基于LNG冷能利用和雨水回收再利用的高速公路服务区降温池综合系统设计及分析

谢 伟 李琦芬 王朝龙 胡慧忠上海电力学院能源与机械工程学院

基于LNG冷能利用和雨水回收再利用的高速公路服务区降温池综合系统设计及分析

谢 伟 李琦芬 王朝龙 胡慧忠
上海电力学院能源与机械工程学院

基于LNG冷能利用和雨水回收再利用对高速公路服务区降温池进行设计，充分利用服务区内LNG加注站的LNG气化产生的冷能，对降温池池水进行降温，既合理有效地利用了闲置的冷能资源，又提升降温池的降温冷却效果；辅助的雨水回收再利用系统，具有自动调节降温池水位的能力，并节约水资源。对整套系统完成结构设计及模拟运行后，进行技术经济性分析，降温池降温能力明显提升，节能减排效果显著，有效提高了高速公路服务区运营经济性。

LNG冷能利用 雨水回收再利用 降温池 系统设计

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

1 研制背景及意义

在炎热的夏季，重型卡车在高速公路上负载疾驰，路面温度高达50多℃，造成轮胎发热,此外长期刹车导致轮鼓发热甚至刹车失灵，危及行车安全。所以长途货车会在高速公路服务区的降温池进行降温，大车需要开入降温池，然后上行，从而达到降温的效果。降温池以水冷的方式达到轮胎的冷却效果，但由于池水经曝晒后温度升高、水吸热蒸发和车轮纹理带走等因素，导致降温水池降温效果不好、水耗很大。本系统恰好解决了高速公路服务区中冷却池用水量大、冷却效果一般、运维成本高等问题。

2 整体设计方案

2.1 整体系统介绍

为了解决高速公路服务区中降温池用水量大、冷却效果一般、运维成本高的问题，本设计方案提出了基于LNG冷能利用和雨水回收的高速公路服务区降温池综合系统。该系统就地充分利用LNG气化过程产生的冷能、收集利用废弃的雨水，在此基础上进行制冷盘管的布置、降温池的设计、以及局部强化换热的优化，解决降温池用水量大、降温效果一般、运维成本高的问题，效果显著。

2.2 系统的位置介绍

以重型卡车为例，夏季，卡车进入服务区，若轮胎有降温的需要，随即进入降温池进行降温工作，降温池位于整个服务区的入口侧，以便于卡车及时进行降温冷却，如图1所示，卡车从降温池驶出后，可进入大卡车休息区，司乘人员进行休整，待出发时，可进入加油站或加气站，补充卡车的燃料，加油站和加气站位于服务区的出口侧。

图1 系统布置图

图2 系统工艺流程图

3 工作原理及性能分析

3.1 系统工艺流程图（图2）

3.2 子系统介绍

3.2.1 LNG冷能利用系统

服务区内加注站的LNG经过汽化器变成CNG，并将冷能传递给乙二醇，冷却的乙二醇溶液将冷能存储于蓄冷水箱[1-2]。蓄冷水箱可以合理有效解决LNG气化时间与冷能利用时间不匹配的问题。降温池进行工作时，降温池的循环水再与蓄冷水箱通过换热器2制取冷冻水，冷冻水由盘管送入降温池，从而实现降温池水降温的需要。

蓄冷系统需保证蓄冷介质有较低的凝固点，同时又具有较强的蓄冷能力.综合考虑各种因素，蓄冷介质最终选择为60%乙二醇水溶液，其溶液性质见表1。

整个冷却装置工作流程图3所示。

（1）第一个换热系统

LNG从储罐里出来，流经1汽化器汽化成CNG，CNG供给用户；乙二醇从2储冷水箱流出，经过汽化器后，温度降低，将冷量输送回2储冷水箱，因此，乙二醇在装置1汽化器和2储冷水箱作为循环介质用于冷量的输送。

（2）第二个换热系统

从3降温池流出的冷回水进入2储冷水箱，换热后的供冷水输送回3降温池水冷却系统，用于降温池的稳定工作，因此，冷冻水在装置2储冷水箱和装置3降温池间作为循环介质用于冷量的输送。

图3 冷却装置工作流程图

表1 60%乙二醇水溶液性质表[3]

表2 各端口进、出口温度位表

各端口对应温度位如表2。

3.2.2 雨水回收再利用系统

雨水回收分两部分，楼宇雨水回收系统和地面雨水回收系统。

楼宇雨水回收系统，雨水从屋顶收集后，直接进入带过滤系统的蓄水水池，用于服务区的卫生用水服务。

地面雨水回收系统，利用地势差将整个服务区的雨水汇集回收于蓄水池，因此，蓄水池将设计在整个服务区地势最低点（位置如图1，服务区的入口侧），然后通过过滤、沉降等简单环节，使其可利用。其中蓄水池与降温池在地下相互连通，形成连通器，利用浮球控制蓄水池阀门的开度，自动控制水流量，保证降温池的有效水位。该设计在节约水资源的同时，也节约了水泵的能耗。

图4 俯视示意图

图5 降温池侧视图

系统布置图2中入口侧蓄水池-降温池连通系统的放大，即图4俯视示意图和图5侧视示意图。

3.2.3 降温池水冷却系统

图6 系统功能示意图

降温池服务于重型卡车车胎和刹车片的降温，其大小设计依卡车型号而定。在此，本专利以24轮挂车为服务对象，以调研的山东某服务区的降温池为例，进行降温池的设计和相应水冷却管道的布置。

池水水位的设定原则如下：

以该服务站降温池为例，水池宽5 m，长24m，高0.8 m，重型卡车车轮直径1 m，胎厚0.3m。依据重型卡车12对双胎轮计算，轮胎一半浸没池水中，池水上升0.032 m，轮胎全部浸没池水中，池水上升0.064 m。此外，考虑重型卡车的安全水位，建议轮胎不能全部浸没，仅浸没大半轮轮胎，因此，池水水位上升控制在0.05 m左右。综上所述，考虑池高0.8 m、水位上升0.05 m和特殊天气情况，建议池水水位控制在0.55～0.6m。

3大系统确保降温池有效工作（见图6）。

表3 莱芜市气象参数1981～2010年月平均、最高最低温度

表4 轮胎的比热容[4]

4 运行方案及计算

4.1 基础数据

根据山东莱芜某高速公路服务区所在的地区气象参数（表3），以及轮胎的比热容（表4）得其夏季6、7、8月份平均温度在25℃，据数据显示，卡车高温行驶，停车测试的轮胎温度达55～60℃，故峰值月份温降为30℃；5、9月份平均温度在20℃，停车测试的轮胎温度达45～50℃，故谷值月份温降为20℃；卡车经过降温池的时间为10～20 s，轮胎内部材料来不及及时换热，但轮胎表面和刹车片降温效果明显，因此整体降温量仅有30%，轮胎内部未散失的热量需要一定的时间才能散掉。取轮胎和刹车片的整体降温系数0.3；所有降温车辆中，有24轮、22轮、20轮、16轮、14轮不等，取降温车型比例：0.7；6、7、8月份考虑天气阴雨因素，则取日平均散热量系数：0.7；5、9月份取日平均散热量系数：0.5。

根据热力学公式（1），得如下轮胎散热计算数据，考虑文章篇幅有限，并未写入，数据直接以图展示。据实际调研，得以下车流量数据（图7、图8）。

图7 夏季最高峰日降温池车流量

表5 计算数据汇总

图8 峰、谷月份日均车流量

4.2 负荷量计算

根据上述基础数据，计算前端降温池日总共散热量以及循环冷却水的质量流量。

根据热力学公式（2）（3），得如下日平均散热量和合计LNG需求量数据表5。

峰谷月份日均用冷量和冷却水日均流量见图9和图10。

图9 峰、谷月份日均用冷量

图10 峰、谷月份冷却水日均流量

图11 峰、谷月份LNG汽化量

图12 调整后的LNG汽化量

根据循环冷却水的质量流量求得LNG汽化量，并在储冷水箱的调节作用下将其24 h均匀汽化，其趋势图如图所示。根据热力学公式（4）（5），得如下峰谷月份LNG汽化量和调整后24 h汽化量数据（见图11和图12）。

4.3 节能减排

表6 节能量统计

表7 减排量统计

整体降温效果显著，水温从40℃降到25℃降温效果提升1倍；经大量数据计算，单个降温池节能减排量如表6和表7所示。

4.4 技术分析

查询焓熵图，根据㶲效率计算公式[6]。

t0为环境温度，h、S分别为对应状态下物流的焓和熵。计算得：

热物流与LNG换热利用冷能时，传热过程的冷㶲损DK为

计算得：

式中：EX,in、EX,out分别为所有输入装置和输出装置的总㶲，GLNG、GH2O分别为LNG输入装置和水输出装置的流量，e进口x,LNG、e出口x,LNG、e进口,H2O、e出口,H2O分别为LNG输入、输出装置和水输入、输出装置单位质量流量的冷㶲。

4.5 经济性分析

在不考虑制冷所需的投资、折旧费用情况下，T温度下的单位冷价计算公式为[3]：

式中：Cqt为T温度下的单位冷价；Ce为电价；Exp为制冷耗电量；Q为总制冷量。

对于电驱动压缩式制冷：

其中COP为制冷系数。

根据山东高速菏泽内某服务区的峰谷电价，我们求得加权电价为1.2元/kWh，以常规电驱动压缩式制冷方式，在制冷系数COP取3的情况下，得到同样冷量折算的单位电价为：0.4元/kWh。单个降温池年耗电量为220 872 kWh，则计算得出单个降温池年冷量收益为73 624元,以目前市场行情，降温池冷却系统管道、泵及阀门总投资约为5万元，年度收益7.3万元。以下分别计算静态投资回收期与动态投资回收期。

（1）静态投资回收期

（2）动态评价指标（投资回收期）

以5年期以上贷款利率6.8%作为计算标准，根据以下公式计算动态投资回收期m。

式中：R——等额年收益，万元；Bnpv——项目投资现值，万元；i——投资回收期内折现率；m——投资回收期，年。

对于雨水回收的经济性测算，工程造价所涉因素较为多，参考工程案例《基于案例的雨水回用系统技术经济分析》[7]的造价2.2元/m3，而服务区自来水的市场价为3元/m3，因此具有经济性[8]。

综合考虑，根据对降温池综合系统的投资期分析，静态投资回收期0.68年、动态投资回收期0.72年，远低于行业基准投资回收期水平。

5 结语

基于LNG冷能利用和雨水回收再利用的高速公路服务区降温池综合系统就地充分利用了高速公路服务区LNG的冷能，避免LNG汽化过程中释放出大量的冷能的浪费，同时结合服务区的场地优势，进行了雨水回收利用系统的设计，在此基础上进行制冷盘管的布置、降温池的设计、以及局部强化换热的优化，解决了降温池用水量大、降温效果差、运维成本高的问题，可以节约能源，降低服务区运营成本，显著提高服务区的经济效益和节能减排示范效益，效果显著。

在节能减排方面，180天节电220 872 kWh,节水10 800 m³；㶲利用率在41%，主要是由于温度品位难以对应造成；静态投资回收期在0.68年，动态回收期在0.72年，总体值得推广。

[1]吴小华,蔡磊,李庭宇,杨绪飞,宇波,中国石油大学. LNG冷能利用技术的最新进展[J]. 油气储运:1-13.

[2]孔令海,黎文锋,邓文源,童文龙. LNG接收站储罐冷却过程中蒸发气体的零排放技术[J]. 天然气工业,2017,(05):81-87.

[3]吴集迎,马益民. 利用LNG梯级冷能的冷库系统构建与载冷剂选择[J].集美大学学报(自然科学版),2012,(02):126-130

[4]柯顺魁．轮胎胶料的热物性数据库及其在轮胎温度场有限元分析系统中的应用[D]．青岛科技大学，2007.

[5]李幼德，赵子亮，王庆年等．高速滚动汽车轮胎温度场的非稳态热分析[J]．汽车工程，2002：24（1）：60-64.3

[6]熊永强,华贲. 基于LNG冷能利用的低温冷库与冷能发电系统的集成[J]. 华南理工大学学报(自然科学版),2012,(09):20-25

[7]顾蔚华. 基于案例的雨水回用系统技术经济分析[J]. 建设监理,2014,(05):41-44.

[8]孙轲,荀志远,赵琛琛. 小区雨水回收利用系统的经济效益分析[J]. 工程管理学报,2017,(03):1-4.

节能信息与动态

宝山区推进旅游饭店建筑能耗对标工作

近日，宝山区旅游局召开“上海市旅游饭店能耗对标管理系统”填报与能耗对标工作会议，要求填报单位对所填报数据负责，确保提供准确、及时、有效的能耗数据，并希望旅游饭店充分利用“对标管理系统”，及时了解自身能耗状况，发掘节能潜力。

（宝山区）

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，工学博士，研究方向为可再生能源利用、高效传热与低品位能源利用、分布式能源技术以及余热余压节能技术。

谢伟：男，在读硕士。研究方向为分布式能源技术以及余热余压节能技术。

本系统已申请发明专利，受理号为：201710285885.8