么我们就需要一个适当的Fr 数以及Re 数，来保证斜温层的稳定，根据国内外经验，要保证维持稳定的斜温层，Fr ≤2,Re=(240—280)，具体的计算式及各参数的含义如下： Fr=[]2/)21(g /ρρρ-h L Q其中Q 为进口最大流量，m ³/h ，g 为重力加速度，9.8m/s2，h 为最小进水口高度，mρ1为进口水密度，Kg/m ³， ρ2为储水池内水密度，Kg/m ³，L 为布水器的有效长度，m 。
伞骨型布水器在自然分层蓄冷罐中的应用及数值模拟
伞骨型布水器在自然分层蓄冷罐中的应用及数值模拟作者：陈健张建敏郑洋来源：《建筑与装饰》2017年第07期摘要介绍了数据中心蓄冷罐应用的现状，分析了伞骨型布水器在自然分层型水蓄冷罐的蓄冷特性。
采用CFD商业模拟软件ANSYS-CFX15.0对伞骨型蓄冷罐的布水器建立模型，模拟其蓄冷和释冷过程中的温度分布场，并进行比较分析，优化布水器的设计。
关键词数据中心；水蓄冷；布水器引言在空调水蓄冷系统设计中，自然分层蓄冷，最重要的环节之一是蓄冷罐布水器的设计。
一个蓄冷性能好的蓄冷罐布水器，应具有“活塞式”的流动特性，即尽量使罐内水流接近层状流动，避免不同温度水体间的混合，这是提高蓄冷效率的关键所在。
因此，如何使蓄冷罐获得最佳的水流特性，是广大水蓄冷空调应用企业所关心的问题，也是水蓄冷空调领域综合节能减排系统事业的广大工程技术人员研究的课题。
1 技术介绍为了获得最佳的水流特性，尽可能压缩斜温层的厚度，增加蓄冷罐有效蓄冷容积，蓄冷罐一般选用八角形、径向圆盘形或H形等平面型的布水器。
这种蓄冷罐结构设计虽然可以有效减小斜温层的厚度，但是受到布水器位置和结构形式的制约，蓄冷罐的有效蓄冷容积并没有得到显著的提高，反而导致上下封头内部存在水流死区，且温度死角问题在释冷和蓄冷过程中，很难避免和解决，随着时间的推移，温度死区的范围会逐渐扩大，严重影响整个蓄冷罐的有效蓄冷容积。
针对上述问题，市面上出现了一种伞骨型蓄冷罐布水器，该布水器一端与进出水口相连，另一端封闭，并与蓄冷罐封头有一定距离。
在集水管侧壁上设有均布的3-8个通孔，每个通孔各与一根弧形布水支管固定端相连，该布水支管与罐体拱形封头内表面曲率基本相同且与其有一定距离，每根布水支管另一端均为自由端，使该布水器呈伞骨形。
在布水器支管及连接管上均设有出水孔[1]。
2 模型①布水总管采用DN150管径，在布水总管顶部经过变径后变为DN200管头。
②布水支管与罐体拱形封头内表面曲率基本相同且与其有一定距离，一般在0.1m左右，每根布水支管另一端均为自由端，使该布水器呈伞骨形，布水支管的自由端与圆柱形壳体的上端或下端对应。
水蓄冷
三、迷宫式蓄冷
优点：由多个小槽组 成，且有隔板隔离， 能较好地防止冷热 水混合，对不同温 度的冷热水分离效 果较好。
缺点：
槽表面积与容积之比偏高，蓄冷的热损失增加，蓄冷下降。 有热水从底部进入或冷水从顶部进入现象，因浮力造成混乱。 流速过高，产生旋涡，导致水流扰动和冷热水混合。 流速过低，形成死区，降低系统容量。
2. 散流器的结构形式，应采用对称自平衡的布置方式
(1) 水平缝口式散流器
（2）圆盘辐射型散流器 ）
自分配管进入盘中的水通过盘间隙， 自分配管进入盘中的水通过盘间隙，呈水平径向辐射状进入蓄 水槽，使水在蓄水槽内均匀分配。此类散流器的Re值偏高 值偏高， 水槽，使水在蓄水槽内均匀分配。此类散流器的 值偏高， 可通过增加散流器数量来降低Re值 可通过增加散流器数量来降低 值。
q = Re* v Q Q = L= q Re* v
(q / Fr ) 2 / 3 h= [ g ( ρ i − ρ a ) / ρ a ]1/ 3
P14
Q，not q
第四节
水蓄冷空调系统的构成
一、简单水蓄冷空调系统 二、换热器间接供冷式水蓄冷空调系统 三、压力控制直接供冷式水蓄冷空调系统
一、简单水蓄冷空调系统
4、蓄冷罐防水保温
槽底、槽壁绝热。 保温：减少冷损失，防止槽表面结露，防止温度 变化产生的压力使槽损坏。
防水：保温材料防水，防地下水渗入保温层。
三、水蓄冷罐散流器设计
散流器对蓄冷罐的蓄冷效率有显著影响，好的散流器 可实现较佳的分层效果和稳定的斜温层。 散流器的作用：使水流以密度流形式缓慢进入，减少 对储存水的冲击，促使斜温层的形成，减少可能的混 合作用对斜温层的破坏。 斜温层与散流器的关系：
连载3-2期数据中心蓄冷白皮书
连载3-2期数据中心蓄冷白皮书NO.033.2数据中心蓄冷罐本体设计要点3.2 蓄冷罐的布水设计3.2.1 自然分层水蓄冷布水原理及斜温层简介3.2.1.1 水蓄冷系统原理简介水蓄冷系统以空调用的冷水机组作为制冷设备，以蓄冷槽作为蓄冷设备。
蓄冷槽，即蓄冷水所用的容器，包括蓄冷罐、蓄冷水池、蓄冷水箱等。
空调主机在用电低谷时间将低温冷水储存起来，在空调运行的电高峰将储存的冷水抽出使用。
这种工作方式是利用水的显热容来储存冷量，储存冷量的大小取决于蓄冷槽储存冷水的体积和蓄冷温差。
蓄冷温差是指空调负荷回流水与蓄冷槽供冷水之间的温度差，一个好的供冷系统可以通过维持较高的蓄冷温差来储存较多的冷量。
在水蓄冷技术中，关键问题是蓄冷槽的结构形式应能防止所蓄冷水与回流温水的混合。
为实现这一目的，目前常采用自然分层蓄冷、多槽式蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷方法。
其中，自然分层蓄冷方法简单、有效，是保证水蓄冷系统最为经济和高效的方法。
当前数据中心水蓄冷设备中，最常采用的是自然分层型水蓄冷槽。
3.1.1.2 水的两个物理特性水蓄冷技术的实施主要依赖于水的两个物理特性：1）水的密度在0℃到4℃的范围内随温度增加而增加，而在大于4℃时，密度随着温度的增加而减小。
基于水的这一特性，在水流速较低时，即相应的惯性力较低时，由密度差引起的重力能够使水流形成稳定的重力流。
图3-2 水密度随温度变化的曲线2）水的导热系数非常小，在不发生对流、紊流、湍流的情况下，水靠自身相对温差传导的热量非常少。
基于水的这一特性，低温冷冻水进入蓄冷罐时，在不发生对流、紊流、湍流的情况下，无需采取更多的措施就能够保证下层低温水与上层高温水之间不会出现剧烈热交换，蓄冷槽在蓄放冷过程中形成稳定的斜温层，斜温层将热水和冷水阻隔开，达到优质布水效果。
3.1.1.3 布水器性能指标参数根据上述水力学特性，布水器的性能可由弗劳德（Froude）数和雷诺（Reynolds）数决定。
某公司水蓄冷设计方案
某公司水蓄冷设计方案发表时间：2018-09-18T15:31:25.620Z 来源：《基层建设》2018年第24期作者：江凌[导读] 摘要：在不改变原有空调系统运行的情况下，蓄水系统将得到增加，充分利用峰谷电价，并最大限度节省运营成本。
广东德尔智慧工厂科技有限公司 523000摘要：在不改变原有空调系统运行的情况下，蓄水系统将得到增加，充分利用峰谷电价，并最大限度节省运营成本。
使用原始的原始空调主机冷却；夏季高峰时期冷负荷大约为340KW；根据主机配置，低谷电时利用冷水机蓄冷，平峰及高峰电时段蓄冷罐放冷；使用时可根据原有的空调系统进行操作，也可根据储水空调系统进行操作，也可按上述联合模式进行操作。
它不仅可以减少白天主机的运行时间，还可以降低空调系统的运行成本；储水系统具有冷藏泵，冷藏箱和相应的控制系统，蓄冷量最大值为1350KWH。
关键词：某公司；水蓄冷设计；方案1、水蓄冷技术简介水蓄冷技术就是在电力负荷低的夜间，用制冷机制冷将冷量以冷水的形式储存起来。
在旺季高峰时段，冷机不会开启或关闭，晚上储存的冷量将全部用于冷却，以达到动力转移和填谷的目的。
由于电力部门实施使用时间价格，冰蓄冷技术的运行成本低于传统空调系统，且使用时间差价越大，用户受益越多。
采用冷库空调技术可以为业主节省运营成本，更重要的是有利于国家电网的安全运行。
因此，国家将其推广为节能环保技术。
蓄水技术主要利用水的物理特性。
对于1个大气压的水，密度在4℃的水温下最高，此时为1000kg/m³。
随着水温升高，其密度不断下降。
热水处于自然分层状态，但水分在4℃以下的物理特性存在明显的不规则变化，此时随着水温的降低，其密度却在不断减小。
因此，有效储水温度下限≥4℃，储水量一般为414℃。
水蓄冷使用水的显热变化（水比热1.0Kcal/kg℃）。
2、水蓄冷空调设计方案2.1工程概况某公司空调水系统采用中央冻水系统，冻水机组采用螺杆式冷水机组（双回路、带热回收），冷却塔采用圆形逆流冷却塔，每天供冷时间为12小时，全年供冷天数约为350天。
空调水蓄冷系统布水设计
稳流器设计流量 ：
Ｑ ＝ １ ６ ８ ２ ｍ３ ／ ｈ （ ０ ． ４ ６ ７ ｍ ３ ／ ｓ ）
散 流长度 ： Ｌ ＝ ３ ２ ８ ｍ 稳 流器单 位 长度 流量 ：
ｑ ＝ Ｑ ／ Ｌ ＝ ０ ． ４ ６ ７ ｍ３ ／ ｓ ＋ ３ ２ ８ ｍ＝ １ ． ４ ２ ４ ｘ １ ０ － ３ ｎ ￣ ／ ｓ 重 力加 速度 ： ｇ ＝ ９ ． ８ １ ｍ￣ ２
对设计 日工况 、 部分负荷日工况进行运行策略的分析 ， 以确定蓄冷水池在全 年中的最大蓄冷量和最大释冷量 ， 从而确定布水装置的最大流量。 布水 装 置的 最大 流量 确定 以后 ， 以雷 诺 系数 的 控制 值 确定 散 流 布水 器 的 长度 ， 以福 兰德 常数 的 控制 值确 定 布水 器 的安装 高度 。
蓄冷要求占地少 ， 但制造运行维护费用高， 系统投资大， 调试较为复杂 ； 水蓄 冷系统占地较大 ， 但制造运行维护费用低 ， 投资小 ， 运行可靠 ， 制冷效果好 ， 经 济 效益 明显 。 空 调水 蓄冷 系统 主 要是 利用 “ 移峰 填谷 ” 原理 ， 夜 间蓄冷 ， 白天 放 冷， 以达到节能 目的， 可利用大型建筑本身具有的消防水池来进行冷量储存 ，
布水子系统和 自控子 系统三个子系统。本文主要论述其蓄水子系统钢罐提升技术和布水子系统布水技术。 关键词： 水蓄冷； 蓄冷水槽； 布水； 设计
１ 前言
水 蓄冷 和冰 蓄冷 是 目前 暖通 空调 工程 主要 采 用 的两种 节 能空 调方 式 。 冰
根 据 以上 两个 重 要参 数 确 定 散流 分 配 管所 需 要 的 长度 及 分 配器 的 散 流 高度 。见下 图 １ 计 算模 型 。
通气 口
自然分层水蓄冷技术
自然分层水蓄冷技术自然分层水蓄冷技术标签:水蓄冷蓄冷系统蓄冷效率1、水蓄冷的方法水蓄冷是利用水的显热实现冷量的储存。
因此，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冷效率。
在水蓄冷技术中，关键问题是蓄冷罐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：1.1多蓄水罐方法。
将冷水的热水分别储存在不同的罐中，以保证送至负荷侧的冷水温度维持不变，多个蓄水罐有不同的连接方式，一种是空罐方式。
如图1a，它保持蓄水罐系统中总有一个罐在蓄冷或放冷循环开始时是空的。
随着蓄冷或放冷的进行，各罐依次倒空。
另一种连接方式是将多个罐串联连接或将一个蓄水罐分隔成几个相互连通的分格。
如图1b，图中示出蓄冷时的水流方向。
蓄冷时，冷水从第一个蓄水罐的底部入口进入罐中，顶部溢流的热水送至第二个罐的底部入口，依次类推，最终所有的罐中均为冷水；放冷时，水流动方向相反，冷水由第一个罐的底部流出。
回流热水从最后一个罐的顶部送入。
由于在所有的罐中均为热水在上、冷水在下，利用水温不同产生的密度差就可防止冷热水混合。
多罐系统在运行时其个别蓄水罐可以从系统中分离出来进行检修维护，但系统的管路和控制较复杂，初投资和运行维护费作较高。
1.2迷宫法。
采用隔板把水蓄水槽分成很多个单元格，水流按照设计的路线依次流过每个单元格。
图2所示为迷宫式蓄水罐中水流的路线。
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。
1.3自然分层法。
利用水在不同温度下密度不同而实现自然分层。
系统组成是在常规的制冷系统中加入蓄水罐，如图3a所示。
在蓄冷循环时，制冷设备送来的冷水由底部散流器进入蓄水罐，热水则从顶部排出，罐中水量保持不变。
水蓄冷
三、模拟结果和分析
第一节
水蓄冷概述
采用空调系统的制冷机组，在用电低谷期将4 采用空调系统的制冷机组，在用电低谷期将4-7oC 的冷水蓄存起来，空调时将蓄存的冷水抽出使用。
利用水的显热蓄冷，蓄冷量取 决于蓄冷水量和蓄冷温差 (空调回流水与蓄冷槽供冷 水之间的温度差)。
蓄冷温 单位体积蓄冷量 kWh/m3 差oC 6 11 17 5.9 11.3 17.7
2. 散流器的结构形式，应采用对称自平衡的布置方式
(1) 水平缝口式散流器
（2）圆盘辐射型散流器 ）
自分配管进入盘中的水通过盘间隙， 自分配管进入盘中的水通过盘间隙，呈水平径向辐射状进入蓄 水槽，使水在蓄水槽内均匀分配。此类散流器的Re值偏高 值偏高， 水槽，使水在蓄水槽内均匀分配。此类散流器的 值偏高， 可通过增加散流器数量来降低Re值 可通过增加散流器数量来降低 值。
只要空间条件允许，水蓄冷是较为经济的大蓄冷量方式。 蓄冷罐越大，单位蓄冷量的投资越低。 在蓄冷量>7000kWh，或蓄冷容积>760m3时，水蓄冷最 为经济。
第二节
水蓄冷槽类型及特点
设计要求： 维持大的蓄冷温差，防止储存冷水与回流热水混合， 来提高蓄冷能力并提高水蓄冷系统蓄冷效率。
方法： （1）自然分层蓄冷(natural stratification) （2）多罐式蓄冷(multiple Tank) （3）迷宫式蓄冷(labyrinth and baffle) （4）隔膜式蓄冷(membrane or diaphragm)
q = Re* v Q Q = L= q Re* v
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自然分层布水器
这两天在网上看了几篇国内研究“自然分层水蓄冷槽布水器”的论文，有了初步的理解，关于“自然分层布水器”的设计，觉得可从以下几个方面来考虑：
一、布水器的分类：八角型布水器、径向圆盘型布水器、直线型布水器，结构详见下图所示：
A）八角型布水器/径向圆盘型布水器一般适用于圆柱型水槽，在水槽中的布置如下图：
B）对于“方型槽”较适合用直线型布水器，其结构如下图所示：
C）为优化保障分层效果，可在上部采用加均流孔板的方式对布水器进行优化，结构详见下图：
二、布水器的设计计算；
按照国外的一些研究理论，斜温层形成后的布水器入口侧混合取决于Fr和Re，Re 的推荐值为100～850，Fr应小于2；但也有不同的结论，并没有形成定论，因此很难放心使用这些计算数据来设计；可参考下面很多学术论文上的研究设计（为保证效果，可在上部加设均流孔板）；。