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《上海節(jié)能》2024年第1期

發(fā)布時間:2024-1-29 | 雜志分類:其他
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《上海節(jié)能》2024年第1期

SHANGHAI ENERGY SAVING上海節(jié)能SHANGHAI ENERGY SAVING2024年第 01 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海節(jié)能 ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY SAVING2018 年第 08 期節(jié)能論壇具體來看,由于液膜的表面張力和液體與壁面之間的分離壓力的共同作用,便在吸液芯內(nèi)的微通道中形成了膨脹的彎月板。由于傳質(zhì)情況的不同,彎月板可以分成非蒸發(fā)平衡薄膜區(qū)域、蒸發(fā)薄膜區(qū)域和固有彎月面區(qū)域[48-50]三個區(qū)域(如圖4 所示)[44]。首先,在非蒸發(fā)平衡薄膜區(qū)域,該處的液膜表面張力遠低于分離壓力,而分離壓力主要由固體分子和液體膜分子之間的長程范德華力所主導(dǎo)。足夠的分離壓力可以保持液膜過熱而不發(fā)生蒸發(fā)。其次,在蒸發(fā)薄膜區(qū),隨著液膜厚度的逐漸增加,表面張力和減弱的分離壓力共同影響著界面的形貌和蒸發(fā)量。蒸發(fā)區(qū)域的液體輸送是由分離壓力的梯度和界面曲率的變化共同驅(qū)動的。最后,在固有彎月面區(qū)域,足夠的液體膜厚度允許分離壓力被忽略。因此,存在一個由表面張力主導(dǎo)的恒定界面曲率。Derjaguin 等人[51... [收起]
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具體來看,由于液膜的表面張力和液體與壁

面之間的分離壓力的共同作用,便在吸液芯內(nèi)的

微通道中形成了膨脹的彎月板。由于傳質(zhì)情況的

不同,彎月板可以分成非蒸發(fā)平衡薄膜區(qū)域、蒸發(fā)

薄膜區(qū)域和固有彎月面區(qū)域[48-50]

三個區(qū)域(如圖

4 所示)[44]

。首先,在非蒸發(fā)平衡薄膜區(qū)域,該處

的液膜表面張力遠低于分離壓力,而分離壓力主

要由固體分子和液體膜分子之間的長程范德華力

所主導(dǎo)。足夠的分離壓力可以保持液膜過熱而不

發(fā)生蒸發(fā)。其次,在蒸發(fā)薄膜區(qū),隨著液膜厚度的

逐漸增加,表面張力和減弱的分離壓力共同影響

著界面的形貌和蒸發(fā)量。蒸發(fā)區(qū)域的液體輸送是

由分離壓力的梯度和界面曲率的變化共同驅(qū)動

的。最后,在固有彎月面區(qū)域,足夠的液體膜厚度

允許分離壓力被忽略。因此,存在一個由表面張

力主導(dǎo)的恒定界面曲率。

Derjaguin 等人[51]首先提出了分離壓力的概

念,并建立了氣液界面上力與熱傳質(zhì)之間的關(guān)系。

Wayner 等人[52]

,通過 Kelvin-Clapeyron 公式指出

了分離壓力對蒸發(fā)的抑制作用,以及毛細管壓力和

界面溫度跳躍的影響。這些研究工作為開發(fā)分離

壓力和蒸發(fā)系數(shù)的關(guān)系表達式等相關(guān)物理模型奠

定了基礎(chǔ)[48]

。

1.3 設(shè)計參數(shù)的影響機理研究

基于液體薄膜蒸發(fā)機理,研究者們對在實際均

熱板蒸發(fā)端的設(shè)計中各個設(shè)計參數(shù)的影響機理作

出了進一步的研究。

蒸發(fā)端吸液芯的熱阻反映了自發(fā)傳熱過程的

難度,而這與過熱度(ΔT)和等效傳熱系數(shù)(HTC)

的設(shè)置又密切相關(guān)。因為對于具有較高熱阻或較

低HTC的蒸發(fā)器,需要更大的過熱度來傳遞相同的

圖2 由多孔介質(zhì)和葉脈狀分形結(jié)構(gòu)組成的仿生燈芯的概念結(jié)構(gòu)

圖3 液體薄膜蒸發(fā)機理

多孔吸液芯均熱板的現(xiàn)狀研究

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熱流,而這種情況對電子元件的高效運行不利。

S. Sudhakar 等人[53]

,通過設(shè)計一種蒸發(fā)端吸液芯

為兩層的異構(gòu)吸液芯,研究發(fā)現(xiàn)設(shè)計的兩層蒸發(fā)器

吸液芯中實現(xiàn)的液體供給方法可顯著增強燒干

極限熱通量的同時保持低熱阻。M.M. Rahman

等人[54]

通過對吸液芯表面進行納米結(jié)構(gòu)處理,經(jīng)過

實驗得到了芯吸能力對 CHF 增強作用的定量測

量。然而,多孔燈芯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性仍給通過物理模

型準確描述流體流動和熱傳熱的過程帶來了巨大

的麻煩。近年來,微柱陣列吸液芯熱性能的可預(yù)測

性引起了廣泛的關(guān)注[55-58]

。S. Adera 等人[55]

通過

建立一個半解析模型來確定受毛細力限制下的燒

干極限熱通量和吸液芯壁面溫度,其精確度在±

20%,同時與試驗相對照。該模型為設(shè)計和優(yōu)化下

一代熱管理設(shè)備的微柱芯提供了一個通用平臺。

同時,液態(tài)工質(zhì)的充液率也直接影響著工質(zhì)蒸

發(fā)的過程,不同的充液率代表著不同的液膜厚度和

大小以及熱傳導(dǎo)面積(液態(tài)工質(zhì)與吸液芯)。Tsai等

人[59]

實驗研究了一種用于電子冷卻的兩相封閉溫差

換流均熱板系統(tǒng),其總熱阻為0.495 ℃/W,有著約為

62 W/cm2

的熱流量,充液率為20%。Lips等[60]

研究

了充液率和蒸汽腔厚度對FPHP性能的綜合影響。

實驗結(jié)果表明,蒸汽腔厚度和熱通量對FPHP的熱性

能有重要影響。較小的蒸汽腔厚度會導(dǎo)致液體滯

留在FPHP的邊邊角角,因此即使在液體工質(zhì)的量

大于最佳值的情況下,也會降低系統(tǒng)的熱阻。

Wang等[61]

實驗研究了以交錯的狹窄溝槽或通道作

為吸液芯結(jié)構(gòu)的 FPHPs。對于填充比為 65%的矩

形窄通道,其最小熱阻為0.183 K/W,對于填充比為

70%的圓形通道,其最小熱阻為0.071 K/W。

Naphon 等人[62]

研究了一種兩相 VC 技術(shù)在個

人電腦硬盤驅(qū)動器冷卻中的應(yīng)用。有VC冷卻系統(tǒng)

的硬盤平均溫度比沒有 VC 冷卻系統(tǒng)的溫度低

15.2%。作者指出,相變傳熱過程的熱阻也隨液膜

厚度的增加而增加。因此,在測試的其它充液率

中,20%充液率的 VC 可以做到最低的硬盤溫度。

Peng 等人[63]

使用丙酮和蒸餾水混合物作為工質(zhì),

實驗研究了充液率(CR)(10%<CR<50%)范圍內(nèi)

的鋁FPHP的熱性能。在相同的充液率下,使用丙

酮的熱性能優(yōu)于使用蒸餾水。Peng等人[63]

使用充

液率(0<CR<80%)的去離子水測試了一種基于直

徑為90 mm的葉脈系統(tǒng)的新型VC的性能。實驗結(jié)

圖4 非蒸發(fā)平衡薄膜區(qū)域、蒸發(fā)薄膜區(qū)域和固有彎月面區(qū)域

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果表明,當充液率為63%時,其熱阻最低。

2 蒸氣擴散

在均熱板工作循環(huán)中,當工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱相

變?yōu)檎魵夂?,此時蒸氣便要靠蒸汽腔內(nèi)的壓差進行

擴散運動來到冷凝端進行放熱冷凝,在這個過程中

如何減少蒸氣擴散的阻力便是重點所在。從最直

接的蒸汽腔大小來看,當蒸汽腔的大小足夠大時,

蒸氣擴散的阻力便可以減小。

2.1 非超薄均熱板

影響蒸汽腔大小的首要因素便是實際設(shè)計尺

寸的大小,而實際尺寸大小的選擇最終還是服務(wù)于

需求,因此對于尺寸要求并未有太多限制的普通非

超薄均熱板如厚度方向為傳熱方向的氣液異面均

熱板(其通常需要在上下殼板布置兩層吸液芯,中

間支撐起蒸汽腔空間,因此厚度無法太?。祟惥?/p>

熱板的應(yīng)用場景:一是滿足散熱的均勻性,防止熱

點的產(chǎn)生,使得熱源和熱沉兩端都具有良好的均溫

性;二是能滿足通過較大的熱量,使得熱源的熱量

能夠足量且及時地排出。

由于蒸汽腔內(nèi)為真空內(nèi)外壓差大,所以需要

考慮支撐柱的設(shè)置防止塌陷,而同時支撐柱往往

還是工質(zhì)回流的通道,所以其體積往往不能忽略,

其在蒸汽腔中對蒸氣擴散造成的阻力也不可小

覷。李聰[64]

通過建立均熱板傳熱傳質(zhì)的數(shù)值仿真

計算模型,分析了均熱板內(nèi)支撐柱結(jié)構(gòu)的尺寸、數(shù)

量、間距以及支撐柱結(jié)構(gòu)類型等因素對均熱板傳

熱性能的影響,發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果能夠較好吻合文獻

數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù),與試驗數(shù)據(jù)最大誤差約為2%。

2.2 超薄均熱板

對于實際尺寸有超薄要求的應(yīng)用場景,如在

智能手機這樣的產(chǎn)品,則需要應(yīng)用到超薄均熱板

技術(shù)。有研究表明,當蒸汽腔厚度減小至 0.3 mm

以后,超薄均熱板熱阻急劇增加,并且隨著蒸汽

腔厚度進一步減小,蒸汽流動產(chǎn)生的熱阻占據(jù)

超薄均熱板總熱阻的比重也越來越大[64]

(如圖 5

所示)。

圖5 理論熱阻隨蒸汽腔厚度變化曲線

超薄均熱板的氣液通道排布方式可分為氣液

異面結(jié)構(gòu)排布和氣液共面結(jié)構(gòu)排布兩種。兩種排

布類型的超薄均熱板氣液運行與傳熱機理示意圖

如圖6所示。由圖 6a可知,氣液異面超薄均熱板蒸

汽通道和液體通道在厚度方向(Z 軸)上是相互分離

的,并且蒸汽流動與液體流動在不同的平面(XOY

平面)進行。圖6b所示為新型氣液共面超薄均熱板

氣液運行與傳熱機理示意圖,該類型超薄均熱板蒸

汽通道和液體通道在厚度方向(Z 軸)上是不可分離

的,并且蒸汽流動與液體流動在同一平面(XOY 平

面)內(nèi)進行。兩種氣液運行與傳熱過程類似,都是蒸

發(fā)段吸液芯中的工質(zhì)液體吸收外界輸入熱量,發(fā)生

蒸發(fā)相變變成工質(zhì)蒸汽,并在壓差作用下沿著蒸汽

腔長度方向(Y 軸)流動至冷凝段,工質(zhì)蒸汽在冷凝

段被帶走熱量,發(fā)生相變凝結(jié)變成工質(zhì)液體,并在

吸液芯毛細壓力推動下流回至蒸發(fā)段,進行下一步

吸熱蒸發(fā)過程[65]

。

由于在厚度方向傳熱的均熱板存在需兩層吸

液芯的厚度限制,其無法在超薄的路上走得更遠,

研究者們發(fā)現(xiàn)超薄均熱板沿著長度方向傳熱更具

實際效益,其既可以保證均溫性,同時也能保證芯

片熱量快速傳遞至電子設(shè)備殼體,而且只需要一層吸

液芯結(jié)構(gòu)。SHI 等[66]

報道了一種厚度為 0.65 mm 的

氣液異面超薄均熱板,采用陣列微柱作為支撐柱,與

吸液芯結(jié)構(gòu)在厚度方向上相互分離。CHEN等[67] 設(shè)

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計制造了一種厚度僅為 0.43 mm 的氣液異面銅超

薄均熱板,該超薄均熱板采用口徑為 46 μm(300

目)絲網(wǎng)作為吸液芯,濕法蝕刻加工支撐柱作為蒸汽

腔,吸液芯和蒸汽腔在厚度方向上相互分離,兩者

厚度分別為 0.15 mm 和 0.08 mm(如圖 7 所示)。

大量學(xué)者均采用該類氣液異面結(jié)構(gòu)(蒸汽腔層為柱

狀支撐柱組成的腔體,吸液芯層為整層多孔結(jié)構(gòu))的

設(shè)計制造超薄均熱板[68-70]

。

因為氣液異面結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮總厚度為蒸

汽腔厚度加上吸液芯厚度,所以在超薄化上只能在

減少蒸汽腔厚度和吸液芯厚度上取舍,而無論是蒸

汽腔厚度減小可能需要考慮的微尺度效應(yīng)以及液

塞,還是吸液芯厚度減小可能導(dǎo)致的蒸發(fā)相變傳熱

受到影響都是無法接受的。華南理工大學(xué)湯勇教

授團隊創(chuàng)新性地提出氣液共面新型氣液通道排布

方式,將蒸汽通道(蒸汽腔) 與液體通道(吸液芯)排

布在厚度方向上的同一平面上,蒸汽和液體流動在

同一平面上進行,超薄均熱板總體厚度可進一步下

降。另外,通過氣液通道的交替設(shè)置,氣液共面均

熱板在寬度方向可以較好地擴展,特別適用于散熱

面積較大的場合。這逐漸受到其他研究者的關(guān)

注。陳恭[71]

提出一種厚度為 0.27 mm 的新型氣液

圖6 氣液異面與氣液共面結(jié)構(gòu)超薄均熱板傳熱示意圖

圖7 支撐柱-吸液芯分離氣液異面超薄均熱板

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共面結(jié)構(gòu)超薄均熱板設(shè)計與制造方法,圍繞新型氣

液共面結(jié)構(gòu)超薄均熱板的運行機理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制

造方法以及性能表征進行了系統(tǒng)且深入的研究。

2.3 工質(zhì)的選擇

除開蒸汽腔大小對蒸氣擴散的阻力影響外,便

是需要考慮工質(zhì)選擇帶來的阻力改變了。在許多情

況下均熱板無法獲得比較長的使用壽命往往與工質(zhì)

的錯誤選擇有關(guān),例如工質(zhì)與吸液芯和壁面材料的

不兼容性導(dǎo)致均熱板的腐蝕以及不可凝氣體的產(chǎn)

生,致使均熱板內(nèi)部循環(huán)阻力持續(xù)增大,最終無法

正常工作。迄今為止,均熱板的大多數(shù)實驗都是采

用銅和鋁材料進行的封裝,以水[7-8,26]

,丙酮[7,26-27]

,甲

醇[16,26,28-29]

,乙醇[7]

和正戊烷[30]

一般來說選擇合適的工作流體取決于均熱板的

工作溫度范圍和所需的熱通量上限。其它主要考

慮因素是與吸液芯和封裝壁面材料的兼容性、熱穩(wěn)

定性、吸液芯和壁材料的潤濕性,以及綜合考慮在

工作溫度范圍內(nèi)蒸氣壓是否過高或過低。同時,合

適的工質(zhì)還需擁有高潛熱、高導(dǎo)熱性、低液體黏度

和蒸汽黏度、高表面張力和可接受的凝結(jié)或蒸發(fā)

點。圖8展示了部分材料和工質(zhì)的兼容性關(guān)系[72]

。

圖8 部分材料和工質(zhì)的兼容性關(guān)系

3 液體回流

如果把熱源輸入的熱量看作是均熱板循環(huán)的

“驅(qū)動力”,那么由吸液芯主導(dǎo)的液體回流便是使均

熱板循環(huán)構(gòu)成閉環(huán)的“慣性力”了 。當蒸氣工質(zhì)在

冷凝端相變放熱凝結(jié)進入冷凝端吸液芯時,液體回

流便開始了,液體工質(zhì)在吸液芯毛細力的作用下克

服阻力回流到蒸發(fā)端。以多孔吸液芯為例,在這個

過程中,吸液芯作為運載主體,工質(zhì)作為運載對象,

便需要細致的研究設(shè)計來達到目的。吸液芯所提

供的毛細壓力需能做到克服所有阻力,即令公式

(1)成立。除此之外,工質(zhì)在吸液芯內(nèi)的滲透率需

足夠大,使得液體工質(zhì)回流到蒸發(fā)端的速度達到要

求,避免燒干現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.1 毛細力與滲透率

3.1.1 毛細力與滲透率的概念

對于多孔材料為吸液芯的均熱板,孔隙率 ε 是

影響多孔介質(zhì)內(nèi)流體傳輸性能的重要參數(shù)之一,是

指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體

積的百分比[73]

。一般主要采用密度計算法來測量

孔隙率,如式(2):

Vc = Mw

ρc

; Vp = Vw - Vc;ε = Vp

Vw

(2)

其中 Mw 為吸液芯的總質(zhì)量,Vw 為吸液芯總體積,

Vc 為吸液芯材料總體積,Vp 為空隙總體積。

在一定壓差下,材料允許流體通過的能力即為

材料的滲透率,在狀態(tài)穩(wěn)定的情況下,由于流速較

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低,吸液芯內(nèi)的液體滲流,可認為是層流流動,在慣

性效應(yīng)忽略的情況下,可以根據(jù)達西(Darcy)定律來

計算吸液芯的滲透率[74]

。

K = vμlL

ΔP ; V = m?

Aw ρl

(3)

其中,μl 為液體黏度 ,L 為吸液芯樣品的長度,

ΔP 為吸液芯進出口壓降,V 為液體滲流速度,

m? 為液體的質(zhì)量流速,Aw 為液體在吸液芯內(nèi)部的

流動橫截面積,ρl 為液體的密度。

對 于 銅 粉 燒 結(jié) 式 吸 液 芯 滲 透 率 也 可 用

Blake-Kozeny 方程[75]

計算:

K = d2

p ε

3

150(1 - ε)

2 (4)

式中,dp 為燒結(jié)銅粉的平均粒徑。

對于銅粉燒結(jié)吸液芯的毛細壓力可用 Laplace-Young方程[76]

來表示:

ΔPcap = 2σ cos θ

rp

(5)

式中, σ 和 rp 分別為液體的表面張力和孔隙半徑,

θ 為接觸角,通常將孔隙半徑和接觸角余弦值的比

值用有效毛細半徑( reff )

[78]

來代替:

ΔPcap = 2σ

reff

(6)

3.1.2 滲透率和毛細壓力的測量

根據(jù)式(3),黃豆等[73]

建立一套燒結(jié)銅粉吸液

芯的滲透率測試實驗系統(tǒng)(如圖9所示), 其工質(zhì)為

去離子水,去離子水在重力的作用下流入實驗段,

實驗段由不銹鋼基體流動腔體、密封硅膠墊、有機

玻璃板組成。在不銹鋼基體流動腔體中間加工出

與吸液芯樣品尺寸匹配的矩形槽道,矩形槽道兩端

加工同深度的漸縮漸擴槽道,在不銹鋼基體流動腔

體的進出口分別加工一個長方體的聯(lián)箱,深度為

25 mm,使流入吸液芯的去離子水的流速更均勻更

穩(wěn)定,在進口聯(lián)箱處安裝絕對壓力傳感器(OmegaPX309-050A5V)測量吸液芯入口壓力,出口與

大氣相通,認為壓力保持不變。流體流出測試段以

后,采用燒杯進行收集,通過高精度電子秤(精度為

0.1 mg)稱量,同時利用秒表進行計時,以便獲得流

體在吸液芯內(nèi)的流速。

圖9 滲透率測試實驗系統(tǒng)

而對于毛細壓力的測量,通過式(6)可以知道

先得到有效毛細半徑,對于燒結(jié)銅粉吸液芯材料,

可利用經(jīng)驗公式[77]

reff = 0.205dp (7)

當然也有具體的測量實驗方法,即氣泡點測試

法[78-80]

,裝置如圖10(兩種系統(tǒng))。其原理為通過測

量燈芯被液體覆蓋時所能承受的氣體壓力,可以估

計燈芯的有效孔隙半徑。

圖10 氣泡點測試系統(tǒng)

3.2 毛細性能

吸液芯的綜合毛細性能主要受毛細壓力和滲

透率的影響,而毛細壓力和滲透率有一定的制約關(guān)

系,兩者均不能單獨描述吸液芯的毛細性能。一般

采用毛細性能因子 K/reff ,即滲透率和有效毛細半

徑的比值,來評價吸液芯的綜合毛細性能[81]

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現(xiàn)有的研究方法中,有種高效且簡單的表征吸

液芯毛細性能的實驗方法,便是上升速率法了[79,82]

,

其原理為當吸液芯浸沒在工作液體中時,在吸液芯

所提供的毛細壓力作用下,液體會在吸液芯結(jié)構(gòu)中

爬升一定高度,由于工作液體和吸液芯結(jié)構(gòu)的發(fā)射

率不同,可通過紅外成像儀觀測到上升的過程,通

過此得到毛細爬升高度以及爬升速率,以此來表征

吸液芯的毛細能力(如圖11)。

圖11 毛細上升紅外測試系統(tǒng)

由于吸液芯在實驗期間垂直放置,因此重力和

毛細壓力存在平衡。毛細壓力和壓降的關(guān)系可以

采用式(8)進行描述[82]

reff

= μ

K h dh

dt

+ ρgh (8)

式中,等式左端為毛細壓力,等式右端第一項為達西

定律表示的滲流阻力,即黏性摩擦力, μ 和h分別為

液體的動力黏度和吸液芯的毛細上升高度,dh

dt

是毛細上升速度,ρ、g、ε分別為液體的密度、重力

加速度及吸液芯結(jié)構(gòu)的孔隙率。

對上式兩邊積分可得到一個關(guān)于 reff 的復(fù)雜

的超越方程[82]

-[ 2σ

reff

ln (1 - ρgreff

h)+ ρgh]= Kρ2

g2

μ

t (9)

以此超越方程為基礎(chǔ),利用 MIATLAB 編程基

于一組輸入的毛細爬升高度 h 和假設(shè)的 reff 數(shù)據(jù)

集、K 數(shù)據(jù)集對生成的一組時間 t 采用最小二乘法

來分析[83]

。為了分析這組數(shù)據(jù),利用滲透率和有效

毛細半徑值的樣本空間,為每對有效毛細半徑和滲

透率值生成多組時間值。每組時間值以最小二乘

法與來自實驗數(shù)據(jù)集的時間值進行比較。所尋求

的是滿足實驗數(shù)據(jù)集的時間t 與從樣本空間生成的

時間集t 之間的偏差平方和最小時對應(yīng)的滲透率和

有效毛細半徑。如此之行,便是為了得到滲透率與

有效毛細半徑的合理配比,從而獲得吸液芯比較好

的毛細性能。

4 結(jié)論與展望

從目前的研究趨勢來看,均熱板的應(yīng)用場景越

來越偏向于超薄化的發(fā)展,那么可以預(yù)見在未來的

研究中,氣液共面排布的均熱板研究會更受到青

睞,其在厚度方向繼續(xù)減小的潛力更大。同時,在

吸液芯結(jié)構(gòu)的研究上,利用微納復(fù)合尺度技術(shù)會成

為研究者們攻克的一個方向,例如對吸液芯不同區(qū)

域進行不同的處理,提升吸液芯毛細能力的同時增

強冷凝端和蒸發(fā)端相變換熱的能力以及獲得更好

的傳熱均勻性和工質(zhì)輸送穩(wěn)定性。

同時,在未來由于電子設(shè)備的緊湊化和高功率

化,要求均熱板能夠長時間穩(wěn)定工作,研究者們需

要更多地去嘗試工質(zhì)與封裝材料以及吸液芯材料

的搭配,避免凝氣現(xiàn)象的發(fā)生,延長產(chǎn)品壽命周期,

同時獲得可大規(guī)模應(yīng)用且高效可行的封裝方法,嘗

試實現(xiàn)規(guī)?;鸵?guī)范化生產(chǎn)方法的突破。

在吸液芯種類選擇上,可以預(yù)見的是由于電子

產(chǎn)品功率的上升,吸液芯毛細能力的要求會更高,

同時厚度的限制之下對吸液芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需求

也更大,因此對于目前微溝槽吸液芯毛細能力上限

低,而多孔材料吸液芯在厚度極度減少時強度不足

的情況,本文認為應(yīng)該多進行復(fù)合結(jié)構(gòu)吸液芯的嘗

試,取長補短。

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(上接封二)

人民網(wǎng)是“網(wǎng)上的人民日報”,近年來在推進深度融合發(fā)展的進程中,高度重視人工智能為代表的前沿科技的引領(lǐng)

支撐作用。近六年來,人民網(wǎng)的業(yè)務(wù)逐步從創(chuàng)新和重新定義內(nèi)容業(yè)務(wù),到發(fā)展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),再到拓展智能業(yè)務(wù),形成了內(nèi)

容層、數(shù)據(jù)層和智能層三層協(xié)同發(fā)展的新狀態(tài)。

2023年初,隨著生成式人工智能的大潮涌來,人民網(wǎng)迅速開展內(nèi)容安全測評,4月,人民網(wǎng)啟動建設(shè)主流價值語料

庫。12月13日,人民網(wǎng)中標國家政務(wù)服務(wù)總平臺的智能化總客服。未來,在AI方向上,人民網(wǎng)應(yīng)用聚焦黨政大模型和

健康科普領(lǐng)域。

上海是人工智能領(lǐng)域的領(lǐng)先者。2023年7月6日,由人民網(wǎng)、上海人工智能實驗室、上海數(shù)據(jù)集團等單位在世界人

工智能大會上聯(lián)合發(fā)起“中國大模型語料數(shù)據(jù)聯(lián)盟”成立;9 月 20 日,人民網(wǎng)與上海市經(jīng)信委共同主辦“2023 數(shù)字經(jīng)濟

峰會·城市智能升級論壇”;11月,上海印發(fā)了《上海市推動人工智能大模型創(chuàng)新發(fā)展的若干措施》。這些都為我們合作

奠定了基礎(chǔ)?!跋嘈胚@次續(xù)約合作,一定會進一步落實好總書記的指示要求,再加上未來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的標桿企業(yè)的加持,我

們一定能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢,碰撞出更多的激情與火花,共同推進上海產(chǎn)業(yè)和信息化的高質(zhì)量發(fā)展。“

“7年來,人民網(wǎng)與上海市經(jīng)信委緊密攜手,在重大宣傳、黨建服務(wù)、課題研究、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展等方面展開深度合作,

推出一系列重大宣傳報道、理論課題項目等,取得了豐碩成果。”人民網(wǎng)副總編輯楊義在致辭時表示,未來將繼續(xù)攜手

講好上海未來產(chǎn)業(yè)以及企業(yè)家的創(chuàng)業(yè)故事,展現(xiàn)上海未來產(chǎn)業(yè)千帆競發(fā)、百舸爭流的蓬勃生機。

上海市經(jīng)濟和信息化委員會二級巡視員、技術(shù)進步處處長李宇宏以“聚力未來產(chǎn)業(yè)新賽道 加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力”

為主題,介紹了上海市聚力未來產(chǎn)業(yè)新賽道,加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力的做法。她表示,上海堅持系統(tǒng)謀劃,完善現(xiàn)代化產(chǎn)

業(yè)體系框架。一方面,聚焦筑基攻關(guān),強化科技產(chǎn)業(yè)雙向聯(lián)動,另一方面,強化生態(tài)打造,激發(fā)經(jīng)營主體動力活力。下一

步,上海將按照“項目+人才”“平臺+載體”的思路,全力發(fā)揮上海的人才、信息、資本、場景、生態(tài)等優(yōu)勢,通過賽馬機制

和揭榜掛帥,在五大未來產(chǎn)業(yè)集群的16個領(lǐng)域中跑出數(shù)個“核爆點”,在未來產(chǎn)業(yè)的版圖中體現(xiàn)上海作為。

圓桌論壇環(huán)節(jié)由人民網(wǎng)上海分公司總經(jīng)理金煜純主持。會上,來自上海傅利葉智能科技有限公司董事長兼CEO

顧捷,上海稀宇科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO閆俊杰,中國能建中電工程華東電力設(shè)計院有限公司總工程師、副總經(jīng)理

葉勇健,中國船舶集團有限公司第七〇八研究所副所長朱建璋,上海以心醫(yī)療器械有限公司董事長王莉等五家企業(yè)的

同志,圍繞“未來產(chǎn)業(yè)在長三角(上海)”分享了各自領(lǐng)域的前沿成果。

會上,人民網(wǎng)副總編輯楊義與上海市經(jīng)濟和信息化委員會二級巡視員、技術(shù)進步處處長李宇宏代表雙方簽訂了框

架合作協(xié)議。

據(jù)了解,根據(jù)框架合作協(xié)議,未來雙方將圍繞重大宣傳和黨建服務(wù)、聚焦高質(zhì)量發(fā)展、探索新模式激發(fā)新動能等方

面開展合作,共同推動產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展,為上海城市能級和核心競爭力的提升,注入加速前行的新活力新動能。

(來源:人民網(wǎng))

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節(jié)

魚雷動力系統(tǒng)技術(shù)特點研究

及趨勢展望

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

摘要:在熱動力魚雷領(lǐng)域,燃氣輪機及空間傳輸機構(gòu)的活塞式發(fā)動機(如斜盤發(fā)動機、擺盤發(fā)動機及凸輪

發(fā)動機等)有著較好的應(yīng)用前景。火箭發(fā)動機雖然能提供較高的航速,但由于燃料消耗速度較快,致使總

射程較短;而在電動力魚雷領(lǐng)域,除了提高蓄電池的能量密度之外,針對新型電機的開發(fā)進程也在持續(xù)進

行中。由于發(fā)動機的運作過程會受水下背壓影響,更傾向于將熱動力魚雷用于攻擊水面艦船;而電動力

魚雷由于隱蔽性較好,且潛航深度較深,更利于潛艇使用或進行反潛攻擊。魚雷在海防事業(yè)中起到的重

要作用,兩類魚雷都將持續(xù)得到廣泛應(yīng)用,技術(shù)研究依然有著較高的必要性。

關(guān)鍵詞:魚雷;燃氣輪機;斜盤發(fā)動機;擺盤發(fā)動機;凸輪發(fā)動機;火箭發(fā)動機

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2024.01.011

Research on Technical Features and Trends of Torpedo

Power System

WU Saite

Shanghai Automotive Industry Group Co., Ltd.

Abstract: In the field of thermal power torpedoes, gas turbines and piston engines with space transmission

mechanisms (such as swash plate engines, wobble plate engines, and cam engines) have good application

prospects. Although rocket engines can provide high speeds, their total range is relatively short due to their rapid fuel consumption rate.In the field of electric power torpedoes, in addition to improving the energy density of

batteries, the development process of new motors is also ongoing. Since the operation process of the engine is

收稿日期:2023-02-17

作者簡介:伍賽特(1990-02-),男,工學(xué)碩士,工程師、經(jīng)濟師、信息系統(tǒng)項目管理師、知識產(chǎn)權(quán)師,研究方向為內(nèi)燃機與動力裝置

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0 引言

魚雷是一類自行推進的水中兵器,通常用于攻

擊水面艦船或潛艇。迄今為止,魚雷被用作海戰(zhàn)武

器已有一百余年的歷史。由于此前導(dǎo)彈武器也被應(yīng)

用于海戰(zhàn),使魚雷在海戰(zhàn)中的地位有所提高,與其他

海戰(zhàn)武器相比,魚雷依然具有諸多優(yōu)勢。

魚雷與其他武器協(xié)調(diào)配合,能在海戰(zhàn)中發(fā)揮重

要作用,在現(xiàn)代海戰(zhàn)中仍是海軍的重要武備之一。

各國海軍對魚雷武器的研制和發(fā)展十分重視,特別

是在反潛作戰(zhàn)領(lǐng)域,魚雷技術(shù)得到了快速發(fā)展。按

制導(dǎo)方法的不同,魚雷通常有自控魚雷和自導(dǎo)魚雷

之分。

1 魚雷的結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)代魚雷種類繁多,但在結(jié)構(gòu)上大體相同,魚

雷所執(zhí)行的戰(zhàn)斗任務(wù),都是為了攻擊水中目標。通

常而言,任何一種魚雷均會配備有戰(zhàn)斗部、能源儲

備系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、操縱機構(gòu)及制導(dǎo)系統(tǒng),以上機構(gòu)

均安裝在魚雷殼體內(nèi)部。

1)雷頭:雷頭也稱戰(zhàn)斗部,裝有擊毀目標的烈

性炸藥及引爆器。對于自導(dǎo)魚雷,其內(nèi)部還裝有自

導(dǎo)裝置。

2)魚雷中段:屬于能源儲備段,在其水密圓柱

形殼體內(nèi)裝有蓄電池或燃料與氧化劑等。

3)魚雷后段:配裝有魚雷發(fā)動機(或推進電

機)、推進軸及操縱裝置。

4)雷尾:配裝有用于固定魚雷的鰭和舵,推進

軸末端的螺旋槳。

動力系統(tǒng)可將其他形式的能源換為機械能,為

魚雷的自動航行提供動力來源。根據(jù)能源形式的

不同,魚雷動力系統(tǒng)可分熱動力系統(tǒng)與電動力系統(tǒng)

兩大類[1]

。熱動力系統(tǒng)可將燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能

轉(zhuǎn)換為機械能,并驅(qū)動推進器以產(chǎn)生推力,使魚雷

向前運動。電動力系統(tǒng)則將蓄電池提供的電能轉(zhuǎn)

換為機械能,從而為魚雷提供前進動力。采用熱動

力系統(tǒng)的魚雷即為熱動力魚雷,而采用電動力系統(tǒng)

的魚雷即為電動力魚雷。重點針對魚雷的熱動力

系統(tǒng)及電動力系統(tǒng)進行介紹。

2 魚雷熱動力系統(tǒng)及其組成

2.1 魚雷熱動力系統(tǒng)的循環(huán)模式及組成

魚雷熱動力系統(tǒng)按運行方式可分為開式循環(huán)

動力系統(tǒng)、半開式循環(huán)動力系統(tǒng)和閉式循環(huán)動力系

統(tǒng)[2]

。在開式循環(huán)動力系統(tǒng)中,魚雷推進劑燃燒后

產(chǎn)生的高溫燃氣,全部排入海水中,會產(chǎn)生明顯的

航跡,而發(fā)動機功率同樣也受潛航深度限制;在半

開式循環(huán)動力系統(tǒng)中,魚雷推進劑燃燒后產(chǎn)生的高

溫燃氣,部分儲存在雷體內(nèi),部分排入海水中,使魚

雷航跡得以明顯減弱,但發(fā)動機功率依然受到潛航

深度影響;在閉式循環(huán)動力系統(tǒng)中,魚雷推進劑燃

燒后產(chǎn)生的廢氣全部儲存在雷體內(nèi),可實現(xiàn)循環(huán)利

用,發(fā)動機自身功率不受潛航深度限制且不產(chǎn)生航

跡,適用于深水反潛魚雷,但由此將增加相應(yīng)的冷

affected by underwater back pressure, thermal power torpedoes are more likely to be used to attack surface

ships;while electric power torpedoes are more conducive to submarine use or anti-submarine attacks due to

their good concealment and deep diving depth. Torpedoes play an important role in coastal defense, and both

types of torpedoes will continue to be widely used, and technical research is still highly necessary.

Key words: Torpedo; Gas Turbine; Swash Plate Engine; Wobble Plate Engine; Cam Engine; Rocket Engine

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節(jié)

凝系統(tǒng)。目前,魚雷熱動力系統(tǒng)主要分為四部分,

包括儲能系統(tǒng)、能量供應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、分解燃燒與點

火系統(tǒng),以及主機。

2.2 儲能系統(tǒng)

就能源結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為固、液、氣三態(tài),按組分

單組元、雙組元及三組元。能源的儲存方式主要決

定于能源組分。能源包括了氣體組分,需要采用儲

氣的高壓容器。如果能源主要為液體或固體形態(tài),

儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就會更為簡易。

魚雷除主機所用能源(或稱主能源)外,還有

輔助能源,如控制系統(tǒng)、啟動用的高壓空氣、電源

等。電源一般由蓄電池來提供,也可通過主機驅(qū)

動發(fā)電機來供應(yīng)部分能源。為充分利用高壓空氣,

魚雷通常需要自備小型氣瓶,氣瓶因為體積較小,

采用玻璃鋼等材料來減輕重量。

2.3 能量供應(yīng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)

能量供應(yīng)系統(tǒng)主要分為能量供應(yīng)系統(tǒng)與能量

調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在能量供應(yīng)系統(tǒng)中,需要采用各種類型

的泵,其中,液體能源的輸送方式主要包括泵吸法

及擠壓法。就擠壓法而言,主要可通過另一種介質(zhì)

(例如海水)來擠壓能源,而這種介質(zhì)也需通過泵來

輸送。歷史上用于魚雷的泵品種也較多,包括柱塞

泵、離心泵及齒輪泵等。隨著潛航深度的加大,高

壓泵有著最好的前景,從而簡化了泵的類型。泵不

但可用于供應(yīng)燃料,而且還用于供應(yīng)滑油、冷卻劑

(海水或滑油)??傮w而言,研制體積小、重量輕、功

率大、壓力高的新型泵,成為制約熱動力魚雷發(fā)展

的關(guān)鍵問題之一。

除此以外,能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)也有著較高的重要

性,其主要用于調(diào)節(jié)燃料的壓力及流量,以確保魚

雷航速的穩(wěn)定性。對于主要在淺水區(qū)航行以攻擊

水面艦船的魚雷而言,其潛航深度通常較為固定,

即只在較小的范圍內(nèi)變化。因此,這種魚雷的動力

系統(tǒng)較易于實現(xiàn)控制。此外,該類魚雷雖能采用多

速制,但通常會在發(fā)射之前對航速予以設(shè)定。因

此,在其航行途中,速度往往不會發(fā)生較大變化。

而對于潛航深度較大的反潛魚雷而言,情況則

有所不同。一方面,該類魚雷的潛航深度會有較大

的變化,同時由于自導(dǎo)系統(tǒng)的需要,會隨時進行增

速或減速。在部分情況下,該類魚雷可能會同時需

要改變深度與速度。由于發(fā)動機對背壓通常較為

敏感,因此調(diào)節(jié)過程的復(fù)雜性大幅增加。不僅如

此,在變化如此劇烈的環(huán)境條件下,發(fā)動機不應(yīng)出

現(xiàn)熄火及停止運行的現(xiàn)象。同時,發(fā)動機應(yīng)盡可能

確保魚雷航速的穩(wěn)定性,因為航速是彈道計算的必

要參數(shù),不應(yīng)出現(xiàn)頻繁變化。由此,能快速反饋背

壓數(shù)值的高靈敏度壓力傳感器是提升調(diào)節(jié)系統(tǒng)技

術(shù)水平的關(guān)鍵部件。

2.4 分解燃燒及點火系統(tǒng)

由于需要在較深的海域內(nèi)航行,其背壓會對熱

動力魚雷的燃燒過程帶來影響。由此需要優(yōu)化燃

燒室的結(jié)構(gòu),并采用能確保燃燒過程安全性的控制

裝置。為了確保燃燒過程的有序進行,必須將燃料

預(yù)熱至一定溫度,且需要對燃料的燃燒特性開展相

關(guān)研究。

2.5 發(fā)動機

可用于魚雷的發(fā)動機主要有活塞式發(fā)動機、渦

輪發(fā)動機及噴射發(fā)動機等。具體技術(shù)特點如下:

2.5.1 活塞式發(fā)動機

按結(jié)構(gòu)不同魚雷的活塞式發(fā)動機可分為往復(fù)

式內(nèi)燃機、擺盤式發(fā)動機、斜盤發(fā)動機及凸輪發(fā)動

機。往復(fù)式內(nèi)燃機一般具有兩個氣缸、雙向作用活

塞和曲柄連桿機構(gòu)。其氣缸呈臥式或星形式布置,

由滑閥實現(xiàn)配氣,利用曲柄連桿機構(gòu),將活塞的往

復(fù)運動變?yōu)橥七M軸旋轉(zhuǎn)運動,以驅(qū)動推進器。擺盤

式發(fā)動機及斜盤發(fā)動機,可分別利用擺盤機構(gòu)及斜

盤機構(gòu),將活塞的往復(fù)運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。其氣缸

軸線與魚雷縱軸平行,且繞縱軸按圓周分布,由轉(zhuǎn)

閥配氣,利用該空間傳輸機構(gòu),以驅(qū)動推進器。其

中,擺盤式發(fā)動機采用單軸輸出方案,斜盤發(fā)動機

采用反向雙軸輸出的方案[3]

,凸輪發(fā)動機可利用凸

魚雷動力系統(tǒng)技術(shù)特點研究及趨勢展望

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輪機構(gòu)將活塞的往復(fù)運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動[4]

。凸輪發(fā)

動機的氣缸布置情況與斜盤發(fā)動機相似,由轉(zhuǎn)閥配

氣,借助圓柱凸輪機構(gòu)驅(qū)動主軸,可作單軸或雙軸

輸出,且具有結(jié)構(gòu)簡單、功率大與噪音小的特點,是

小型熱動力魚雷的新型發(fā)動機。目前,53-66型魚

雷的發(fā)動機為臥式內(nèi)燃機,MK46 型和 MK48 型魚

雷為斜盤發(fā)動機。

2.5.2 渦輪發(fā)動機

用于魚雷的渦輪發(fā)動機主要包括汽輪機及燃

氣輪機兩類。歷史上曾有部分魚雷采用過汽輪機,

但近年來,在熱動力魚雷上得到廣泛應(yīng)用的主要為

燃氣輪機。在該類發(fā)動機中,高溫、高壓燃氣推動

葉輪,使葉輪作旋轉(zhuǎn)運動,動力輸出軸經(jīng)減速裝置

減速后,驅(qū)動推進器[5-6]

。該類發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單且功

率較大,但燃料消耗速度較快,且制造工藝復(fù)雜。

2.5.3 噴射發(fā)動機

該類發(fā)動機通過向后拋射物質(zhì),從而為熱動力

魚雷提供推進動力來源,主要可分為火箭發(fā)動機與

噴水發(fā)動機。其中,火箭發(fā)動機可將固體推進劑的

化學(xué)能轉(zhuǎn)換為魚雷推進動力[7]

。固體推進劑在燃燒

室中燃燒,產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣,經(jīng)噴管高速噴射

產(chǎn)生反作用力,推動魚雷前進?;鸺l(fā)動機具有結(jié)

構(gòu)簡單及航速高的優(yōu)點,但其射程較短,燃料消耗

速度較快,多采用助推器或飛機投射,以彌補水下

射程不足的劣勢。

噴水發(fā)動機則利用推進劑在燃燒室中燃燒產(chǎn)

生的熱能作為發(fā)動機的能量來源。隨后,發(fā)動機驅(qū)

動射流泵以吸入海水,并從魚雷尾部向后高速噴出

水流,以產(chǎn)生反作用力,從而推動魚雷前進。

該兩類發(fā)動機無需采用外置螺旋槳,具有推力

大、航速高和噪音小等優(yōu)點,但也面臨著燃料消耗

速度快及射程短的技術(shù)問題。

3 魚雷電動力系統(tǒng)及其組成

3.1 魚雷電動力系統(tǒng)的構(gòu)成

魚雷電動力系統(tǒng),主要由蓄電池組、推進電

機、接觸器及轉(zhuǎn)換開關(guān)等構(gòu)成。蓄電池組可用于

為推進電機供電,還可為自導(dǎo)魚雷的自導(dǎo)和控制

系統(tǒng)供電。推進電機用于將電能轉(zhuǎn)換成推進動

力,驅(qū)動螺旋槳。接觸器用于控制推進電機的負

極電路。轉(zhuǎn)換開關(guān)則用于控制推進電機電路。魚

雷通過采用電動力系統(tǒng),具有噪聲小、無航跡,推

進功率不受潛航深度影響等優(yōu)點,但其航速較低,

且射程較短。

3.2 電池系統(tǒng)

電動力系統(tǒng)的能源來自蓄電池。蓄電池可根據(jù)

正、負極與電解液的材料分類。以魚-4型魚雷所使

用的鉛酸蓄電池為例,其正極為二氧化鉛,負極為

鉛,電解液為硫酸。鉛酸蓄電池的特點是成本低廉,

但其比能量較低,通常為15~20(Wh)/kg。與鉛酸

蓄電池相似的還有鎳鎘蓄電池,其正極為氧化鎳,

負極為鎘,電解液為氫氧化鉀溶液。銀鋅蓄電池是

在電動力魚雷上應(yīng)用較為廣泛的電源,也是魚-3型

魚雷使用的電池,其正極為氧化銀,負極為鋅,電解

液為氫氧化鉀溶液,其比能量可達 50(Wh)/kg 以

上,但由于消耗銀,成本相對較高[8]

。目前,海水電

池發(fā)展較快,許多新型小型魚雷上都采用了海水電

池,如意大利的A244/S型魚雷使用鎂氯化銀電池,

其比能量可達100(Wh)/kg以上。法國的海鱔魚雷

使用鋁氧化銀電池,比能量可達 150(Wh)/kg 以

上。海水電池在使用前,無需注入電解液,電解液

的溶質(zhì)(如氫氧化鈉)平時以固態(tài)存放,使用時則以

海水為溶劑,溶質(zhì)溶解后即形成電解液。因此,海

水電池的儲存壽命較長,但由于使用時要抽入海水

并形成循環(huán),需要額外配備一套電解液供給系統(tǒng),

使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

3.3 推進電機

用于魚雷的推進電機由勵磁系統(tǒng)和電樞系統(tǒng)

等部件構(gòu)成。待電源主電路接通后,電樞實現(xiàn)高速

旋轉(zhuǎn),推進電機將蓄電池組釋放出的電能轉(zhuǎn)換為機

械能,并經(jīng)減速裝置減速后,驅(qū)動推進器,為魚雷提

供動力來源。在過去較長的一段時間內(nèi),多以直流

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電機作為主推進裝置。

4 魚雷推進器及其分類

現(xiàn)代魚雷的推進器主要有對轉(zhuǎn)螺旋槳、泵噴推

進器與導(dǎo)管螺旋槳3種。對轉(zhuǎn)螺旋槳由兩個轉(zhuǎn)向相

反的螺旋槳組成[9-10]

,是目前魚雷上使用最多的一

種推進器,如MK46型魚雷等,其特點是結(jié)構(gòu)簡單、

失衡力矩小、效率較高,且空泡性能較差。泵噴推

進器主要由一個減速型導(dǎo)管、一個轉(zhuǎn)子及一個定子

構(gòu)成,由于轉(zhuǎn)子在較低的流速下工作,大幅改善了

空泡性能,易于獲得良好的噪聲性能,這是泵噴推

進器的最大優(yōu)點,其缺點是效率較低。美國的

MK48型魚雷、英國的“矛魚”型魚雷均使用泵噴推

進器。導(dǎo)管螺旋槳是在對轉(zhuǎn)螺旋槳外側(cè)加一導(dǎo)管,

以控制流速。漸擴式導(dǎo)管使流速降低,從而改進螺

旋槳的噪聲性能,漸縮式導(dǎo)管使流速加大,可以提

高螺旋槳的效率。因此導(dǎo)管螺旋槳是一種有著較

好發(fā)展前景的魚雷推進器。美國MK50型魚雷、英

國“鯆魚”型魚雷、法國“海鱔”型魚雷使用的都是導(dǎo)

管螺旋槳。

上述3種推進器是魚雷的常規(guī)推進器,其原理

都是利用具有非對稱翼型面的葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推

力。此外,正如2.5.3中所述,空中飛行器常用的噴

氣推進在魚雷上也有應(yīng)用,以PAT52型魚雷為例,

其以火箭發(fā)動機作為推進動力來源。為了解決噴

氣推進效率較低的問題,磁流體噴水推進是目前研

究的一個新方向。

5 魚雷動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及展望

5.1 魚雷熱動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及展望

5.1.1 魚雷熱動力系統(tǒng)技術(shù)的歷史發(fā)展概述

早期魚雷的動力系統(tǒng)通過壓縮空氣來做功,以

此為魚雷提供動力來源。但在該方案條件下,實際

上只利用了工質(zhì)的壓縮位能。后來作了進一步優(yōu)

化,為魚雷添加了燃燒室,在燃燒室中,使該部分壓

縮空氣與燃料共同參與燃燒,為魚雷提供動力來

源。通過采用此類熱動力系統(tǒng),使魚雷的射程及航

速有了顯著提升。后來又發(fā)現(xiàn),燃氣的溫度較高,

為確保部件的正常運轉(zhuǎn),應(yīng)采用必要的冷卻措施。

采用海水冷卻的辦法雖能有效解決此類問題,但會

使發(fā)動機的熱效率降低。因此,各國先后選用了在

燃燒室內(nèi)噴水的措施,確保了熱動力魚雷的技術(shù)性

能,使其射程又有了進一步提升。

在第一次世界大戰(zhàn)期間,上述針對魚雷的技

術(shù)調(diào)整即告完成;而在第二次世界大戰(zhàn)期間,熱動

力魚雷的整體結(jié)構(gòu)型式總體變化不大。正是在第

二次世界大戰(zhàn)期間,研發(fā)出了電動力魚雷,其雖具

有無航跡的優(yōu)點,但由于當時蓄電池容量較小,在

航速上無法與熱動力魚雷相匹敵,一定程度上限

制了電動力魚雷的應(yīng)用[11]

。當時,常規(guī)的熱動力魚

雷航速早已超過40 kN,而電動力魚雷的航速大約在

30 kN左右。在同一時期,德國與日本即已開始采

用氧氣與過氧化氫等助燃劑,以及萘烷與肼等燃

料,使魚雷航速達到48 kN及以上。同時,為了節(jié)省

資源,棄用淡水,并以海水作為冷卻劑[12]

。

5.1.2 熱動力魚雷推進劑及其應(yīng)用現(xiàn)狀

熱動力系統(tǒng)的能源來自推進劑。推進劑主要

由燃燒劑與氧化劑兩部分組成,有時也會將冷卻劑

視為推進劑的一部分。

若推進劑中的燃燒劑與氧化劑合為一體(可以

是一種化合物,也可以是幾種化合物的混合物)進

行儲存與輸送,則稱為單組元推進劑,如MK46型魚

雷使用的OTTO-Ⅱ燃料即為液體單組元推進劑。

53-66型魚雷使用的燃燒劑為煤油,氧化劑為

壓縮空氣,冷卻劑為淡水,幾類物質(zhì)分別存儲在燃

油瓶、氣艙及水艙內(nèi),在送入燃燒室前不進行混合,

這樣的推進劑被稱為多組元推進劑。

5.1.3 熱動力魚雷發(fā)動機技術(shù)發(fā)展及展望

熱動力魚雷的主機類型也實現(xiàn)了多樣化。目

前,俄國方面長期使用臥式雙缸往復(fù)式主機,英國與

日本多采用多缸(4缸或呈星形排列)式柴油機[13]

,美

國多采用級數(shù)為兩級的渦輪發(fā)動機,德國也采用了

與美國相似的策略??梢哉f,除了汽油機以外,各

種常見的發(fā)動機都在魚雷上得到了應(yīng)用。熱動力

魚雷動力系統(tǒng)技術(shù)特點研究及趨勢展望

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節(jié)能論壇

魚雷主機呈現(xiàn)多樣化的原因,主要是因為受技術(shù)條

件所限。在發(fā)展歷程中,一度對魚雷自身的航速要

求并不高,從而使各種型式的主機都有了一定的發(fā)展

余地。如果要求魚雷主機的功率達到735 kW以上,

則部分類型的發(fā)動機必然會遭到淘汰。

目前,斜盤發(fā)動機、擺盤發(fā)動機及燃氣輪機等

機型有著較高的生命力。如果要求魚雷的航速達

到 100 kN 以上,則上述傳統(tǒng)的主機通常較難滿足

要求,由此需要采用如 2.5.3 中所述的火箭發(fā)動機

或噴水發(fā)動機,相應(yīng)也會使發(fā)動機與推進器合為

一體。

據(jù)估算,如果采用兩級式火箭發(fā)動機,可使航

速達到約100 kN,且使射程相應(yīng)提升。除此之外,

也可采用大型火箭所用的混合推進劑方案,即固體

燃料加上液態(tài)氧化劑,由此可延長燃燒持續(xù)時間,

增大推進劑的比沖。

考慮到移動設(shè)備在水中的航行特點,其所需功

率與移動速度近似呈3次方關(guān)系。因此在該規(guī)律影

響下,魚雷航速如需從40 kN提高到50 kN,所需功

率近乎提高了一倍。同理,魚雷航速如需從50 kN

提高到 60 kN,所需功率也近乎提高了一倍,約為

660~735 kW。正如上文所述,由于魚雷內(nèi)部空間

較為有限,如需采用此類具有較高功率的動力系

統(tǒng),必然會淘汰部分機型。就目前而言,燃氣輪機

是一項重要發(fā)展方向。

以美國MK48型魚雷為例,其以燃氣輪機為動

力來源。為了提高動力性能,需提升渦輪前的燃氣

參數(shù)。如果一味提高燃氣參數(shù),則廢氣中的焓必然

較高,如不對該部分廢氣加以合理利用,則動力系

統(tǒng)的總效率必然會有所降低。在不增加總重量的

前提下,如需提高動力系統(tǒng)的總效率,可采用廢氣

循環(huán)的方法,即流過渦輪后的廢氣不直接排出,在

魚雷內(nèi)部再次進行循環(huán)。該方案要求渦輪葉片有

著更高的能量轉(zhuǎn)換效率,相應(yīng)提升了對葉片的設(shè)計

要求,并提高了葉片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。如以燃氣輪機

作主機,需要采用高速螺旋槳來與之匹配,相應(yīng)縮

小減速比,簡化減速機構(gòu),便于其在魚雷殼體內(nèi)的

布置。

目前,以汪克爾發(fā)動機為例,其為一種無連桿

的活塞式發(fā)動機,具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸輕小及功率

大的特點,在車用動力領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。但目

前看來,其在魚雷上的應(yīng)用前景較為有限。主要原

因在于:就旋轉(zhuǎn)活塞的三個頂端及兩個端面而言,

其與氣缸的密封問題很難得到解決。在低水壓條

件下運行時,汪克爾發(fā)動機的性能表現(xiàn)差強人意,

但在高水壓條件下運行時往往由于密封性不足,從

而出現(xiàn)了氣體泄漏的現(xiàn)象。除此以外,汪克爾發(fā)動

機的壓縮比較小。考慮到以上兩類特點,汪克爾發(fā)

動機較難在深水中得到應(yīng)用。但對于在淺水面航

行以攻擊水面艦船的熱動力魚雷而言,汪克爾發(fā)動

機仍有一定的應(yīng)用前景。

除了汪克爾發(fā)動機以外,另一種無連桿式活塞

式發(fā)動機——斜盤發(fā)動機同樣可應(yīng)用于熱動力魚

雷。該類發(fā)動機的比功率可達6.5~8.0 kW/kg,具

有較高的動力性和緊湊性,有著較好的應(yīng)用前景。

5.2 魚雷電動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及展望

5.2.1 電動力魚雷蓄電池的技術(shù)發(fā)展及展望

早期的電動力魚雷均使用鉛酸蓄電池。在

第二次世界大戰(zhàn)期間及后續(xù)的一段時間內(nèi),該類

蓄電池曾在電動力魚雷上得到廣泛應(yīng)用。從 20

世紀 50 年代起,各國都開始研制銀鋅蓄電池,其

能量密度可達鉛酸蓄電池的五倍,并在美國的

MK37 型魚雷上得到了應(yīng)用。從 20 世紀 60 年代

起,又開發(fā)出了鎂氯化銀電池,其能量密度約比

銀鋅蓄電池高一倍。鎳鎘蓄電池曾被用作于魚

雷引信或其他部件的能量供給裝置。燃料電池

雖然有著較高的效率,但由于其輔助機構(gòu)較笨重

又復(fù)雜,且成本高昂,故一般不適宜作為魚雷的

能源。

電動力魚雷的蓄電池主要有以下技術(shù)要求:運

轉(zhuǎn)穩(wěn)定;不會發(fā)生爆炸;工作溫度適中。為此,電動

力魚雷蓄電池的主要發(fā)展方向如下:未來有望將魚

雷殼體與蓄電池結(jié)構(gòu)做成整體,以提升魚雷結(jié)構(gòu)強

度;根據(jù)魚雷航行條件的不同,選用最合適的電池

類型。

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5.2.2 電動力魚雷推進電機的技術(shù)發(fā)展及展望

自第二次世界大戰(zhàn)以后,各國都開始大力發(fā)展

反潛魚雷。當時的技術(shù)水平,尚無法在熱動力魚雷

上配裝制導(dǎo)系統(tǒng),反潛自導(dǎo)魚雷曾是電動力魚雷的

代名詞。為提升電動力魚雷的航行性能,與其相配

套的推進電機也得到了相應(yīng)發(fā)展。

電動力魚雷的推進電機最初的發(fā)展方向主要

是持續(xù)提高轉(zhuǎn)速。由于可控硅技術(shù)的發(fā)展,為推進

電機實現(xiàn)緊湊化及輕量化創(chuàng)造了條件,尤其是直流

電機的換向機構(gòu),完全可用可控硅線路來代替,這

種推進電機被稱為無刷直流電機。在無刷直流電

機中,由于整流子不采用電刷,也就有效避免了噪

音及火花的出現(xiàn)。除此以外,許多電子變壓器及整

流器已得到了廣泛應(yīng)用,可實現(xiàn)直流變壓,具備較

高的實用性。

目前,已出現(xiàn)了許多不同類型的無刷推進電

機,如磁阻電機等。另外一種是采用交流推進電機

(感應(yīng)式的或同步式的),需要在蓄電池到電機的線

路中增加一個逆變器,將直流電轉(zhuǎn)換為交流電,相

應(yīng)增加了成本和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

6 熱動力魚雷與電動力魚雷的對比研究

熱動力魚雷的主要優(yōu)勢是其能量密度較高,可

以顯著提升魚雷的射程及航速。但該類魚雷由于采

用了熱力發(fā)動機,在工作時排出的廢氣及廢液通常

會在海水中形成明顯航跡,易于暴露魚雷自身,致使

敵艦可能會提前采取策略,以進行回避。不僅如此,

該類魚雷通常不適于在水下發(fā)射,因為隨著水深的

增加,要求排氣壓提高,會使魚雷能量損失進一步加

劇。因此,熱動力魚雷多用于攻擊水面艦船。

與熱動力魚雷相比,電動力魚雷最突出的優(yōu)點

是不會產(chǎn)生航跡,發(fā)動機功率不受海水深度變化影

響,可實現(xiàn)深水發(fā)射,非常適宜潛艇使用。但由于

魚雷本身攜帶的電池容量有限,所以其航速通常低

于熱動力魚雷,射程也不夠長。但由于電動力魚雷

適于潛艇使用或開展反潛攻擊,各國對該類魚雷的

研制工作均較為重視。目前,正在開發(fā)一些新技

術(shù),使該類魚雷的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能不斷得到提高。

對電動力魚雷而言,將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝

置是推進電機,魚雷上多采用串激式直流電機。對

熱動力魚雷而言,將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置是發(fā)

動機。如上文所述,魚雷上用的發(fā)動機主要有活塞

式發(fā)動機、燃氣輪機與火箭發(fā)動機等。以火箭發(fā)動

機為例,其燃料消耗速度雖然較快,但為熱動力魚

雷提供的航速同樣也較快。PAT52 型魚雷用的是

火箭發(fā)動機,航速可達60 kN以上。雖然航速較快,

但其弊端在于總射程較短。綜上所述,熱動力魚雷

與電動力魚雷的對比如表1所示。

表1 熱動力魚雷與電動力魚雷的對比

項目

射程

航速

噪聲

隱蔽性

潛航深度

技術(shù)難度

研制周期

生產(chǎn)成本

動力裝置類型

熱動力魚雷

發(fā)動機

電動力魚雷

推進電機

為適應(yīng)反潛作戰(zhàn)需要,現(xiàn)代魚雷的航速約為

45~60 kN,最大可達70 kN。部分航空魚雷采用火

箭發(fā)動機,航速可達68 kN,但射程較短。目前,魚

雷動力系統(tǒng)領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢是:采用陶瓷材料

或金屬基陶瓷纖維復(fù)合材料,減輕發(fā)動機重量,提

高熱效率;采用低溫超導(dǎo)、可控硅整流器、可控硅逆

變器,以及交流推進電機;采用磁流體推進技術(shù)和

泵噴射推進技術(shù)[14-15]

。

7 魚雷總體技術(shù)發(fā)展趨勢

自二戰(zhàn)以后,魚雷技術(shù)得到了長足發(fā)展,且不

因?qū)椉盎鸺拇笠?guī)模推廣而受到影響,部分國家

將魚雷稱為“水下導(dǎo)彈”。現(xiàn)代出現(xiàn)的火箭助飛魚

雷可被視為導(dǎo)彈與魚雷的結(jié)合產(chǎn)品。就目前而言,

現(xiàn)代魚雷的技術(shù)發(fā)展趨勢總體如下:

魚雷動力系統(tǒng)技術(shù)特點研究及趨勢展望

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1)潛航深度越來越大。

2)航速越來越高,且射程越來越遠。隨著潛艇

技術(shù)和反潛技術(shù)的發(fā)展,當前世界各國海軍的水面

艦船和潛艇的航速也在日益增加。為確保魚雷的

攻擊效能,魚雷航速必須不低于水面艦艇或潛艇航

速的1.5倍。為提高魚雷航速,關(guān)鍵是改善魚雷動

力系統(tǒng)的性能,目前該領(lǐng)域的發(fā)展方向主要如下:

加強熱動力魚雷燃料和新型發(fā)動機的研制;開發(fā)優(yōu)

質(zhì)魚雷電池和電機;改善魚雷流體線型,減少阻力,

以提高魚雷航速。

3)導(dǎo)引精度越來越高。由于水面艦艇和潛艇

普遍采用水聲對抗措施,特別是潛艇的隱身技術(shù)

和干擾手段不斷發(fā)展,要求魚雷的導(dǎo)引精度相應(yīng)

提高。

4)爆炸威力越來越大。目前,就水面艦艇的水

下部分而言,其水密艙的強度得到了顯著提升;對

潛艇而言,不但耐壓艇殼的強度有所提升,而且已

采用了雙殼制,非耐壓外殼與耐壓殼體之間的距離

可達3 m以上。因此為確保魚雷能擊毀潛艇和水面

艦艇,必須迅速提高魚雷的爆炸威力。為實現(xiàn)該目

標,主要可從以下幾方面著手:選用高當量的塑膠

炸藥;采用定向爆破技術(shù);使魚雷垂直命中潛艇;必

要時,可在普通裝藥中加裝核裝藥。

8 結(jié)論與展望

對現(xiàn)代魚雷的熱動力系統(tǒng)及電動力系統(tǒng)進行

了詳盡闡述,經(jīng)研究,得出如下結(jié)論:

1)熱動力魚雷有著較高的能量密度,能實現(xiàn)更

高的航速與更長的射程,但同時也有著技術(shù)難度較

高、研制周期較長、生產(chǎn)成本較高的問題。再考慮

到發(fā)動機的工作會受水下背壓的影響,因此,一定

程度上限制了其應(yīng)用,多用于攻擊水面艦船。目

前,燃氣輪機及各類采用空間傳輸機構(gòu)的活塞式

發(fā)動機在熱動力魚雷領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。

為了提高魚雷的射程,仍需持續(xù)提高各類發(fā)動機

的熱效率。

2)與熱動力魚雷相比,電動力魚雷的發(fā)展周

期較短,并且航速及射程相對有限,但其具有無航

跡、噪聲小、隱蔽性好、潛航深度大等優(yōu)勢,特別適

于潛艇使用,或?qū)嵤┓礉撊蝿?wù)。目前,該領(lǐng)域的發(fā)

展方向為采用容量更大的電池,以及研發(fā)新型推

進電機。

3)就推進器方面而言,大部分魚雷仍采用螺旋

槳推進。目前,磁流體推進技術(shù)和泵噴射推進技術(shù)

是兩大較為重要的發(fā)展方向。

4)魚雷總體發(fā)展方向為持續(xù)提高航速,延長

射程,加大潛航深度,提高導(dǎo)引精度,增大爆炸

威力。

作為一類重要的水中兵器,魚雷在海防事業(yè)中

有著重要的地位,針對其開展的技術(shù)研究依然有著

較高的重要性。就目前而言,熱動力魚雷與電動力

魚雷均有其獨到的技術(shù)優(yōu)勢,會在其各自的應(yīng)用領(lǐng)

域中得到長足發(fā)展。

參考文獻

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“雙碳”目標下開展能源利用狀況報告

工作的幾點思考

田東蒙1 汪啟龍2 李夢辰3 何麗晨1 苗 楊1

1. 陜西省節(jié)能中心

2. 中煤科工西安研究院(集團)有限公司

3. 中國電子技術(shù)標準化研究院

摘要:對能源利用狀況報告的基本情況及國家對此項工作的部署進行了論述,并結(jié)合“雙碳”工作的最新

要求,分析了“雙碳”目標下能源利用狀況報告工作所存在的問題,并就此提出了幾點思考,以期促進能源

利用狀況報告工作的開展能夠為“雙碳”目標的實現(xiàn)發(fā)揮促進作用。

關(guān)鍵詞:節(jié)能;重點用能單位;能源利用狀況報告

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2024.01.012

Thoughts on Carring out Energy Utilization Status Reporting under the \" Double Carbon\" Goal

TIAN Dong Meng1

, WANG Qilong2

, LI Mengchen3

, HE Lichen1

, MIAO Yang1

1. Shanxi Energy Conservation Center

2. China Coal Science and Engineering Xi 'an Research Institute (Group) Co., LTD

3. China Institute of Electronic Technology Standardization

Abstract: This article discusses the basic situation of the energy utilization report and the national deployment

of this work, analyzes the problems existing in the energy utilization report under the \"Double Carbon\" goal in

combination with the latest requirements of the \"Double Carbon\" work, and puts forward several thoughts in order to promote the implementation of the energy utilization report work to play a catalytic role in achieving the

\"Double Carbon\" goal.

Key words: Energy Saving; Key Energy Consuming Units; Energy Utilization Status Report

收稿日期:2023-07-14

第一作者(通訊):田東蒙(1988年-08-),男,碩士研究生,工程師,主要從事節(jié)能、節(jié)電、電力需求側(cè)管理等工作

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0 引言

重點用能單位按要求報送能源利用狀況報告

是《節(jié)約能源法》規(guī)定的法定義務(wù),在幫助政府節(jié)能

主管部門掌握宏觀能耗數(shù)據(jù)、科學(xué)決策的同時,也

能夠幫助重點用能單位了解本單位綜合能耗、本單

位產(chǎn)品能耗等情況,并在此基礎(chǔ)上挖掘自身節(jié)能潛

力、降本增效。

1 能源利用狀況報告的開展情況

2008年,配合新修訂的《節(jié)約能源法》,國家發(fā)

展改革委發(fā)文首次對能源利用狀況報告工作提出

了要求,明確了能源利用狀況報告的填報單位、填

報內(nèi)容、填報方式以及報送時間[1]

。規(guī)定了包括基

本情況表、能源消費結(jié)構(gòu)表等12張報表的一套報告

格式。

2012年,國家發(fā)展改革委進一步對能源利用狀

況報告的表格內(nèi)容進行了修改[2]

,涉及領(lǐng)域從工業(yè)

1個領(lǐng)域增加到5個領(lǐng)域,報表格式由12張表精簡

為7張表。

此后,國家未出臺過關(guān)于能源利用狀況報告內(nèi)

容要求的其他通知文件。

2“雙碳”目標下能源利用狀況報告工作面臨

的問題

隨著碳達峰、碳中和目標的提出,節(jié)能工作面

臨著全新的形勢和挑戰(zhàn),做好節(jié)能工作對于實現(xiàn)

“雙碳”目標具有重要作用。未來對重點用能單位

的節(jié)能管理將會有更高的要求,但是目前的能源利

用狀況報告的現(xiàn)狀與其在實現(xiàn)“雙碳”目標應(yīng)發(fā)揮

的作用相去甚遠,主要表現(xiàn)在:

1)報告表格內(nèi)容亟須修改更新

距離2012版的能源利用狀況報告表格樣式修

改已有10多年,報表中很多內(nèi)容已經(jīng)有了明顯的變

化,能源統(tǒng)計表中能源品種已有較大變化,例如:增

加氫氣等能源品種,同時對生物燃料、工業(yè)廢料(用

于燃料)等能源品種重新命名、確定所包含的內(nèi)容;

進度節(jié)能量完成情況表等屬于“十二五”時期節(jié)能

工作的要求,與現(xiàn)在節(jié)能工作要求已經(jīng)不符合;國

家最新政策變化中提到的“新增可再生能源不納

入能源消費總量控制”“原料用能不納入能耗雙

控”等原則要求也應(yīng)在能源利用狀況報告中有所

體現(xiàn)。能源利用狀況報告中的報表也應(yīng)結(jié)合“雙

碳”及節(jié)能政策的最新要求和統(tǒng)計報表的變化作

出相應(yīng)調(diào)整。

2)能源利用狀況報告對宏觀節(jié)能工作提供數(shù)

據(jù)支撐的作用沒能得到發(fā)揮

能源利用狀況報告所需要的數(shù)據(jù)包括企業(yè)消

費的各能源品種數(shù)量、折標系數(shù),綜合能源消費量,

企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗等,但是目前的能源利用狀

況報告頻次是以年為單位,是每年報送一次,待數(shù)

據(jù)匯總后,對于宏觀節(jié)能形勢的反饋較為滯后,對

于“雙碳”及節(jié)能政策的調(diào)整、重點節(jié)能工作安排不

能發(fā)揮應(yīng)有的支撐作用。

3)不能很好地指導(dǎo)企業(yè)節(jié)能工作

政府節(jié)能工作的開展應(yīng)該是以監(jiān)管與服務(wù)相

結(jié)合的方式,來引導(dǎo)、約束并促進企業(yè)提高設(shè)備利

用效率,減少能源消費,達到提質(zhì)增效的效果。但

在實際工作中,節(jié)能主管部門只是要求企業(yè)上報,

而沒有正向地對企業(yè)能源利用狀況報告進行分析、

比對,對企業(yè)暴露出來的問題進行反饋,提供行之

有效的節(jié)能改進措施,并指導(dǎo)企業(yè)不斷完善內(nèi)部節(jié)

能管理,達到降本增效的目的。

4)沒有與重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)相

結(jié)合

從 2017 年開始,國家要求重點用能單位按要

求建設(shè)在線監(jiān)測系統(tǒng)[3]

。隨著工作的開展,不少企

業(yè)已按要求建設(shè)企業(yè)端,并接入省平臺和國家平臺

系統(tǒng),在線系統(tǒng)提供了大量的實時、日、月頻度的企

業(yè)能耗數(shù)據(jù)。企業(yè)接入的大量在線能耗數(shù)據(jù)可以

作為能源利用狀況報告的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源[4]

,有助于

提高能源利用狀況報告的數(shù)據(jù)真實性,并加快報送

頻次,同時減少企業(yè)報送的工作量,但目前為止,尚

未將二者有機地結(jié)合起來。

5)沒有與控碳工作有機結(jié)合

國家近年來大力推進控碳工作,并規(guī)定重點

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排放企業(yè)按要求報送溫室氣體排放報告。電力等

行業(yè)已經(jīng)開始了碳排放權(quán)交易,企業(yè)碳排放的數(shù)

據(jù)核算和能源利用狀況報告中的內(nèi)容和數(shù)據(jù)來源

有相當大的交集,可以充分地整合,合并為統(tǒng)一的

平臺,既減輕了企業(yè)的成本和負擔,也有助于政府

統(tǒng)一監(jiān)管。

3“雙碳”目標下能源利用狀況報告工作的幾

點思考

1)從國家層面形成統(tǒng)一的能源利用狀況報告

工作機制,加強對該項工作的統(tǒng)一決策部署,盡快

對能源利用狀況報告的表格內(nèi)容進行修改,并結(jié)合

碳達峰、碳中和要求及經(jīng)濟形勢發(fā)展變化,形成定

期修改的機制。

2)加強對能源利用狀況數(shù)據(jù)的分析運用,為政

府宏觀節(jié)能工作提供數(shù)據(jù)支撐。在年報的基礎(chǔ)上,

形成季報和月報,及時掌握重點用能單位能耗情

況,為政府決策提供及時有效的數(shù)據(jù)支撐。

3)通過對企業(yè)報送數(shù)據(jù)分析,加強對企業(yè)的用

能指導(dǎo)。通過對企業(yè)數(shù)據(jù)整理,分析地區(qū)、行業(yè)的

整體能耗情況及設(shè)備水平,為企業(yè)提供能效對標數(shù)

據(jù)支撐,不斷提高企業(yè)的節(jié)能管理水平。

4)進一步發(fā)揮能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

作用。重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)接入了大

量的企業(yè)能源消耗數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上分析研究利用

在線監(jiān)測數(shù)據(jù)直接報送能源利用狀況報告的可行

性,既減輕了企業(yè)的報送工作,又有助于提高數(shù)據(jù)

的準確性。

5)加強與控碳工作相結(jié)合,通過增加排放因子

等指標,使企業(yè)能源消耗數(shù)據(jù)可以快速轉(zhuǎn)化為碳排

放數(shù)據(jù),也可以大大減輕企業(yè)的填報工作量。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展,以及“雙碳”目標的

提出,相關(guān)節(jié)能政策及工作也發(fā)生了調(diào)整,原有的

能源利用狀況報告已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今工作的開展,

應(yīng)該從國家層面統(tǒng)籌研究能源利用狀況報告工作

機制,結(jié)合能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺建設(shè),整合碳排

放相關(guān)數(shù)據(jù)指標,實現(xiàn)能源利用狀況報告的數(shù)字化

和信息化。同時,加強對能源利用狀況報告等數(shù)據(jù)

的分析運用,為政府宏觀節(jié)能工作的開展提供決策

支撐,同時指導(dǎo)企業(yè)提高節(jié)能工作水平,使能源利

用狀況報告制度在“雙碳”目標實現(xiàn)過程中發(fā)揮積

極作用。

參考文獻

[1]國家發(fā)展改革委.重點用能單位能源利用狀況報告制度實施方案

[Z].2008.

[2]國家發(fā)展改革委.關(guān)于進一步加強萬家企業(yè)能源利用狀況報告工作

的通知[Z].2012.

[3]國家發(fā)展改革委.重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設(shè)工作方

案[Z].2017.

[4]鐘澤航.我國能源利用狀況報告制度面臨的問題與對策建議[J].廣東

科技,2020,29(7):87-89.

“雙碳”目標下開展能源利用狀況報告工作的幾點思考

115

第122頁

上 海 地 鐵 某 車 站 空 調(diào)

系統(tǒng)高效制冷機房改造

實測分析

宋 潔1 鄭 懿1 張萬毅2

1. 上海申通地鐵集團有限公司

2. 同濟大學(xué)

摘要:地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)高效技術(shù)是當前軌道交通節(jié)能降碳的主要手

段,針對上海某地鐵車站制冷機房高效化改造的具體情況、改造效果、能

效提升進行了詳細的分析和研究。改造選擇了磁懸浮冷水機組,應(yīng)用了

變頻技術(shù)來優(yōu)化水泵的運行,改造后空調(diào)季制冷機房平均能效比達到

5.16,年節(jié)電量約為30萬kWh,節(jié)能效果顯著。通過對制冷機房運行數(shù)

據(jù)進行對比分析得知,負載率的優(yōu)化對冷水機組能效具有直接而顯著的

影響,通過調(diào)整冷機出水溫度和優(yōu)化水泵變頻策略,能進一步提高制冷機

房的能效,為地鐵車站制冷機房高效化改造和能效提升提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞:地鐵站;高效機房;能效比;負載率;出水溫度

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2024.01.013

Experimental Analysis of Renovation of

High-Efficiency Refrigeration Room for

Air Conditioning System at a Station in

Shanghai Subway

SONG Jie1

, ZHENG Yi1

, ZHANG Wanyi2

收稿日期:2023-11-14

基金項目:上海市科委“科技創(chuàng)新行動計劃”科技支撐碳達峰碳中和專項項目:面向“零碳城軌”的軌道

交通車站節(jié)能降碳關(guān)鍵技術(shù)研究及示范(22dz1208100)

第一作者:宋潔(1983-07-),女,碩士,高級工程師,研究方向為地鐵環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化提升研究

通訊作者:鄭懿(1985-02-),男,碩士,高級工程師,國家注冊公用設(shè)備工程師(暖通空調(diào)),從事軌道

交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、給排水及消防系統(tǒng)的科學(xué)研究和技術(shù)管理工作

第123頁

SHANGHAI ENERGY SAVING

2024年第 01 期

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

2018 年第 08 期

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)

術(shù)

1. Shanghai Shentong Metro Group Co., Ltd.

2. Tongji University

Abstract: The high-efficiency technology of air conditioning system in subway stations is currently the

main means of energy saving and carbon reduction in rail transit. A detailed analysis and study were

conducted on the specific situation, transformation effect, and energy efficiency improvement of the

high-efficiency transformation of the refrigeration room in a subway station in Shanghai. The magnetic

suspension chiller was selected for the renovation, and the variable frequency technology was applied

to optimize the operation of the water pump. After the renovation, the average energy efficiency ratio of

the air conditioning season refrigeration room reached 5.16, and the annual power saving was about

300,000 kWh, which had significant energy saving effect. Through comparative analysis of the operating data of the refrigeration room, it was found that optimization of the load rate had a direct and significant impact on the energy efficiency of the chiller. By adjusting the chiller outlet temperature and optimizing the variable frequency strategy of the water pump, the energy efficiency of the refrigeration

room could be further improved, providing reference and assistance for the high-efficiency renovation

and energy efficiency improvement of the refrigeration room in subway stations.

Key words: Subway Station; High-Efficiency Machine Room; Energy Efficiency Ratio; Load Rate; Water Outlet Temperature

0 引言

城市軌道交通能耗已引起社會的關(guān)注,截至

2021年,我國共有50個城市保有軌道交通方式,總

線路長達9 000 km以上[1-2]

?!笆濉逼陂g,新增線

路長度4 300 km,創(chuàng)歷史新高。軌道交通的能耗問

題逐漸引起關(guān)注[3-4]

,而軌道交通車站空調(diào)系統(tǒng)能耗

占比最高,約為50%~70%。因此,為實現(xiàn)“雙碳”目

標,軌道交通車站空調(diào)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)的高效化建

設(shè)和改造勢在必行。

以上海典型地下軌道交通標準站的制冷系統(tǒng)

能效提升改造案例,探索地鐵車站空調(diào)提升能效的

主要途徑。

1 制冷機房改造情況

項目位于上海,屬于夏熱冬冷地區(qū),為軌道交通

地下標準站。該項目自2004年12月開通運營,共

有4個出入口,項目總建筑面積約5 800 m2

,是上海

日均客流量前十的站點,具有研究的典型性。

項目原空調(diào)系統(tǒng)制冷主機使用已達15年,效率

大幅度下降。通過對其空調(diào)系統(tǒng)進行升級改造,使

用高效空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),達到打造高效地鐵車站

的目標。

項目空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。原有2臺螺

桿式冷水機組,配置2臺冷凍水泵、2臺冷卻泵、2臺

冷卻塔,且無高效群控系統(tǒng)。本次改造將螺桿式冷

水機組替換為水冷磁懸浮變頻離心式冷水機組,水

泵全部更換為變頻水泵,并搭建車站智能空調(diào)群控

系統(tǒng)測試平臺,設(shè)備參數(shù)如表 1所示。

2 制冷機房改造效果

項目2021年改造完成,2022年為第一個完整

制冷季。為分析改造后的情況,從兩個維度進行效

果分析,一是項目改造后制冷機房變頻與定頻工況

運行的差異,二是項目的實際運行制冷機房能效比

和節(jié)能效果。

2.1 變頻與定頻工況對比

為充分評估系統(tǒng)能效提升效果與關(guān)鍵影響因

素,采用第三方現(xiàn)場連續(xù)檢測的方式,對系統(tǒng)工頻

上海地鐵某車站空調(diào)系統(tǒng)高效制冷機房改造實測分析

117

第124頁

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能 No.01

2024

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)能技術(shù)

與變頻模式下的能耗和能效進行檢測。

選取室外空氣溫度相近的兩天,在同一時段進

行工頻、變頻的測試。機組、水泵、冷卻塔開啟數(shù)量

相同,末端(空調(diào)箱)開啟情況相同。工頻測試時,

機組統(tǒng)一設(shè)定冷水出水溫度為 8 ℃,水泵工頻運

行;變頻測試時,機組的出水溫度、水泵頻率等依據(jù)

系統(tǒng)需求自動調(diào)節(jié)。

測試期間,空調(diào)系統(tǒng)正常運行,站廳的溫度在

26.4~28.5 ℃之間,滿足規(guī)范要求;站臺的溫度在

25.9~29.1 ℃之間,滿足車站關(guān)于站內(nèi)溫度的要求。

工頻和變頻工況下的制冷量基本一致,可以認

為兩個工況下,供冷效果基本一致,但是變頻工況

下,機房總功率較少,能耗較定頻工況降低約

15%,能效提升約 14.3%??梢钥吹?,兩種工況下

由于主機COP類似、冷卻塔功率相同,造成能效差

異的主要原因為水泵功率(對應(yīng)于水泵頻率),如表

2所示。

2.2 制冷季運行能效與節(jié)能量評估

該地鐵站自2022年6月2日開始正常運行,其

間空調(diào)機組開啟全新風(fēng)模式,連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)至9月

22日,共計3個多月。其間制冷機房運行平均能效

圖 1 改造站空調(diào)系統(tǒng)圖

表 1 空調(diào)機組銘牌參數(shù)

序號

1

2

3

4

5

6

設(shè)備名稱

水冷變頻磁懸浮離心式冷水機組

冷凍水泵

冷卻水泵

冷卻塔

分水器

集水器

規(guī)格型號

制冷量528 kW,功率90 kW

流量120 m3

/h,揚程32 m,功率15 kW

流量110 m3

/h,揚程32 m,功率15 kW

流量150 m3

/h,功率5.5 kW

Φ32 5;L=2 280 mm

Φ325;L=2 550 mm

單位

數(shù)量

2

2

2

2

1

1

備注

變頻

變頻

變頻

定頻

/

/

118

第125頁

SHANGHAI ENERGY SAVING

2024年第 01 期

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

2018 年第 08 期

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)

術(shù)

比為5.16,達到高效制冷機房水平。

圖 2 所示變頻工況下制冷機房系統(tǒng)各設(shè)備能

耗占比??梢钥吹狡渲兄鳈C能耗占比最大,為

73.6%,冷凍水泵和冷卻水泵能耗占比分別為

9.14%和12.31%。高效制冷機房案例冷水主機能

耗占比可達80%以上,而冷凍泵及冷卻泵能耗占比

應(yīng)該在 8%以下,可見當前系統(tǒng)運行仍有能效優(yōu)化

空間。

圖 2 變頻工況下制冷機房系統(tǒng)各設(shè)備能耗占比

由于該地鐵車站為既有線路,此前并未針對

空調(diào)制冷機房做詳細分項計量,因此為了探究改

造節(jié)能效果,采用同類別站點橫向?qū)Ρ鹊姆绞竭M

行節(jié)能量評估。圖 3 是兩個未改造的對比站和該

案例中改造站近年來各月份動力照明用電對比。

由于該既有線未做能耗分項計量,因此環(huán)控系統(tǒng)

用電和照明用電、電梯用電一起合并為動力照明

用電進行能耗統(tǒng)計。由圖 3 可知,空調(diào)季因為開

啟制冷系統(tǒng),動照總用電要遠超非空調(diào)季用電。

這也說明如進行制冷系統(tǒng)節(jié)能改造,節(jié)能空間也

是巨大的。

圖 3 無法用于觀察制冷系統(tǒng)節(jié)能改造前后對

動照總用電的影響,為了對比不同站空調(diào)季用電量

逐年相對變化,現(xiàn)以 2020 年空調(diào)季為動照總用電

基準年,計算各年份空調(diào)季動力照明總用電量相對

系數(shù)。如圖4所示,2022年空調(diào)季對比站1和對比

站2動照總用電與2020年相當,而改造站總用電則

相對2020年發(fā)生明顯下降。由于動照總用電中電

梯用電和照明用電量隨時間變化較小,因此,改造

站2022年動照總用電相對2020年的降低,主要由

表 2 現(xiàn)場檢測變頻與定頻工況的差異

工況

制冷量(kW)

冷卻量(kW)

輸入功率(kW)

熱不平衡率

(%)

主機COP

冷凍水泵功率(kW)

冷卻水泵功率(kW)

冷卻塔功率(kW)

系統(tǒng)總制冷量(kW)

系統(tǒng)總功率(kW)

系統(tǒng)能效比EER

1號冷水機組

2號冷水機組

1號冷水機組

2號冷水機組

1號冷水機組

2號冷水機組

1號冷水機組

2號冷水機組

1號冷水機組

2號冷水機組

1號冷凍水泵

2號冷凍水泵

1號冷卻水泵

2號冷卻水泵

1號冷卻塔

2號冷卻塔

變頻

372.79

374.14

402.81

427.38

5.4

-1.5

7.43

7.87

5.5

5.6

9.6

9.5

3.8

3.8

746.9

135.5

5.51

定頻

388.83

379.8

418.85

432.8

51.54

47.8

5.5

-1

12.1

12.2

14.1

14

3.8

3.8

768.63

159.34

4.82

上海地鐵某車站空調(diào)系統(tǒng)高效制冷機房改造實測分析

119

第126頁

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能 No.01

2024

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)能技術(shù)

制冷系統(tǒng)節(jié)能改造貢獻,經(jīng)計算空調(diào)季總節(jié)能量約

為30萬kWh,節(jié)能效果顯著。

3 能效提升分析

空調(diào)系統(tǒng)制冷機房的能效可以從很多方面進

行優(yōu)化提升,比如選擇高效設(shè)備、應(yīng)用變頻技術(shù)、基

于能效模型計算控制參數(shù)等。為了了解當前制冷

機房在能效提升方面的制約和繼續(xù)優(yōu)化的空間,分

別針對冷水機組負載率、冷機出水溫度、水泵進出

水溫差三組實際運行數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 冷機負載率分析

一臺冷水機組的負載率一般指其瞬時制冷量

與額定制冷量的比值,反映了冷水機組當前的出力

多少。不同類型的冷水機組其負載率對COP的影

響是直接而顯著的,根據(jù)文獻,螺桿機的高效區(qū)在

其負載率40%~90%、離心機在60%~70%[5]

,該案

例所采用的磁懸浮冷水機組“負載率-COP”特性與

圖 3 2017-2022年三個標準站動力照明用電量

圖 4 5-10月三個站動照總用電對比(以2020年用電為基準)

120

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SHANGHAI ENERGY SAVING

2024年第 01 期

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

2018 年第 08 期

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)

術(shù)

上述兩種機組不同,一般隨負載率的增加而COP降

低,因此大負載率情況下冷水機組的能效比較低。

圖 5 所示整個空調(diào)季兩臺冷水機組的負載率

分布直方圖,可以看出兩臺冷機負載率分布整體類

似,大部分負載率均超過70%,這無疑對冷水機組

的能效造成了負面影響,進而阻礙了制冷機房能效

的改善提升。一個制冷系統(tǒng)改造過程中,冷機容量

的確定不僅需要考慮末端負荷,同時也受到冷機供

配電配置制約。在供配電配置沒有改善的前提下,

很難用冷機選型將空調(diào)季負載率控制在高效區(qū),這

也對后續(xù)上海地鐵車站制冷機房高效化改造工作

提供了重要參考。

3.2 冷機出水溫度分析

對于典型的用于空調(diào)制冷的逆卡諾循環(huán),提升

蒸發(fā)溫度與降低冷凝溫度都可以提升循環(huán)能效

比。當前高效制冷機房技術(shù)突破了冷機7 ℃供水/

12 ℃回水的傳統(tǒng)設(shè)置,嘗試在末端負荷較低和除濕

壓力不大的情況下,在合適范圍內(nèi)對冷水機組供水

溫度進行調(diào)節(jié)以提升冷機能效比。

圖 5 冷機空調(diào)季負載率

在室外條件相近的條件下,可通過調(diào)整冷凍水

出水溫度探究其對制冷機房能效比的影響。圖 6

給出了改造站冷水機組在不同冷凍水出水溫度設(shè)

置下制冷機房的能效比,可以看到在相近的冷卻水

出塔平均溫度下,冷水機組冷凍水出水溫度從

8.63 ℃上升到 10.14 ℃,制冷機房的能效比也從

5.5增長到了6.1。說明對于磁懸浮冷水機組而言,

適當提升冷凍水出水溫度有利于顯著提高機組和

制冷機房的能效比。

圖 7 展示了某一運行時間段(對應(yīng)于 6 月 2 日

至6月11日)兩臺冷機出水溫度變化情況,其中陡

峭升起的尖峰為冷機停止運行期間水溫,可以看到

兩臺冷機出水溫度基本穩(wěn)定在約7.5 ℃之間。從圖

中還可以看出,1號冷水機組冷凝器進水溫度在部

分時間段較低,反映了較低的室外濕球溫度和制冷

系統(tǒng)負荷,但冷機出水溫度未隨之適當調(diào)升以提高

系統(tǒng)能效。所以當前運行策略在改變出水溫度以

提升制冷機房能效方面仍有繼續(xù)優(yōu)化空間。

3.3 水泵進出水溫差分析

在同樣的時間段內(nèi),1號冷機的冷凍泵和冷卻

泵的進出水溫差變化如圖 8 所示。在此期間前

幾日、冷凍水泵、冷卻水泵均定頻運行,頻率約為

36 Hz,此時冷凍水溫差和冷卻水溫差在3~5 ℃之

上海地鐵某車站空調(diào)系統(tǒng)高效制冷機房改造實測分析

121

第128頁

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能 No.01

2024

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)能技術(shù)

間波動,未體現(xiàn)變頻節(jié)能策略的應(yīng)用。爾后幾日則

轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋬鏊媒咏?0 Hz運行、冷凍水溫差保持

在約 5 ℃,而冷卻泵高頻運行、冷卻水溫差保持在

4 ℃左右,前者若設(shè)置 5 ℃溫差控制,后者因保持

4 ℃溫差導(dǎo)致冷卻水泵頻率較高能耗較高,最終可

能使得制冷機房能效降低。所以當前制冷機房水

泵變頻策略未保持一致也沒完全體現(xiàn)節(jié)能特性。

由于水泵額定功率在制冷機房中占比較高(該

案例中冷凍水泵、冷卻水泵合計占比27.1%),而水

泵變頻帶來的能耗降低又較為可觀,如理論上當水

泵從50 Hz降為40 Hz時可使能耗降低50%,由此

帶來的制冷機房能效提升顯著。以往成功的高效

制冷機房案例中冷凍、冷卻水泵運行能耗占比往往

在16%以下,這既是較優(yōu)變頻策略的應(yīng)用結(jié)果,也

是管路和阻力優(yōu)化帶來的效益。因此在制冷機房

高效化改造中,應(yīng)統(tǒng)籌水泵配置及變頻對制冷機房

圖 6 不同冷凍水出水溫度設(shè)置下冷源系統(tǒng)運行效率

圖 7 冷機蒸發(fā)器出水溫度(℃)

122

第129頁

SHANGHAI ENERGY SAVING

2024年第 01 期

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

2018 年第 08 期

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)

術(shù)

能效的影響趨勢,因地制宜優(yōu)化管路阻力和變頻策

略,以使制冷機房高效運行。

4 結(jié)論

對上海某地鐵車站制冷機房高效化改造的

具體情況、改造效果、能效提升進行了詳細的分

析和研究,改造中選擇了高效磁懸浮冷水機組,

應(yīng) 用 了 變 頻 技 術(shù) 來 優(yōu) 化 水 泵 的 運 行 ,改 造 后

2022 年空調(diào)季制冷機房平均能效比達到 5.16,年

節(jié)電量約為30萬kWh,節(jié)能效果顯著。

為了進一步提升能效比,對制冷機房運行數(shù)

據(jù)進行了對比分析,并得出如下結(jié)論:負載率的優(yōu)

化對冷水機組能效具有直接而顯著的影響,但對

于改造項目來說還需考慮冷機配電問題。通過調(diào)

整冷機出水溫度和優(yōu)化水泵變頻策略,能進一步

提高制冷機房的能效,這需要更加有效的節(jié)能控

制策略。

通過改造措施和效果分析:選擇高效設(shè)備、應(yīng)

用變頻技術(shù)和合理調(diào)整控制參數(shù),是制冷機房能效

提升的重要手段;綜合考慮節(jié)能和穩(wěn)定性的平衡,

將是制冷機房能效提升和高效化改造的關(guān)鍵。這

些研究結(jié)果為地鐵車站制冷機房高效化改造和能

效提升提供了具體的改造方案和實踐指導(dǎo),對于實

現(xiàn)低碳、高效的能源利用具有重要意義。

參考文獻

[1]侯秀芳, 梅建萍, 左超, 等. 2020 年城市軌道交通線路統(tǒng)計分析[J].

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(11):10-14.

圖 8 制冷機房冷凍泵與冷卻泵進出水溫差

上海地鐵某車站空調(diào)系統(tǒng)高效制冷機房改造實測分析

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2024

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)能技術(shù)

臺風(fēng)和臺風(fēng)模型研究綜述

陳俊鵬 周自成 劉飛虹 王 印 周 月

明陽智慧能源集團股份公司

摘要:我國東南沿海及近海區(qū)域風(fēng)能資源豐富,但也是受臺風(fēng)嚴重影響的區(qū)域。認識臺風(fēng)結(jié)構(gòu),并探究和

預(yù)測臺風(fēng)高發(fā)區(qū)域的風(fēng)場特征,對海上風(fēng)電場的運行安全至關(guān)重要。首先詳細闡述了臺風(fēng)的成因以及結(jié)

構(gòu)特征,在此基礎(chǔ)上,總結(jié)參數(shù)臺風(fēng)風(fēng)場模型的原理以及關(guān)鍵參數(shù),并對風(fēng)場模型中各關(guān)鍵參數(shù)進行了詳

細闡釋。臺風(fēng)風(fēng)場模型應(yīng)用范圍廣,但仍需要進一步完善和驗證以提高預(yù)測準確性,便于更好地服務(wù)工

程實際。

關(guān)鍵詞:臺風(fēng)結(jié)構(gòu);臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù);參數(shù)風(fēng)場模型

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2024.01.014

Overview of Typhoon and Typhoon Model Research

CHEN Junpeng, ZHOU Zicheng, LIU Feihong, WANG Yin, ZHOU Yue

Mingyang Smart Energy Group Co., Ltd.

Abstract: China's southeast coastal areas and offshore areas are rich in wind energy resources, but it

is also seriously affected by typhoons. Understanding the structure of typhoons and exploring and predicting the wind field characteristics of typhoon-prone areas are crucial for the operational safety of offshore wind farms. Firstly, the causes and structural characteristics of typhoons are elaborated in detail.

On this basis, the principles and key parameters of parametric typhoon wind field models are summarized, and the key parameters in the wind field model are explained in detail. The application scope of

typhoon wind field models is wide, but further improvement and verification are still needed to improve

the accuracy of prediction and facilitate better service for engineering practice.

Key words: Typhoon Structure; Key Parameters of Typhoon; Parametric Wind Field Model

收稿日期:2023-06-25

基金項目:國家重點研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術(shù)”重點專項(2018YFB1501100)

第一作者(通訊):陳俊鵬(1996-11-),男,碩士,工程師,主要從事風(fēng)資源數(shù)據(jù)分析及風(fēng)電場規(guī)劃設(shè)計工作

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節(jié)

術(shù)

0 概述

熱帶氣旋作為一種破壞力極強的災(zāi)害性天氣

系統(tǒng),多發(fā)生于熱帶或副熱帶洋面。根據(jù)熱帶氣旋

中心最大風(fēng)力的強弱,其分為六個等級,分別是熱

帶氣壓、熱帶風(fēng)暴、強熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)、強臺風(fēng)與超

強臺風(fēng)[1]

??紤]到國內(nèi)對熱帶氣旋命名的傳統(tǒng)習(xí)

慣,下文將熱帶氣旋統(tǒng)稱為臺風(fēng)。

西北太平洋地區(qū)為全球熱帶氣旋發(fā)生頻次及強

度最高的海域,其中臺風(fēng)年發(fā)生率約為28個[2]

。西

北太平洋臺風(fēng)在環(huán)境流場的影響下,表現(xiàn)出向西北

方向移動的趨勢,給我國帶來嚴重影響。據(jù)統(tǒng)計,

每年平均有7個熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)登陸我國,約占西

北太平洋熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)總數(shù)的1/4

[3]

。因此,我國

是世界上受臺風(fēng)影響最嚴重的國家之一,2022年臺

風(fēng)災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失高達54.2億元[4]

。

我國東南沿海及近海區(qū)域風(fēng)能資源豐富,并

且靠近電力負荷中心。我國海上風(fēng)電裝機容量伴

隨著海上風(fēng)電資源的開發(fā)顯著增加,然而我國東

南沿海也是嚴重受到臺風(fēng)影響的區(qū)域之一[5]

。臺

風(fēng)期間,海上風(fēng)電機組的基礎(chǔ)、塔筒、葉片以及升

壓站的風(fēng)荷載增大數(shù)倍,安全事故和故障風(fēng)險大

幅度增加[6]

。張禮達等[7]

總結(jié)臺風(fēng)對風(fēng)電的主要

破壞有葉片出現(xiàn)裂紋或被撕裂,偏航系統(tǒng)受損,風(fēng)

向儀、尾翼等設(shè)備被吹毀。Kumar等[8]

研究表明,臺

風(fēng)影響范圍內(nèi)波高與極端風(fēng)速之間有良好的相關(guān)

性,臺風(fēng)帶來的狂風(fēng)、巨浪對風(fēng)電機組上部結(jié)構(gòu)和

地基造成巨大破壞。

為了提高海上風(fēng)電機組施工、運行的安全性,

需要準確地評估臺風(fēng)高發(fā)工程海域的極值風(fēng)速情

況。由于缺少充足的臺風(fēng)相關(guān)觀測資料,常規(guī)的計

算方法在極值風(fēng)速的預(yù)測上存在著較大的不確定

性[9]

。為了克服這個問題,Monte-Carlo方法應(yīng)運而

生,該方法利用參數(shù)化臺風(fēng)風(fēng)場模型以及臺風(fēng)關(guān)鍵參

數(shù)概率模型,采用數(shù)值模擬的方法對臺風(fēng)影響區(qū)極值

風(fēng)速進行預(yù)測,又稱為臺風(fēng)危險性分析方法[10]。

1969年Russell[11]

首次采用經(jīng)驗臺風(fēng)模型模擬計算

臺風(fēng)極值風(fēng)速,此后Batts等[12]

、Shapiro[13]

、Georgiou[14]

、Vickery等[15]

、YanMeng等[16]

學(xué)者根據(jù)不斷

更新的臺風(fēng)實測數(shù)據(jù),對該模擬方法進行了擴展和

改進。在國內(nèi),該方法主要被應(yīng)用于臺風(fēng)高發(fā)海域

和沿海城市的極值風(fēng)速預(yù)測。

本文首先介紹了臺風(fēng)的成因、結(jié)構(gòu)特征,然后

回顧臺風(fēng)風(fēng)場模型的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀,并對參

數(shù)臺風(fēng)風(fēng)場模型的各子部分以及應(yīng)用現(xiàn)狀進行闡

述,最后介紹了臺風(fēng)風(fēng)場模型的實際應(yīng)用,給出了

關(guān)于臺風(fēng)和臺風(fēng)模型研究中仍存在的問題及未來

發(fā)展方向,期望能為海上風(fēng)電場臺風(fēng)危險性分析評

估方法提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 臺風(fēng)的成因與結(jié)構(gòu)

大量的科學(xué)研究加深了人們對于臺風(fēng)形成機理

和結(jié)構(gòu)特征的認識,臺風(fēng)結(jié)構(gòu)是臺風(fēng)領(lǐng)域的一個關(guān)鍵

研究內(nèi)容,同時也是臺風(fēng)風(fēng)場模型構(gòu)建的基礎(chǔ)[17]

。本

節(jié)分別對臺風(fēng)的成因以及臺風(fēng)結(jié)構(gòu)展開綜述。

1.1 形成原因及必要條件

臺風(fēng)成因示意圖如圖1所示,在熱帶洋面上,受

到太陽強烈照射,海水表層溫度較高,熱帶洋面空

氣蒸發(fā)抬升,導(dǎo)致地面空氣減少,形成氣壓較低的

圖1 臺風(fēng)成因

臺風(fēng)和臺風(fēng)模型研究綜述

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節(jié)能技術(shù)

區(qū)域。受氣壓梯度力影響,風(fēng)從周圍的高氣壓區(qū)流

入低氣壓區(qū),流入低壓區(qū)的空氣持續(xù)抬升,使得低

壓區(qū)氣壓持續(xù)降低,風(fēng)力持續(xù)增強。抬升的濕熱空

氣在高層溫度較低的區(qū)域液化或凝華,形成云并釋

放出潛熱。由于放熱后空氣變冷,不再上升,就在

高空堆積,形成了一個高壓區(qū)。隨后高壓區(qū)空氣向

外流出,拉動低層空氣抬升,形成臺風(fēng)。

濕熱空氣抬升并凝結(jié)成云釋放潛熱,使得臺風(fēng)

高層中心附近強烈增溫,形成臺風(fēng)暖核結(jié)構(gòu)。發(fā)展

成熟的臺風(fēng)在臺風(fēng)眼區(qū)的對流層中上層具有明顯

的暖核,高空暖核結(jié)構(gòu)的形成是臺風(fēng)生成的主要特

征之一[2]

。暖核結(jié)構(gòu)形成于臺風(fēng)發(fā)展階段,隨臺風(fēng)

進入成熟階段逐漸加強,暖核結(jié)構(gòu)一旦減弱,臺風(fēng)

也將隨之削弱,甚至消散[18]

。費建芳[19]

研究表明暖

核結(jié)構(gòu)的存在有助于臺風(fēng)的發(fā)展,而暖核結(jié)構(gòu)的強

弱則決定了臺風(fēng)內(nèi)部擾動的進一步發(fā)展。陳聯(lián)壽

和丁一匯[2]

的研究表明,當冷空氣與熱帶氣旋在低

緯度地區(qū)相遇時,熱帶氣旋的暖心結(jié)構(gòu)將會被破

壞,眼壁附近的最大風(fēng)速環(huán)流也會隨之突然消失。

圖2 臺風(fēng)低層逆時針旋轉(zhuǎn)

空氣在運動的過程中會受到地轉(zhuǎn)偏向力的影

響,導(dǎo)致空氣的運動軌跡向右偏離。因此在北半

球,臺風(fēng)低層空氣逆時針旋轉(zhuǎn)流入,在高層順時針

輻散[17]

,如圖2所示。臺風(fēng)的能量來源是水汽抬升

釋放的潛熱。因此,溫暖的洋面、垂直切變小、低層

輻合高層輻散和有一定的地轉(zhuǎn)偏向力是臺風(fēng)生成

的四個必要條件[2]

。海洋表面溫度是影響臺風(fēng)強度

的重要因素之一,如海水表面溫度的降低,將會使

臺風(fēng)強度減弱,風(fēng)速降低[20]

。此外,大氣穩(wěn)定度也

是影響臺風(fēng)形成、發(fā)展、強度和路徑的重要因素[21]

。

已有研究表明臺風(fēng)的活動與外部強迫場(如大尺

度大氣環(huán)流等)和氣候變率模態(tài)間存在顯著關(guān)系[22]

國內(nèi)外學(xué)者基于上述關(guān)系建立了相關(guān)模型進行臺

風(fēng)預(yù)報,即統(tǒng)計預(yù)報方法。統(tǒng)計預(yù)報即基于臺風(fēng)歷

史數(shù)據(jù),采用概率統(tǒng)計方法,將臺風(fēng)極值風(fēng)速與相

關(guān)參數(shù)(如中心氣壓、移速等)建立聯(lián)系,進而得到

較為合理的統(tǒng)計模型。但由于樣本數(shù)據(jù)有限,統(tǒng)計

預(yù)報方法具有較大局限性,并且缺乏理論支撐[23]

(見圖3)。

圖3 臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報平臺[23]

隨著計算機性能不斷提高,基于大氣運動方程

的數(shù)值模式臺風(fēng)預(yù)報逐漸發(fā)展,可精細化地預(yù)報大

風(fēng)出現(xiàn)的時間、影響范圍和強度,展現(xiàn)出很好的應(yīng)

用價值[22]

。數(shù)值預(yù)報模式目前以單一大氣模式為

主,但臺風(fēng)是一個海氣浪相互作用的過程,為了提

升我國東南沿海臺風(fēng)預(yù)報的準確性,有必要采用海

氣浪耦合模式對西北太平洋海域的臺風(fēng)活動開展

數(shù)值模擬與預(yù)報研究。

1.2 臺風(fēng)結(jié)構(gòu)

發(fā)展成熟的臺風(fēng)通常呈扁平圓形旋渦狀,圖4

為成熟臺風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖。發(fā)展成熟的臺風(fēng)在水平

方向上主要分為三個部分:臺風(fēng)眼,臺風(fēng)發(fā)展成熟

的重要標志,在臺風(fēng)眼內(nèi)既無狂風(fēng)也無暴雨,天上

僅有薄云;風(fēng)眼壁,風(fēng)力最強、降雨最劇烈的區(qū)域;

螺旋雨帶,緊接在臺風(fēng)眼壁之外,該區(qū)域有著較為

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節(jié)

術(shù)

猛烈的降雨和吹向中心的大風(fēng)[24]

。臺風(fēng)在垂直方

向上可被分為流入層、中間層、流出層。氣流在流

入層中有顯著的向中心輻合的徑向分量,從低層輻

合流入的大量暖濕空氣通過中間層向高層輸送,氣

流在流出層向外擴散并與周圍空氣混合,隨后逐漸

下降至低層,形成了臺風(fēng)的垂向環(huán)流圈。

圖4 臺風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖[25]

臺風(fēng)是一個強大的暖性低壓,強的臺風(fēng)中心氣

壓常常在950 hPa以下。如圖5所示,自臺風(fēng)邊緣

向中心氣壓不斷下降,至臺風(fēng)眼墻區(qū)氣壓猛然下

降,在臺風(fēng)中心處氣壓達到最低。而水平風(fēng)速自臺

風(fēng)邊緣向中心不斷增大,隨著距臺風(fēng)距離的減小,

風(fēng)速的增幅不斷增大,至臺風(fēng)眼墻區(qū)風(fēng)速達到最

大,隨后驟然下降,在臺風(fēng)中心處風(fēng)速達到最小。

圖5 臺風(fēng)剖面風(fēng)速、氣壓分布[26]

臺風(fēng)中存在著如螺旋雨帶、云墻、渦旋等中小

尺度系統(tǒng),它們決定了風(fēng)速的強弱、降雨的強度和

分布[27]

。臺風(fēng)中小尺度系統(tǒng)受到環(huán)境場、地表粗糙

度及渦旋結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,研究所面臨的挑

戰(zhàn)如下:

1)目前對于其結(jié)構(gòu)的特征和演變規(guī)律的認識

存在較多盲區(qū)。例如,臺風(fēng)雙眼壁結(jié)構(gòu)如何形成,

并有何特征。

2)對于影響中小尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化機理尚

不清楚。臺風(fēng)內(nèi)部力學(xué)作用和環(huán)境因素之間的相

互作用,會導(dǎo)致中小尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

3)中小尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化如何單獨或耦合影

響臺風(fēng)風(fēng)雨強度和分布變化的演變機理尚不清

楚,這是導(dǎo)致當前大風(fēng)、暴雨預(yù)報準確性不高的重

要原因。

2 參數(shù)風(fēng)場模型

參數(shù)風(fēng)場模型是以臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)而

建立的,目的是準確描述臺風(fēng)風(fēng)場的主要特征,

是臺風(fēng)危險性分析方法的重要組成部分。參數(shù)

化風(fēng)場模型包括梯度風(fēng)場模型和邊界層模型,首

先基于特定的風(fēng)廓線函數(shù),輸入中心氣壓、最大

風(fēng)速半徑、形狀參數(shù)等臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù),計算得出

梯度風(fēng)場模型。隨后通過邊界層模型計算得出

梯度風(fēng)速至近地面處的風(fēng)速折減系數(shù),從而獲取近

地面風(fēng)場[28]

。本節(jié)將分別對臺風(fēng)風(fēng)場關(guān)鍵參數(shù)、梯

度風(fēng)場模型和邊界層模型展開綜述。

2.1 模型關(guān)鍵參數(shù)

2.1.1 風(fēng)速氣壓

通過統(tǒng)計分析臺風(fēng)中心氣壓與最大風(fēng)速的關(guān)

系,可為最大風(fēng)速與中心氣壓之間的換算提供參

考?;谔荻绕胶夥匠?,風(fēng)速與氣壓的關(guān)系:

Vmax = a(Pn -Cp)

b

(1)

式中:Vmax 為最大風(fēng)速,單位m/s;Pn 為外圍氣壓,

單位 hPa,西北太平洋海域通常取 1 010 hPa;Cp

為中心氣壓。利用歷史臺風(fēng)記錄數(shù)據(jù)對公式(1)進

行擬合,可獲取擬合參數(shù) a 和 b 的最優(yōu)值。眾多學(xué)

者采用該方法對西北太平洋海域的風(fēng)壓關(guān)系進行

擬合,結(jié)果見表1。

臺風(fēng)和臺風(fēng)模型研究綜述

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上海節(jié)能 No.01

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節(jié)能技術(shù)

表1 西北太平洋風(fēng)壓關(guān)系擬合參數(shù)表[28-29]

文獻

Atkinson et al, 1977

Subbaramayya et al, 1979

Lubeck et al, 1980

10 min平均風(fēng)速

最佳擬合參數(shù)

a

3.04

5.62

3.69

b

0.664

0.500

0.572

數(shù)據(jù)時段

1947-1974

1974-1978

1975-1978

國內(nèi)外已有研究表明,參數(shù) a 和 b 作為擬合數(shù)

值不僅受到樣本數(shù)據(jù)量的影響,還會受到臺風(fēng)強

度、位置緯度的影響[30]

。目前,研究主要分強度、緯

度對傳統(tǒng)的風(fēng)速—氣壓關(guān)系進行修正,較新的研究

中進一步考慮了臺風(fēng)尺度、移動速度等因素對風(fēng)速

—氣壓關(guān)系的影響[31]

2.1.2 最大風(fēng)速半徑

最大風(fēng)速半徑 Rmax 為臺風(fēng)最大風(fēng)速與臺風(fēng)中

心的距離,對臺風(fēng)的風(fēng)速、氣壓模擬以及影響范圍

具有重要意義。目前關(guān)于 Rmax 的觀測數(shù)據(jù)較少,因

此,國內(nèi)外學(xué)者主要采用統(tǒng)計或物理模型,并借助

其它臺風(fēng)參數(shù)計算 Rmax 。 Rmax 的計算方法主要有

4種:

1)基于歷史臺風(fēng)實測數(shù)據(jù)對 Rmax 與中心氣壓、

最大風(fēng)速、緯度等參數(shù)擬合出 Rmax 。目前的研究普

遍認為 Rmax 與緯度具有正相關(guān)關(guān)系,而與中心氣壓

具有負相關(guān)關(guān)系[32]

,Rmax 服從對數(shù)正態(tài)分布,其中

位數(shù)為中心氣壓差以及緯度的函數(shù)[33]

。

2)基于經(jīng)驗風(fēng)場模型,建立各級風(fēng)圈半徑與

Rmax 的轉(zhuǎn)換關(guān)系。例如,雷小途和陳聯(lián)壽基于Bogus臺風(fēng)切向風(fēng)模型,明確了 Rmax 與8級風(fēng)圈半徑

之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[34]

。

3)基于臺風(fēng)地面實測數(shù)據(jù)及經(jīng)驗?zāi)P?,通過誤

差分析法確定 Rmax 。Fujii[35]

于1998年首次采用該

方法計算 Rmax ,隨后被多次應(yīng)用于登陸日本的臺風(fēng)

危險性分析[36]

。

4)基于空氣動力學(xué)方程推算 Rmax 。胡邦輝等[37]

基于藤田氣壓場模型,推導(dǎo)出呈穩(wěn)定狀態(tài)的海面移

動非對稱臺風(fēng) Rmax 的計算方法。

上述4種方法中,第一種方法最為簡單,但理論

依據(jù)匱乏;第二種方法具有一定理論依據(jù),且計算

較為簡單,計算結(jié)果取決于經(jīng)驗?zāi)P偷臏蚀_度;第

三種方法誤差較小,但計算量較大;第四種方法對

于臺風(fēng)危險性分析評估而言計算量較大?;诖?/p>

量實測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明,不同區(qū)域獲得的風(fēng)場

參數(shù)計算方法差異較大,有必要針對不同區(qū)域風(fēng)場

參數(shù)的計算方法進行對比分析研究。

2.1.3 形狀參數(shù)B

為了增強氣壓模型的適用范圍,Holland[38]

1980年提出了引入形狀參數(shù)B的氣壓剖面模型,該

模型根據(jù)臺風(fēng)實際風(fēng)場選擇對應(yīng)的形狀參數(shù)B,從

而獲取更真實的臺風(fēng)氣壓剖面。形狀參數(shù)B對最大

風(fēng)速模擬以及風(fēng)速徑向分布特征有顯著影響,其取

值與臺風(fēng)中心所在區(qū)域密切相關(guān)。

國外得益于長期臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)的積累,開展形

狀參數(shù)B的區(qū)域特征研究基礎(chǔ)較好。國外學(xué)者對不

同海域形狀參數(shù)B與其它臺風(fēng)參數(shù)的相關(guān)性進行研

究,如中心氣壓、緯度、移動速度等,并建立起函數(shù)

關(guān)系[39]

。

國內(nèi)對于形狀參數(shù)B系數(shù)的研究主要集中于對

國外模型在中國海域的區(qū)域性應(yīng)用規(guī)律。段忠東

結(jié)合CE風(fēng)場,分析形狀參數(shù)B對風(fēng)場結(jié)構(gòu)的影響,

并采用Jakobsen方法對2場臺風(fēng)的形狀參數(shù)B進

行標定[40]

。肖玉鳳[41]

比較了多種形狀參數(shù) B 計算

方法對 CE 風(fēng)場模擬精度的影響,結(jié)果表明國外模

型在中國海域的應(yīng)用存在較多不確定性因素。

對于登陸我國頻率最高的西太平洋臺風(fēng),目前

缺乏該海域臺風(fēng)上層徑向風(fēng)廓線數(shù)據(jù)。因此針對

西太平洋海域形狀參數(shù)B的研究較少。形狀參數(shù)B

的取值變化較大,有必要根據(jù)我國沿海實測臺風(fēng)風(fēng)

速記錄,并針對特定區(qū)域,界定出形狀參數(shù)B的取值

范圍,對于開展臺風(fēng)危險性評估具有重要意義。

2.2 梯度風(fēng)場模型

梯度風(fēng)場模型用于模擬臺風(fēng)高空處的風(fēng)速分

布特征,梯度風(fēng)場模型主要分為2種:

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節(jié)

術(shù)

1)基于氣壓分布模型,求解梯度平衡方程從而

計算風(fēng)速。該方法按氣壓剖面函數(shù)形式可分為2類:

(1)氣壓分布由固定的函數(shù)決定,具有代表性

的模型有Bjerknes(1921)、Takahashi(1939)、Fujita(1952)等模型[42].

(2)可通過系數(shù)調(diào)整氣壓剖面函數(shù),Georgious

(1883)、Thompson(1996)等以 Holland 氣壓場模

型為基礎(chǔ)發(fā)展了新的臺風(fēng)模型。

2)基于風(fēng)廓線經(jīng)驗函數(shù),從最大風(fēng)速推算整個

風(fēng) 場 。 常 見 的 有 Rankine 模 型 、Jelesnianski

(1965)模型、Miller(1967)模型等,但上述模型無法

反映各地區(qū)真實風(fēng)場,因此國內(nèi)許多研究針對此進

行了改進。例如,陳孔沫[43]

提出了一種新的臺風(fēng)風(fēng)

場計算方法,改進了 Rankine 風(fēng)場模型以及 Jelesnianski風(fēng)場模型。

圖6 不同梯度風(fēng)場模型廓線對比圖[28]

臺風(fēng)中心附近和外圍梯度風(fēng)速的不均勻,選用

不同的梯度風(fēng)場模型對結(jié)果影響很大。方偉華和

林偉基[28]

于同一套臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)對比了8個梯度風(fēng)

場模型風(fēng)廓線。結(jié)果如圖6所示,不同梯度風(fēng)場模

型推算出的最大風(fēng)速、徑向風(fēng)廓線與風(fēng)速變化速率

存在較大差異。其中,Georgious 和 Holland 模型

由于可通過調(diào)整形狀參數(shù)B,對不同臺風(fēng)的適用性

更強。

2.3 邊界層模型

通過梯度風(fēng)場模型得到梯度風(fēng)速后,需要利用

邊界層模型將其轉(zhuǎn)化為近地表風(fēng)速。Meng等[44]

1997年提出了一個半理論模型用于模擬不同高度

的風(fēng)速折減因子,可直接求解出特定點的風(fēng)速,計

算速度快。模型中的風(fēng)速折減因子是隨模擬高度

與邊界層高度比值變化的指數(shù)函數(shù),指數(shù)的大小取

決于地表粗糙度,相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)P透哂形?/p>

理意義。憑借上述優(yōu)勢該模型被廣泛應(yīng)用于臺風(fēng)

風(fēng)場模擬,例如Matsui等[45]

在隨后的研究中均采用

了該模型。

Vickery 等[46]

根據(jù)臺風(fēng)的風(fēng)速和尺度,首先對

探空儀數(shù)據(jù)進行分類,再基于Kepert[47]

提出的線性

化臺風(fēng)模型,對探空儀數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)果表明邊

界層高度隨慣性穩(wěn)定度的增加而減小,邊界層垂

直風(fēng)速剖面圖在低層 200 m 以下滿足對數(shù)率。隨

后 Vickery 等[48]

提出一個用于模擬邊界層內(nèi)臺風(fēng)

平均風(fēng)速隨邊界層高度變化的經(jīng)驗?zāi)P?,該模?/p>

不僅考慮了地表粗糙度,還考慮了邊界層高度的

變化情況。

在邊界層模型中,Meng 模型基于空氣微團平

衡方程,能較好反映邊界層風(fēng)速的分布規(guī)律,但計

算較為復(fù)雜。Vickery模型基于實際觀測數(shù)據(jù),考慮

了臺風(fēng)登陸前后邊界層高度的變化情況,對臺風(fēng)期

間風(fēng)速垂直分布規(guī)律的擬合效果較好。目前,常用

的幾種邊界層模型均假定臺風(fēng)剖面為指數(shù)率或?qū)?/p>

數(shù)率形式,但有關(guān)臺風(fēng)剖面的形式仍存在爭議,基

于漂浮式激光雷達的臺風(fēng)剖面研究也是近年來臺

風(fēng)模型研究的熱點問題。

2.4 臺風(fēng)風(fēng)場模型應(yīng)用

臺風(fēng)風(fēng)場模型主要應(yīng)用于臺風(fēng)危險性評估以

及臺風(fēng)次生災(zāi)害模擬研究,在多個臺風(fēng)風(fēng)險模型軟

件中集成應(yīng)用。

臺風(fēng)危險性評估是指通過對臺風(fēng)歷史數(shù)據(jù)進

行分析,以評估特定區(qū)域內(nèi)臺風(fēng)期間極值風(fēng)速,為

工程設(shè)計和風(fēng)險評估提供合理依據(jù)。例如,海上風(fēng)

電機組的安全性直接受到臺風(fēng)極值風(fēng)速和持續(xù)時

間的影響,當風(fēng)速超過風(fēng)電機組的極限設(shè)計載荷,

可能導(dǎo)致機組部件損壞或倒塌。對于東南沿海城

臺風(fēng)和臺風(fēng)模型研究綜述

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2024

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節(jié)能技術(shù)

市超高層建筑物以及大跨度橋梁而言,風(fēng)荷載是其

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計最重要的參數(shù),極端風(fēng)速評估的準確

性直接影響項目的安全性和經(jīng)濟性。

臺風(fēng)能量巨大,會引起風(fēng)暴潮、山體滑坡等次

生災(zāi)害。強大的風(fēng)暴潮會對沿海地區(qū)的建筑物以

及基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞,引發(fā)海水倒灌,嚴重影響交

通運輸和社會生產(chǎn)。分析風(fēng)暴潮的危險性有助于

降低其沿海地區(qū)的影響,臺風(fēng)風(fēng)場作為風(fēng)暴潮預(yù)報

的主要驅(qū)動場,其模擬的準確性將直接影響風(fēng)暴潮

的預(yù)報結(jié)果。臺風(fēng)模型也應(yīng)用于臺風(fēng)次生滑坡災(zāi)

害模擬,分析臺風(fēng)降雨過程中邊坡滲流場的變化,

是臺風(fēng)次生滑坡模擬的主要手段。

3 結(jié)論

本文從熱力學(xué)和動力學(xué)角度詳細介紹了臺風(fēng)

的成因及其結(jié)構(gòu)特征,明確臺風(fēng)生成的必要條件。

總結(jié)了參數(shù)風(fēng)場模型中風(fēng)速氣壓關(guān)系、最大風(fēng)速半

徑、形狀參數(shù)B等臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。分析

了國內(nèi)外梯度風(fēng)場模擬、邊界層風(fēng)速模擬的研究進

展。最后,對臺風(fēng)風(fēng)場模型在臺風(fēng)危險性評估和臺

風(fēng)次生災(zāi)害模擬的應(yīng)用進行了評述。

臺風(fēng)風(fēng)場模型是臺風(fēng)危險性分析的重要基

礎(chǔ),針對現(xiàn)有臺風(fēng)風(fēng)場模擬研究,發(fā)展和改進的空

間包括:

1)加強跨學(xué)科綜合集成研究。國內(nèi)大氣、海洋

等領(lǐng)域的學(xué)者對于大洋面臺風(fēng)風(fēng)場的機制理論研

究較為成熟,但主要集中于大、中尺度臺風(fēng)模擬,后

續(xù)應(yīng)加強工程尺度的應(yīng)用聯(lián)合研究。

2)深化臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的計算方法及區(qū)域適用

性的研究。未來研究應(yīng)能有效反映多臺風(fēng)參數(shù)的

影響機制,擺脫簡易的經(jīng)驗參數(shù),提升不同區(qū)域海

面風(fēng)場模擬的準確性。

3)強化氣象數(shù)據(jù)觀測。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足是進行

風(fēng)場模型驗證的障礙,需著重加強我國沿海海域海

洋氣象測量設(shè)備的建設(shè)。

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臺風(fēng)和臺風(fēng)模型研究綜述

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合同能源管理模式下圖書館空調(diào)

節(jié)能性分析

劉英博 劉澤華 張舒涵 底 彬 朱鵬飛

南華大學(xué) 土木工程學(xué)院

摘要:以某新建綠色圖書館為例,介紹了該項目中央空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用合同能源管理的模式。利用能耗模擬軟

件EnergyPlus分析了室內(nèi)溫度、入館人數(shù)、人均新風(fēng)量、自然通風(fēng)等對空調(diào)年耗冷/熱量的影響程度,結(jié)果表

明:室內(nèi)設(shè)計溫度對負荷的影響程度最大,其次是入館人數(shù)。在此基礎(chǔ)上提出了根據(jù)最大入館人數(shù)對室內(nèi)

溫度分樓層控制與根據(jù)人員作息對部分樓層進行間歇控制的運行策略,并模擬計算了分樓層控制模式下閱

覽室自然室溫,結(jié)果表明兩種控制策略均具有一定的節(jié)能潛力,且入館人數(shù)越低節(jié)能效果越明顯。

關(guān)鍵詞:綠色圖書館;中央空調(diào);耗冷量;分層控制;間歇運行

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2024.01.015

Analysis of Energy Efficiency of Air Conditioning in Library under Contract Energy Management Model

LIU Yingbo, LIU Zehua, ZHANG Shuhan, DI Bin, ZHU Pengfei

School of Civil Engineering, Nanhua University

Abstract: Taking a newly-built green library as an example, this article introduces the application of

energy management contract (EMC) in the central air conditioning system of the project. Using energy

consumption simulation software EnergyPlus, the influence degree of indoor temperature, library number, per capita fresh air volume, natural ventilation, etc. on the annual cooling/heating consumption of

air conditioning is analyzed. The results show that the indoor design temperature has the greatest im收稿日期:2022-11-09

第一作者:劉英博(1998-05-),男,碩士生,土木工程專業(yè)

通訊作者:劉澤華(1966-01-),男,博士,教授,主要從事土木工程研究

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節(jié)

術(shù)

0 引言

合同能源管理(EMC)自上世紀90年代引入我

國以來發(fā)展迅速,截至2020年底,我國從事節(jié)能服

務(wù)的企業(yè)數(shù)量超7 000家[1]

。該模式也從原來僅限

于節(jié)能改造項目推廣至新建項目,減少了一些綠色

建筑重設(shè)計、輕運行導(dǎo)致節(jié)能效果不明顯的現(xiàn)象[2]

。

影響空調(diào)運行能耗的主要因素有人員行為、空調(diào)系

統(tǒng)性能、圍護結(jié)構(gòu)性能、天氣因素、運行策略等[3-4]

。

在實際運營階段,節(jié)能服務(wù)公司保證了空調(diào)系統(tǒng)高

效運行,且圍護結(jié)構(gòu)熱工性能已經(jīng)確定,因此采用

EMC模式的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力應(yīng)重點分析人員使

用情況與運行策略對能耗的影響。劉如意等[5]

分析

了辦公樓內(nèi)人員行為因素對空調(diào)能耗的影響,結(jié)果

表明室內(nèi)設(shè)定溫度與通風(fēng)習(xí)慣對空調(diào)能耗影響最

大。于曉諭等[6]

分析了某高校建筑不同室內(nèi)設(shè)計溫

度對能耗的影響情況,并計算了根據(jù)人員作息對空

調(diào)間歇運行的節(jié)能量。楊建榮等[7]

分析了上海市綠

色辦公建筑人員作息、人員密度和開關(guān)燈行為等因

素對能耗的影響情況,得到了不同情景下的能耗差

異。趙德印等[8]

對某辦公建筑空調(diào)運行能耗影響因

素進行了敏感性分析,結(jié)果表明人員密度對空調(diào)制

冷能耗的影響最大,氣象數(shù)據(jù)對制熱能耗的影響最

大。國內(nèi)學(xué)者對綠色建筑運行階段的能耗影響因

素研究多為辦公建筑,對高校圖書館建筑的研究較

少。本文以湖南某高校新建綠色圖書館為例,利用

能耗模擬軟件EnergyPlus分析各設(shè)計參數(shù)對空調(diào)

負荷的影響程度,在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的節(jié)能策略。

1 合同能源管理模式

1.1 工程概況及合同模式

該工程為某高校新建圖書館,位于湖南省衡陽

市,地下兩層,地上十層,建筑總面積39 552.2 m2

,

建筑高度 47.50 m,按照《湖南省綠色建筑評價標

準》屬于1星級綠色建筑??紤]寒暑假及學(xué)生作息

與辦公作息有所不同,九至十層圖書館辦公人員設(shè)

置獨立的空調(diào)系統(tǒng),ESCO的服務(wù)對象為一至八層,

空調(diào)面積26 021.81 m2

,總冷負荷3 340 kW,總熱負

荷2 400 kW。學(xué)校與節(jié)能服務(wù)公司簽訂托管型能

源管理合同,ESCO負責空調(diào)機房的投資建設(shè)與合

同期內(nèi)的運營維護,學(xué)校每月支付托管費用,合同

期限為十年,合同結(jié)束后設(shè)備歸學(xué)校所有。

1.2 運營服務(wù)與節(jié)能要求

供暖期為11月15日至次年3月15日,供冷期

為5月15日至10月15日(剔除寒暑假及其他因素

無需空調(diào)時間,約定實際供冷70天、供熱70天),空

調(diào)開啟時間為 8:00 至 21:30,室內(nèi)溫度標準:供冷

26 ± 2 ℃,供熱 20 ± 2 ℃。運營期間空調(diào)系統(tǒng)全

年綜合能效(制冷系統(tǒng)全年累計供冷量/制冷系統(tǒng)全

pact on the load, followed by the number of visitors. On this basis, it proposes an operation strategy of

floor-by-floor control of indoor temperature based on the maximum number of visitors and intermittent

control of some floors based on personnel schedules. It also simulates and calculates the natural room

temperature of reading rooms under the floor-by-floor control mode. The results show that both control

strategies have certain energy saving potential, and the lower the number of visitors, the more obvious

the energy saving effect.

Key words: Green Library; Central Air Conditioning; Cooling Load; Hierarchical Control; Intermittent

Operation

合同能源管理模式下圖書館空調(diào)節(jié)能性分析

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上海節(jié)能 No.01

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節(jié)能技術(shù)

年累計用電量)不低于5.4。

1.3 用能費用的調(diào)整

具體費用結(jié)算按照年度托管費用(中標價/合同

期的期限)12 個月均攤,該費用包括空調(diào)期內(nèi)的能

源費用。雙方約定當能源價格上漲時,能源費用差

額由學(xué)校承擔,價格下降時,學(xué)校相應(yīng)減少托管費

用。如因天氣原因、設(shè)備故障、學(xué)校管理要求等原

因,全年超過或減少使用天數(shù),按照全年的平均能

源費用進行核減或核增托管費用。如每天開放時

間有調(diào)整,也應(yīng)按照全年的小時能耗平均值增加或

減少托管費用。

2 空調(diào)負荷影響因素

影響負荷的主要變量包括:建筑本體的熱工性

能、使用者相關(guān)信息(人員密度、運行時間、室內(nèi)設(shè)

計溫度、燈光及設(shè)備開啟情況等)、氣象參數(shù)、自然

通風(fēng)換氣等。該項目建筑設(shè)計建設(shè)已經(jīng)完成,因此

將圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、燈光及設(shè)備散熱視為固定變

量,主要考慮的變量為室外氣象參數(shù)、室內(nèi)溫度、人

員密度、人均新風(fēng)量、自然通風(fēng)對空調(diào)負荷的影

響。在利用EnergyPlus分析不確定性變量對空調(diào)

負荷的影響時,以設(shè)計工況為基點每次只改變一個

變量,其他變量固定,分析該變量對空調(diào)負荷的影

響程度。

2.1 模型的建立

利用SketchUp建立圖書館物理模型,如圖1所

示,將該模型導(dǎo)入EnergyPlus,在Energyplus中設(shè)

置圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù),其數(shù)值來源于建筑設(shè)計圖

紙,具體信息見表1。燈光和設(shè)備最大散熱功率分

別為 9 W/m2

和 15 W/m2

,室內(nèi)蓄熱體主要為書、書

架及桌椅,書的比熱容為 1.8 kJ/(kg·K)、密度為

800 kg/m3

,書架比熱容為 1.72 kJ/(kg·K)、密度為

540 kg/m3

。一樓為大廳,二至八樓座位分別為

254、456、424、400、336、460、296個。室內(nèi)設(shè)計溫

度:夏季26 ℃、冬季20 ℃、人均新風(fēng)量30 m3

(/ h·人),

寒假日期為1月15日至3月1日,暑假日期為7月

15日至8月31日。人員與設(shè)備、燈光作息如圖2和

圖3所示。

圖 1 圖書館模型

表 1 主要圍護結(jié)構(gòu)及厚度

圍護結(jié)構(gòu)

屋頂

外墻

內(nèi)墻

樓板

外窗

主要構(gòu)造

卵石、碎石混凝土40 mm+水泥砂漿20 mm+擠塑聚苯板65 mm+鋼筋混凝土120 mm+水泥砂漿20 mm

花崗巖30 mm+水泥砂漿20 mm+巖棉板40 mm+燒結(jié)頁巖多孔磚200 mm+水泥砂漿20 mm

水泥砂漿20 mm+燒結(jié)頁巖多孔磚200 mm+水泥砂漿20 mm

水泥砂漿20 mm+鋼筋混凝土120 mm+水泥砂漿20 mm

傳熱系數(shù)2.21、太陽得熱系數(shù)0.32、氣密性7級、可見透射比0.62

2.2 氣象數(shù)據(jù)

目前模擬軟件最常用的氣象數(shù)據(jù)為CSWD(中

國標準氣象年),CSWD數(shù)據(jù)是基于1971-2003年

實測氣象數(shù)據(jù)開發(fā),與目前真實氣象數(shù)據(jù)已有一定

差異。邵濤濤[9]

對一棟夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑的研

究表明,不同年份的氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)致的能耗變化幅度

為-9%~11%。因此在分析氣象數(shù)據(jù)對空調(diào)負荷

的影響時,采用CSWD、2012-2021年共計11個氣

象數(shù)據(jù)進行計算。計算結(jié)果如圖4所示,在典型氣

象年下空調(diào)冷負荷為 80.3 kWh/(m2

·a)、熱負荷為

38.59 kWh/(m2

·a)。歷年真實氣象數(shù)據(jù)下冷負荷呈

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節(jié)

術(shù)

現(xiàn)大幅度增加趨勢,熱負荷呈現(xiàn)略微下降趨勢。與

典型年相比,冷負荷最大值增加了28%,熱負荷最

小值下降了16%。2012-2021年間冷負荷最大值

較平均值高 15.32%,熱負荷最小值較平均值低

10.40%。2014年空調(diào)負荷最接近近十年平均值,

在分析其他參數(shù)對空調(diào)能耗的影響時,以 2014 年

的氣象數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)。歷年空調(diào)冷/熱負荷見

圖4。

圖 4 歷年空調(diào)冷/熱負荷

2.3 滲透風(fēng)與自然通風(fēng)

滲透風(fēng)量與建筑氣密性密切相關(guān),該建筑窗戶

氣密性等級為 7 級,根據(jù) GB/T 31433-2015《建筑

幕墻、門窗通用技術(shù)條件》的性能分級方法,理論計

算得出該建筑滲透換氣次數(shù)在0.05~0.1次/h之間,

模擬計算得出在該范圍內(nèi)空調(diào)全年累計耗冷量變

化率為0.25%,全年累計耗熱量變化率為2.3%,對

空調(diào)冷熱負荷影響較小,且空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)的引入會

使室內(nèi)相對于室外為正壓,減少了室外空氣滲透對

室內(nèi)負荷的影響,因此將滲透換氣次數(shù)設(shè)定為0.1次/

h,不再考慮滲透換氣次數(shù)變化對負荷的影響。自

然通風(fēng)量受門窗開啟面積、室內(nèi)外風(fēng)壓和熱壓等多

種因素影響。該建筑窗戶最大可開啟面積為10%,

設(shè)定過渡季節(jié)窗戶可開啟時間為4月1日-6月30

日、9月1日-10月31日,可開啟條件為室外溫度低

于室內(nèi)溫度,窗戶開啟面積為0~10%。模擬計算不

同開啟面積下空調(diào)冷負荷變化,結(jié)果圖如圖5所示。

圖 5 不同開啟面積下空調(diào)冷負荷

由圖5可知,在過渡季節(jié)隨著窗戶開啟面積比

例的增大,自然通風(fēng)能力加強,全年累計耗冷量逐

漸下降,但下降趨勢明顯減小,窗戶開啟面積達到

50%后,加大開窗面積節(jié)能效果已不再明顯。

2.4 室內(nèi)環(huán)境與入館人數(shù)

在合同中雙方僅商定了室內(nèi)溫度與開放時

圖 2 人員及設(shè)備作息 圖 3 燈光作息

合同能源管理模式下圖書館空調(diào)節(jié)能性分析

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節(jié)能技術(shù)

間,對入館人數(shù)及人均新風(fēng)量沒有作具體要求,實

際上入館人數(shù)及人均新風(fēng)量對空調(diào)負荷的影響是

不可忽略的?!睹裼媒ㄖ┡L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計

規(guī)范》(以下簡稱為《規(guī)范》)規(guī)定公共建筑主要功

能房間人均新風(fēng)量為 30 m3

/(h·人),按此標準計

算得出高密人群建筑新風(fēng)負荷占比可達 20%~

40%,結(jié)合建筑人員流動特性與節(jié)能需求,《規(guī)范》

對該條文進行了解釋說明,將人員密度(人數(shù)/面

積)≤0.4 的圖書館類建筑最小新風(fēng)量指標放寬至

17 m3

/(h·人),因此本文將新風(fēng)指標范圍設(shè)定為

17~30 m3

(/ h·人)。

閱覽室入館人數(shù)受在校人數(shù)、學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣

等多種因素影響,本文將入館人數(shù)范圍設(shè)定為實

際座位數(shù)的 50%~100%,且假設(shè)人員均勻分布

在各個樓層,人員作息按照圖 2 所示。計算結(jié)果

如圖 6~圖 8 所示。由圖可知:夏季室內(nèi)溫度每降

低1 ℃,全年累計冷負荷約增加12.5 kWh/(a·m2

),

冬季室內(nèi)溫度每增加 1 ℃,全年累計熱負荷約增

4.5 kWh/(a·m2

)。最大新風(fēng)量和最小新風(fēng)量指

標下全年冷負荷相差 9.33 kWh/(a·m2

),熱負荷

相 差 6.53 kWh/(a·m2

)。 人 均 新 風(fēng) 量 每 增 加

3.25 m3

/(h·人),冷負荷增加 2.33 kWh/(a·m2

),

熱 負 荷 增 加 1.63 kWh/(a·m2

)。入館人數(shù)每降低

10%,空調(diào)年耗冷量降低3.87 kWh/(a·m2

),空調(diào)年

耗熱量降低1.55 kWh/(a·m2

)。由此可知對冷熱負

荷影響程度最大的均是室內(nèi)溫度,其次是入館率。

因此根據(jù)入館人數(shù)對室內(nèi)溫度進行分區(qū)控制,以此

可達到節(jié)能目的。不同室內(nèi)溫度下冷/熱負荷見

圖 6,不同新風(fēng)指標下冷/熱負荷見圖7,不同入館率

下冷/熱負荷見圖 8。

圖 6 不同室內(nèi)溫度下冷/熱負荷 圖 7 不同新風(fēng)指標下冷/熱負荷

圖 8 不同入館率下冷/熱負荷

3 節(jié)能運行策略

由上文可知影響空調(diào)負荷最大的變量為室內(nèi)

溫度與入館人數(shù),根據(jù)《規(guī)范》第3.0.2條說明,圖書

館開架書庫可視為短期逗留區(qū),其設(shè)計溫度可比長

期逗留區(qū)放寬1~2 ℃,適當降低舒適度要求(夏季

室溫放寬至 28 ℃、冬季放寬至 16 ℃)。該圖書館

屬于大開間,開架書庫與預(yù)覽區(qū)之間沒有隔斷,溫

度分區(qū)難以實現(xiàn),但可根據(jù)實際入館人數(shù)對室內(nèi)溫

度進行分樓層控制或者根據(jù)館內(nèi)人員作息對部分

樓層進行間歇控制,以此降低空調(diào)耗冷/熱量。

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節(jié)

術(shù)

3.1 分層控制

以實際入館人數(shù)為1 890人為例,其人員可均

勻分布在一至八層,也可集中分布在一至六層,七

至八層只有在借還圖書時有短暫停留,將其視為

短期逗留區(qū)。內(nèi)部設(shè)備及燈光開啟率設(shè)為正常作

息的三分之一,在降低空調(diào)能耗的同時也可降低

設(shè)備及燈光電耗,不同入館人數(shù)下的分層控制策

略見表2。

表 2 分層控制策略

入館人數(shù)

≤730

731~1 154

1 155~1 554

1 555~1 890

1 891~2 350

大于2 350

夏季

26 ℃

1-3層

1-4層

1-5層

1-6層

1-7層

1-8層

28 ℃

4-8層

5-8層

6-8層

7-8層

8層

/

冬季

20 ℃

1-3層

1-4層

1-5層

1-6層

1-7層

1-8層

16 ℃

4-8層

5-8層

6-8層

7-8層

8層

/

模擬計算五種入館人數(shù)兩種控制策略下的全

年冷/熱負荷,模式一假設(shè)館內(nèi)人員均勻分布在各個

樓層,模式二假設(shè)人員集中分布在部分樓層。圖9

為入館人數(shù)為1 890時分層控制模式下七層閱覽室

空調(diào)季的逐時自然室溫,冷/熱負荷計算結(jié)果如

圖 10~11所示。由室內(nèi)逐時溫度可知分層控制降

低了部分樓層空調(diào)開啟時長和所需制冷量。入館

人數(shù)越低,節(jié)能效果越明顯,各入館人數(shù)下耗冷量

節(jié)能率依次為34.48%、25.75%、18.68%、12.47%、

6.34%,耗熱量節(jié)能率依次為 27.74%、20.61%、

14.5%、9.6%、4.43%。

圖 9 七層預(yù)覽室全年逐時氣溫

圖 10 兩種模式下累計冷負荷 圖 11 兩種模式下累計熱負荷

3.2 間歇控制

由圖2作息表可知各時段入館人數(shù)變化規(guī)律,

部分時間段入館人數(shù)比例較少,因此可在分層控制

的基礎(chǔ)上根據(jù)人員作息對部分樓層進行間歇控制,

即假設(shè)入館人數(shù)比例較低的時段人員也可集中至

某些樓層,其他樓層降低舒適度要求。以設(shè)計最大

入館人數(shù)為例,將各樓層高舒適度要求(冬季

20 ℃、夏季 26 ℃)時間段與人員作息設(shè)定如圖 12

所示。計算結(jié)果如表 3 所示,在設(shè)計入館人數(shù)下

間歇控制可節(jié)約 14.89%的冷負荷和 19.14%的熱

負荷。

合同能源管理模式下圖書館空調(diào)節(jié)能性分析

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節(jié)能技術(shù)

圖 12 各層閱覽室人員作息

表3 間歇控制冷熱負荷

開啟狀態(tài)

全天開啟

間歇開啟

節(jié)能率/%

冷負荷

kWh/(a·m2

)

99.47

84.66

14.89

熱負荷

kWh/(a·m2

)

35.69

28.86

19.14

4 結(jié)論

1)對影響目標建筑空調(diào)負荷的輸入變量進行

了辨析,模擬計算了輸入變量在取值區(qū)間內(nèi)空調(diào)負

荷的變化情況。

2)通過敏感性分析表明,空調(diào)負荷最敏感的變

量是室內(nèi)溫度,其次是人員密度。天氣因素對冷負

荷的影響程度大于熱負荷。

3)在實際入館人數(shù)低于設(shè)計入館人數(shù)時對室內(nèi)

溫度分樓層控制具有較大節(jié)能潛力,在入館人數(shù)達

到設(shè)計標準時,空調(diào)間歇運行在夏季有 14.89%的

節(jié)能潛力,冬季有19.14%的節(jié)能潛力。

參考文獻

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節(jié)能與環(huán)保,2022(1):36-38.

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節(jié)

術(shù)

光伏板清潔裝置的優(yōu)缺點分析

與前景展望

王凱璐1 李子強1 端木維禹1 孔欣暢1 渠鴻洋2 張冉冉3

1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院

2. 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院

3. 山東理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

摘要:通過對比分析太陽能光伏板清潔裝置在太陽能光伏板清潔行業(yè)中的發(fā)展與應(yīng)用,系統(tǒng)地介紹了市面

上現(xiàn)有各類太陽能光伏板清潔裝置在各層次上的優(yōu)缺點,通過對國家政策、太陽能發(fā)電行業(yè)發(fā)展趨勢的對

比分析,總結(jié)出我國太陽能光伏發(fā)電板清潔行業(yè)未來的發(fā)展方向及光伏板清潔裝置發(fā)展的巨大潛力。

關(guān)鍵詞:光伏積灰;光伏板清潔技術(shù);清掃機器人;光伏板積灰清潔行業(yè)發(fā)展

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2024.01.016

Analysis of Advantages and Disadvantages and Prospect of

Photovoltaic Panel Cleaning Device

WANG Kailu1

, LI Ziqiang1

, DUANMU Weiyu1

, KONG Xinchang1

, QU Hongyang2

,

ZHANG Ranran3

1. College of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology

2. School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology

3. School of Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University of Technology

Abstract: By comparing and analyzing the development and application of solar photovoltaic panel

收稿日期:2022-11-16

作者簡介:王凱璐(2003-02-),男,本科在讀,主要從事農(nóng)業(yè)機械化及其自動化方向研究工作

李子強(2002-11-),男,本科在讀,主要從事農(nóng)業(yè)機械化及其自動化方向研究工作

端木維禹(2002-11-),男,本科在讀,主要從事農(nóng)業(yè)機械化及其自動化方向研究工作

孔欣暢(2003-10-),男,本科在讀,主要從事農(nóng)業(yè)機械化及其自動化方向研究工作

渠鴻洋(2003-04-),女,本科在讀,主要從事電子信息工程方向研究工作

張冉冉(2002-11-),女,本科在讀,主要從事應(yīng)用化學(xué)方向研究工作

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節(jié)能技術(shù)

0 引言

隨著煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的逐漸減少,能源

供需問題日益突出。未來,在人類社會發(fā)展過程中

可再生能源的投入使用,是緩解對傳統(tǒng)化石燃料依

賴必不可少的重要環(huán)節(jié)。太陽能光伏發(fā)電是綠色

能源的主要來源之一,在能源結(jié)構(gòu)中的占比程度也

會不斷提升?!笆濉币詠恚覈夥l(fā)電產(chǎn)業(yè)迅

速發(fā)展,僅2021年我國光伏組件裝機新增5 488 kW,

為近年來投產(chǎn)最多的一年。截至 2021 年底,光伏

發(fā)電設(shè)備累計裝機量達3.06億kW[1]

。但在實際使

用場景中,太陽能光伏板所處環(huán)境中的塵埃、鳥糞[2]

等易聚集在光伏板表面導(dǎo)致光伏組件發(fā)電效率降

低,光伏企業(yè)也會因此承受巨大的損失[3]

然而,我國集中式大型光伏發(fā)電站多建設(shè)于生

態(tài)環(huán)境較為惡劣的偏遠地區(qū)[4]

,電站維護工作開展

難度較大,且光伏板表面積灰的出現(xiàn)會嚴重影響其

發(fā)電效率及使用壽命。因此,研究出一款適用于我

國光伏行業(yè)現(xiàn)狀的光伏板清潔裝置,探索出新型除

塵方案是光伏行業(yè)進一步發(fā)展的必經(jīng)之路?;?/p>

此,本文針對目前使用較多的幾種光伏清潔裝置進

行了研究,并對比不同設(shè)備所存在的優(yōu)缺點。

1 光伏板清潔主要方式與裝置分類

目前,市面上主要的清潔方式為機械除塵。機

械除塵作業(yè)過程中以水為主,清潔劑等物質(zhì)為輔,

通過電驅(qū)動式滾刷對光伏板表面進行清潔,采用這

種方式的光伏板清潔裝置由于制作難度小、制作與

后期維護成本低等特點得到了廣泛的應(yīng)用。

其次,機械除塵中也有部分清潔裝置采取無水

清潔方式來完成清潔任務(wù),無水清潔裝置主要依靠

滾刷筒兩側(cè)的軸頭安裝支撐軸承和帶輪,裝置能感

應(yīng)灰塵方位,自主開啟除塵裝置,尼龍滾刷在光伏

板表面旋轉(zhuǎn),使表面的灰塵脫離光伏板,當灰塵積

累達到一定量時,自主卸塵裝置得到感應(yīng),自動將

沙塵收集到專用沙塵儲藏罐中,以實現(xiàn)對光伏板的

無水清潔。無水清潔機器人主要由自主清潔系統(tǒng)、

自主控制器系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、行

走限定系統(tǒng)、定位感知系統(tǒng)等裝置系統(tǒng)及其眾多的

光伏元件組成。據(jù)統(tǒng)計,1 MW無水清潔機器人的

清潔周期比人工清潔周期縮短約 22.6 天,清潔成

本下降約 86.52%。利用灰塵積累為 8 g/m2

的透

光率計算出其清潔效率高達 90.09%,當灰塵積累

量為 6 g/m2

時,其清潔效率高達91.04%,遠遠高于

普通的機械除塵清潔裝置[5]

。其高效無污染的清潔

過程有效解決了傳統(tǒng)清潔方式帶來的清潔作業(yè)過程

中用水量大、清潔劑污染土壤及周邊環(huán)境的問題。

以上兩種清潔方式在目前的光伏板清潔行業(yè)

都有采用,但前者依靠較低的制造與維護成本在該

行業(yè)中擁有較高的市場占有率。后者具有清潔能

力強、清潔周期短、環(huán)保無污染等優(yōu)點,但因其前期

投入成本過高,并未得到大面積的推廣使用。光伏

cleaning devices in the solar photovoltaic panel cleaning industry, this article systematically introduces

the advantages and disadvantages of various types of solar photovoltaic panel cleaning devices on the

market at various levels. Through the comparative analysis of the national policy and the development

trend of the solar power generation industry, the future development direction of China's solar photovoltaic power generation panel cleaning industry and the great potential of the development of photovoltaic panel cleaning equipment are summarized.

Key words: Photovoltaic Dust; Photovoltaic Panel Cleaning Technology; Cleaning Robot; Photovoltaic

Panel Dust Cleaning Industry Development

140

第147頁

SHANGHAI ENERGY SAVING

2024年第 01 期

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

2018 年第 08 期

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)

術(shù)

清潔裝置廠家在上述兩種清潔方式的基礎(chǔ)上研制

出各種用于光伏板清潔作業(yè)的裝置,若通過裝置移

動與作業(yè)方式對其進行分類,可分為板上清潔裝置

與地面清潔裝置兩種。

1.1 板上太陽能光伏板清潔裝置

板上太陽能光伏板清潔裝置,是指清潔裝置依

靠軌道或自身結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)在光伏板表面移動并完

成清洗作業(yè)的光伏板清潔裝置。板上太陽能光伏

板清潔裝置主要分為以下三種:

1.1.1 板上式與地面式相互配合完成清潔任務(wù)

此類光伏板清潔機器人,是依靠位于光伏板表

面的清潔裝置與在地面行走的“運輸車”配合完成

工作。位于板上的機器人擔任清除光伏板表面積

灰任務(wù),“運輸車”則負責向清潔裝置提供能源、水

源、清潔劑等清潔過程中所消耗的“必需品”。通過

兩種裝置的相互配合完成太陽能光伏板表面積灰

清潔工作。

圖1為BQ-1200型光伏電站清潔機器人,該類

清潔裝置通過機器人主體、高壓水泵車及遙控系統(tǒng)

等組成,可在有水、無水兩種清潔方式中進行切換,

可針對不同作業(yè)環(huán)境與作業(yè)要求進行調(diào)整。該機

器人總長 1 300 mm,寬 1 320 mm,高 400 mm,重

約48 kg,清潔效能高達每小時3 000 m2 [6]

。

圖1 BQ-1200型光伏電站清潔機器人

(圖片來源:北國網(wǎng) 作者:佚名)

1.1.2 自主式板上太陽能光伏板清潔機器人

此類機器人主要靠真空吸附式、推力吸附式、

磁吸附式以及仿生吸附式等四種方式為主,以此來

保持裝置在光伏板表面不會滑落,實現(xiàn)在光伏板表

面自由行走。為減輕機身自重,該類光伏清潔機器

人多采用無水清潔方式,利用無水清潔,無需搭載

水箱的優(yōu)點來減輕裝置自重,可有效避免清潔裝置

在清洗作業(yè)時因自身過重而導(dǎo)致光伏組件損傷所

帶來的經(jīng)濟損失。

由日本 Sinfonia Technology 有限公司所設(shè)計

的一款自主式板上清潔機器人,該型機器人采用滾

刷與清潔劑相配合的方式對光伏板表面積灰進行

處理,清潔速率約為每小時100 m2[7]

1.1.3 軌道式板上太陽能光伏板清潔機器人

軌道式板載清潔機器人依靠提前在光伏板表

面鋪設(shè)導(dǎo)軌或?qū)⒀b置頂部與底部通過滾輪與光伏

板相結(jié)合,依托光伏板進行移動作業(yè)。在完成清潔

作業(yè)時清潔裝置隨導(dǎo)軌進行移動。此類清潔裝置

擁有運行穩(wěn)定的優(yōu)點,但存在著制作難度大、維護

建設(shè)成本高等不足。在完成光伏板積灰清潔作業(yè)

的實際使用中,該種裝置表現(xiàn)出較高的工作效率,

除塵率更是達到了 97%。但由于其特殊的移動方

式導(dǎo)致此類清潔裝置對作業(yè)環(huán)境要求較為苛刻,因

此該種清潔裝置只適用于地形平坦、光伏板緊密排

列的大型集中式光伏發(fā)電站。

西安運維電氣科技有限公司研發(fā)的光伏清掃

機器人為該類機器人。該機器人是依靠頂部與底

部安裝的滾輪在光伏組件表面移動,通過自身攜帶

的清掃裝置對光伏板積灰進行清理。但該類機器

人對作業(yè)環(huán)境要求較高,需在地面平坦的光伏電站

進行工作,并在每排陣列均需要安裝一個機器人才

可完成對光伏電站內(nèi)所有光伏板的清潔任務(wù)。

1.2 地面式太陽能光伏板清潔機器人

地面式光伏板清潔機器人在我國應(yīng)用較多,

圖 2所示的由青島昱臣智能機器人有限公司設(shè)計的

無水清潔光伏板機器人,該機器人加入履帶行走方

式,可適應(yīng)惡劣的外部條件。8 000 m2

的清潔工作

僅1 h即可完成。這款清潔效率高、清潔效果好的

機器填補了我國光伏清潔行業(yè)的諸多空白。

趙波等人[8]

組成的團隊研制出一款如圖3所示

的新型地面式太陽能光伏板清潔機器人(MDCS),

光伏板清潔裝置的優(yōu)缺點分析與前景展望

141

第148頁

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海節(jié)能 No.01

2024

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

節(jié)能技術(shù)

通過在吉林省內(nèi)一處光伏電站進行實驗所得出的

數(shù)據(jù)進行分析,分析結(jié)果顯示,使用MDCS對積灰6

至 14 天的光伏組件進行清潔后發(fā)電效率可增加

3.14%至6.17%。

上述光伏清潔車由于體型過大,實際運行中需

要在太陽能光伏組附近建設(shè)清潔車專用通道,大幅

提高了光伏電站的建設(shè)成本并造成了大量土地資

源的浪費。對于處在丘陵湖泊等分布式小型光伏

電站而言,傳統(tǒng)光伏清洗車并不能勝任此類場景下

的分布式太陽能光伏板積灰清潔工作。

圖2 昱臣清潔機器人[7]

圖3 移動光伏板清潔機器人[7]

2 光伏清潔裝置前景展望

從長遠來看,光伏發(fā)電行業(yè)的進一步發(fā)展與廣

闊應(yīng)用是人類社會發(fā)展的必然趨勢。截至目前一

些發(fā)達國家和地區(qū)如歐盟、美國已將光伏發(fā)電列入

重要可再生能源序列。我國已經(jīng)成為全球光伏行

業(yè)中占比規(guī)模最大的國家,截至2021年底,光伏發(fā)

電設(shè)備累計裝機量達3.06億kW[9]

。但在光伏發(fā)電

系統(tǒng)的實際使用中環(huán)境因素對其輸出功率的影響

很大,其中一個主要因素是光伏板表面的積塵[10]

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,光伏板發(fā)電效率會隨著積灰量的增

加呈現(xiàn)下降趨勢,8d的自然積灰就會使光伏組件上

層玻璃的相對透光率減小約20%,有時甚至低到只

有60%[4]

,若不能有效地解決采光玻璃表面的污染

問題,就會降低對光電轉(zhuǎn)化效率。

我國主要的大型光伏發(fā)電站集中分布在中西

部地區(qū)。在西部戈壁等空曠地區(qū),主要采用集中式

光伏電站,比如地面光伏電站,此類電站具有占地

面積大、集中安裝的特點[2]

?,F(xiàn)有的光伏板清潔裝

置難以適用于大規(guī)模光伏發(fā)電站,如何高效地對光

伏板進行清潔維護,同時解放勞動力,減少運行成

本,成為光伏發(fā)電行業(yè)急需解決的問題。隨著光伏

產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展所帶來的光伏清潔行業(yè)缺口會越

來越大,這也給光伏清潔裝置的發(fā)展提供了機會。

目前國家相關(guān)部門也不斷加強光伏發(fā)電的宣

傳與推廣,許多高校也成立了光伏發(fā)電領(lǐng)域相關(guān)

團隊,培養(yǎng)該領(lǐng)域的優(yōu)秀人才,研究出很多好的除

塵方法,光伏清潔裝置也在不斷創(chuàng)新發(fā)展。這些

舉措都在為我國光伏產(chǎn)業(yè)的進一步壯大提供動

力,展現(xiàn)出光伏清潔裝置未來廣闊的市場與良好

的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]岳蕾,鄭星,王爍.我國光伏發(fā)電行業(yè)標準化建設(shè)情況及發(fā)展建議研究

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[2]吳穎超.積塵對光伏電站發(fā)電量的影響及清潔方式分析[J].太陽能,

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[5]塔娜.光伏行業(yè)現(xiàn)狀及前景分析[J].企業(yè)改革與管理,2018(22):

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[6]侯佳松,王侃宏,石鈺楊,等.邯鄲地區(qū)溫度和灰塵對獨立太陽能光伏

發(fā)電系統(tǒng)的影響[J].節(jié)能,2011,30(10):49-52+3.

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[8]趙波,范思遠,曹生現(xiàn),等.移動式光伏板積灰干式清洗裝置研制及應(yīng)

用[J]. 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報,2019,39(6):1707-1713 + 1867.DOI:

10.13334/j.0258-8013.pcsee.180218.

[9]郭麗菲.“光伏衛(wèi)士”讓光伏板清潔更加簡單高效[N]. 山西青年報,

2022-03-28(6).DOI:10.28761/n.cnki.nsxqn.2022.000361.

[10]喬永力. 積塵對太陽能光伏板性能影響及清潔裝置的研究[D].中國

計量大學(xué),2018.

142

第149頁

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2024年第 01 期

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上海節(jié)能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

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節(jié)

術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)冰檢測及防除冰

技術(shù)綜述

孫永朋1 關(guān) 新2 劉傳寶1 王 哲1

1. 沈陽工程學(xué)院 能源與動力學(xué)院

2. 沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院

摘要:風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)冰是風(fēng)電機組在高寒地區(qū)常見且具有挑戰(zhàn)性的問題,葉片結(jié)冰會改變其空氣動

力學(xué)特性,表面粗糙度增加、阻力增加、功率損失,甚至使塔筒與風(fēng)輪之間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。對風(fēng)力發(fā)電機

葉片結(jié)冰過程、結(jié)冰類型、結(jié)冰等級進行了闡述,并對目前現(xiàn)有的葉片結(jié)冰檢測方法和防除冰技術(shù)進行了

歸納。為更好地解決葉片結(jié)冰對風(fēng)電機組的影響,可針對不同的氣候及區(qū)域使用相應(yīng)的結(jié)冰檢測技術(shù)和

防除冰技術(shù),減少葉片結(jié)冰對風(fēng)電機組產(chǎn)生的影響。掌握這一領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀,對推動風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展

具有重要意義。

關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機葉片;結(jié)冰;結(jié)冰檢測技術(shù);防除冰技術(shù)

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2024.01.017

Overview of Ice Detection and Deicing Technology for

Wind Turbine Blades

SUN Yongpeng1

, GUAN Xin2

, LIU Chuanbao1

, WANG Zhe1

1. School of Energy and Power, Shenyang Institute of Technology

2. Shenyang Institute of Technology, New Energy College

Abstract: Ice formation on the blades of wind turbines is a common and challenging problem in

high-cold regions. Ice formation on the blades will change their aerodynamic characteristics, increase

surface roughness, increase drag, cause power loss, and even cause resonance between the tower

收稿日期:2023-07-14

第一作者(通訊):孫永朋(1998-08-),男,碩士研究生,主要從事風(fēng)電機組氣動載荷研究

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節(jié)能技術(shù)

0 引言

風(fēng)能是全球開發(fā)最廣泛的可再生能源之一,由

于具有清潔無污染、分布廣泛的特點,受到世界各

國的關(guān)注。風(fēng)電機組在運行過程中也出現(xiàn)了諸多

問題,其中寒冷地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)冰便是其

中之一。我國風(fēng)能資源豐富,但由于地域遼闊及地

理位置的不同,風(fēng)能分布不均勻,多數(shù)優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資

源集中在東北、華北、西北等氣候寒冷的地區(qū),所以

風(fēng)力發(fā)電機葉片面臨著一定程度的覆冰現(xiàn)象。葉

片結(jié)冰不僅改變空氣動力學(xué)特性,使其表面粗糙度

增加,降低翼型升力、增加阻力,還進而影響風(fēng)力機

風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的能力,減少其出力效果。此外,葉

片表面覆冰,將引起風(fēng)輪葉片質(zhì)量不平衡,進而對

風(fēng)輪主軸產(chǎn)生附加扭矩,這將改變?nèi)~片的固有頻率

和運行可靠性,甚至將促使塔筒與風(fēng)輪之間產(chǎn)生共

振現(xiàn)象,造成風(fēng)電機組安全鏈觸發(fā),產(chǎn)生風(fēng)力機運

行安全事故。因此,有針對性地對風(fēng)力發(fā)電機葉片

結(jié)冰過程、結(jié)冰類型、結(jié)冰檢測方法及防除冰技術(shù)

進行研究,對風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 風(fēng)力機葉片結(jié)冰過程、等級、類型及影響

1.1 結(jié)冰過程

結(jié)冰過程可分為氣象結(jié)冰階段、儀器結(jié)冰階

段、培養(yǎng)階段、恢復(fù)階段。從氣象學(xué)的角度來看,結(jié)

冰過程包括兩個階段:氣象結(jié)冰階段是指當天氣條

件(溫度、濕度、風(fēng)速等)達到結(jié)冰條件時,物體表面

會形成冰。之后是恢復(fù)階段,即從葉片上去除冰所

需的時間。從設(shè)備的角度來看,也包括兩個階段:

培養(yǎng)階段,這是設(shè)備(如風(fēng)速計)能夠檢測到結(jié)冰之

前的時間,其次是儀器結(jié)冰,這是結(jié)冰影響設(shè)備(生

產(chǎn)損失)的時間。因此,培育階段是氣象結(jié)冰開始

和儀器結(jié)冰開始之間的時間,而恢復(fù)時間是氣象結(jié)

冰結(jié)束和儀器結(jié)冰結(jié)束之間的時間。

1.2 結(jié)冰強度

根據(jù)結(jié)冰過程、結(jié)冰持續(xù)時間及發(fā)電量損失,

可將結(jié)冰強度劃分為5級(見表1)。

and the rotor. This article describes the process, types, and levels of ice formation on wind turbine

blades, and summarizes existing blade ice detection methods and anti-icing technologies. In order to

better address the impact of blade ice formation on wind turbines, corresponding ice detection technologies and anti-icing technologies can be used for different climates and regions to reduce the impact of

blade ice formation on wind turbines. Mastering the current development status in this field is of great

significance for promoting the development of the wind power industry.

Key words: Wind Turbine Blade; Ice Formation; Ice Detection Technology; Deicing Technology

表1 結(jié)冰強度等級[1]

結(jié)冰等級

5

4

3

2

1

氣象結(jié)冰(%/年)

>10

5~10

3~5

0.5~3

0~0.5

儀器結(jié)冰(%/年)

>20

10~30

6~15

1~9

<1.5

發(fā)電量損失(%/年均發(fā)電量)

>20

10~25

3~12

0.5~5

0~0.5

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