《上海节能》2024年第1期

发布时间:2024-1-29 | 杂志分类:其他
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SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2024年第 01 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY SAVING2018 年第 08 期节能论坛具体来看,由于液膜的表面张力和液体与壁面之间的分离压力的共同作用,便在吸液芯内的微通道中形成了膨胀的弯月板。由于传质情况的不同,弯月板可以分成非蒸发平衡薄膜区域、蒸发薄膜区域和固有弯月面区域[48-50]三个区域(如图4 所示)[44]。首先,在非蒸发平衡薄膜区域,该处的液膜表面张力远低于分离压力,而分离压力主要由固体分子和液体膜分子之间的长程范德华力所主导。足够的分离压力可以保持液膜过热而不发生蒸发。其次,在蒸发薄膜区,随着液膜厚度的逐渐增加,表面张力和减弱的分离压力共同影响着界面的形貌和蒸发量。蒸发区域的液体输送是由分离压力的梯度和界面曲率的变化共同驱动的。最后,在固有弯月面区域,足够的液体膜厚度允许分离压力被忽略。因此,存在一个由表面张力主导的恒定界面曲率。Derjaguin 等人[51... [收起]
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具体来看,由于液膜的表面张力和液体与壁

面之间的分离压力的共同作用,便在吸液芯内的

微通道中形成了膨胀的弯月板。由于传质情况的

不同,弯月板可以分成非蒸发平衡薄膜区域、蒸发

薄膜区域和固有弯月面区域[48-50]

三个区域(如图

4 所示)[44]

。首先,在非蒸发平衡薄膜区域,该处

的液膜表面张力远低于分离压力,而分离压力主

要由固体分子和液体膜分子之间的长程范德华力

所主导。足够的分离压力可以保持液膜过热而不

发生蒸发。其次,在蒸发薄膜区,随着液膜厚度的

逐渐增加,表面张力和减弱的分离压力共同影响

着界面的形貌和蒸发量。蒸发区域的液体输送是

由分离压力的梯度和界面曲率的变化共同驱动

的。最后,在固有弯月面区域,足够的液体膜厚度

允许分离压力被忽略。因此,存在一个由表面张

力主导的恒定界面曲率。

Derjaguin 等人[51]首先提出了分离压力的概

念,并建立了气液界面上力与热传质之间的关系。

Wayner 等人[52]

,通过 Kelvin-Clapeyron 公式指出

了分离压力对蒸发的抑制作用,以及毛细管压力和

界面温度跳跃的影响。这些研究工作为开发分离

压力和蒸发系数的关系表达式等相关物理模型奠

定了基础[48]

1.3 设计参数的影响机理研究

基于液体薄膜蒸发机理,研究者们对在实际均

热板蒸发端的设计中各个设计参数的影响机理作

出了进一步的研究。

蒸发端吸液芯的热阻反映了自发传热过程的

难度,而这与过热度(ΔT)和等效传热系数(HTC)

的设置又密切相关。因为对于具有较高热阻或较

低HTC的蒸发器,需要更大的过热度来传递相同的

图2 由多孔介质和叶脉状分形结构组成的仿生灯芯的概念结构

图3 液体薄膜蒸发机理

多孔吸液芯均热板的现状研究

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热流,而这种情况对电子元件的高效运行不利。

S. Sudhakar 等人[53]

,通过设计一种蒸发端吸液芯

为两层的异构吸液芯,研究发现设计的两层蒸发器

吸液芯中实现的液体供给方法可显著增强烧干

极限热通量的同时保持低热阻。M.M. Rahman

等人[54]

通过对吸液芯表面进行纳米结构处理,经过

实验得到了芯吸能力对 CHF 增强作用的定量测

量。然而,多孔灯芯结构的复杂性仍给通过物理模

型准确描述流体流动和热传热的过程带来了巨大

的麻烦。近年来,微柱阵列吸液芯热性能的可预测

性引起了广泛的关注[55-58]

。S. Adera 等人[55]

通过

建立一个半解析模型来确定受毛细力限制下的烧

干极限热通量和吸液芯壁面温度,其精确度在±

20%,同时与试验相对照。该模型为设计和优化下

一代热管理设备的微柱芯提供了一个通用平台。

同时,液态工质的充液率也直接影响着工质蒸

发的过程,不同的充液率代表着不同的液膜厚度和

大小以及热传导面积(液态工质与吸液芯)。Tsai等

人[59]

实验研究了一种用于电子冷却的两相封闭温差

换流均热板系统,其总热阻为0.495 ℃/W,有着约为

62 W/cm2

的热流量,充液率为20%。Lips等[60]

研究

了充液率和蒸汽腔厚度对FPHP性能的综合影响。

实验结果表明,蒸汽腔厚度和热通量对FPHP的热性

能有重要影响。较小的蒸汽腔厚度会导致液体滞

留在FPHP的边边角角,因此即使在液体工质的量

大于最佳值的情况下,也会降低系统的热阻。

Wang等[61]

实验研究了以交错的狭窄沟槽或通道作

为吸液芯结构的 FPHPs。对于填充比为 65%的矩

形窄通道,其最小热阻为0.183 K/W,对于填充比为

70%的圆形通道,其最小热阻为0.071 K/W。

Naphon 等人[62]

研究了一种两相 VC 技术在个

人电脑硬盘驱动器冷却中的应用。有VC冷却系统

的硬盘平均温度比没有 VC 冷却系统的温度低

15.2%。作者指出,相变传热过程的热阻也随液膜

厚度的增加而增加。因此,在测试的其它充液率

中,20%充液率的 VC 可以做到最低的硬盘温度。

Peng 等人[63]

使用丙酮和蒸馏水混合物作为工质,

实验研究了充液率(CR)(10%<CR<50%)范围内

的铝FPHP的热性能。在相同的充液率下,使用丙

酮的热性能优于使用蒸馏水。Peng等人[63]

使用充

液率(0<CR<80%)的去离子水测试了一种基于直

径为90 mm的叶脉系统的新型VC的性能。实验结

图4 非蒸发平衡薄膜区域、蒸发薄膜区域和固有弯月面区域

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果表明,当充液率为63%时,其热阻最低。

2 蒸气扩散

在均热板工作循环中,当工质在蒸发端吸热相

变为蒸气后,此时蒸气便要靠蒸汽腔内的压差进行

扩散运动来到冷凝端进行放热冷凝,在这个过程中

如何减少蒸气扩散的阻力便是重点所在。从最直

接的蒸汽腔大小来看,当蒸汽腔的大小足够大时,

蒸气扩散的阻力便可以减小。

2.1 非超薄均热板

影响蒸汽腔大小的首要因素便是实际设计尺

寸的大小,而实际尺寸大小的选择最终还是服务于

需求,因此对于尺寸要求并未有太多限制的普通非

超薄均热板如厚度方向为传热方向的气液异面均

热板(其通常需要在上下壳板布置两层吸液芯,中

间支撑起蒸汽腔空间,因此厚度无法太薄),此类均

热板的应用场景:一是满足散热的均匀性,防止热

点的产生,使得热源和热沉两端都具有良好的均温

性;二是能满足通过较大的热量,使得热源的热量

能够足量且及时地排出。

由于蒸汽腔内为真空内外压差大,所以需要

考虑支撑柱的设置防止塌陷,而同时支撑柱往往

还是工质回流的通道,所以其体积往往不能忽略,

其在蒸汽腔中对蒸气扩散造成的阻力也不可小

觑。李聪[64]

通过建立均热板传热传质的数值仿真

计算模型,分析了均热板内支撑柱结构的尺寸、数

量、间距以及支撑柱结构类型等因素对均热板传

热性能的影响,发现计算结果能够较好吻合文献

数据与实验数据,与试验数据最大误差约为2%。

2.2 超薄均热板

对于实际尺寸有超薄要求的应用场景,如在

智能手机这样的产品,则需要应用到超薄均热板

技术。有研究表明,当蒸汽腔厚度减小至 0.3 mm

以后,超薄均热板热阻急剧增加,并且随着蒸汽

腔厚度进一步减小,蒸汽流动产生的热阻占据

超薄均热板总热阻的比重也越来越大[64]

(如图 5

所示)。

图5 理论热阻随蒸汽腔厚度变化曲线

超薄均热板的气液通道排布方式可分为气液

异面结构排布和气液共面结构排布两种。两种排

布类型的超薄均热板气液运行与传热机理示意图

如图6所示。由图 6a可知,气液异面超薄均热板蒸

汽通道和液体通道在厚度方向(Z 轴)上是相互分离

的,并且蒸汽流动与液体流动在不同的平面(XOY

平面)进行。图6b所示为新型气液共面超薄均热板

气液运行与传热机理示意图,该类型超薄均热板蒸

汽通道和液体通道在厚度方向(Z 轴)上是不可分离

的,并且蒸汽流动与液体流动在同一平面(XOY 平

面)内进行。两种气液运行与传热过程类似,都是蒸

发段吸液芯中的工质液体吸收外界输入热量,发生

蒸发相变变成工质蒸汽,并在压差作用下沿着蒸汽

腔长度方向(Y 轴)流动至冷凝段,工质蒸汽在冷凝

段被带走热量,发生相变凝结变成工质液体,并在

吸液芯毛细压力推动下流回至蒸发段,进行下一步

吸热蒸发过程[65]

由于在厚度方向传热的均热板存在需两层吸

液芯的厚度限制,其无法在超薄的路上走得更远,

研究者们发现超薄均热板沿着长度方向传热更具

实际效益,其既可以保证均温性,同时也能保证芯

片热量快速传递至电子设备壳体,而且只需要一层吸

液芯结构。SHI 等[66]

报道了一种厚度为 0.65 mm 的

气液异面超薄均热板,采用阵列微柱作为支撑柱,与

吸液芯结构在厚度方向上相互分离。CHEN等[67] 设

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计制造了一种厚度仅为 0.43 mm 的气液异面铜超

薄均热板,该超薄均热板采用口径为 46 μm(300

目)丝网作为吸液芯,湿法蚀刻加工支撑柱作为蒸汽

腔,吸液芯和蒸汽腔在厚度方向上相互分离,两者

厚度分别为 0.15 mm 和 0.08 mm(如图 7 所示)。

大量学者均采用该类气液异面结构(蒸汽腔层为柱

状支撑柱组成的腔体,吸液芯层为整层多孔结构)的

设计制造超薄均热板[68-70]

因为气液异面结构设计需要考虑总厚度为蒸

汽腔厚度加上吸液芯厚度,所以在超薄化上只能在

减少蒸汽腔厚度和吸液芯厚度上取舍,而无论是蒸

汽腔厚度减小可能需要考虑的微尺度效应以及液

塞,还是吸液芯厚度减小可能导致的蒸发相变传热

受到影响都是无法接受的。华南理工大学汤勇教

授团队创新性地提出气液共面新型气液通道排布

方式,将蒸汽通道(蒸汽腔) 与液体通道(吸液芯)排

布在厚度方向上的同一平面上,蒸汽和液体流动在

同一平面上进行,超薄均热板总体厚度可进一步下

降。另外,通过气液通道的交替设置,气液共面均

热板在宽度方向可以较好地扩展,特别适用于散热

面积较大的场合。这逐渐受到其他研究者的关

注。陈恭[71]

提出一种厚度为 0.27 mm 的新型气液

图6 气液异面与气液共面结构超薄均热板传热示意图

图7 支撑柱-吸液芯分离气液异面超薄均热板

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共面结构超薄均热板设计与制造方法,围绕新型气

液共面结构超薄均热板的运行机理、结构设计、制

造方法以及性能表征进行了系统且深入的研究。

2.3 工质的选择

除开蒸汽腔大小对蒸气扩散的阻力影响外,便

是需要考虑工质选择带来的阻力改变了。在许多情

况下均热板无法获得比较长的使用寿命往往与工质

的错误选择有关,例如工质与吸液芯和壁面材料的

不兼容性导致均热板的腐蚀以及不可凝气体的产

生,致使均热板内部循环阻力持续增大,最终无法

正常工作。迄今为止,均热板的大多数实验都是采

用铜和铝材料进行的封装,以水[7-8,26]

,丙酮[7,26-27]

,甲

醇[16,26,28-29]

,乙醇[7]

和正戊烷[30]

一般来说选择合适的工作流体取决于均热板的

工作温度范围和所需的热通量上限。其它主要考

虑因素是与吸液芯和封装壁面材料的兼容性、热稳

定性、吸液芯和壁材料的润湿性,以及综合考虑在

工作温度范围内蒸气压是否过高或过低。同时,合

适的工质还需拥有高潜热、高导热性、低液体黏度

和蒸汽黏度、高表面张力和可接受的凝结或蒸发

点。图8展示了部分材料和工质的兼容性关系[72]

图8 部分材料和工质的兼容性关系

3 液体回流

如果把热源输入的热量看作是均热板循环的

“驱动力”,那么由吸液芯主导的液体回流便是使均

热板循环构成闭环的“惯性力”了 。当蒸气工质在

冷凝端相变放热凝结进入冷凝端吸液芯时,液体回

流便开始了,液体工质在吸液芯毛细力的作用下克

服阻力回流到蒸发端。以多孔吸液芯为例,在这个

过程中,吸液芯作为运载主体,工质作为运载对象,

便需要细致的研究设计来达到目的。吸液芯所提

供的毛细压力需能做到克服所有阻力,即令公式

(1)成立。除此之外,工质在吸液芯内的渗透率需

足够大,使得液体工质回流到蒸发端的速度达到要

求,避免烧干现象的产生。

3.1 毛细力与渗透率

3.1.1 毛细力与渗透率的概念

对于多孔材料为吸液芯的均热板,孔隙率 ε 是

影响多孔介质内流体传输性能的重要参数之一,是

指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体

积的百分比[73]

。一般主要采用密度计算法来测量

孔隙率,如式(2):

Vc = Mw

ρc

; Vp = Vw - Vc;ε = Vp

Vw

(2)

其中 Mw 为吸液芯的总质量,Vw 为吸液芯总体积,

Vc 为吸液芯材料总体积,Vp 为空隙总体积。

在一定压差下,材料允许流体通过的能力即为

材料的渗透率,在状态稳定的情况下,由于流速较

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低,吸液芯内的液体渗流,可认为是层流流动,在惯

性效应忽略的情况下,可以根据达西(Darcy)定律来

计算吸液芯的渗透率[74]

K = vμlL

ΔP ; V = ṁ

Aw ρl

(3)

其中,μl 为液体黏度 ,L 为吸液芯样品的长度,

ΔP 为吸液芯进出口压降,V 为液体渗流速度,

ṁ 为液体的质量流速,Aw 为液体在吸液芯内部的

流动横截面积,ρl 为液体的密度。

对 于 铜 粉 烧 结 式 吸 液 芯 渗 透 率 也 可 用

Blake-Kozeny 方程[75]

计算:

K = d2

p ε

3

150(1 - ε)

2 (4)

式中,dp 为烧结铜粉的平均粒径。

对于铜粉烧结吸液芯的毛细压力可用 Laplace-Young方程[76]

来表示:

ΔPcap = 2σ cos θ

rp

(5)

式中, σ 和 rp 分别为液体的表面张力和孔隙半径,

θ 为接触角,通常将孔隙半径和接触角余弦值的比

值用有效毛细半径( reff )

[78]

来代替:

ΔPcap = 2σ

reff

(6)

3.1.2 渗透率和毛细压力的测量

根据式(3),黄豆等[73]

建立一套烧结铜粉吸液

芯的渗透率测试实验系统(如图9所示), 其工质为

去离子水,去离子水在重力的作用下流入实验段,

实验段由不锈钢基体流动腔体、密封硅胶垫、有机

玻璃板组成。在不锈钢基体流动腔体中间加工出

与吸液芯样品尺寸匹配的矩形槽道,矩形槽道两端

加工同深度的渐缩渐扩槽道,在不锈钢基体流动腔

体的进出口分别加工一个长方体的联箱,深度为

25 mm,使流入吸液芯的去离子水的流速更均匀更

稳定,在进口联箱处安装绝对压力传感器(OmegaPX309-050A5V)测量吸液芯入口压力,出口与

大气相通,认为压力保持不变。流体流出测试段以

后,采用烧杯进行收集,通过高精度电子秤(精度为

0.1 mg)称量,同时利用秒表进行计时,以便获得流

体在吸液芯内的流速。

图9 渗透率测试实验系统

而对于毛细压力的测量,通过式(6)可以知道

先得到有效毛细半径,对于烧结铜粉吸液芯材料,

可利用经验公式[77]

reff = 0.205dp (7)

当然也有具体的测量实验方法,即气泡点测试

法[78-80]

,装置如图10(两种系统)。其原理为通过测

量灯芯被液体覆盖时所能承受的气体压力,可以估

计灯芯的有效孔隙半径。

图10 气泡点测试系统

3.2 毛细性能

吸液芯的综合毛细性能主要受毛细压力和渗

透率的影响,而毛细压力和渗透率有一定的制约关

系,两者均不能单独描述吸液芯的毛细性能。一般

采用毛细性能因子 K/reff ,即渗透率和有效毛细半

径的比值,来评价吸液芯的综合毛细性能[81]

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现有的研究方法中,有种高效且简单的表征吸

液芯毛细性能的实验方法,便是上升速率法了[79,82]

,

其原理为当吸液芯浸没在工作液体中时,在吸液芯

所提供的毛细压力作用下,液体会在吸液芯结构中

爬升一定高度,由于工作液体和吸液芯结构的发射

率不同,可通过红外成像仪观测到上升的过程,通

过此得到毛细爬升高度以及爬升速率,以此来表征

吸液芯的毛细能力(如图11)。

图11 毛细上升红外测试系统

由于吸液芯在实验期间垂直放置,因此重力和

毛细压力存在平衡。毛细压力和压降的关系可以

采用式(8)进行描述[82]

reff

= μ

K h dh

dt

+ ρgh (8)

式中,等式左端为毛细压力,等式右端第一项为达西

定律表示的渗流阻力,即黏性摩擦力, μ 和h分别为

液体的动力黏度和吸液芯的毛细上升高度,dh

dt

是毛细上升速度,ρ、g、ε分别为液体的密度、重力

加速度及吸液芯结构的孔隙率。

对上式两边积分可得到一个关于 reff 的复杂

的超越方程[82]

-[ 2σ

reff

ln (1 - ρgreff

h)+ ρgh]= Kρ2

g2

μ

t (9)

以此超越方程为基础,利用 MIATLAB 编程基

于一组输入的毛细爬升高度 h 和假设的 reff 数据

集、K 数据集对生成的一组时间 t 采用最小二乘法

来分析[83]

。为了分析这组数据,利用渗透率和有效

毛细半径值的样本空间,为每对有效毛细半径和渗

透率值生成多组时间值。每组时间值以最小二乘

法与来自实验数据集的时间值进行比较。所寻求

的是满足实验数据集的时间t 与从样本空间生成的

时间集t 之间的偏差平方和最小时对应的渗透率和

有效毛细半径。如此之行,便是为了得到渗透率与

有效毛细半径的合理配比,从而获得吸液芯比较好

的毛细性能。

4 结论与展望

从目前的研究趋势来看,均热板的应用场景越

来越偏向于超薄化的发展,那么可以预见在未来的

研究中,气液共面排布的均热板研究会更受到青

睐,其在厚度方向继续减小的潜力更大。同时,在

吸液芯结构的研究上,利用微纳复合尺度技术会成

为研究者们攻克的一个方向,例如对吸液芯不同区

域进行不同的处理,提升吸液芯毛细能力的同时增

强冷凝端和蒸发端相变换热的能力以及获得更好

的传热均匀性和工质输送稳定性。

同时,在未来由于电子设备的紧凑化和高功率

化,要求均热板能够长时间稳定工作,研究者们需

要更多地去尝试工质与封装材料以及吸液芯材料

的搭配,避免凝气现象的发生,延长产品寿命周期,

同时获得可大规模应用且高效可行的封装方法,尝

试实现规模化和规范化生产方法的突破。

在吸液芯种类选择上,可以预见的是由于电子

产品功率的上升,吸液芯毛细能力的要求会更高,

同时厚度的限制之下对吸液芯结构的稳定性需求

也更大,因此对于目前微沟槽吸液芯毛细能力上限

低,而多孔材料吸液芯在厚度极度减少时强度不足

的情况,本文认为应该多进行复合结构吸液芯的尝

试,取长补短。

参考文献

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2018 年第 08 期

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Radius Measurements for Heat Pipe and Fuel Cell Applications. Heat

Transfer, Volume 2.

(上接封二)

人民网是“网上的人民日报”,近年来在推进深度融合发展的进程中,高度重视人工智能为代表的前沿科技的引领

支撑作用。近六年来,人民网的业务逐步从创新和重新定义内容业务,到发展数据业务,再到拓展智能业务,形成了内

容层、数据层和智能层三层协同发展的新状态。

2023年初,随着生成式人工智能的大潮涌来,人民网迅速开展内容安全测评,4月,人民网启动建设主流价值语料

库。12月13日,人民网中标国家政务服务总平台的智能化总客服。未来,在AI方向上,人民网应用聚焦党政大模型和

健康科普领域。

上海是人工智能领域的领先者。2023年7月6日,由人民网、上海人工智能实验室、上海数据集团等单位在世界人

工智能大会上联合发起“中国大模型语料数据联盟”成立;9 月 20 日,人民网与上海市经信委共同主办“2023 数字经济

峰会·城市智能升级论坛”;11月,上海印发了《上海市推动人工智能大模型创新发展的若干措施》。这些都为我们合作

奠定了基础。“相信这次续约合作,一定会进一步落实好总书记的指示要求,再加上未来产业领域的标杆企业的加持,我

们一定能够发挥各自优势,碰撞出更多的激情与火花,共同推进上海产业和信息化的高质量发展。“

“7年来,人民网与上海市经信委紧密携手,在重大宣传、党建服务、课题研究、产业转型发展等方面展开深度合作,

推出一系列重大宣传报道、理论课题项目等,取得了丰硕成果。”人民网副总编辑杨义在致辞时表示,未来将继续携手

讲好上海未来产业以及企业家的创业故事,展现上海未来产业千帆竞发、百舸争流的蓬勃生机。

上海市经济和信息化委员会二级巡视员、技术进步处处长李宇宏以“聚力未来产业新赛道 加快形成新质生产力”

为主题,介绍了上海市聚力未来产业新赛道,加快形成新质生产力的做法。她表示,上海坚持系统谋划,完善现代化产

业体系框架。一方面,聚焦筑基攻关,强化科技产业双向联动,另一方面,强化生态打造,激发经营主体动力活力。下一

步,上海将按照“项目+人才”“平台+载体”的思路,全力发挥上海的人才、信息、资本、场景、生态等优势,通过赛马机制

和揭榜挂帅,在五大未来产业集群的16个领域中跑出数个“核爆点”,在未来产业的版图中体现上海作为。

圆桌论坛环节由人民网上海分公司总经理金煜纯主持。会上,来自上海傅利叶智能科技有限公司董事长兼CEO

顾捷,上海稀宇科技有限公司创始人兼CEO闫俊杰,中国能建中电工程华东电力设计院有限公司总工程师、副总经理

叶勇健,中国船舶集团有限公司第七〇八研究所副所长朱建璋,上海以心医疗器械有限公司董事长王莉等五家企业的

同志,围绕“未来产业在长三角(上海)”分享了各自领域的前沿成果。

会上,人民网副总编辑杨义与上海市经济和信息化委员会二级巡视员、技术进步处处长李宇宏代表双方签订了框

架合作协议。

据了解,根据框架合作协议,未来双方将围绕重大宣传和党建服务、聚焦高质量发展、探索新模式激发新动能等方

面开展合作,共同推动产业和经济高质量发展,为上海城市能级和核心竞争力的提升,注入加速前行的新活力新动能。

(来源:人民网)

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鱼雷动力系统技术特点研究

及趋势展望

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

摘要:在热动力鱼雷领域,燃气轮机及空间传输机构的活塞式发动机(如斜盘发动机、摆盘发动机及凸轮

发动机等)有着较好的应用前景。火箭发动机虽然能提供较高的航速,但由于燃料消耗速度较快,致使总

射程较短;而在电动力鱼雷领域,除了提高蓄电池的能量密度之外,针对新型电机的开发进程也在持续进

行中。由于发动机的运作过程会受水下背压影响,更倾向于将热动力鱼雷用于攻击水面舰船;而电动力

鱼雷由于隐蔽性较好,且潜航深度较深,更利于潜艇使用或进行反潜攻击。鱼雷在海防事业中起到的重

要作用,两类鱼雷都将持续得到广泛应用,技术研究依然有着较高的必要性。

关键词:鱼雷;燃气轮机;斜盘发动机;摆盘发动机;凸轮发动机;火箭发动机

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

作者简介:伍赛特(1990-02-),男,工学硕士,工程师、经济师、信息系统项目管理师、知识产权师,研究方向为内燃机与动力装置

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0 引言

鱼雷是一类自行推进的水中兵器,通常用于攻

击水面舰船或潜艇。迄今为止,鱼雷被用作海战武

器已有一百余年的历史。由于此前导弹武器也被应

用于海战,使鱼雷在海战中的地位有所提高,与其他

海战武器相比,鱼雷依然具有诸多优势。

鱼雷与其他武器协调配合,能在海战中发挥重

要作用,在现代海战中仍是海军的重要武备之一。

各国海军对鱼雷武器的研制和发展十分重视,特别

是在反潜作战领域,鱼雷技术得到了快速发展。按

制导方法的不同,鱼雷通常有自控鱼雷和自导鱼雷

之分。

1 鱼雷的结构组成

现代鱼雷种类繁多,但在结构上大体相同,鱼

雷所执行的战斗任务,都是为了攻击水中目标。通

常而言,任何一种鱼雷均会配备有战斗部、能源储

备系统、动力系统、操纵机构及制导系统,以上机构

均安装在鱼雷壳体内部。

1)雷头:雷头也称战斗部,装有击毁目标的烈

性炸药及引爆器。对于自导鱼雷,其内部还装有自

导装置。

2)鱼雷中段:属于能源储备段,在其水密圆柱

形壳体内装有蓄电池或燃料与氧化剂等。

3)鱼雷后段:配装有鱼雷发动机(或推进电

机)、推进轴及操纵装置。

4)雷尾:配装有用于固定鱼雷的鳍和舵,推进

轴末端的螺旋桨。

动力系统可将其他形式的能源换为机械能,为

鱼雷的自动航行提供动力来源。根据能源形式的

不同,鱼雷动力系统可分热动力系统与电动力系统

两大类[1]

。热动力系统可将燃料燃烧时产生的热能

转换为机械能,并驱动推进器以产生推力,使鱼雷

向前运动。电动力系统则将蓄电池提供的电能转

换为机械能,从而为鱼雷提供前进动力。采用热动

力系统的鱼雷即为热动力鱼雷,而采用电动力系统

的鱼雷即为电动力鱼雷。重点针对鱼雷的热动力

系统及电动力系统进行介绍。

2 鱼雷热动力系统及其组成

2.1 鱼雷热动力系统的循环模式及组成

鱼雷热动力系统按运行方式可分为开式循环

动力系统、半开式循环动力系统和闭式循环动力系

统[2]

。在开式循环动力系统中,鱼雷推进剂燃烧后

产生的高温燃气,全部排入海水中,会产生明显的

航迹,而发动机功率同样也受潜航深度限制;在半

开式循环动力系统中,鱼雷推进剂燃烧后产生的高

温燃气,部分储存在雷体内,部分排入海水中,使鱼

雷航迹得以明显减弱,但发动机功率依然受到潜航

深度影响;在闭式循环动力系统中,鱼雷推进剂燃

烧后产生的废气全部储存在雷体内,可实现循环利

用,发动机自身功率不受潜航深度限制且不产生航

迹,适用于深水反潜鱼雷,但由此将增加相应的冷

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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凝系统。目前,鱼雷热动力系统主要分为四部分,

包括储能系统、能量供应调节系统、分解燃烧与点

火系统,以及主机。

2.2 储能系统

就能源结构形态可分为固、液、气三态,按组分

单组元、双组元及三组元。能源的储存方式主要决

定于能源组分。能源包括了气体组分,需要采用储

气的高压容器。如果能源主要为液体或固体形态,

储能系统的结构就会更为简易。

鱼雷除主机所用能源(或称主能源)外,还有

辅助能源,如控制系统、启动用的高压空气、电源

等。电源一般由蓄电池来提供,也可通过主机驱

动发电机来供应部分能源。为充分利用高压空气,

鱼雷通常需要自备小型气瓶,气瓶因为体积较小,

采用玻璃钢等材料来减轻重量。

2.3 能量供应与调节系统

能量供应系统主要分为能量供应系统与能量

调节系统。在能量供应系统中,需要采用各种类型

的泵,其中,液体能源的输送方式主要包括泵吸法

及挤压法。就挤压法而言,主要可通过另一种介质

(例如海水)来挤压能源,而这种介质也需通过泵来

输送。历史上用于鱼雷的泵品种也较多,包括柱塞

泵、离心泵及齿轮泵等。随着潜航深度的加大,高

压泵有着最好的前景,从而简化了泵的类型。泵不

但可用于供应燃料,而且还用于供应滑油、冷却剂

(海水或滑油)。总体而言,研制体积小、重量轻、功

率大、压力高的新型泵,成为制约热动力鱼雷发展

的关键问题之一。

除此以外,能量调节系统也有着较高的重要

性,其主要用于调节燃料的压力及流量,以确保鱼

雷航速的稳定性。对于主要在浅水区航行以攻击

水面舰船的鱼雷而言,其潜航深度通常较为固定,

即只在较小的范围内变化。因此,这种鱼雷的动力

系统较易于实现控制。此外,该类鱼雷虽能采用多

速制,但通常会在发射之前对航速予以设定。因

此,在其航行途中,速度往往不会发生较大变化。

而对于潜航深度较大的反潜鱼雷而言,情况则

有所不同。一方面,该类鱼雷的潜航深度会有较大

的变化,同时由于自导系统的需要,会随时进行增

速或减速。在部分情况下,该类鱼雷可能会同时需

要改变深度与速度。由于发动机对背压通常较为

敏感,因此调节过程的复杂性大幅增加。不仅如

此,在变化如此剧烈的环境条件下,发动机不应出

现熄火及停止运行的现象。同时,发动机应尽可能

确保鱼雷航速的稳定性,因为航速是弹道计算的必

要参数,不应出现频繁变化。由此,能快速反馈背

压数值的高灵敏度压力传感器是提升调节系统技

术水平的关键部件。

2.4 分解燃烧及点火系统

由于需要在较深的海域内航行,其背压会对热

动力鱼雷的燃烧过程带来影响。由此需要优化燃

烧室的结构,并采用能确保燃烧过程安全性的控制

装置。为了确保燃烧过程的有序进行,必须将燃料

预热至一定温度,且需要对燃料的燃烧特性开展相

关研究。

2.5 发动机

可用于鱼雷的发动机主要有活塞式发动机、涡

轮发动机及喷射发动机等。具体技术特点如下:

2.5.1 活塞式发动机

按结构不同鱼雷的活塞式发动机可分为往复

式内燃机、摆盘式发动机、斜盘发动机及凸轮发动

机。往复式内燃机一般具有两个气缸、双向作用活

塞和曲柄连杆机构。其气缸呈卧式或星形式布置,

由滑阀实现配气,利用曲柄连杆机构,将活塞的往

复运动变为推进轴旋转运动,以驱动推进器。摆盘

式发动机及斜盘发动机,可分别利用摆盘机构及斜

盘机构,将活塞的往复运动变为旋转运动。其气缸

轴线与鱼雷纵轴平行,且绕纵轴按圆周分布,由转

阀配气,利用该空间传输机构,以驱动推进器。其

中,摆盘式发动机采用单轴输出方案,斜盘发动机

采用反向双轴输出的方案[3]

,凸轮发动机可利用凸

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轮机构将活塞的往复运动变为旋转运动[4]

。凸轮发

动机的气缸布置情况与斜盘发动机相似,由转阀配

气,借助圆柱凸轮机构驱动主轴,可作单轴或双轴

输出,且具有结构简单、功率大与噪音小的特点,是

小型热动力鱼雷的新型发动机。目前,53-66型鱼

雷的发动机为卧式内燃机,MK46 型和 MK48 型鱼

雷为斜盘发动机。

2.5.2 涡轮发动机

用于鱼雷的涡轮发动机主要包括汽轮机及燃

气轮机两类。历史上曾有部分鱼雷采用过汽轮机,

但近年来,在热动力鱼雷上得到广泛应用的主要为

燃气轮机。在该类发动机中,高温、高压燃气推动

叶轮,使叶轮作旋转运动,动力输出轴经减速装置

减速后,驱动推进器[5-6]

。该类发动机结构简单且功

率较大,但燃料消耗速度较快,且制造工艺复杂。

2.5.3 喷射发动机

该类发动机通过向后抛射物质,从而为热动力

鱼雷提供推进动力来源,主要可分为火箭发动机与

喷水发动机。其中,火箭发动机可将固体推进剂的

化学能转换为鱼雷推进动力[7]

。固体推进剂在燃烧

室中燃烧,产生高温、高压的燃气,经喷管高速喷射

产生反作用力,推动鱼雷前进。火箭发动机具有结

构简单及航速高的优点,但其射程较短,燃料消耗

速度较快,多采用助推器或飞机投射,以弥补水下

射程不足的劣势。

喷水发动机则利用推进剂在燃烧室中燃烧产

生的热能作为发动机的能量来源。随后,发动机驱

动射流泵以吸入海水,并从鱼雷尾部向后高速喷出

水流,以产生反作用力,从而推动鱼雷前进。

该两类发动机无需采用外置螺旋桨,具有推力

大、航速高和噪音小等优点,但也面临着燃料消耗

速度快及射程短的技术问题。

3 鱼雷电动力系统及其组成

3.1 鱼雷电动力系统的构成

鱼雷电动力系统,主要由蓄电池组、推进电

机、接触器及转换开关等构成。蓄电池组可用于

为推进电机供电,还可为自导鱼雷的自导和控制

系统供电。推进电机用于将电能转换成推进动

力,驱动螺旋桨。接触器用于控制推进电机的负

极电路。转换开关则用于控制推进电机电路。鱼

雷通过采用电动力系统,具有噪声小、无航迹,推

进功率不受潜航深度影响等优点,但其航速较低,

且射程较短。

3.2 电池系统

电动力系统的能源来自蓄电池。蓄电池可根据

正、负极与电解液的材料分类。以鱼-4型鱼雷所使

用的铅酸蓄电池为例,其正极为二氧化铅,负极为

铅,电解液为硫酸。铅酸蓄电池的特点是成本低廉,

但其比能量较低,通常为15~20(Wh)/kg。与铅酸

蓄电池相似的还有镍镉蓄电池,其正极为氧化镍,

负极为镉,电解液为氢氧化钾溶液。银锌蓄电池是

在电动力鱼雷上应用较为广泛的电源,也是鱼-3型

鱼雷使用的电池,其正极为氧化银,负极为锌,电解

液为氢氧化钾溶液,其比能量可达 50(Wh)/kg 以

上,但由于消耗银,成本相对较高[8]

。目前,海水电

池发展较快,许多新型小型鱼雷上都采用了海水电

池,如意大利的A244/S型鱼雷使用镁氯化银电池,

其比能量可达100(Wh)/kg以上。法国的海鳝鱼雷

使用铝氧化银电池,比能量可达 150(Wh)/kg 以

上。海水电池在使用前,无需注入电解液,电解液

的溶质(如氢氧化钠)平时以固态存放,使用时则以

海水为溶剂,溶质溶解后即形成电解液。因此,海

水电池的储存寿命较长,但由于使用时要抽入海水

并形成循环,需要额外配备一套电解液供给系统,

使结构复杂化。

3.3 推进电机

用于鱼雷的推进电机由励磁系统和电枢系统

等部件构成。待电源主电路接通后,电枢实现高速

旋转,推进电机将蓄电池组释放出的电能转换为机

械能,并经减速装置减速后,驱动推进器,为鱼雷提

供动力来源。在过去较长的一段时间内,多以直流

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电机作为主推进装置。

4 鱼雷推进器及其分类

现代鱼雷的推进器主要有对转螺旋桨、泵喷推

进器与导管螺旋桨3种。对转螺旋桨由两个转向相

反的螺旋桨组成[9-10]

,是目前鱼雷上使用最多的一

种推进器,如MK46型鱼雷等,其特点是结构简单、

失衡力矩小、效率较高,且空泡性能较差。泵喷推

进器主要由一个减速型导管、一个转子及一个定子

构成,由于转子在较低的流速下工作,大幅改善了

空泡性能,易于获得良好的噪声性能,这是泵喷推

进器的最大优点,其缺点是效率较低。美国的

MK48型鱼雷、英国的“矛鱼”型鱼雷均使用泵喷推

进器。导管螺旋桨是在对转螺旋桨外侧加一导管,

以控制流速。渐扩式导管使流速降低,从而改进螺

旋桨的噪声性能,渐缩式导管使流速加大,可以提

高螺旋桨的效率。因此导管螺旋桨是一种有着较

好发展前景的鱼雷推进器。美国MK50型鱼雷、英

国“鯆鱼”型鱼雷、法国“海鳝”型鱼雷使用的都是导

管螺旋桨。

上述3种推进器是鱼雷的常规推进器,其原理

都是利用具有非对称翼型面的叶片旋转产生推

力。此外,正如2.5.3中所述,空中飞行器常用的喷

气推进在鱼雷上也有应用,以PAT52型鱼雷为例,

其以火箭发动机作为推进动力来源。为了解决喷

气推进效率较低的问题,磁流体喷水推进是目前研

究的一个新方向。

5 鱼雷动力系统技术发展及展望

5.1 鱼雷热动力系统技术发展及展望

5.1.1 鱼雷热动力系统技术的历史发展概述

早期鱼雷的动力系统通过压缩空气来做功,以

此为鱼雷提供动力来源。但在该方案条件下,实际

上只利用了工质的压缩位能。后来作了进一步优

化,为鱼雷添加了燃烧室,在燃烧室中,使该部分压

缩空气与燃料共同参与燃烧,为鱼雷提供动力来

源。通过采用此类热动力系统,使鱼雷的射程及航

速有了显著提升。后来又发现,燃气的温度较高,

为确保部件的正常运转,应采用必要的冷却措施。

采用海水冷却的办法虽能有效解决此类问题,但会

使发动机的热效率降低。因此,各国先后选用了在

燃烧室内喷水的措施,确保了热动力鱼雷的技术性

能,使其射程又有了进一步提升。

在第一次世界大战期间,上述针对鱼雷的技

术调整即告完成;而在第二次世界大战期间,热动

力鱼雷的整体结构型式总体变化不大。正是在第

二次世界大战期间,研发出了电动力鱼雷,其虽具

有无航迹的优点,但由于当时蓄电池容量较小,在

航速上无法与热动力鱼雷相匹敌,一定程度上限

制了电动力鱼雷的应用[11]

。当时,常规的热动力鱼

雷航速早已超过40 kN,而电动力鱼雷的航速大约在

30 kN左右。在同一时期,德国与日本即已开始采

用氧气与过氧化氢等助燃剂,以及萘烷与肼等燃

料,使鱼雷航速达到48 kN及以上。同时,为了节省

资源,弃用淡水,并以海水作为冷却剂[12]

5.1.2 热动力鱼雷推进剂及其应用现状

热动力系统的能源来自推进剂。推进剂主要

由燃烧剂与氧化剂两部分组成,有时也会将冷却剂

视为推进剂的一部分。

若推进剂中的燃烧剂与氧化剂合为一体(可以

是一种化合物,也可以是几种化合物的混合物)进

行储存与输送,则称为单组元推进剂,如MK46型鱼

雷使用的OTTO-Ⅱ燃料即为液体单组元推进剂。

53-66型鱼雷使用的燃烧剂为煤油,氧化剂为

压缩空气,冷却剂为淡水,几类物质分别存储在燃

油瓶、气舱及水舱内,在送入燃烧室前不进行混合,

这样的推进剂被称为多组元推进剂。

5.1.3 热动力鱼雷发动机技术发展及展望

热动力鱼雷的主机类型也实现了多样化。目

前,俄国方面长期使用卧式双缸往复式主机,英国与

日本多采用多缸(4缸或呈星形排列)式柴油机[13]

,美

国多采用级数为两级的涡轮发动机,德国也采用了

与美国相似的策略。可以说,除了汽油机以外,各

种常见的发动机都在鱼雷上得到了应用。热动力

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鱼雷主机呈现多样化的原因,主要是因为受技术条

件所限。在发展历程中,一度对鱼雷自身的航速要

求并不高,从而使各种型式的主机都有了一定的发展

余地。如果要求鱼雷主机的功率达到735 kW以上,

则部分类型的发动机必然会遭到淘汰。

目前,斜盘发动机、摆盘发动机及燃气轮机等

机型有着较高的生命力。如果要求鱼雷的航速达

到 100 kN 以上,则上述传统的主机通常较难满足

要求,由此需要采用如 2.5.3 中所述的火箭发动机

或喷水发动机,相应也会使发动机与推进器合为

一体。

据估算,如果采用两级式火箭发动机,可使航

速达到约100 kN,且使射程相应提升。除此之外,

也可采用大型火箭所用的混合推进剂方案,即固体

燃料加上液态氧化剂,由此可延长燃烧持续时间,

增大推进剂的比冲。

考虑到移动设备在水中的航行特点,其所需功

率与移动速度近似呈3次方关系。因此在该规律影

响下,鱼雷航速如需从40 kN提高到50 kN,所需功

率近乎提高了一倍。同理,鱼雷航速如需从50 kN

提高到 60 kN,所需功率也近乎提高了一倍,约为

660~735 kW。正如上文所述,由于鱼雷内部空间

较为有限,如需采用此类具有较高功率的动力系

统,必然会淘汰部分机型。就目前而言,燃气轮机

是一项重要发展方向。

以美国MK48型鱼雷为例,其以燃气轮机为动

力来源。为了提高动力性能,需提升涡轮前的燃气

参数。如果一味提高燃气参数,则废气中的焓必然

较高,如不对该部分废气加以合理利用,则动力系

统的总效率必然会有所降低。在不增加总重量的

前提下,如需提高动力系统的总效率,可采用废气

循环的方法,即流过涡轮后的废气不直接排出,在

鱼雷内部再次进行循环。该方案要求涡轮叶片有

着更高的能量转换效率,相应提升了对叶片的设计

要求,并提高了叶片结构的复杂性。如以燃气轮机

作主机,需要采用高速螺旋桨来与之匹配,相应缩

小减速比,简化减速机构,便于其在鱼雷壳体内的

布置。

目前,以汪克尔发动机为例,其为一种无连杆

的活塞式发动机,具有结构紧凑、尺寸轻小及功率

大的特点,在车用动力领域已得到广泛应用。但目

前看来,其在鱼雷上的应用前景较为有限。主要原

因在于:就旋转活塞的三个顶端及两个端面而言,

其与气缸的密封问题很难得到解决。在低水压条

件下运行时,汪克尔发动机的性能表现差强人意,

但在高水压条件下运行时往往由于密封性不足,从

而出现了气体泄漏的现象。除此以外,汪克尔发动

机的压缩比较小。考虑到以上两类特点,汪克尔发

动机较难在深水中得到应用。但对于在浅水面航

行以攻击水面舰船的热动力鱼雷而言,汪克尔发动

机仍有一定的应用前景。

除了汪克尔发动机以外,另一种无连杆式活塞

式发动机——斜盘发动机同样可应用于热动力鱼

雷。该类发动机的比功率可达6.5~8.0 kW/kg,具

有较高的动力性和紧凑性,有着较好的应用前景。

5.2 鱼雷电动力系统技术发展及展望

5.2.1 电动力鱼雷蓄电池的技术发展及展望

早期的电动力鱼雷均使用铅酸蓄电池。在

第二次世界大战期间及后续的一段时间内,该类

蓄电池曾在电动力鱼雷上得到广泛应用。从 20

世纪 50 年代起,各国都开始研制银锌蓄电池,其

能量密度可达铅酸蓄电池的五倍,并在美国的

MK37 型鱼雷上得到了应用。从 20 世纪 60 年代

起,又开发出了镁氯化银电池,其能量密度约比

银锌蓄电池高一倍。镍镉蓄电池曾被用作于鱼

雷引信或其他部件的能量供给装置。燃料电池

虽然有着较高的效率,但由于其辅助机构较笨重

又复杂,且成本高昂,故一般不适宜作为鱼雷的

能源。

电动力鱼雷的蓄电池主要有以下技术要求:运

转稳定;不会发生爆炸;工作温度适中。为此,电动

力鱼雷蓄电池的主要发展方向如下:未来有望将鱼

雷壳体与蓄电池结构做成整体,以提升鱼雷结构强

度;根据鱼雷航行条件的不同,选用最合适的电池

类型。

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5.2.2 电动力鱼雷推进电机的技术发展及展望

自第二次世界大战以后,各国都开始大力发展

反潜鱼雷。当时的技术水平,尚无法在热动力鱼雷

上配装制导系统,反潜自导鱼雷曾是电动力鱼雷的

代名词。为提升电动力鱼雷的航行性能,与其相配

套的推进电机也得到了相应发展。

电动力鱼雷的推进电机最初的发展方向主要

是持续提高转速。由于可控硅技术的发展,为推进

电机实现紧凑化及轻量化创造了条件,尤其是直流

电机的换向机构,完全可用可控硅线路来代替,这

种推进电机被称为无刷直流电机。在无刷直流电

机中,由于整流子不采用电刷,也就有效避免了噪

音及火花的出现。除此以外,许多电子变压器及整

流器已得到了广泛应用,可实现直流变压,具备较

高的实用性。

目前,已出现了许多不同类型的无刷推进电

机,如磁阻电机等。另外一种是采用交流推进电机

(感应式的或同步式的),需要在蓄电池到电机的线

路中增加一个逆变器,将直流电转换为交流电,相

应增加了成本和系统结构复杂性。

6 热动力鱼雷与电动力鱼雷的对比研究

热动力鱼雷的主要优势是其能量密度较高,可

以显著提升鱼雷的射程及航速。但该类鱼雷由于采

用了热力发动机,在工作时排出的废气及废液通常

会在海水中形成明显航迹,易于暴露鱼雷自身,致使

敌舰可能会提前采取策略,以进行回避。不仅如此,

该类鱼雷通常不适于在水下发射,因为随着水深的

增加,要求排气压提高,会使鱼雷能量损失进一步加

剧。因此,热动力鱼雷多用于攻击水面舰船。

与热动力鱼雷相比,电动力鱼雷最突出的优点

是不会产生航迹,发动机功率不受海水深度变化影

响,可实现深水发射,非常适宜潜艇使用。但由于

鱼雷本身携带的电池容量有限,所以其航速通常低

于热动力鱼雷,射程也不够长。但由于电动力鱼雷

适于潜艇使用或开展反潜攻击,各国对该类鱼雷的

研制工作均较为重视。目前,正在开发一些新技

术,使该类鱼雷的战术技术性能不断得到提高。

对电动力鱼雷而言,将电能转换为机械能的装

置是推进电机,鱼雷上多采用串激式直流电机。对

热动力鱼雷而言,将热能转换为机械能的装置是发

动机。如上文所述,鱼雷上用的发动机主要有活塞

式发动机、燃气轮机与火箭发动机等。以火箭发动

机为例,其燃料消耗速度虽然较快,但为热动力鱼

雷提供的航速同样也较快。PAT52 型鱼雷用的是

火箭发动机,航速可达60 kN以上。虽然航速较快,

但其弊端在于总射程较短。综上所述,热动力鱼雷

与电动力鱼雷的对比如表1所示。

表1 热动力鱼雷与电动力鱼雷的对比

项目

射程

航速

噪声

隐蔽性

潜航深度

技术难度

研制周期

生产成本

动力装置类型

热动力鱼雷

发动机

电动力鱼雷

推进电机

为适应反潜作战需要,现代鱼雷的航速约为

45~60 kN,最大可达70 kN。部分航空鱼雷采用火

箭发动机,航速可达68 kN,但射程较短。目前,鱼

雷动力系统领域的主要发展趋势是:采用陶瓷材料

或金属基陶瓷纤维复合材料,减轻发动机重量,提

高热效率;采用低温超导、可控硅整流器、可控硅逆

变器,以及交流推进电机;采用磁流体推进技术和

泵喷射推进技术[14-15]

7 鱼雷总体技术发展趋势

自二战以后,鱼雷技术得到了长足发展,且不

因导弹及火箭的大规模推广而受到影响,部分国家

将鱼雷称为“水下导弹”。现代出现的火箭助飞鱼

雷可被视为导弹与鱼雷的结合产品。就目前而言,

现代鱼雷的技术发展趋势总体如下:

鱼雷动力系统技术特点研究及趋势展望

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1)潜航深度越来越大。

2)航速越来越高,且射程越来越远。随着潜艇

技术和反潜技术的发展,当前世界各国海军的水面

舰船和潜艇的航速也在日益增加。为确保鱼雷的

攻击效能,鱼雷航速必须不低于水面舰艇或潜艇航

速的1.5倍。为提高鱼雷航速,关键是改善鱼雷动

力系统的性能,目前该领域的发展方向主要如下:

加强热动力鱼雷燃料和新型发动机的研制;开发优

质鱼雷电池和电机;改善鱼雷流体线型,减少阻力,

以提高鱼雷航速。

3)导引精度越来越高。由于水面舰艇和潜艇

普遍采用水声对抗措施,特别是潜艇的隐身技术

和干扰手段不断发展,要求鱼雷的导引精度相应

提高。

4)爆炸威力越来越大。目前,就水面舰艇的水

下部分而言,其水密舱的强度得到了显著提升;对

潜艇而言,不但耐压艇壳的强度有所提升,而且已

采用了双壳制,非耐压外壳与耐压壳体之间的距离

可达3 m以上。因此为确保鱼雷能击毁潜艇和水面

舰艇,必须迅速提高鱼雷的爆炸威力。为实现该目

标,主要可从以下几方面着手:选用高当量的塑胶

炸药;采用定向爆破技术;使鱼雷垂直命中潜艇;必

要时,可在普通装药中加装核装药。

8 结论与展望

对现代鱼雷的热动力系统及电动力系统进行

了详尽阐述,经研究,得出如下结论:

1)热动力鱼雷有着较高的能量密度,能实现更

高的航速与更长的射程,但同时也有着技术难度较

高、研制周期较长、生产成本较高的问题。再考虑

到发动机的工作会受水下背压的影响,因此,一定

程度上限制了其应用,多用于攻击水面舰船。目

前,燃气轮机及各类采用空间传输机构的活塞式

发动机在热动力鱼雷领域有着较好的应用前景。

为了提高鱼雷的射程,仍需持续提高各类发动机

的热效率。

2)与热动力鱼雷相比,电动力鱼雷的发展周

期较短,并且航速及射程相对有限,但其具有无航

迹、噪声小、隐蔽性好、潜航深度大等优势,特别适

于潜艇使用,或实施反潜任务。目前,该领域的发

展方向为采用容量更大的电池,以及研发新型推

进电机。

3)就推进器方面而言,大部分鱼雷仍采用螺旋

桨推进。目前,磁流体推进技术和泵喷射推进技术

是两大较为重要的发展方向。

4)鱼雷总体发展方向为持续提高航速,延长

射程,加大潜航深度,提高导引精度,增大爆炸

威力。

作为一类重要的水中兵器,鱼雷在海防事业中

有着重要的地位,针对其开展的技术研究依然有着

较高的重要性。就目前而言,热动力鱼雷与电动力

鱼雷均有其独到的技术优势,会在其各自的应用领

域中得到长足发展。

参考文献

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“双碳”目标下开展能源利用状况报告

工作的几点思考

田东蒙1 汪启龙2 李梦辰3 何丽晨1 苗 杨1

1. 陕西省节能中心

2. 中煤科工西安研究院(集团)有限公司

3. 中国电子技术标准化研究院

摘要:对能源利用状况报告的基本情况及国家对此项工作的部署进行了论述,并结合“双碳”工作的最新

要求,分析了“双碳”目标下能源利用状况报告工作所存在的问题,并就此提出了几点思考,以期促进能源

利用状况报告工作的开展能够为“双碳”目标的实现发挥促进作用。

关键词:节能;重点用能单位;能源利用状况报告

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(通讯):田东蒙(1988年-08-),男,硕士研究生,工程师,主要从事节能、节电、电力需求侧管理等工作

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0 引言

重点用能单位按要求报送能源利用状况报告

是《节约能源法》规定的法定义务,在帮助政府节能

主管部门掌握宏观能耗数据、科学决策的同时,也

能够帮助重点用能单位了解本单位综合能耗、本单

位产品能耗等情况,并在此基础上挖掘自身节能潜

力、降本增效。

1 能源利用状况报告的开展情况

2008年,配合新修订的《节约能源法》,国家发

展改革委发文首次对能源利用状况报告工作提出

了要求,明确了能源利用状况报告的填报单位、填

报内容、填报方式以及报送时间[1]

。规定了包括基

本情况表、能源消费结构表等12张报表的一套报告

格式。

2012年,国家发展改革委进一步对能源利用状

况报告的表格内容进行了修改[2]

,涉及领域从工业

1个领域增加到5个领域,报表格式由12张表精简

为7张表。

此后,国家未出台过关于能源利用状况报告内

容要求的其他通知文件。

2“双碳”目标下能源利用状况报告工作面临

的问题

随着碳达峰、碳中和目标的提出,节能工作面

临着全新的形势和挑战,做好节能工作对于实现

“双碳”目标具有重要作用。未来对重点用能单位

的节能管理将会有更高的要求,但是目前的能源利

用状况报告的现状与其在实现“双碳”目标应发挥

的作用相去甚远,主要表现在:

1)报告表格内容亟须修改更新

距离2012版的能源利用状况报告表格样式修

改已有10多年,报表中很多内容已经有了明显的变

化,能源统计表中能源品种已有较大变化,例如:增

加氢气等能源品种,同时对生物燃料、工业废料(用

于燃料)等能源品种重新命名、确定所包含的内容;

进度节能量完成情况表等属于“十二五”时期节能

工作的要求,与现在节能工作要求已经不符合;国

家最新政策变化中提到的“新增可再生能源不纳

入能源消费总量控制”“原料用能不纳入能耗双

控”等原则要求也应在能源利用状况报告中有所

体现。能源利用状况报告中的报表也应结合“双

碳”及节能政策的最新要求和统计报表的变化作

出相应调整。

2)能源利用状况报告对宏观节能工作提供数

据支撑的作用没能得到发挥

能源利用状况报告所需要的数据包括企业消

费的各能源品种数量、折标系数,综合能源消费量,

企业单位产品能源消耗等,但是目前的能源利用状

况报告频次是以年为单位,是每年报送一次,待数

据汇总后,对于宏观节能形势的反馈较为滞后,对

于“双碳”及节能政策的调整、重点节能工作安排不

能发挥应有的支撑作用。

3)不能很好地指导企业节能工作

政府节能工作的开展应该是以监管与服务相

结合的方式,来引导、约束并促进企业提高设备利

用效率,减少能源消费,达到提质增效的效果。但

在实际工作中,节能主管部门只是要求企业上报,

而没有正向地对企业能源利用状况报告进行分析、

比对,对企业暴露出来的问题进行反馈,提供行之

有效的节能改进措施,并指导企业不断完善内部节

能管理,达到降本增效的目的。

4)没有与重点用能单位能耗在线监测系统相

结合

从 2017 年开始,国家要求重点用能单位按要

求建设在线监测系统[3]

。随着工作的开展,不少企

业已按要求建设企业端,并接入省平台和国家平台

系统,在线系统提供了大量的实时、日、月频度的企

业能耗数据。企业接入的大量在线能耗数据可以

作为能源利用状况报告的基础数据来源[4]

,有助于

提高能源利用状况报告的数据真实性,并加快报送

频次,同时减少企业报送的工作量,但目前为止,尚

未将二者有机地结合起来。

5)没有与控碳工作有机结合

国家近年来大力推进控碳工作,并规定重点

114

第121页

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海节能

SHANGHAI ENERGY SAVING

2024年第 01 期

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海节能

ENERGY SAVING FORUM

SHANGHAI ENERGY SAVING

2018 年第 08 期

排放企业按要求报送温室气体排放报告。电力等

行业已经开始了碳排放权交易,企业碳排放的数

据核算和能源利用状况报告中的内容和数据来源

有相当大的交集,可以充分地整合,合并为统一的

平台,既减轻了企业的成本和负担,也有助于政府

统一监管。

3“双碳”目标下能源利用状况报告工作的几

点思考

1)从国家层面形成统一的能源利用状况报告

工作机制,加强对该项工作的统一决策部署,尽快

对能源利用状况报告的表格内容进行修改,并结合

碳达峰、碳中和要求及经济形势发展变化,形成定

期修改的机制。

2)加强对能源利用状况数据的分析运用,为政

府宏观节能工作提供数据支撑。在年报的基础上,

形成季报和月报,及时掌握重点用能单位能耗情

况,为政府决策提供及时有效的数据支撑。

3)通过对企业报送数据分析,加强对企业的用

能指导。通过对企业数据整理,分析地区、行业的

整体能耗情况及设备水平,为企业提供能效对标数

据支撑,不断提高企业的节能管理水平。

4)进一步发挥能耗在线监测系统的基础数据

作用。重点用能单位能耗在线监测系统接入了大

量的企业能源消耗数据,在此基础上分析研究利用

在线监测数据直接报送能源利用状况报告的可行

性,既减轻了企业的报送工作,又有助于提高数据

的准确性。

5)加强与控碳工作相结合,通过增加排放因子

等指标,使企业能源消耗数据可以快速转化为碳排

放数据,也可以大大减轻企业的填报工作量。

4 结论

随着经济社会的不断发展,以及“双碳”目标的

提出,相关节能政策及工作也发生了调整,原有的

能源利用状况报告已经不能满足现今工作的开展,

应该从国家层面统筹研究能源利用状况报告工作

机制,结合能耗在线监测系统平台建设,整合碳排

放相关数据指标,实现能源利用状况报告的数字化

和信息化。同时,加强对能源利用状况报告等数据

的分析运用,为政府宏观节能工作的开展提供决策

支撑,同时指导企业提高节能工作水平,使能源利

用状况报告制度在“双碳”目标实现过程中发挥积

极作用。

参考文献

[1]国家发展改革委.重点用能单位能源利用状况报告制度实施方案

[Z].2008.

[2]国家发展改革委.关于进一步加强万家企业能源利用状况报告工作

的通知[Z].2012.

[3]国家发展改革委.重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方

案[Z].2017.

[4]钟泽航.我国能源利用状况报告制度面临的问题与对策建议[J].广东

科技,2020,29(7):87-89.

“双碳”目标下开展能源利用状况报告工作的几点思考

115

第122页

上 海 地 铁 某 车 站 空 调

系统高效制冷机房改造

实测分析

宋 洁1 郑 懿1 张万毅2

1. 上海申通地铁集团有限公司

2. 同济大学

摘要:地铁车站空调系统高效技术是当前轨道交通节能降碳的主要手

段,针对上海某地铁车站制冷机房高效化改造的具体情况、改造效果、能

效提升进行了详细的分析和研究。改造选择了磁悬浮冷水机组,应用了

变频技术来优化水泵的运行,改造后空调季制冷机房平均能效比达到

5.16,年节电量约为30万kWh,节能效果显著。通过对制冷机房运行数

据进行对比分析得知,负载率的优化对冷水机组能效具有直接而显著的

影响,通过调整冷机出水温度和优化水泵变频策略,能进一步提高制冷机

房的能效,为地铁车站制冷机房高效化改造和能效提升提供参考和帮助。

关键词:地铁站;高效机房;能效比;负载率;出水温度

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

基金项目:上海市科委“科技创新行动计划”科技支撑碳达峰碳中和专项项目:面向“零碳城轨”的轨道

交通车站节能降碳关键技术研究及示范(22dz1208100)

第一作者:宋洁(1983-07-),女,硕士,高级工程师,研究方向为地铁环控系统优化提升研究

通讯作者:郑懿(1985-02-),男,硕士,高级工程师,国家注册公用设备工程师(暖通空调),从事轨道

交通通风空调系统、给排水及消防系统的科学研究和技术管理工作

第123页

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2024年第 01 期

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上海节能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海节能

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2018 年第 08 期

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

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

城市轨道交通能耗已引起社会的关注,截至

2021年,我国共有50个城市保有轨道交通方式,总

线路长达9 000 km以上[1-2]

。“十三五”期间,新增线

路长度4 300 km,创历史新高。轨道交通的能耗问

题逐渐引起关注[3-4]

,而轨道交通车站空调系统能耗

占比最高,约为50%~70%。因此,为实现“双碳”目

标,轨道交通车站空调系统和制冷系统的高效化建

设和改造势在必行。

以上海典型地下轨道交通标准站的制冷系统

能效提升改造案例,探索地铁车站空调提升能效的

主要途径。

1 制冷机房改造情况

项目位于上海,属于夏热冬冷地区,为轨道交通

地下标准站。该项目自2004年12月开通运营,共

有4个出入口,项目总建筑面积约5 800 m2

,是上海

日均客流量前十的站点,具有研究的典型性。

项目原空调系统制冷主机使用已达15年,效率

大幅度下降。通过对其空调系统进行升级改造,使

用高效空调系统关键技术,达到打造高效地铁车站

的目标。

项目空调系统原理图如图 1所示。原有2台螺

杆式冷水机组,配置2台冷冻水泵、2台冷却泵、2台

冷却塔,且无高效群控系统。本次改造将螺杆式冷

水机组替换为水冷磁悬浮变频离心式冷水机组,水

泵全部更换为变频水泵,并搭建车站智能空调群控

系统测试平台,设备参数如表 1所示。

2 制冷机房改造效果

项目2021年改造完成,2022年为第一个完整

制冷季。为分析改造后的情况,从两个维度进行效

果分析,一是项目改造后制冷机房变频与定频工况

运行的差异,二是项目的实际运行制冷机房能效比

和节能效果。

2.1 变频与定频工况对比

为充分评估系统能效提升效果与关键影响因

素,采用第三方现场连续检测的方式,对系统工频

上海地铁某车站空调系统高效制冷机房改造实测分析

117

第124页

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2024

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节能技术

与变频模式下的能耗和能效进行检测。

选取室外空气温度相近的两天,在同一时段进

行工频、变频的测试。机组、水泵、冷却塔开启数量

相同,末端(空调箱)开启情况相同。工频测试时,

机组统一设定冷水出水温度为 8 ℃,水泵工频运

行;变频测试时,机组的出水温度、水泵频率等依据

系统需求自动调节。

测试期间,空调系统正常运行,站厅的温度在

26.4~28.5 ℃之间,满足规范要求;站台的温度在

25.9~29.1 ℃之间,满足车站关于站内温度的要求。

工频和变频工况下的制冷量基本一致,可以认

为两个工况下,供冷效果基本一致,但是变频工况

下,机房总功率较少,能耗较定频工况降低约

15%,能效提升约 14.3%。可以看到,两种工况下

由于主机COP类似、冷却塔功率相同,造成能效差

异的主要原因为水泵功率(对应于水泵频率),如表

2所示。

2.2 制冷季运行能效与节能量评估

该地铁站自2022年6月2日开始正常运行,其

间空调机组开启全新风模式,连续监测数据至9月

22日,共计3个多月。其间制冷机房运行平均能效

图 1 改造站空调系统图

表 1 空调机组铭牌参数

序号

1

2

3

4

5

6

设备名称

水冷变频磁悬浮离心式冷水机组

冷冻水泵

冷却水泵

冷却塔

分水器

集水器

规格型号

制冷量528 kW,功率90 kW

流量120 m3

/h,扬程32 m,功率15 kW

流量110 m3

/h,扬程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

单位

数量

2

2

2

2

1

1

备注

变频

变频

变频

定频

/

/

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ENERGY SAVING TECHNOLOGY

比为5.16,达到高效制冷机房水平。

图 2 所示变频工况下制冷机房系统各设备能

耗占比。可以看到其中主机能耗占比最大,为

73.6%,冷冻水泵和冷却水泵能耗占比分别为

9.14%和12.31%。高效制冷机房案例冷水主机能

耗占比可达80%以上,而冷冻泵及冷却泵能耗占比

应该在 8%以下,可见当前系统运行仍有能效优化

空间。

图 2 变频工况下制冷机房系统各设备能耗占比

由于该地铁车站为既有线路,此前并未针对

空调制冷机房做详细分项计量,因此为了探究改

造节能效果,采用同类别站点横向对比的方式进

行节能量评估。图 3 是两个未改造的对比站和该

案例中改造站近年来各月份动力照明用电对比。

由于该既有线未做能耗分项计量,因此环控系统

用电和照明用电、电梯用电一起合并为动力照明

用电进行能耗统计。由图 3 可知,空调季因为开

启制冷系统,动照总用电要远超非空调季用电。

这也说明如进行制冷系统节能改造,节能空间也

是巨大的。

图 3 无法用于观察制冷系统节能改造前后对

动照总用电的影响,为了对比不同站空调季用电量

逐年相对变化,现以 2020 年空调季为动照总用电

基准年,计算各年份空调季动力照明总用电量相对

系数。如图4所示,2022年空调季对比站1和对比

站2动照总用电与2020年相当,而改造站总用电则

相对2020年发生明显下降。由于动照总用电中电

梯用电和照明用电量随时间变化较小,因此,改造

站2022年动照总用电相对2020年的降低,主要由

表 2 现场检测变频与定频工况的差异

工况

制冷量(kW)

冷却量(kW)

输入功率(kW)

热不平衡率

(%)

主机COP

冷冻水泵功率(kW)

冷却水泵功率(kW)

冷却塔功率(kW)

系统总制冷量(kW)

系统总功率(kW)

系统能效比EER

1号冷水机组

2号冷水机组

1号冷水机组

2号冷水机组

1号冷水机组

2号冷水机组

1号冷水机组

2号冷水机组

1号冷水机组

2号冷水机组

1号冷冻水泵

2号冷冻水泵

1号冷却水泵

2号冷却水泵

1号冷却塔

2号冷却塔

变频

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

定频

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

上海地铁某车站空调系统高效制冷机房改造实测分析

119

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节能技术

制冷系统节能改造贡献,经计算空调季总节能量约

为30万kWh,节能效果显著。

3 能效提升分析

空调系统制冷机房的能效可以从很多方面进

行优化提升,比如选择高效设备、应用变频技术、基

于能效模型计算控制参数等。为了了解当前制冷

机房在能效提升方面的制约和继续优化的空间,分

别针对冷水机组负载率、冷机出水温度、水泵进出

水温差三组实际运行数据进行分析。

3.1 冷机负载率分析

一台冷水机组的负载率一般指其瞬时制冷量

与额定制冷量的比值,反映了冷水机组当前的出力

多少。不同类型的冷水机组其负载率对COP的影

响是直接而显著的,根据文献,螺杆机的高效区在

其负载率40%~90%、离心机在60%~70%[5]

,该案

例所采用的磁悬浮冷水机组“负载率-COP”特性与

图 3 2017-2022年三个标准站动力照明用电量

图 4 5-10月三个站动照总用电对比(以2020年用电为基准)

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SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

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ENERGY SAVING TECHNOLOGY

上述两种机组不同,一般随负载率的增加而COP降

低,因此大负载率情况下冷水机组的能效比较低。

图 5 所示整个空调季两台冷水机组的负载率

分布直方图,可以看出两台冷机负载率分布整体类

似,大部分负载率均超过70%,这无疑对冷水机组

的能效造成了负面影响,进而阻碍了制冷机房能效

的改善提升。一个制冷系统改造过程中,冷机容量

的确定不仅需要考虑末端负荷,同时也受到冷机供

配电配置制约。在供配电配置没有改善的前提下,

很难用冷机选型将空调季负载率控制在高效区,这

也对后续上海地铁车站制冷机房高效化改造工作

提供了重要参考。

3.2 冷机出水温度分析

对于典型的用于空调制冷的逆卡诺循环,提升

蒸发温度与降低冷凝温度都可以提升循环能效

比。当前高效制冷机房技术突破了冷机7 ℃供水/

12 ℃回水的传统设置,尝试在末端负荷较低和除湿

压力不大的情况下,在合适范围内对冷水机组供水

温度进行调节以提升冷机能效比。

图 5 冷机空调季负载率

在室外条件相近的条件下,可通过调整冷冻水

出水温度探究其对制冷机房能效比的影响。图 6

给出了改造站冷水机组在不同冷冻水出水温度设

置下制冷机房的能效比,可以看到在相近的冷却水

出塔平均温度下,冷水机组冷冻水出水温度从

8.63 ℃上升到 10.14 ℃,制冷机房的能效比也从

5.5增长到了6.1。说明对于磁悬浮冷水机组而言,

适当提升冷冻水出水温度有利于显著提高机组和

制冷机房的能效比。

图 7 展示了某一运行时间段(对应于 6 月 2 日

至6月11日)两台冷机出水温度变化情况,其中陡

峭升起的尖峰为冷机停止运行期间水温,可以看到

两台冷机出水温度基本稳定在约7.5 ℃之间。从图

中还可以看出,1号冷水机组冷凝器进水温度在部

分时间段较低,反映了较低的室外湿球温度和制冷

系统负荷,但冷机出水温度未随之适当调升以提高

系统能效。所以当前运行策略在改变出水温度以

提升制冷机房能效方面仍有继续优化空间。

3.3 水泵进出水温差分析

在同样的时间段内,1号冷机的冷冻泵和冷却

泵的进出水温差变化如图 8 所示。在此期间前

几日、冷冻水泵、冷却水泵均定频运行,频率约为

36 Hz,此时冷冻水温差和冷却水温差在3~5 ℃之

上海地铁某车站空调系统高效制冷机房改造实测分析

121

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上海节能 No.01

2024

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节能技术

间波动,未体现变频节能策略的应用。尔后几日则

转变为冷冻水泵接近30 Hz运行、冷冻水温差保持

在约 5 ℃,而冷却泵高频运行、冷却水温差保持在

4 ℃左右,前者若设置 5 ℃温差控制,后者因保持

4 ℃温差导致冷却水泵频率较高能耗较高,最终可

能使得制冷机房能效降低。所以当前制冷机房水

泵变频策略未保持一致也没完全体现节能特性。

由于水泵额定功率在制冷机房中占比较高(该

案例中冷冻水泵、冷却水泵合计占比27.1%),而水

泵变频带来的能耗降低又较为可观,如理论上当水

泵从50 Hz降为40 Hz时可使能耗降低50%,由此

带来的制冷机房能效提升显著。以往成功的高效

制冷机房案例中冷冻、冷却水泵运行能耗占比往往

在16%以下,这既是较优变频策略的应用结果,也

是管路和阻力优化带来的效益。因此在制冷机房

高效化改造中,应统筹水泵配置及变频对制冷机房

图 6 不同冷冻水出水温度设置下冷源系统运行效率

图 7 冷机蒸发器出水温度(℃)

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能效的影响趋势,因地制宜优化管路阻力和变频策

略,以使制冷机房高效运行。

4 结论

对上海某地铁车站制冷机房高效化改造的

具体情况、改造效果、能效提升进行了详细的分

析和研究,改造中选择了高效磁悬浮冷水机组,

应 用 了 变 频 技 术 来 优 化 水 泵 的 运 行 ,改 造 后

2022 年空调季制冷机房平均能效比达到 5.16,年

节电量约为30万kWh,节能效果显著。

为了进一步提升能效比,对制冷机房运行数

据进行了对比分析,并得出如下结论:负载率的优

化对冷水机组能效具有直接而显著的影响,但对

于改造项目来说还需考虑冷机配电问题。通过调

整冷机出水温度和优化水泵变频策略,能进一步

提高制冷机房的能效,这需要更加有效的节能控

制策略。

通过改造措施和效果分析:选择高效设备、应

用变频技术和合理调整控制参数,是制冷机房能效

提升的重要手段;综合考虑节能和稳定性的平衡,

将是制冷机房能效提升和高效化改造的关键。这

些研究结果为地铁车站制冷机房高效化改造和能

效提升提供了具体的改造方案和实践指导,对于实

现低碳、高效的能源利用具有重要意义。

参考文献

[1]侯秀芳, 梅建萍, 左超, 等. 2020 年城市轨道交通线路统计分析[J].

都市快轨交通,2021, 34(3): 1-9+64.

[2]智研咨询集团. 2017-2022年中国城市轨道交通市场运行态势及投资

战略研究报告[M].北京,2017: 28-50.

[3]贾惠茗.城市轨道交通节能设计研究[J].环境科学与管理,2021,46

(11):36-39+85.

[4]梁广深. 城市轨道交通降低运营成本刍议[J]. 城市轨道交通研究,

2021,24(5):6-10.

[5]毛华雄. 高效制冷机房技术现状与分析[J]. 制冷与空调, 2022,22

(11):10-14.

图 8 制冷机房冷冻泵与冷却泵进出水温差

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台风和台风模型研究综述

陈俊鹏 周自成 刘飞虹 王 印 周 月

明阳智慧能源集团股份公司

摘要:我国东南沿海及近海区域风能资源丰富,但也是受台风严重影响的区域。认识台风结构,并探究和

预测台风高发区域的风场特征,对海上风电场的运行安全至关重要。首先详细阐述了台风的成因以及结

构特征,在此基础上,总结参数台风风场模型的原理以及关键参数,并对风场模型中各关键参数进行了详

细阐释。台风风场模型应用范围广,但仍需要进一步完善和验证以提高预测准确性,便于更好地服务工

程实际。

关键词:台风结构;台风关键参数;参数风场模型

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

基金项目:国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项(2018YFB1501100)

第一作者(通讯):陈俊鹏(1996-11-),男,硕士,工程师,主要从事风资源数据分析及风电场规划设计工作

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0 概述

热带气旋作为一种破坏力极强的灾害性天气

系统,多发生于热带或副热带洋面。根据热带气旋

中心最大风力的强弱,其分为六个等级,分别是热

带气压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风与超

强台风[1]

。考虑到国内对热带气旋命名的传统习

惯,下文将热带气旋统称为台风。

西北太平洋地区为全球热带气旋发生频次及强

度最高的海域,其中台风年发生率约为28个[2]

。西

北太平洋台风在环境流场的影响下,表现出向西北

方向移动的趋势,给我国带来严重影响。据统计,

每年平均有7个热带风暴和台风登陆我国,约占西

北太平洋热带风暴和台风总数的1/4

[3]

。因此,我国

是世界上受台风影响最严重的国家之一,2022年台

风灾害造成的直接经济损失高达54.2亿元[4]

我国东南沿海及近海区域风能资源丰富,并

且靠近电力负荷中心。我国海上风电装机容量伴

随着海上风电资源的开发显著增加,然而我国东

南沿海也是严重受到台风影响的区域之一[5]

。台

风期间,海上风电机组的基础、塔筒、叶片以及升

压站的风荷载增大数倍,安全事故和故障风险大

幅度增加[6]

。张礼达等[7]

总结台风对风电的主要

破坏有叶片出现裂纹或被撕裂,偏航系统受损,风

向仪、尾翼等设备被吹毁。Kumar等[8]

研究表明,台

风影响范围内波高与极端风速之间有良好的相关

性,台风带来的狂风、巨浪对风电机组上部结构和

地基造成巨大破坏。

为了提高海上风电机组施工、运行的安全性,

需要准确地评估台风高发工程海域的极值风速情

况。由于缺少充足的台风相关观测资料,常规的计

算方法在极值风速的预测上存在着较大的不确定

性[9]

。为了克服这个问题,Monte-Carlo方法应运而

生,该方法利用参数化台风风场模型以及台风关键参

数概率模型,采用数值模拟的方法对台风影响区极值

风速进行预测,又称为台风危险性分析方法[10]。

1969年Russell[11]

首次采用经验台风模型模拟计算

台风极值风速,此后Batts等[12]

、Shapiro[13]

、Georgiou[14]

、Vickery等[15]

、YanMeng等[16]

学者根据不断

更新的台风实测数据,对该模拟方法进行了扩展和

改进。在国内,该方法主要被应用于台风高发海域

和沿海城市的极值风速预测。

本文首先介绍了台风的成因、结构特征,然后

回顾台风风场模型的发展历史和研究现状,并对参

数台风风场模型的各子部分以及应用现状进行阐

述,最后介绍了台风风场模型的实际应用,给出了

关于台风和台风模型研究中仍存在的问题及未来

发展方向,期望能为海上风电场台风危险性分析评

估方法提供技术基础。

1 台风的成因与结构

大量的科学研究加深了人们对于台风形成机理

和结构特征的认识,台风结构是台风领域的一个关键

研究内容,同时也是台风风场模型构建的基础[17]

。本

节分别对台风的成因以及台风结构展开综述。

1.1 形成原因及必要条件

台风成因示意图如图1所示,在热带洋面上,受

到太阳强烈照射,海水表层温度较高,热带洋面空

气蒸发抬升,导致地面空气减少,形成气压较低的

图1 台风成因

台风和台风模型研究综述

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区域。受气压梯度力影响,风从周围的高气压区流

入低气压区,流入低压区的空气持续抬升,使得低

压区气压持续降低,风力持续增强。抬升的湿热空

气在高层温度较低的区域液化或凝华,形成云并释

放出潜热。由于放热后空气变冷,不再上升,就在

高空堆积,形成了一个高压区。随后高压区空气向

外流出,拉动低层空气抬升,形成台风。

湿热空气抬升并凝结成云释放潜热,使得台风

高层中心附近强烈增温,形成台风暖核结构。发展

成熟的台风在台风眼区的对流层中上层具有明显

的暖核,高空暖核结构的形成是台风生成的主要特

征之一[2]

。暖核结构形成于台风发展阶段,随台风

进入成熟阶段逐渐加强,暖核结构一旦减弱,台风

也将随之削弱,甚至消散[18]

。费建芳[19]

研究表明暖

核结构的存在有助于台风的发展,而暖核结构的强

弱则决定了台风内部扰动的进一步发展。陈联寿

和丁一汇[2]

的研究表明,当冷空气与热带气旋在低

纬度地区相遇时,热带气旋的暖心结构将会被破

坏,眼壁附近的最大风速环流也会随之突然消失。

图2 台风低层逆时针旋转

空气在运动的过程中会受到地转偏向力的影

响,导致空气的运动轨迹向右偏离。因此在北半

球,台风低层空气逆时针旋转流入,在高层顺时针

辐散[17]

,如图2所示。台风的能量来源是水汽抬升

释放的潜热。因此,温暖的洋面、垂直切变小、低层

辐合高层辐散和有一定的地转偏向力是台风生成

的四个必要条件[2]

。海洋表面温度是影响台风强度

的重要因素之一,如海水表面温度的降低,将会使

台风强度减弱,风速降低[20]

。此外,大气稳定度也

是影响台风形成、发展、强度和路径的重要因素[21]

已有研究表明台风的活动与外部强迫场(如大尺

度大气环流等)和气候变率模态间存在显著关系[22]

国内外学者基于上述关系建立了相关模型进行台

风预报,即统计预报方法。统计预报即基于台风历

史数据,采用概率统计方法,将台风极值风速与相

关参数(如中心气压、移速等)建立联系,进而得到

较为合理的统计模型。但由于样本数据有限,统计

预报方法具有较大局限性,并且缺乏理论支撑[23]

(见图3)。

图3 台风数值预报平台[23]

随着计算机性能不断提高,基于大气运动方程

的数值模式台风预报逐渐发展,可精细化地预报大

风出现的时间、影响范围和强度,展现出很好的应

用价值[22]

。数值预报模式目前以单一大气模式为

主,但台风是一个海气浪相互作用的过程,为了提

升我国东南沿海台风预报的准确性,有必要采用海

气浪耦合模式对西北太平洋海域的台风活动开展

数值模拟与预报研究。

1.2 台风结构

发展成熟的台风通常呈扁平圆形旋涡状,图4

为成熟台风结构示意图。发展成熟的台风在水平

方向上主要分为三个部分:台风眼,台风发展成熟

的重要标志,在台风眼内既无狂风也无暴雨,天上

仅有薄云;风眼壁,风力最强、降雨最剧烈的区域;

螺旋雨带,紧接在台风眼壁之外,该区域有着较为

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猛烈的降雨和吹向中心的大风[24]

。台风在垂直方

向上可被分为流入层、中间层、流出层。气流在流

入层中有显著的向中心辐合的径向分量,从低层辐

合流入的大量暖湿空气通过中间层向高层输送,气

流在流出层向外扩散并与周围空气混合,随后逐渐

下降至低层,形成了台风的垂向环流圈。

图4 台风结构示意图[25]

台风是一个强大的暖性低压,强的台风中心气

压常常在950 hPa以下。如图5所示,自台风边缘

向中心气压不断下降,至台风眼墙区气压猛然下

降,在台风中心处气压达到最低。而水平风速自台

风边缘向中心不断增大,随着距台风距离的减小,

风速的增幅不断增大,至台风眼墙区风速达到最

大,随后骤然下降,在台风中心处风速达到最小。

图5 台风剖面风速、气压分布[26]

台风中存在着如螺旋雨带、云墙、涡旋等中小

尺度系统,它们决定了风速的强弱、降雨的强度和

分布[27]

。台风中小尺度系统受到环境场、地表粗糙

度及涡旋结构的影响,结构复杂,研究所面临的挑

战如下:

1)目前对于其结构的特征和演变规律的认识

存在较多盲区。例如,台风双眼壁结构如何形成,

并有何特征。

2)对于影响中小尺度系统结构的变化机理尚

不清楚。台风内部力学作用和环境因素之间的相

互作用,会导致中小尺度系统的结构发生变化。

3)中小尺度系统结构变化如何单独或耦合影

响台风风雨强度和分布变化的演变机理尚不清

楚,这是导致当前大风、暴雨预报准确性不高的重

要原因。

2 参数风场模型

参数风场模型是以台风结构特征为基础而

建立的,目的是准确描述台风风场的主要特征,

是台风危险性分析方法的重要组成部分。参数

化风场模型包括梯度风场模型和边界层模型,首

先基于特定的风廓线函数,输入中心气压、最大

风速半径、形状参数等台风关键参数,计算得出

梯度风场模型。随后通过边界层模型计算得出

梯度风速至近地面处的风速折减系数,从而获取近

地面风场[28]

。本节将分别对台风风场关键参数、梯

度风场模型和边界层模型展开综述。

2.1 模型关键参数

2.1.1 风速气压

通过统计分析台风中心气压与最大风速的关

系,可为最大风速与中心气压之间的换算提供参

考。基于梯度平衡方程,风速与气压的关系:

Vmax = a(Pn -Cp)

b

(1)

式中:Vmax 为最大风速,单位m/s;Pn 为外围气压,

单位 hPa,西北太平洋海域通常取 1 010 hPa;Cp

为中心气压。利用历史台风记录数据对公式(1)进

行拟合,可获取拟合参数 a 和 b 的最优值。众多学

者采用该方法对西北太平洋海域的风压关系进行

拟合,结果见表1。

台风和台风模型研究综述

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表1 西北太平洋风压关系拟合参数表[28-29]

文献

Atkinson et al, 1977

Subbaramayya et al, 1979

Lubeck et al, 1980

10 min平均风速

最佳拟合参数

a

3.04

5.62

3.69

b

0.664

0.500

0.572

数据时段

1947-1974

1974-1978

1975-1978

国内外已有研究表明,参数 a 和 b 作为拟合数

值不仅受到样本数据量的影响,还会受到台风强

度、位置纬度的影响[30]

。目前,研究主要分强度、纬

度对传统的风速—气压关系进行修正,较新的研究

中进一步考虑了台风尺度、移动速度等因素对风速

—气压关系的影响[31]

2.1.2 最大风速半径

最大风速半径 Rmax 为台风最大风速与台风中

心的距离,对台风的风速、气压模拟以及影响范围

具有重要意义。目前关于 Rmax 的观测数据较少,因

此,国内外学者主要采用统计或物理模型,并借助

其它台风参数计算 Rmax 。 Rmax 的计算方法主要有

4种:

1)基于历史台风实测数据对 Rmax 与中心气压、

最大风速、纬度等参数拟合出 Rmax 。目前的研究普

遍认为 Rmax 与纬度具有正相关关系,而与中心气压

具有负相关关系[32]

,Rmax 服从对数正态分布,其中

位数为中心气压差以及纬度的函数[33]

2)基于经验风场模型,建立各级风圈半径与

Rmax 的转换关系。例如,雷小途和陈联寿基于Bogus台风切向风模型,明确了 Rmax 与8级风圈半径

之间的转换关系[34]

3)基于台风地面实测数据及经验模型,通过误

差分析法确定 Rmax 。Fujii[35]

于1998年首次采用该

方法计算 Rmax ,随后被多次应用于登陆日本的台风

危险性分析[36]

4)基于空气动力学方程推算 Rmax 。胡邦辉等[37]

基于藤田气压场模型,推导出呈稳定状态的海面移

动非对称台风 Rmax 的计算方法。

上述4种方法中,第一种方法最为简单,但理论

依据匮乏;第二种方法具有一定理论依据,且计算

较为简单,计算结果取决于经验模型的准确度;第

三种方法误差较小,但计算量较大;第四种方法对

于台风危险性分析评估而言计算量较大。基于大

量实测数据的分析结果表明,不同区域获得的风场

参数计算方法差异较大,有必要针对不同区域风场

参数的计算方法进行对比分析研究。

2.1.3 形状参数B

为了增强气压模型的适用范围,Holland[38]

1980年提出了引入形状参数B的气压剖面模型,该

模型根据台风实际风场选择对应的形状参数B,从

而获取更真实的台风气压剖面。形状参数B对最大

风速模拟以及风速径向分布特征有显著影响,其取

值与台风中心所在区域密切相关。

国外得益于长期台风观测数据的积累,开展形

状参数B的区域特征研究基础较好。国外学者对不

同海域形状参数B与其它台风参数的相关性进行研

究,如中心气压、纬度、移动速度等,并建立起函数

关系[39]

国内对于形状参数B系数的研究主要集中于对

国外模型在中国海域的区域性应用规律。段忠东

结合CE风场,分析形状参数B对风场结构的影响,

并采用Jakobsen方法对2场台风的形状参数B进

行标定[40]

。肖玉凤[41]

比较了多种形状参数 B 计算

方法对 CE 风场模拟精度的影响,结果表明国外模

型在中国海域的应用存在较多不确定性因素。

对于登陆我国频率最高的西太平洋台风,目前

缺乏该海域台风上层径向风廓线数据。因此针对

西太平洋海域形状参数B的研究较少。形状参数B

的取值变化较大,有必要根据我国沿海实测台风风

速记录,并针对特定区域,界定出形状参数B的取值

范围,对于开展台风危险性评估具有重要意义。

2.2 梯度风场模型

梯度风场模型用于模拟台风高空处的风速分

布特征,梯度风场模型主要分为2种:

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1)基于气压分布模型,求解梯度平衡方程从而

计算风速。该方法按气压剖面函数形式可分为2类:

(1)气压分布由固定的函数决定,具有代表性

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

(2)可通过系数调整气压剖面函数,Georgious

(1883)、Thompson(1996)等以 Holland 气压场模

型为基础发展了新的台风模型。

2)基于风廓线经验函数,从最大风速推算整个

风 场 。 常 见 的 有 Rankine 模 型 、Jelesnianski

(1965)模型、Miller(1967)模型等,但上述模型无法

反映各地区真实风场,因此国内许多研究针对此进

行了改进。例如,陈孔沫[43]

提出了一种新的台风风

场计算方法,改进了 Rankine 风场模型以及 Jelesnianski风场模型。

图6 不同梯度风场模型廓线对比图[28]

台风中心附近和外围梯度风速的不均匀,选用

不同的梯度风场模型对结果影响很大。方伟华和

林伟基[28]

于同一套台风关键参数对比了8个梯度风

场模型风廓线。结果如图6所示,不同梯度风场模

型推算出的最大风速、径向风廓线与风速变化速率

存在较大差异。其中,Georgious 和 Holland 模型

由于可通过调整形状参数B,对不同台风的适用性

更强。

2.3 边界层模型

通过梯度风场模型得到梯度风速后,需要利用

边界层模型将其转化为近地表风速。Meng等[44]

1997年提出了一个半理论模型用于模拟不同高度

的风速折减因子,可直接求解出特定点的风速,计

算速度快。模型中的风速折减因子是随模拟高度

与边界层高度比值变化的指数函数,指数的大小取

决于地表粗糙度,相较于传统的经验模型更具有物

理意义。凭借上述优势该模型被广泛应用于台风

风场模拟,例如Matsui等[45]

在随后的研究中均采用

了该模型。

Vickery 等[46]

根据台风的风速和尺度,首先对

探空仪数据进行分类,再基于Kepert[47]

提出的线性

化台风模型,对探空仪数据进行分析。结果表明边

界层高度随惯性稳定度的增加而减小,边界层垂

直风速剖面图在低层 200 m 以下满足对数率。随

后 Vickery 等[48]

提出一个用于模拟边界层内台风

平均风速随边界层高度变化的经验模型,该模型

不仅考虑了地表粗糙度,还考虑了边界层高度的

变化情况。

在边界层模型中,Meng 模型基于空气微团平

衡方程,能较好反映边界层风速的分布规律,但计

算较为复杂。Vickery模型基于实际观测数据,考虑

了台风登陆前后边界层高度的变化情况,对台风期

间风速垂直分布规律的拟合效果较好。目前,常用

的几种边界层模型均假定台风剖面为指数率或对

数率形式,但有关台风剖面的形式仍存在争议,基

于漂浮式激光雷达的台风剖面研究也是近年来台

风模型研究的热点问题。

2.4 台风风场模型应用

台风风场模型主要应用于台风危险性评估以

及台风次生灾害模拟研究,在多个台风风险模型软

件中集成应用。

台风危险性评估是指通过对台风历史数据进

行分析,以评估特定区域内台风期间极值风速,为

工程设计和风险评估提供合理依据。例如,海上风

电机组的安全性直接受到台风极值风速和持续时

间的影响,当风速超过风电机组的极限设计载荷,

可能导致机组部件损坏或倒塌。对于东南沿海城

台风和台风模型研究综述

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市超高层建筑物以及大跨度桥梁而言,风荷载是其

结构抗风设计最重要的参数,极端风速评估的准确

性直接影响项目的安全性和经济性。

台风能量巨大,会引起风暴潮、山体滑坡等次

生灾害。强大的风暴潮会对沿海地区的建筑物以

及基础设施造成破坏,引发海水倒灌,严重影响交

通运输和社会生产。分析风暴潮的危险性有助于

降低其沿海地区的影响,台风风场作为风暴潮预报

的主要驱动场,其模拟的准确性将直接影响风暴潮

的预报结果。台风模型也应用于台风次生滑坡灾

害模拟,分析台风降雨过程中边坡渗流场的变化,

是台风次生滑坡模拟的主要手段。

3 结论

本文从热力学和动力学角度详细介绍了台风

的成因及其结构特征,明确台风生成的必要条件。

总结了参数风场模型中风速气压关系、最大风速半

径、形状参数B等台风关键参数的确定方法。分析

了国内外梯度风场模拟、边界层风速模拟的研究进

展。最后,对台风风场模型在台风危险性评估和台

风次生灾害模拟的应用进行了评述。

台风风场模型是台风危险性分析的重要基

础,针对现有台风风场模拟研究,发展和改进的空

间包括:

1)加强跨学科综合集成研究。国内大气、海洋

等领域的学者对于大洋面台风风场的机制理论研

究较为成熟,但主要集中于大、中尺度台风模拟,后

续应加强工程尺度的应用联合研究。

2)深化台风关键参数的计算方法及区域适用

性的研究。未来研究应能有效反映多台风参数的

影响机制,摆脱简易的经验参数,提升不同区域海

面风场模拟的准确性。

3)强化气象数据观测。基础数据不足是进行

风场模型验证的障碍,需着重加强我国沿海海域海

洋气象测量设备的建设。

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台风和台风模型研究综述

131

第138页

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海节能 No.01

2024

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

节能技术

合同能源管理模式下图书馆空调

节能性分析

刘英博 刘泽华 张舒涵 底 彬 朱鹏飞

南华大学 土木工程学院

摘要:以某新建绿色图书馆为例,介绍了该项目中央空调系统应用合同能源管理的模式。利用能耗模拟软

件EnergyPlus分析了室内温度、入馆人数、人均新风量、自然通风等对空调年耗冷/热量的影响程度,结果表

明:室内设计温度对负荷的影响程度最大,其次是入馆人数。在此基础上提出了根据最大入馆人数对室内

温度分楼层控制与根据人员作息对部分楼层进行间歇控制的运行策略,并模拟计算了分楼层控制模式下阅

览室自然室温,结果表明两种控制策略均具有一定的节能潜力,且入馆人数越低节能效果越明显。

关键词:绿色图书馆;中央空调;耗冷量;分层控制;间歇运行

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:刘英博(1998-05-),男,硕士生,土木工程专业

通讯作者:刘泽华(1966-01-),男,博士,教授,主要从事土木工程研究

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2024年第 01 期

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上海节能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

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2018 年第 08 期

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0 引言

合同能源管理(EMC)自上世纪90年代引入我

国以来发展迅速,截至2020年底,我国从事节能服

务的企业数量超7 000家[1]

。该模式也从原来仅限

于节能改造项目推广至新建项目,减少了一些绿色

建筑重设计、轻运行导致节能效果不明显的现象[2]

影响空调运行能耗的主要因素有人员行为、空调系

统性能、围护结构性能、天气因素、运行策略等[3-4]

在实际运营阶段,节能服务公司保证了空调系统高

效运行,且围护结构热工性能已经确定,因此采用

EMC模式的空调系统节能潜力应重点分析人员使

用情况与运行策略对能耗的影响。刘如意等[5]

分析

了办公楼内人员行为因素对空调能耗的影响,结果

表明室内设定温度与通风习惯对空调能耗影响最

大。于晓谕等[6]

分析了某高校建筑不同室内设计温

度对能耗的影响情况,并计算了根据人员作息对空

调间歇运行的节能量。杨建荣等[7]

分析了上海市绿

色办公建筑人员作息、人员密度和开关灯行为等因

素对能耗的影响情况,得到了不同情景下的能耗差

异。赵德印等[8]

对某办公建筑空调运行能耗影响因

素进行了敏感性分析,结果表明人员密度对空调制

冷能耗的影响最大,气象数据对制热能耗的影响最

大。国内学者对绿色建筑运行阶段的能耗影响因

素研究多为办公建筑,对高校图书馆建筑的研究较

少。本文以湖南某高校新建绿色图书馆为例,利用

能耗模拟软件EnergyPlus分析各设计参数对空调

负荷的影响程度,在此基础上提出相应的节能策略。

1 合同能源管理模式

1.1 工程概况及合同模式

该工程为某高校新建图书馆,位于湖南省衡阳

市,地下两层,地上十层,建筑总面积39 552.2 m2

建筑高度 47.50 m,按照《湖南省绿色建筑评价标

准》属于1星级绿色建筑。考虑寒暑假及学生作息

与办公作息有所不同,九至十层图书馆办公人员设

置独立的空调系统,ESCO的服务对象为一至八层,

空调面积26 021.81 m2

,总冷负荷3 340 kW,总热负

荷2 400 kW。学校与节能服务公司签订托管型能

源管理合同,ESCO负责空调机房的投资建设与合

同期内的运营维护,学校每月支付托管费用,合同

期限为十年,合同结束后设备归学校所有。

1.2 运营服务与节能要求

供暖期为11月15日至次年3月15日,供冷期

为5月15日至10月15日(剔除寒暑假及其他因素

无需空调时间,约定实际供冷70天、供热70天),空

调开启时间为 8:00 至 21:30,室内温度标准:供冷

26 ± 2 ℃,供热 20 ± 2 ℃。运营期间空调系统全

年综合能效(制冷系统全年累计供冷量/制冷系统全

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图书馆空调节能性分析

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节能技术

年累计用电量)不低于5.4。

1.3 用能费用的调整

具体费用结算按照年度托管费用(中标价/合同

期的期限)12 个月均摊,该费用包括空调期内的能

源费用。双方约定当能源价格上涨时,能源费用差

额由学校承担,价格下降时,学校相应减少托管费

用。如因天气原因、设备故障、学校管理要求等原

因,全年超过或减少使用天数,按照全年的平均能

源费用进行核减或核增托管费用。如每天开放时

间有调整,也应按照全年的小时能耗平均值增加或

减少托管费用。

2 空调负荷影响因素

影响负荷的主要变量包括:建筑本体的热工性

能、使用者相关信息(人员密度、运行时间、室内设

计温度、灯光及设备开启情况等)、气象参数、自然

通风换气等。该项目建筑设计建设已经完成,因此

将围护结构热工性能、灯光及设备散热视为固定变

量,主要考虑的变量为室外气象参数、室内温度、人

员密度、人均新风量、自然通风对空调负荷的影

响。在利用EnergyPlus分析不确定性变量对空调

负荷的影响时,以设计工况为基点每次只改变一个

变量,其他变量固定,分析该变量对空调负荷的影

响程度。

2.1 模型的建立

利用SketchUp建立图书馆物理模型,如图1所

示,将该模型导入EnergyPlus,在Energyplus中设

置围护结构热工参数,其数值来源于建筑设计图

纸,具体信息见表1。灯光和设备最大散热功率分

别为 9 W/m2

和 15 W/m2

,室内蓄热体主要为书、书

架及桌椅,书的比热容为 1.8 kJ/(kg·K)、密度为

800 kg/m3

,书架比热容为 1.72 kJ/(kg·K)、密度为

540 kg/m3

。一楼为大厅,二至八楼座位分别为

254、456、424、400、336、460、296个。室内设计温

度:夏季26 ℃、冬季20 ℃、人均新风量30 m3

(/ h·人),

寒假日期为1月15日至3月1日,暑假日期为7月

15日至8月31日。人员与设备、灯光作息如图2和

图3所示。

图 1 图书馆模型

表 1 主要围护结构及厚度

围护结构

屋顶

外墙

内墙

楼板

外窗

主要构造

卵石、碎石混凝土40 mm+水泥砂浆20 mm+挤塑聚苯板65 mm+钢筋混凝土120 mm+水泥砂浆20 mm

花岗岩30 mm+水泥砂浆20 mm+岩棉板40 mm+烧结页岩多孔砖200 mm+水泥砂浆20 mm

水泥砂浆20 mm+烧结页岩多孔砖200 mm+水泥砂浆20 mm

水泥砂浆20 mm+钢筋混凝土120 mm+水泥砂浆20 mm

传热系数2.21、太阳得热系数0.32、气密性7级、可见透射比0.62

2.2 气象数据

目前模拟软件最常用的气象数据为CSWD(中

国标准气象年),CSWD数据是基于1971-2003年

实测气象数据开发,与目前真实气象数据已有一定

差异。邵涛涛[9]

对一栋夏热冬冷地区办公建筑的研

究表明,不同年份的气象数据导致的能耗变化幅度

为-9%~11%。因此在分析气象数据对空调负荷

的影响时,采用CSWD、2012-2021年共计11个气

象数据进行计算。计算结果如图4所示,在典型气

象年下空调冷负荷为 80.3 kWh/(m2

·a)、热负荷为

38.59 kWh/(m2

·a)。历年真实气象数据下冷负荷呈

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现大幅度增加趋势,热负荷呈现略微下降趋势。与

典型年相比,冷负荷最大值增加了28%,热负荷最

小值下降了16%。2012-2021年间冷负荷最大值

较平均值高 15.32%,热负荷最小值较平均值低

10.40%。2014年空调负荷最接近近十年平均值,

在分析其他参数对空调能耗的影响时,以 2014 年

的气象数据作为输入参数。历年空调冷/热负荷见

图4。

图 4 历年空调冷/热负荷

2.3 渗透风与自然通风

渗透风量与建筑气密性密切相关,该建筑窗户

气密性等级为 7 级,根据 GB/T 31433-2015《建筑

幕墙、门窗通用技术条件》的性能分级方法,理论计

算得出该建筑渗透换气次数在0.05~0.1次/h之间,

模拟计算得出在该范围内空调全年累计耗冷量变

化率为0.25%,全年累计耗热量变化率为2.3%,对

空调冷热负荷影响较小,且空调系统新风的引入会

使室内相对于室外为正压,减少了室外空气渗透对

室内负荷的影响,因此将渗透换气次数设定为0.1次/

h,不再考虑渗透换气次数变化对负荷的影响。自

然通风量受门窗开启面积、室内外风压和热压等多

种因素影响。该建筑窗户最大可开启面积为10%,

设定过渡季节窗户可开启时间为4月1日-6月30

日、9月1日-10月31日,可开启条件为室外温度低

于室内温度,窗户开启面积为0~10%。模拟计算不

同开启面积下空调冷负荷变化,结果图如图5所示。

图 5 不同开启面积下空调冷负荷

由图5可知,在过渡季节随着窗户开启面积比

例的增大,自然通风能力加强,全年累计耗冷量逐

渐下降,但下降趋势明显减小,窗户开启面积达到

50%后,加大开窗面积节能效果已不再明显。

2.4 室内环境与入馆人数

在合同中双方仅商定了室内温度与开放时

图 2 人员及设备作息 图 3 灯光作息

合同能源管理模式下图书馆空调节能性分析

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间,对入馆人数及人均新风量没有作具体要求,实

际上入馆人数及人均新风量对空调负荷的影响是

不可忽略的。《民用建筑供暖通风与空气调节设计

规范》(以下简称为《规范》)规定公共建筑主要功

能房间人均新风量为 30 m3

/(h·人),按此标准计

算得出高密人群建筑新风负荷占比可达 20%~

40%,结合建筑人员流动特性与节能需求,《规范》

对该条文进行了解释说明,将人员密度(人数/面

积)≤0.4 的图书馆类建筑最小新风量指标放宽至

17 m3

/(h·人),因此本文将新风指标范围设定为

17~30 m3

(/ h·人)。

阅览室入馆人数受在校人数、学生学习习惯

等多种因素影响,本文将入馆人数范围设定为实

际座位数的 50%~100%,且假设人员均匀分布

在各个楼层,人员作息按照图 2 所示。计算结果

如图 6~图 8 所示。由图可知:夏季室内温度每降

低1 ℃,全年累计冷负荷约增加12.5 kWh/(a·m2

),

冬季室内温度每增加 1 ℃,全年累计热负荷约增

4.5 kWh/(a·m2

)。最大新风量和最小新风量指

标下全年冷负荷相差 9.33 kWh/(a·m2

),热负荷

相 差 6.53 kWh/(a·m2

)。 人 均 新 风 量 每 增 加

3.25 m3

/(h·人),冷负荷增加 2.33 kWh/(a·m2

),

热 负 荷 增 加 1.63 kWh/(a·m2

)。入馆人数每降低

10%,空调年耗冷量降低3.87 kWh/(a·m2

),空调年

耗热量降低1.55 kWh/(a·m2

)。由此可知对冷热负

荷影响程度最大的均是室内温度,其次是入馆率。

因此根据入馆人数对室内温度进行分区控制,以此

可达到节能目的。不同室内温度下冷/热负荷见

图 6,不同新风指标下冷/热负荷见图7,不同入馆率

下冷/热负荷见图 8。

图 6 不同室内温度下冷/热负荷 图 7 不同新风指标下冷/热负荷

图 8 不同入馆率下冷/热负荷

3 节能运行策略

由上文可知影响空调负荷最大的变量为室内

温度与入馆人数,根据《规范》第3.0.2条说明,图书

馆开架书库可视为短期逗留区,其设计温度可比长

期逗留区放宽1~2 ℃,适当降低舒适度要求(夏季

室温放宽至 28 ℃、冬季放宽至 16 ℃)。该图书馆

属于大开间,开架书库与预览区之间没有隔断,温

度分区难以实现,但可根据实际入馆人数对室内温

度进行分楼层控制或者根据馆内人员作息对部分

楼层进行间歇控制,以此降低空调耗冷/热量。

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3.1 分层控制

以实际入馆人数为1 890人为例,其人员可均

匀分布在一至八层,也可集中分布在一至六层,七

至八层只有在借还图书时有短暂停留,将其视为

短期逗留区。内部设备及灯光开启率设为正常作

息的三分之一,在降低空调能耗的同时也可降低

设备及灯光电耗,不同入馆人数下的分层控制策

略见表2。

表 2 分层控制策略

入馆人数

≤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层

1-4层

1-5层

1-6层

1-7层

1-8层

28 ℃

4-8层

5-8层

6-8层

7-8层

8层

/

冬季

20 ℃

1-3层

1-4层

1-5层

1-6层

1-7层

1-8层

16 ℃

4-8层

5-8层

6-8层

7-8层

8层

/

模拟计算五种入馆人数两种控制策略下的全

年冷/热负荷,模式一假设馆内人员均匀分布在各个

楼层,模式二假设人员集中分布在部分楼层。图9

为入馆人数为1 890时分层控制模式下七层阅览室

空调季的逐时自然室温,冷/热负荷计算结果如

图 10~11所示。由室内逐时温度可知分层控制降

低了部分楼层空调开启时长和所需制冷量。入馆

人数越低,节能效果越明显,各入馆人数下耗冷量

节能率依次为34.48%、25.75%、18.68%、12.47%、

6.34%,耗热量节能率依次为 27.74%、20.61%、

14.5%、9.6%、4.43%。

图 9 七层预览室全年逐时气温

图 10 两种模式下累计冷负荷 图 11 两种模式下累计热负荷

3.2 间歇控制

由图2作息表可知各时段入馆人数变化规律,

部分时间段入馆人数比例较少,因此可在分层控制

的基础上根据人员作息对部分楼层进行间歇控制,

即假设入馆人数比例较低的时段人员也可集中至

某些楼层,其他楼层降低舒适度要求。以设计最大

入馆人数为例,将各楼层高舒适度要求(冬季

20 ℃、夏季 26 ℃)时间段与人员作息设定如图 12

所示。计算结果如表 3 所示,在设计入馆人数下

间歇控制可节约 14.89%的冷负荷和 19.14%的热

负荷。

合同能源管理模式下图书馆空调节能性分析

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图 12 各层阅览室人员作息

表3 间歇控制冷热负荷

开启状态

全天开启

间歇开启

节能率/%

冷负荷

kWh/(a·m2

)

99.47

84.66

14.89

热负荷

kWh/(a·m2

)

35.69

28.86

19.14

4 结论

1)对影响目标建筑空调负荷的输入变量进行

了辨析,模拟计算了输入变量在取值区间内空调负

荷的变化情况。

2)通过敏感性分析表明,空调负荷最敏感的变

量是室内温度,其次是人员密度。天气因素对冷负

荷的影响程度大于热负荷。

3)在实际入馆人数低于设计入馆人数时对室内

温度分楼层控制具有较大节能潜力,在入馆人数达

到设计标准时,空调间歇运行在夏季有 14.89%的

节能潜力,冬季有19.14%的节能潜力。

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光伏板清洁装置的优缺点分析

与前景展望

王凯璐1 李子强1 端木维禹1 孔欣畅1 渠鸿洋2 张冉冉3

1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院

2. 山东理工大学电气与电子工程学院

3. 山东理工大学化学化工学院

摘要:通过对比分析太阳能光伏板清洁装置在太阳能光伏板清洁行业中的发展与应用,系统地介绍了市面

上现有各类太阳能光伏板清洁装置在各层次上的优缺点,通过对国家政策、太阳能发电行业发展趋势的对

比分析,总结出我国太阳能光伏发电板清洁行业未来的发展方向及光伏板清洁装置发展的巨大潜力。

关键词:光伏积灰;光伏板清洁技术;清扫机器人;光伏板积灰清洁行业发展

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

作者简介:王凯璐(2003-02-),男,本科在读,主要从事农业机械化及其自动化方向研究工作

李子强(2002-11-),男,本科在读,主要从事农业机械化及其自动化方向研究工作

端木维禹(2002-11-),男,本科在读,主要从事农业机械化及其自动化方向研究工作

孔欣畅(2003-10-),男,本科在读,主要从事农业机械化及其自动化方向研究工作

渠鸿洋(2003-04-),女,本科在读,主要从事电子信息工程方向研究工作

张冉冉(2002-11-),女,本科在读,主要从事应用化学方向研究工作

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节能技术

0 引言

随着煤炭、石油等传统能源的逐渐减少,能源

供需问题日益突出。未来,在人类社会发展过程中

可再生能源的投入使用,是缓解对传统化石燃料依

赖必不可少的重要环节。太阳能光伏发电是绿色

能源的主要来源之一,在能源结构中的占比程度也

会不断提升。“十三五”以来,我国光伏发电产业迅

速发展,仅2021年我国光伏组件装机新增5 488 kW,

为近年来投产最多的一年。截至 2021 年底,光伏

发电设备累计装机量达3.06亿kW[1]

。但在实际使

用场景中,太阳能光伏板所处环境中的尘埃、鸟粪[2]

等易聚集在光伏板表面导致光伏组件发电效率降

低,光伏企业也会因此承受巨大的损失[3]

然而,我国集中式大型光伏发电站多建设于生

态环境较为恶劣的偏远地区[4]

,电站维护工作开展

难度较大,且光伏板表面积灰的出现会严重影响其

发电效率及使用寿命。因此,研究出一款适用于我

国光伏行业现状的光伏板清洁装置,探索出新型除

尘方案是光伏行业进一步发展的必经之路。基于

此,本文针对目前使用较多的几种光伏清洁装置进

行了研究,并对比不同设备所存在的优缺点。

1 光伏板清洁主要方式与装置分类

目前,市面上主要的清洁方式为机械除尘。机

械除尘作业过程中以水为主,清洁剂等物质为辅,

通过电驱动式滚刷对光伏板表面进行清洁,采用这

种方式的光伏板清洁装置由于制作难度小、制作与

后期维护成本低等特点得到了广泛的应用。

其次,机械除尘中也有部分清洁装置采取无水

清洁方式来完成清洁任务,无水清洁装置主要依靠

滚刷筒两侧的轴头安装支撑轴承和带轮,装置能感

应灰尘方位,自主开启除尘装置,尼龙滚刷在光伏

板表面旋转,使表面的灰尘脱离光伏板,当灰尘积

累达到一定量时,自主卸尘装置得到感应,自动将

沙尘收集到专用沙尘储藏罐中,以实现对光伏板的

无水清洁。无水清洁机器人主要由自主清洁系统、

自主控制器系统、电机驱动系统、无线通信系统、行

走限定系统、定位感知系统等装置系统及其众多的

光伏元件组成。据统计,1 MW无水清洁机器人的

清洁周期比人工清洁周期缩短约 22.6 天,清洁成

本下降约 86.52%。利用灰尘积累为 8 g/m2

的透

光率计算出其清洁效率高达 90.09%,当灰尘积累

量为 6 g/m2

时,其清洁效率高达91.04%,远远高于

普通的机械除尘清洁装置[5]

。其高效无污染的清洁

过程有效解决了传统清洁方式带来的清洁作业过程

中用水量大、清洁剂污染土壤及周边环境的问题。

以上两种清洁方式在目前的光伏板清洁行业

都有采用,但前者依靠较低的制造与维护成本在该

行业中拥有较高的市场占有率。后者具有清洁能

力强、清洁周期短、环保无污染等优点,但因其前期

投入成本过高,并未得到大面积的推广使用。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页

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2018 年第 08 期

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清洁装置厂家在上述两种清洁方式的基础上研制

出各种用于光伏板清洁作业的装置,若通过装置移

动与作业方式对其进行分类,可分为板上清洁装置

与地面清洁装置两种。

1.1 板上太阳能光伏板清洁装置

板上太阳能光伏板清洁装置,是指清洁装置依

靠轨道或自身结构可实现在光伏板表面移动并完

成清洗作业的光伏板清洁装置。板上太阳能光伏

板清洁装置主要分为以下三种:

1.1.1 板上式与地面式相互配合完成清洁任务

此类光伏板清洁机器人,是依靠位于光伏板表

面的清洁装置与在地面行走的“运输车”配合完成

工作。位于板上的机器人担任清除光伏板表面积

灰任务,“运输车”则负责向清洁装置提供能源、水

源、清洁剂等清洁过程中所消耗的“必需品”。通过

两种装置的相互配合完成太阳能光伏板表面积灰

清洁工作。

图1为BQ-1200型光伏电站清洁机器人,该类

清洁装置通过机器人主体、高压水泵车及遥控系统

等组成,可在有水、无水两种清洁方式中进行切换,

可针对不同作业环境与作业要求进行调整。该机

器人总长 1 300 mm,宽 1 320 mm,高 400 mm,重

约48 kg,清洁效能高达每小时3 000 m2 [6]

图1 BQ-1200型光伏电站清洁机器人

(图片来源:北国网 作者:佚名)

1.1.2 自主式板上太阳能光伏板清洁机器人

此类机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种方式为主,以此来

保持装置在光伏板表面不会滑落,实现在光伏板表

面自由行走。为减轻机身自重,该类光伏清洁机器

人多采用无水清洁方式,利用无水清洁,无需搭载

水箱的优点来减轻装置自重,可有效避免清洁装置

在清洗作业时因自身过重而导致光伏组件损伤所

带来的经济损失。

由日本 Sinfonia Technology 有限公司所设计

的一款自主式板上清洁机器人,该型机器人采用滚

刷与清洁剂相配合的方式对光伏板表面积灰进行

处理,清洁速率约为每小时100 m2[7]

1.1.3 轨道式板上太阳能光伏板清洁机器人

轨道式板载清洁机器人依靠提前在光伏板表

面铺设导轨或将装置顶部与底部通过滚轮与光伏

板相结合,依托光伏板进行移动作业。在完成清洁

作业时清洁装置随导轨进行移动。此类清洁装置

拥有运行稳定的优点,但存在着制作难度大、维护

建设成本高等不足。在完成光伏板积灰清洁作业

的实际使用中,该种装置表现出较高的工作效率,

除尘率更是达到了 97%。但由于其特殊的移动方

式导致此类清洁装置对作业环境要求较为苛刻,因

此该种清洁装置只适用于地形平坦、光伏板紧密排

列的大型集中式光伏发电站。

西安运维电气科技有限公司研发的光伏清扫

机器人为该类机器人。该机器人是依靠顶部与底

部安装的滚轮在光伏组件表面移动,通过自身携带

的清扫装置对光伏板积灰进行清理。但该类机器

人对作业环境要求较高,需在地面平坦的光伏电站

进行工作,并在每排阵列均需要安装一个机器人才

可完成对光伏电站内所有光伏板的清洁任务。

1.2 地面式太阳能光伏板清洁机器人

地面式光伏板清洁机器人在我国应用较多,

图 2所示的由青岛昱臣智能机器人有限公司设计的

无水清洁光伏板机器人,该机器人加入履带行走方

式,可适应恶劣的外部条件。8 000 m2

的清洁工作

仅1 h即可完成。这款清洁效率高、清洁效果好的

机器填补了我国光伏清洁行业的诸多空白。

赵波等人[8]

组成的团队研制出一款如图3所示

的新型地面式太阳能光伏板清洁机器人(MDCS),

光伏板清洁装置的优缺点分析与前景展望

141

第148页

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节能技术

通过在吉林省内一处光伏电站进行实验所得出的

数据进行分析,分析结果显示,使用MDCS对积灰6

至 14 天的光伏组件进行清洁后发电效率可增加

3.14%至6.17%。

上述光伏清洁车由于体型过大,实际运行中需

要在太阳能光伏组附近建设清洁车专用通道,大幅

提高了光伏电站的建设成本并造成了大量土地资

源的浪费。对于处在丘陵湖泊等分布式小型光伏

电站而言,传统光伏清洗车并不能胜任此类场景下

的分布式太阳能光伏板积灰清洁工作。

图2 昱臣清洁机器人[7]

图3 移动光伏板清洁机器人[7]

2 光伏清洁装置前景展望

从长远来看,光伏发电行业的进一步发展与广

阔应用是人类社会发展的必然趋势。截至目前一

些发达国家和地区如欧盟、美国已将光伏发电列入

重要可再生能源序列。我国已经成为全球光伏行

业中占比规模最大的国家,截至2021年底,光伏发

电设备累计装机量达3.06亿kW[9]

。但在光伏发电

系统的实际使用中环境因素对其输出功率的影响

很大,其中一个主要因素是光伏板表面的积尘[10]

根据数据统计,光伏板发电效率会随着积灰量的增

加呈现下降趋势,8d的自然积灰就会使光伏组件上

层玻璃的相对透光率减小约20%,有时甚至低到只

有60%[4]

,若不能有效地解决采光玻璃表面的污染

问题,就会降低对光电转化效率。

我国主要的大型光伏发电站集中分布在中西

部地区。在西部戈壁等空旷地区,主要采用集中式

光伏电站,比如地面光伏电站,此类电站具有占地

面积大、集中安装的特点[2]

。现有的光伏板清洁装

置难以适用于大规模光伏发电站,如何高效地对光

伏板进行清洁维护,同时解放劳动力,减少运行成

本,成为光伏发电行业急需解决的问题。随着光伏

产业的迅速发展所带来的光伏清洁行业缺口会越

来越大,这也给光伏清洁装置的发展提供了机会。

目前国家相关部门也不断加强光伏发电的宣

传与推广,许多高校也成立了光伏发电领域相关

团队,培养该领域的优秀人才,研究出很多好的除

尘方法,光伏清洁装置也在不断创新发展。这些

举措都在为我国光伏产业的进一步壮大提供动

力,展现出光伏清洁装置未来广阔的市场与良好

的发展前景。

参考文献

[1]岳蕾,郑星,王烁.我国光伏发电行业标准化建设情况及发展建议研究

[J].中国标准化,2022(16):100-103.

[2]吴颖超.积尘对光伏电站发电量的影响及清洁方式分析[J].太阳能,

2021(9):47-51.

[3]曹梦楠. 分布式光伏组件清洗机器人开发及应用[D].东北电力大学,

2020.

[4]金国辉,汤伟,杨世俊.光伏板积灰清理方案综合评价研究[J].科技促

进发展,2019,15(7):746-753.

[5]塔娜.光伏行业现状及前景分析[J].企业改革与管理,2018(22):

204-205.

[6]侯佳松,王侃宏,石钰杨,等.邯郸地区温度和灰尘对独立太阳能光伏

发电系统的影响[J].节能,2011,30(10):49-52+3.

[7] 蒋利雷. 光伏组件积灰负压吸附式六轮无水清洁机器人的研制[D].

东北电力大学,2022.

[8]赵波,范思远,曹生现,等.移动式光伏板积灰干式清洗装置研制及应

用[J]. 中 国 电 机 工 程 学 报,2019,39(6):1707-1713 + 1867.DOI:

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

[9]郭丽菲.“光伏卫士”让光伏板清洁更加简单高效[N]. 山西青年报,

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

[10]乔永力. 积尘对太阳能光伏板性能影响及清洁装置的研究[D].中国

计量大学,2018.

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风力发电机叶片结冰检测及防除冰

技术综述

孙永朋1 关 新2 刘传宝1 王 哲1

1. 沈阳工程学院 能源与动力学院

2. 沈阳工程学院 新能源学院

摘要:风力发电机叶片结冰是风电机组在高寒地区常见且具有挑战性的问题,叶片结冰会改变其空气动

力学特性,表面粗糙度增加、阻力增加、功率损失,甚至使塔筒与风轮之间产生共振现象。对风力发电机

叶片结冰过程、结冰类型、结冰等级进行了阐述,并对目前现有的叶片结冰检测方法和防除冰技术进行了

归纳。为更好地解决叶片结冰对风电机组的影响,可针对不同的气候及区域使用相应的结冰检测技术和

防除冰技术,减少叶片结冰对风电机组产生的影响。掌握这一领域的发展现状,对推动风电行业的发展

具有重要意义。

关键词:风力发电机叶片;结冰;结冰检测技术;防除冰技术

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(通讯):孙永朋(1998-08-),男,硕士研究生,主要从事风电机组气动载荷研究

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第150页

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0 引言

风能是全球开发最广泛的可再生能源之一,由

于具有清洁无污染、分布广泛的特点,受到世界各

国的关注。风电机组在运行过程中也出现了诸多

问题,其中寒冷地区的风力发电机叶片结冰便是其

中之一。我国风能资源丰富,但由于地域辽阔及地

理位置的不同,风能分布不均匀,多数优质风能资

源集中在东北、华北、西北等气候寒冷的地区,所以

风力发电机叶片面临着一定程度的覆冰现象。叶

片结冰不仅改变空气动力学特性,使其表面粗糙度

增加,降低翼型升力、增加阻力,还进而影响风力机

风轮捕获风能的能力,减少其出力效果。此外,叶

片表面覆冰,将引起风轮叶片质量不平衡,进而对

风轮主轴产生附加扭矩,这将改变叶片的固有频率

和运行可靠性,甚至将促使塔筒与风轮之间产生共

振现象,造成风电机组安全链触发,产生风力机运

行安全事故。因此,有针对性地对风力发电机叶片

结冰过程、结冰类型、结冰检测方法及防除冰技术

进行研究,对风电机组的稳定运行具有重要意义。

1 风力机叶片结冰过程、等级、类型及影响

1.1 结冰过程

结冰过程可分为气象结冰阶段、仪器结冰阶

段、培养阶段、恢复阶段。从气象学的角度来看,结

冰过程包括两个阶段:气象结冰阶段是指当天气条

件(温度、湿度、风速等)达到结冰条件时,物体表面

会形成冰。之后是恢复阶段,即从叶片上去除冰所

需的时间。从设备的角度来看,也包括两个阶段:

培养阶段,这是设备(如风速计)能够检测到结冰之

前的时间,其次是仪器结冰,这是结冰影响设备(生

产损失)的时间。因此,培育阶段是气象结冰开始

和仪器结冰开始之间的时间,而恢复时间是气象结

冰结束和仪器结冰结束之间的时间。

1.2 结冰强度

根据结冰过程、结冰持续时间及发电量损失,

可将结冰强度划分为5级(见表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 结冰强度等级[1]

结冰等级

5

4

3

2

1

气象结冰(%/年)

>10

5~10

3~5

0.5~3

0~0.5

仪器结冰(%/年)

>20

10~30

6~15

1~9

<1.5

发电量损失(%/年均发电量)

>20

10~25

3~12

0.5~5

0~0.5

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