流体机械

工况	蓄冷	放冷
孔板在下	2.8%	4.3%
孔板在中	12.4%	3.3%
孔径6 mm	1.9%	15%
孔径10 mm	5.3%	11%
孔径20 mm	3.2%	9.8%
开孔率30%	7.2%	4.7%
开孔率40%	4.4%	1.2%

工况

蓄冷

放冷

孔板在下

2.8%

4.3%

孔板在中

12.4%

3.3%

孔径6 mm

1.9%

15%

孔径10 mm

5.3%

11%

孔径20 mm

3.2%

9.8%

开孔率30%

7.2%

4.7%

开孔率40%

4.4%

1.2%

工况	蓄冷	放冷
孔板在下	2.8%	4.3%
孔板在中	12.4%	3.3%
孔径6 mm	1.9%	15%
孔径10 mm	5.3%	11%
孔径20 mm	3.2%	9.8%
开孔率30%	7.2%	4.7%
开孔率40%	4.4%	1.2%

工况

蓄冷

放冷

孔板在下

2.8%

4.3%

孔板在中

12.4%

3.3%

孔径6 mm

1.9%

15%

孔径10 mm

5.3%

11%

孔径20 mm

3.2%

9.8%

开孔率30%

7.2%

4.7%

开孔率40%

4.4%

1.2%

带穿孔隔板的蓄冷水罐蓄放冷特性研究

时子博 , 邹同华 , 冯咏春

流体机械 | 设计计算 2025,53(4): 45-52

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (4) : 45 -52

带穿孔隔板的蓄冷水罐蓄放冷特性研究

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时子博（2000），男，硕士，主要从事制冷技术的研究，E-mail：szbhhh666@163.com。

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时子博, 邹同华, 冯咏春

作者信息

天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134

通讯作者:

邹同华（1966），男，教授，主要从事制冷与空调技术的研究，通信地址：300134天津市北辰区光荣道409号天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，E-mail：zthua@tjcu.edu.cn。

作者简介:

时子博（2000），男，硕士，主要从事制冷技术的研究，E-mail：szbhhh666@163.com。

Study on the cooling and releasing characteristics of cold water storage tank with perforated plate

Zibo SHI, Tonghua ZOU, Yongchun FENG

Affiliations

Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China

出版时间: 2025-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.007

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摘要

收起

为了解决供冷系统中冷量供需不匹配的问题，通过软件模拟蓄冷水罐蓄、放冷特性，研究穿孔板位置、穿孔板孔径和开孔率对罐内斜温层厚度和蓄、放冷效率的影响，并通过试验加以验证。结果表明：改进孔板结构可以减小斜温层厚度，提高蓄、放冷效率；所研究的蓄冷水罐效果最佳时，孔板的孔径为20 mm、开孔率为40%，设置于蓄冷水罐中间位置，相较于孔板置于下部，蓄、放冷效率分别提高5.2%和5.4%；相较于开孔率为30%，蓄、放冷效率分别提高3.2%和2.1%；相较于开孔率为50%，蓄、放冷效率分别提高6.7%和5.4%。研究结果可为蓄冷水罐的优化设计提供参考。

关键词

蓄冷水罐 / 孔板 / 斜温层厚度 / 蓄冷

Abstract

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In order to solve the problem of the mismatched supply and demand of cooling capacity in the cooling system，the charging and discharging characteristics of the chilled water storage tank are simulated through software.The influences of the position of the perforated plate，the pore diameter of the perforated plate and the opening ratio on the thickness of the thermocline layer in the tank and the charging and discharging efficiency are studied，and verified through experiments.The results show that improving the structure of the orifice plate can reduce the thickness of the thermocline layer and improve the charging and discharging efficiency.When the chilled water storage tank under study has the best effect，the pore diameter of the orifice plate is 20 mm，the opening ratio is 40%，and it is set in the middle position of the chilled water storage tank.Compared with the situation where the orifice plate is placed at the lower part，the charging and discharging efficiency of this structure is increased by 5.2% and 5.4% respectively.Compared with the opening ratio of 30%，the charging and discharging efficiency is increased by 3.2% and 2.1% respectively.Compared with the structure with an opening ratio of 50%，the charging and discharging efficiency is increased by 6.7% and 5.4% respectively.The research results can provide a reference for the optimized design of the cold storage water tanks.

Key words

water storage tank / perforated plate / slope temperature layer thickness / cool storage

引用本文

时子博, 邹同华, 冯咏春. 带穿孔隔板的蓄冷水罐蓄放冷特性研究. 流体机械, 2025 , 53 (4) : 45 -52 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.007

Zibo SHI, Tonghua ZOU, Yongchun FENG. Study on the cooling and releasing characteristics of cold water storage tank with perforated plate[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (4) : 45 -52 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.007

正文

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0　引言

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为响应“碳排放，碳中和”的减排政策^［1］，区域供热供冷作为高效的能源利用技术在我国部分地区得到广泛应用。蓄冷水罐作为区域供冷系统中的蓄能装置，通过利用峰谷电价差实现“削峰填谷”，可以降低系统运行成本，具有显著的经济效益与减排潜力。蓄冷水罐利用冷热水温度分层原理，在水罐内进行蓄、放冷过程，当不同温度的水按照一定方向在罐内流动时，由于冷、热水的密度不同，会在冷、热水交界处形成一定厚度的斜温层。斜温层越厚，意味着蓄冷水罐内贮存的可利用工质越少^［2］，蓄、放冷效率越低。因此，优化蓄冷水罐结构，减小斜温层厚度是提升系统性能的关键。

为了提高蓄能能力，国内外学者通过试验和数值模拟等方法对蓄水罐的结构优化展开了系列研究。在罐体方面，YANG等^［3］通过探究不同形状太阳能蓄热水箱的蓄热能力，指出球形或琵琶桶形蓄热水箱的蓄热能力更好。刘宇圣^［4］研究发现，同体积、同高度的柱体水槽和长方体水槽蓄冷性能基本相同，但当保温性能不同时，柱体蓄冷槽的蓄冷性能更优。任亮^［5］提出可以有效改善罐内分层现象的柱形罐体的高径比范围。TIPASRI等^［6］对同容积不同高径比的圆柱形蓄冷水罐放冷过程进行数值模拟，结果显示，高径比为2的水罐蓄冷效果最好。在罐内结构方面，KARIM^［7］研究不同流量对斜温层厚度的影响，发现布水器开口流量是斜温层形成的主要因素之一。张素芬等^［8］通过对水蓄冷槽中八角形布水器进行数值模拟，得到布水器出口流速与孔径和管径之比有关。戈志华等^［9］以水平双侧开孔布水器的圆柱形蓄热水罐为研究对象，探讨了布水器的开孔个数、直径及布水器直径对放热性能的影响。白娟^［10］通过将布水器与孔板结合进行优化，结果表明，孔板对减小斜温层厚度有一定作用。

上述研究多集中于对罐体和布水器的研究，对于穿孔板布水装置的研究尚不充分。本文选取高径比为2的圆柱体蓄冷水罐为研究对象，采用数值模拟和试验结合的方法，分析孔板位置、孔径、开孔率对斜温层厚度和蓄、放冷效率的影响。分析结果可为蓄冷水罐的优化设计提供理论依据和参考。

1　模型建立

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1.1　物理模型

蓄冷水罐的模型如图1所示。

蓄冷水罐为轴对称立式圆柱体，底面直径D为0.5 m，高H为1 m，高径比H/D=2，进出口管径为0.016 m。由于水的密度随着温度升高而降低，因此蓄冷水罐在蓄冷过程中，采用“下进上出”；在放冷过程中，采用“上进下出”。蓄冷水罐的模型如图1（a）所示。为使蓄、放冷更均匀，在蓄冷水罐内加入孔板。为提高计算速度，提高网格质量，将穿孔板建为平面模型，如图1（b）所示。

1.2　数学模型

采用流体流动、流体传热模型，模拟满足不可压流体条件，为防止由于流体扰动而引起流体掺混，无法形成流体分层而导致蓄冷率降低的现象，同时保证在蓄冷系统运行时段取得全部冷量，罐内流速采用下式确定^［10-13］：

u = H 3 600 t

（1）

式中，u为流速，m/s；H为蓄水罐高度，m；t为蓄冷时间，h。

使用雷诺数Re判定罐内流体流态，表达式如下：

R e = u D / ν

（2）

式中，ν为水的运动黏度，

ν

=0.722 5×10^-6 m²/s。

设置罐内流速为0.03 m/s，采用层流方程求解，如下所示：

∂ u ∂ t + ρ u ⋅ ∇ u = ∇ ⋅ - p I + K + F

（3）

∂ ρ ∂ t + ∇ ⋅ ρ u = 0

（4）

式中，ρ为流体密度，kg/m³；p为压力，Pa；I为单位张量；K为黏性应力张量；F为体积力场。

黏性应力张量K计算式如下：

K = μ ∇ u + ∇ u T

（5）

式中，μ为流体动力黏度，Pa⋅s。

传热条件满足能量守恒方程：

Q v d = ρ C p u ⋅ ∇ T + ∇ ⋅ q

（6）

q = - k ∇ T

（7）

Q v d = τ : ∇ u

（8）

式中，

Q v d

为体积耗散率，J/（m³⋅s）；C_p为恒压热容，J/（kg⋅K）；T为温度，K；k为导热系数，W/（m⋅K）；τ为黏性张力，Pa。

该模型采用无滑移边界条件。设置蓄冷过程入口温度为5 ℃，罐内初始水温13 ℃；放冷过程入口温度为13 ℃，罐内初始水温5 ℃。出口设置静压出流且无回流。研究无穿孔板和孔径分别为4，5，6，10，20，30，40 mm的穿孔板在不同开孔率下蓄水罐温度场情况。

1.3　网格划分与独立性验证

蓄冷水罐模拟主要是对水域进行建模和求解，利用Comsol软件对计算区域进行离散化和网格划分，对穿孔板位置设置内壁，无穿孔板和有穿孔板的蓄水罐网格划分如图2所示。

对网格进行独立性验证，模拟分别采用网格数770 425，1 155 636，2 311 273，3 466 910进行模型求解，并对比蓄冷过程出口平均温度。如图3所示，网格数2 311 273，3 466 910的曲线几乎重合，因此，采用网格数为2 311 273的网格进行划分并求解。

1.4　模型验证

利用穿孔板分别在中部和下部的蓄冷试验结果验证模型的准确性。试验用蓄冷水罐直径为0.5 m，高为1 m。罐内初始温度为13 ℃，冷水由下进水口进入，冷水温度为5 ℃。充注25 min，模拟与试验温度对比如图4所示。可以看出，模拟温度和试验温度变化趋势相同，在各个测点存在一定偏差。经计算，穿孔板在中部和在下部的模拟温度和试验温度的最大相对误差分别为2.84%和12.84%，均在15%以下，模型准确性可以接受。

1.5　评价指标

为探究蓄冷水罐内有无穿孔板、不同孔径穿孔板、不同开孔率穿孔板对蓄、放冷能力的影响，本研究采用斜温层厚度和半循环性能系数

F O M 1 / 2

来评价蓄、放冷效果。

蓄冷水罐的斜温层厚度在一定程度上可以反映蓄冷效率，斜温层越厚，意味着蓄冷水罐内贮存的可利用冷工质越少。斜温层厚度为0.15~0.85时，为斜温层实际有效区域，斜温层厚度Θ的计算式如下：

Θ = T - T ¯ T I - T ¯

（9）

式中，T为某位置温度，℃；

T ¯

为放冷时入口平均温度，℃；T_I为蓄冷水罐内初始温度，℃。

蓄、放冷效率是评价蓄水罐蓄、放冷过程中储、释能力的最直观评价指标。考虑到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和水箱壁面与外界环境之间的换热损失，可用FOM（实际蓄冷量与理论蓄冷量比值）来评判蓄、放冷效率。蓄能或释能的单过程，对应的性能评价指标为半循环性能系数

F O M 1 / 2

^［14-15］。当边界条件为绝热壁面时，半循环性能系数为：

F O M 1 / 2 = T e n d - T i n i t i a l / (T h - T c)

（10）

式中，T_end为蓄放冷结束时水箱内平均温度，℃；T_initial为初始时刻水箱内平均温度，℃；

T h

为设计进水口的温度，℃；

T c

为设计出水口的温度，℃。

2　模拟结果分析

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2.1　不同孔板位置模拟结果

为对比蓄水罐内有、无孔板和不同位置孔板对蓄、放冷特性的影响，在模拟过程中，对无孔板的蓄水罐，以及6 mm孔径、30%开孔率孔板分别位于上方、中间、下方位置的蓄冷水罐进行模拟。孔板在不同位置时罐内温度随高度变化情况如图5所示。

从图中可以看出，无孔板的蓄冷水罐内温度随高度呈近似线性变化，冷热水掺混明显，没有温度分层现象，无法计算斜温层厚度。孔板在上的蓄冷水罐由于距离进水口太远，靠近出水口，无法取得穿孔板均匀布水作用，也没有明显温度分层现象。孔板在下方和在中间的蓄冷水罐温度分层情况较好，更有利于冷量的蓄、放。在蓄冷过程中，穿孔板在下方和在中间的斜温层厚度分别为0.70，0.62，蓄冷效率分别为0.91，0.93；放冷过程中穿孔板位于下方和在中间的斜温层厚度分别为0.72，0.63，放冷效率分别为0.92，0.93。结果表明，孔板具有均匀布水的作用，使罐内产生温度分层，阻止冷热水掺混。孔板置于蓄冷水罐中间位置更有利于蓄、放冷效率的提高。

2.2　不同孔径孔板模拟结果

保持孔板在蓄水罐中间位置不变，改变孔板孔径，保持开孔率为30%不变，探究不同孔径对蓄冷水罐内温度分布的影响。

图6示出蓄、放冷过程中温度随高度变化情况。从图中可以看出，随着孔径变大，在孔板位置上方都有明显的温度分层。计算蓄冷过程中，4，5，6，10，20，30，40 mm孔径孔板的斜温层厚度分别为0.81，0.78，0.62，0.56，0.46，0.48，0.50，FOM_1/2分别为0.84，0.85，0.90，0.95，0.96，0.95，0.94；放冷过程中，孔径自小变大的孔板斜温层厚度分别为0.80，0.78，0.63，0.53，0.44，0.47，0.49，FOM_1/2分别为0.84，0.85，0.93，0.94，0.95，0.94，0.92。结果表明，孔径越大，斜温层厚度越小，蓄、放冷效率好，但不是孔径越大越好，当孔径超过30 mm时，蓄冷罐的斜温层厚度变大和蓄、放冷效率降低。所以孔径为20 mm的孔板效果最佳。这是因为在相同流量下，孔径增大，流速减小，扰动减小，使得斜温层厚度减小，罐内可利用冷工质增加，蓄、放冷效率增加。

2.3　不同开孔率模拟结果

20 mm孔径孔板位于蓄冷水罐中心位置，孔板开孔率分别为30%，40%，50%时，温度随高度变化如图7所示。从图中可以看出，穿孔板孔径大小相同时，在蓄、放冷过程中，开孔率大的穿孔板的温差大于开孔率较小的穿孔板，经过计算得出，在蓄冷过程中，开孔率为30%，40%，50%的穿孔板，斜温层厚度分别为0.46，0.3，0.48，FOM_1/2系数分别为0.93，0.96，0.90。在放冷过程中，开孔率为30%，40%，50%的穿孔板，斜温层厚度分别为0.44，0.37，0.47，FOM_1/2系数分别为0.95，0.97，0.92。由此可见，40%开孔率、20 mm孔径的孔板，斜温层厚度最小，蓄、放冷效率最好。

3　试验研究

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3.1　试验原理与设备

按照模型设计等比例尺寸的蓄冷水罐。试验原理如图8所示。

在蓄冷过程中，蓄水箱内水温为13 ℃，冷水机组作为冷源提供5 ℃的冷水，由于冷、热水密度的不同，蓄水箱内部会发生流动分层，通过数据采集器记录各测点的温度变化判断储能情况。在放冷过程中，将冷水机组温度设置为13 ℃，与蓄水箱内5 ℃的冷水进行交换，探究其放冷规律。

蓄水罐外部设包裹保温层，保温层材料为像塑棉，厚度为25 mm，使用安全温度范围在-50~110 ℃，符合试验需要。在冷水机组与蓄冷水罐间连接安装KOMAX龙尊智能变频增压水泵，其增压效果为150 Pa。流量采用K24流量计测量，量程范围为1~15 L/min。温度采用T型热电偶测量，其精度为±0.75%。采用GP10数据采集器进行数据采集。

设计直径为0.4 m，孔径/孔距分别为6/3，10/4，20/8 mm的3种穿孔板，如图9所示。

3.2　试验步骤

在蓄水箱内布置相应测点，如图10所示，具体步骤如下：（1）水平面上，圆心（点1）及距蓄水箱壁12.5 cm处设置5个测点；（2）竖直方向上，将5条100 cm的竖直固定棒自下至上每20 cm设置一个测点（a~e），共设置5个不同高度的测点位置。

将热电偶固定于设置好的测点位置，蓄水箱内部共布置25个测点，将布置好的热电偶测点连接至数据采集器，记录试验中蓄、放冷过程中进、出口温度的变化，以及蓄、放冷过程中温度随高度的变化情况。具体试验步骤如下：（1）蓄冷试验时，设置冷水机组温度为5 ℃，待冷水机组内温度降至设置温度，蓄水箱内温度降至13 ℃时，打开数据采集器，开始记录各个测点逐时温度变化。放冷试验时，温度设置与蓄冷试验相反，进、出水口的位置相反。（2）蓄冷水罐的下部卡槽和中部卡槽中分别置入孔板，探究穿孔板位置对蓄水箱蓄冷效果的影响。（3）保持放入穿孔板的卡槽位置不变，换入不同孔径的穿孔板（6，10，20 mm），探究不同孔径穿孔板对蓄冷效果的影响。（4）保持穿孔板孔径大小不变，改变穿孔板的孔密度，探究在蓄冷过程中不同孔密度对蓄冷效果的影响。

4　试验结果分析

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4.1　不同孔板位置试验结果

为对比探究孔板位置对斜温层厚度和蓄、放冷效率的影响，试验设置与模拟相同，采用6 mm孔径，30%开孔率的孔板。图11示出蓄冷水罐内无孔板、孔板位于蓄冷水罐中间位置、孔板位于蓄冷水罐下部不同高度位置时的温度变化情况。

从图中可以看出，无孔板的蓄水罐内无明显的温度分层现象，加入孔板的蓄水罐内有明显的温度分层，可见加入穿孔板有利于优化蓄冷过程。在孔板孔径与开孔率相同的情况下，孔板位于中间位置的温差比孔板位于下部位置的温差大，分别计算其斜温层厚度与蓄冷效率发现，将孔板置于中间位置的蓄冷效果更好，这是由于在蓄冷过程中，冷水进水口位置与孔板位置过于相近，蓄水罐内冷、热水掺混混乱；在放冷过程中，进水口位于蓄水罐的上部，位于下部的孔板无法阻止水罐中、上部分的掺混现象。

4.2　不同孔径孔板试验结果

孔板孔径变化时，蓄、放冷试验温度随高度的变化如图12所示。可以看出，保持孔板位置相同，改变孔板孔径，不同孔径孔板在蓄、放冷过程中的水温随高度的变化趋势基本相同，但其温差存在一定差异，温差随孔径增大而逐渐增大。在蓄冷试验中，出现不同孔径温差差异的原因为较大的孔径可以在蓄冷过程中提供大的水流量，使冷水更快地流过穿孔板，减少了热水与冷水的接触时间。同时，大孔径的孔板还可以减小穿孔板表面的阻力，使水流更为顺畅，保证了冷水能够均匀地释放到整个储水罐，提高了系统的蓄冷效率。相比之下，小孔径孔板则导致水流速度较慢，增加了冷、热水的掺混能力，降低了蓄冷效率。因此，试验中，孔板孔径越大，蓄冷效率越高。在设计和选择孔板时，应根据具体需求和系统参数，选择合适的孔径大小以实现最佳的蓄冷效果。

在放冷试验中，孔板孔径越大，能够提供更大流量的冷水，5 ℃冷水能够更快速地流出穿孔板并覆盖整个蓄水罐。增加冷水的接触面积，加快热量的传递效率，使得冷水的温度更快地升高，从而提高了放冷效率。

由不同孔径孔板的蓄、放冷试验得出，蓄冷水罐内孔板的孔径越大，通过孔板的流量多，使得冷热水的扰动减小，斜温层厚度降低，罐内可利用的工质增加，蓄、放冷效率提高。

4.3　不同开孔率试验结果

保持20 mm穿孔板孔径不变，改变穿孔板的孔密度大小继续进行蓄、放冷试验，探究孔板开孔率大小对蓄、放冷效率的影响。不同孔板开孔率时蓄、放冷试验水温随高度的变化如图13所示。

从图可以看出，孔径为20 mm的穿孔板，不同开孔率时，温度分层情况不相同。在蓄冷过程中，开孔率30%的穿孔板温差小于开口率40%的穿孔板，这是因为随着穿孔板开孔率的增大，冷水的流量增大，蓄水罐内可用于吸收的水量增加，系统的热容量增加，从而提高了系统的热稳定性和蓄冷效率。在放冷过程中，随着穿孔板开孔率的增加，加快热量传递速度，水在蓄水罐中流动更快，增加了水与蓄冷罐表面之间的对流和传热速率。这意味着蓄水罐中的热量可以快速传递出蓄水罐，从而提高了放冷效率。

4.4　试验与模拟结果对比

为验证模拟结果的可靠性，将试验结果与模拟结果进行对比，利用平均绝对百分比误差MAPE表示试验与模拟的误差值，其计算式如下：

M A P E = 100 n ∑ i n y i^- y i y i^

（11）

式中，

y i^

为模拟预测值；

y i

为试验实测值。

表1列出了不同工况下MAPE的计算结果。

由表1可知，试验与模拟的数据偏差均保持在15%以内，基本可以验证模拟的准确性。误差来源主要是在试验过程中，进口温度无法像模拟时控制为定值，同时流量大小也很难准确掌控。此外，热电偶同样存在一定的测量偏差，且热电偶的固定位置也存在一定的偏差。

5　结论

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（1）与无孔板蓄冷水罐相比，有孔板结构可以减小斜温层厚度，提高蓄冷水罐的蓄、放冷效率，且孔板的位置应远离进、出水口。针对所研究的圆柱体蓄冷水罐，孔板最佳位置在罐中心高度。

（2）针对所研究的圆柱体蓄冷水罐，最佳孔板设置为：20 mm孔径、40%开孔率、孔板位置位于蓄冷水罐中间位置。

（3）相较于孔板置于下部，最佳孔板位置时的蓄、放冷效率分别提高5.2%和5.4%。

参考文献

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文献

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2025年第53卷第4期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.007

接收时间：2024-09-02
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-04-30

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收稿日期：2024-09-02
修回日期：2025-01-25

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天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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