基于LNG冷能利用和雨水回收再利用的高速公路服務區(qū)降溫池綜合系統(tǒng)設計及分析

謝 偉 李琦芬 王朝龍 胡慧忠上海電力學院能源與機械工程學院

基于LNG冷能利用和雨水回收再利用的高速公路服務區(qū)降溫池綜合系統(tǒng)設計及分析

謝 偉 李琦芬 王朝龍 胡慧忠
上海電力學院能源與機械工程學院

基于LNG冷能利用和雨水回收再利用對高速公路服務區(qū)降溫池進行設計，充分利用服務區(qū)內LNG加注站的LNG氣化產生的冷能，對降溫池池水進行降溫，既合理有效地利用了閑置的冷能資源，又提升降溫池的降溫冷卻效果；輔助的雨水回收再利用系統(tǒng)，具有自動調節(jié)降溫池水位的能力，并節(jié)約水資源。對整套系統(tǒng)完成結構設計及模擬運行后，進行技術經濟性分析，降溫池降溫能力明顯提升，節(jié)能減排效果顯著，有效提高了高速公路服務區(qū)運營經濟性。

LNG冷能利用 雨水回收再利用 降溫池 系統(tǒng)設計

The Whole System Design with Patent of Invention, No. 201710285885.8

1 研制背景及意義

在炎熱的夏季，重型卡車在高速公路上負載疾馳，路面溫度高達50多℃，造成輪胎發(fā)熱,此外長期剎車導致輪鼓發(fā)熱甚至剎車失靈，危及行車安全。所以長途貨車會在高速公路服務區(qū)的降溫池進行降溫，大車需要開入降溫池，然后上行，從而達到降溫的效果。降溫池以水冷的方式達到輪胎的冷卻效果，但由于池水經曝曬后溫度升高、水吸熱蒸發(fā)和車輪紋理帶走等因素，導致降溫水池降溫效果不好、水耗很大。本系統(tǒng)恰好解決了高速公路服務區(qū)中冷卻池用水量大、冷卻效果一般、運維成本高等問題。

2 整體設計方案

2.1 整體系統(tǒng)介紹

為了解決高速公路服務區(qū)中降溫池用水量大、冷卻效果一般、運維成本高的問題，本設計方案提出了基于LNG冷能利用和雨水回收的高速公路服務區(qū)降溫池綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)就地充分利用LNG氣化過程產生的冷能、收集利用廢棄的雨水，在此基礎上進行制冷盤管的布置、降溫池的設計、以及局部強化換熱的優(yōu)化，解決降溫池用水量大、降溫效果一般、運維成本高的問題，效果顯著。

2.2 系統(tǒng)的位置介紹

以重型卡車為例，夏季，卡車進入服務區(qū)，若輪胎有降溫的需要，隨即進入降溫池進行降溫工作，降溫池位于整個服務區(qū)的入口側，以便于卡車及時進行降溫冷卻，如圖1所示，卡車從降溫池駛出后，可進入大卡車休息區(qū)，司乘人員進行休整，待出發(fā)時，可進入加油站或加氣站，補充卡車的燃料，加油站和加氣站位于服務區(qū)的出口側。

圖1 系統(tǒng)布置圖

圖2 系統(tǒng)工藝流程圖

3 工作原理及性能分析

3.1 系統(tǒng)工藝流程圖（圖2）

3.2 子系統(tǒng)介紹

3.2.1 LNG冷能利用系統(tǒng)

服務區(qū)內加注站的LNG經過汽化器變成CNG，并將冷能傳遞給乙二醇，冷卻的乙二醇溶液將冷能存儲于蓄冷水箱[1-2]。蓄冷水箱可以合理有效解決LNG氣化時間與冷能利用時間不匹配的問題。降溫池進行工作時，降溫池的循環(huán)水再與蓄冷水箱通過換熱器2制取冷凍水，冷凍水由盤管送入降溫池，從而實現(xiàn)降溫池水降溫的需要。

蓄冷系統(tǒng)需保證蓄冷介質有較低的凝固點，同時又具有較強的蓄冷能力.綜合考慮各種因素，蓄冷介質最終選擇為60%乙二醇水溶液，其溶液性質見表1。

整個冷卻裝置工作流程圖3所示。

（1）第一個換熱系統(tǒng)

LNG從儲罐里出來，流經1汽化器汽化成CNG，CNG供給用戶；乙二醇從2儲冷水箱流出，經過汽化器后，溫度降低，將冷量輸送回2儲冷水箱，因此，乙二醇在裝置1汽化器和2儲冷水箱作為循環(huán)介質用于冷量的輸送。

（2）第二個換熱系統(tǒng)

從3降溫池流出的冷回水進入2儲冷水箱，換熱后的供冷水輸送回3降溫池水冷卻系統(tǒng)，用于降溫池的穩(wěn)定工作，因此，冷凍水在裝置2儲冷水箱和裝置3降溫池間作為循環(huán)介質用于冷量的輸送。

圖3 冷卻裝置工作流程圖

表1 60%乙二醇水溶液性質表[3]

表2 各端口進、出口溫度位表

各端口對應溫度位如表2。

3.2.2 雨水回收再利用系統(tǒng)

雨水回收分兩部分，樓宇雨水回收系統(tǒng)和地面雨水回收系統(tǒng)。

樓宇雨水回收系統(tǒng)，雨水從屋頂收集后，直接進入帶過濾系統(tǒng)的蓄水水池，用于服務區(qū)的衛(wèi)生用水服務。

地面雨水回收系統(tǒng)，利用地勢差將整個服務區(qū)的雨水匯集回收于蓄水池，因此，蓄水池將設計在整個服務區(qū)地勢最低點（位置如圖1，服務區(qū)的入口側），然后通過過濾、沉降等簡單環(huán)節(jié)，使其可利用。其中蓄水池與降溫池在地下相互連通，形成連通器，利用浮球控制蓄水池閥門的開度，自動控制水流量，保證降溫池的有效水位。該設計在節(jié)約水資源的同時，也節(jié)約了水泵的能耗。

圖4 俯視示意圖

圖5 降溫池側視圖

系統(tǒng)布置圖2中入口側蓄水池-降溫池連通系統(tǒng)的放大，即圖4俯視示意圖和圖5側視示意圖。

3.2.3 降溫池水冷卻系統(tǒng)

圖6 系統(tǒng)功能示意圖

降溫池服務于重型卡車車胎和剎車片的降溫，其大小設計依卡車型號而定。在此，本專利以24輪掛車為服務對象，以調研的山東某服務區(qū)的降溫池為例，進行降溫池的設計和相應水冷卻管道的布置。

池水水位的設定原則如下：

以該服務站降溫池為例，水池寬5 m，長24m，高0.8 m，重型卡車車輪直徑1 m，胎厚0.3m。依據(jù)重型卡車12對雙胎輪計算，輪胎一半浸沒池水中，池水上升0.032 m，輪胎全部浸沒池水中，池水上升0.064 m。此外，考慮重型卡車的安全水位，建議輪胎不能全部浸沒，僅浸沒大半輪輪胎，因此，池水水位上升控制在0.05 m左右。綜上所述，考慮池高0.8 m、水位上升0.05 m和特殊天氣情況，建議池水水位控制在0.55～0.6m。

3大系統(tǒng)確保降溫池有效工作（見圖6）。

表3 萊蕪市氣象參數(shù)1981～2010年月平均、最高最低溫度

表4 輪胎的比熱容[4]

4 運行方案及計算

4.1 基礎數(shù)據(jù)

根據(jù)山東萊蕪某高速公路服務區(qū)所在的地區(qū)氣象參數(shù)（表3），以及輪胎的比熱容（表4）得其夏季6、7、8月份平均溫度在25℃，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，卡車高溫行駛，停車測試的輪胎溫度達55～60℃，故峰值月份溫降為30℃；5、9月份平均溫度在20℃，停車測試的輪胎溫度達45～50℃，故谷值月份溫降為20℃；卡車經過降溫池的時間為10～20 s，輪胎內部材料來不及及時換熱，但輪胎表面和剎車片降溫效果明顯，因此整體降溫量僅有30%，輪胎內部未散失的熱量需要一定的時間才能散掉。取輪胎和剎車片的整體降溫系數(shù)0.3；所有降溫車輛中，有24輪、22輪、20輪、16輪、14輪不等，取降溫車型比例：0.7；6、7、8月份考慮天氣陰雨因素，則取日平均散熱量系數(shù)：0.7；5、9月份取日平均散熱量系數(shù)：0.5。

根據(jù)熱力學公式（1），得如下輪胎散熱計算數(shù)據(jù)，考慮文章篇幅有限，并未寫入，數(shù)據(jù)直接以圖展示。據(jù)實際調研，得以下車流量數(shù)據(jù)（圖7、圖8）。

圖7 夏季最高峰日降溫池車流量

表5 計算數(shù)據(jù)匯總

圖8 峰、谷月份日均車流量

4.2 負荷量計算

根據(jù)上述基礎數(shù)據(jù)，計算前端降溫池日總共散熱量以及循環(huán)冷卻水的質量流量。

根據(jù)熱力學公式（2）（3），得如下日平均散熱量和合計LNG需求量數(shù)據(jù)表5。

峰谷月份日均用冷量和冷卻水日均流量見圖9和圖10。

圖9 峰、谷月份日均用冷量

圖10 峰、谷月份冷卻水日均流量

圖11 峰、谷月份LNG汽化量

圖12 調整后的LNG汽化量

根據(jù)循環(huán)冷卻水的質量流量求得LNG汽化量，并在儲冷水箱的調節(jié)作用下將其24 h均勻汽化，其趨勢圖如圖所示。根據(jù)熱力學公式（4）（5），得如下峰谷月份LNG汽化量和調整后24 h汽化量數(shù)據(jù)（見圖11和圖12）。

4.3 節(jié)能減排

表6 節(jié)能量統(tǒng)計

表7 減排量統(tǒng)計

整體降溫效果顯著，水溫從40℃降到25℃降溫效果提升1倍；經大量數(shù)據(jù)計算，單個降溫池節(jié)能減排量如表6和表7所示。

4.4 技術分析

查詢焓熵圖，根據(jù)?效率計算公式[6]。

t0為環(huán)境溫度，h、S分別為對應狀態(tài)下物流的焓和熵。計算得：

熱物流與LNG換熱利用冷能時，傳熱過程的冷?損DK為

計算得：

式中：EX,in、EX,out分別為所有輸入裝置和輸出裝置的總?，GLNG、GH2O分別為LNG輸入裝置和水輸出裝置的流量，e進口x,LNG、e出口x,LNG、e進口,H2O、e出口,H2O分別為LNG輸入、輸出裝置和水輸入、輸出裝置單位質量流量的冷?。

4.5 經濟性分析

在不考慮制冷所需的投資、折舊費用情況下，T溫度下的單位冷價計算公式為[3]：

式中：Cqt為T溫度下的單位冷價；Ce為電價；Exp為制冷耗電量；Q為總制冷量。

對于電驅動壓縮式制冷：

其中COP為制冷系數(shù)。

根據(jù)山東高速菏澤內某服務區(qū)的峰谷電價，我們求得加權電價為1.2元/kWh，以常規(guī)電驅動壓縮式制冷方式，在制冷系數(shù)COP取3的情況下，得到同樣冷量折算的單位電價為：0.4元/kWh。單個降溫池年耗電量為220 872 kWh，則計算得出單個降溫池年冷量收益為73 624元,以目前市場行情，降溫池冷卻系統(tǒng)管道、泵及閥門總投資約為5萬元，年度收益7.3萬元。以下分別計算靜態(tài)投資回收期與動態(tài)投資回收期。

（1）靜態(tài)投資回收期

（2）動態(tài)評價指標（投資回收期）

以5年期以上貸款利率6.8%作為計算標準，根據(jù)以下公式計算動態(tài)投資回收期m。

式中：R——等額年收益，萬元；Bnpv——項目投資現(xiàn)值，萬元；i——投資回收期內折現(xiàn)率；m——投資回收期，年。

對于雨水回收的經濟性測算，工程造價所涉因素較為多，參考工程案例《基于案例的雨水回用系統(tǒng)技術經濟分析》[7]的造價2.2元/m3，而服務區(qū)自來水的市場價為3元/m3，因此具有經濟性[8]。

綜合考慮，根據(jù)對降溫池綜合系統(tǒng)的投資期分析，靜態(tài)投資回收期0.68年、動態(tài)投資回收期0.72年，遠低于行業(yè)基準投資回收期水平。

5 結語

基于LNG冷能利用和雨水回收再利用的高速公路服務區(qū)降溫池綜合系統(tǒng)就地充分利用了高速公路服務區(qū)LNG的冷能，避免LNG汽化過程中釋放出大量的冷能的浪費，同時結合服務區(qū)的場地優(yōu)勢，進行了雨水回收利用系統(tǒng)的設計，在此基礎上進行制冷盤管的布置、降溫池的設計、以及局部強化換熱的優(yōu)化，解決了降溫池用水量大、降溫效果差、運維成本高的問題，可以節(jié)約能源，降低服務區(qū)運營成本，顯著提高服務區(qū)的經濟效益和節(jié)能減排示范效益，效果顯著。

在節(jié)能減排方面，180天節(jié)電220 872 kWh,節(jié)水10 800 m3；?利用率在41%，主要是由于溫度品位難以對應造成；靜態(tài)投資回收期在0.68年，動態(tài)回收期在0.72年，總體值得推廣。

[1]吳小華,蔡磊,李庭宇,楊緒飛,宇波,中國石油大學. LNG冷能利用技術的最新進展[J]. 油氣儲運:1-13.

[2]孔令海,黎文鋒,鄧文源,童文龍. LNG接收站儲罐冷卻過程中蒸發(fā)氣體的零排放技術[J]. 天然氣工業(yè),2017,(05):81-87.

[3]吳集迎,馬益民. 利用LNG梯級冷能的冷庫系統(tǒng)構建與載冷劑選擇[J].集美大學學報(自然科學版),2012,(02):126-130

[4]柯順魁．輪胎膠料的熱物性數(shù)據(jù)庫及其在輪胎溫度場有限元分析系統(tǒng)中的應用[D]．青島科技大學，2007.

[5]李幼德，趙子亮，王慶年等．高速滾動汽車輪胎溫度場的非穩(wěn)態(tài)熱分析[J]．汽車工程，2002：24（1）：60-64.3

[6]熊永強,華賁. 基于LNG冷能利用的低溫冷庫與冷能發(fā)電系統(tǒng)的集成[J]. 華南理工大學學報(自然科學版),2012,(09):20-25

[7]顧蔚華. 基于案例的雨水回用系統(tǒng)技術經濟分析[J]. 建設監(jiān)理,2014,(05):41-44.

[8]孫軻,荀志遠,趙琛琛. 小區(qū)雨水回收利用系統(tǒng)的經濟效益分析[J]. 工程管理學報,2017,(03):1-4.

節(jié)能信息與動態(tài)

寶山區(qū)推進旅游飯店建筑能耗對標工作

近日，寶山區(qū)旅游局召開“上海市旅游飯店能耗對標管理系統(tǒng)”填報與能耗對標工作會議，要求填報單位對所填報數(shù)據(jù)負責，確保提供準確、及時、有效的能耗數(shù)據(jù)，并希望旅游飯店充分利用“對標管理系統(tǒng)”，及時了解自身能耗狀況，發(fā)掘節(jié)能潛力。

（寶山區(qū)）

Comprehensive System Design and Analysis of Cooling Tank at Expressway Service Area Based on LNG Cooling Energy Utilization and Rainwater Recycling

Xie Wei, Li Qifeng, Wang Chaolong, Hu Huizhong
Energy and Mechanism Engineering College of Shanghai Electrical Power University

Based on LNG cooling energy utilization and rainwater recycling, the author carries out design for cooling tank at expressway service area, which fully uses LNG gasification cooling energy to reduce temperature of cooling tank at service area LNG filling station. It not only adjusts idle cooling energy resource effectively and reasonably, but also improves cooling effect of cooling tank. Auxiliary rainwater recycling system has ability to adjust water level of cooling tank automatically and saves water resource. The author finishes whole system structure design and simulation operation and technical and economical analysis. The results show that cooling ability of cooling tank increases, energy savingand emission reducing effect is obvious through improving operation economic benefit at expressway service area.

LNG Cooling Energy Utilization, Rainwater Recycling, Cooling Tank, System Design

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.006

李琦芬：（1973- ），女，教授，工學博士，研究方向為可再生能源利用、高效傳熱與低品位能源利用、分布式能源技術以及余熱余壓節(jié)能技術。

謝偉：男，在讀碩士。研究方向為分布式能源技術以及余熱余壓節(jié)能技術。

本系統(tǒng)已申請發(fā)明專利，受理號為：201710285885.8