闡述蓄冷空調系統(tǒng)的運行與經濟性分析

　　【摘要】隨著中央空調越來越廣泛的應用，其耗電量也越來越大。我國電力需求的情況是，用電高峰負荷增長很快，峰谷差越來越大。城市建筑能耗呈現(xiàn)加速增長的趨勢，使得電力系統(tǒng)峰谷差急劇增加。而蓄冷空調系統(tǒng)有效地將電網峰段的負荷轉移到了谷段，起到了“削峰填谷”的作用。

　　【關鍵詞】蓄冷空調；削峰填谷；供冷負荷；運行策略；經濟性分析

　　Abstract: With the increasingly widely applied of central air-conditioning, its power consumption rises. China's demand for electricity is peak load increased rapidly and larger and larger the peak to valley difference. Urban building energy consumption is showing a trend of accelerated growth, which makes the valley to peak difference of power system a sharp increase. Cooling storage air conditioning system can effectively transferred the power peak load to the Valley segment, playing the role of the "load shifting".

　　Key words: cooling storage air conditioning; load shifting; cooling load; operation strategy; economic analysis

　　中圖分類號：TU831.3+7     文獻標識碼：A      文章編號：2095-2104（2012）

　　【正文】

　　1.蓄冷空調原理

　　蓄冷空調原理，簡單地講，就是利用夜間電網多余的谷段電力來運轉制冷機進行制冷，并通過介質將冷量儲存起來，在白天用電高峰時釋放該冷量提供空調服務，從而緩解空調使用高峰電力的矛盾。目前較成熟的蓄冷方式有三種，即水蓄冷、冰蓄冷、共晶鹽蓄冷。

　　1.1水蓄冷是利用水的顯熱來儲存冷量的一種蓄冷方式,蓄冷溫度為4～6℃,蓄冷溫差6～11℃,單位體積蓄冷容量為5.9～11.3KWh/m3。在條件許可的情況下，是一種較為經濟的儲能方式。水蓄冷系統(tǒng)簡單、投資少、技術要求低、維修方便，并可使用常規(guī)空調制冷機組蓄冷。此外，還可以利用消防水池、蓄水設施作為蓄冷容器，從而進一步降低系統(tǒng)的初投資，提高系統(tǒng)經濟性。

　　水蓄冷的主要缺點是蓄冷槽容積大，這在人口密集、土地利用率高的大城市是一個問題，是限制其使用的主要原因。

　　1.2冰蓄冷是利用冰的相變潛熱儲存冷量的一種蓄冷方式。冰的相變潛熱高達334KJ/KG，儲存同樣多的冷量，冰蓄冷的體積僅為水蓄冷的幾十分之一，減少了占用空間。冰蓄冷溫度幾乎恒定，設備也容易實現(xiàn)標準化、系列化。

　　冰蓄冷的缺點：制冷主機冷媒出口端的溫度通常低于－５℃，因此，制冷機組制冷劑的蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力顯著低于常規(guī)空調冷水機組。從而導致制冷量降低30～40％，性能系數(shù)（COP）也有所下降，此外還有蓄冷設備的散熱損失和二次換熱損失等,耗電量相應增加。并且，冰蓄冷的技術要求較高，系統(tǒng)的設計與運行控制要比常規(guī)系統(tǒng)要復雜。另外，由于冷凍水管、風管溫度較常規(guī)系統(tǒng)溫度要低，還需要增加保溫層厚度，以減少冷量損失和防止結露。

　　值得注意的是：采用冰蓄冷方式，可以制取1～3℃的低溫水供應空氣處理系統(tǒng)，使送風溫度降低為4～7℃(常規(guī)空調系統(tǒng)送風溫度為13～15℃),溫差大幅度提高。提供相同的冷量，送風空氣量比常規(guī)空調系統(tǒng)減少了40％，更有利于節(jié)省投資和運行費用，并且降低了室內濕度，提高了熱舒適性。同時，由于送風量的減少，風管橫斷面高度也相應減少，這樣就提高了房間有效高度，降低了建筑成本。因此，冰蓄冷和低溫送風技術相結合已成為空調技術研究發(fā)展的一個重要方向。

　　1.3共晶鹽蓄冷是利用固液相變蓄冷的一種方式。蓄冷介質是由無機鹽、水、成核劑和穩(wěn)定劑組成的混合物，由于選用的無機鹽不同，其特性也各不相同。目前應用較廣泛的相變溫度為5～9℃,相變潛熱為190～250KJ/KG，雖然相變潛熱小于冰的相變潛熱，但其相變溫度要高于冰的相變溫度，克服了冰蓄冷要求很低蒸發(fā)溫度的缺點。共晶鹽系統(tǒng)蓄冷槽體積比冰蓄冷槽要大，但遠小于水蓄冷系統(tǒng)。

　　目前共晶鹽蓄冷的技術還不夠完善，在實際應用中存在一些問題,主要是相變材料的長期穩(wěn)定性和蓄冷裝置的特性問題。同時，設備投資較高和熱交換性能較差，也制約了共晶鹽蓄冷的應用。

　　2.蓄冷空調的發(fā)展與現(xiàn)狀

　　蓄冷空調出現(xiàn)在20世紀30年代的美國，最初主要用于影劇院、乳品加工廠，后來由于蓄冷裝置成本高等原因，此項技術停滯了一段時間。20世紀70年代，受能源危機的影響，加之歐美工業(yè)發(fā)達國家夏季電負荷增長及峰谷差不斷加劇，以致不得不增建發(fā)電站以滿足電力需求。新建發(fā)電站雖然滿足了白天電力高峰負荷，但一到夜間發(fā)電機組又閑置下來了，更突出的問題是夜間發(fā)電站是以很低的效率運行的。為了緩解電負荷高峰，工程技術人員對蓄冷技術進行了一系列的研究與改進，同時由于政府的各項優(yōu)惠政策，蓄冷空調技術取得了很大發(fā)展。我國大陸地區(qū)蓄冷空調技術發(fā)展較晚，1994年11月，國家計委、電力工業(yè)部等部門召開會議，明確指出：在全國電網推行峰谷分時電價政策，鼓勵用戶開發(fā)低谷電力，以緩解電網高峰缺電的矛盾。隨后，電力部門實行了峰谷電價差，并推出了相應優(yōu)惠政策。在此基礎上，借鑒國外的成熟經驗技術，蓄冷空調的研究和應用在我國取得了較大進展。

　　3. 對蓄冷空調系統(tǒng)設計供冷負荷的要求

　　對蓄冷空調系統(tǒng)設計供冷負荷的要求不同于常規(guī)空調系統(tǒng)，需要考慮以下因素：

　　3.1不能忽略附加冷負荷：常規(guī)空調系統(tǒng)設計中是以設計日的最大小時負荷為基礎來確定制冷系統(tǒng)的容量，一般不計水泵及冷水管道溫升引起的附加冷負荷，因為這些附加冷負荷相對于最大小時冷負荷是可以忽略不計的；而蓄冷空調系統(tǒng)需要以設計日供冷負荷來確定系統(tǒng)的容量，因此附加冷負荷對于全日而言就不能忽略了。

　　3.2應考慮空調停止運行時建筑物積累得熱量：晚間空調停止運行后，建筑物的得熱量會在第二天空調開始運行的1～2小時內釋放出來。在常規(guī)空調系統(tǒng)中，這部分冷負荷是忽略不計的，因為它不會影響到最大小時冷負荷的確定；但蓄冷空調系統(tǒng)是以全日來考慮冷負荷的，就必須考慮這部分熱量。

　　3.3日逐時供冷負荷計算：無論是常規(guī)空調還是蓄冷空調，逐時冷負荷計算都是最基本的，而且應首先算出。常規(guī)空調根據某一時刻最大冷負荷來選擇空調設備，而蓄冷系統(tǒng)設備的確定需要以設計日負荷為依據，為使系統(tǒng)既經濟又滿足使用要求，需按逐時負荷進行校驗。計算設計逐時冷負荷的方法很多，常用的有諧波反應法、冷負荷系數(shù)法等。

　　4.蓄冷空調運行策略

　　由于共晶鹽蓄冷在國內基本處于理論研究階段，而水蓄冷技術相對較簡單，在此僅對冰蓄冷系統(tǒng)的運行策略做簡要分析。

　　所謂運行策略是指以設計循環(huán)周期的負荷特點為基礎，按電價結構等條件對系統(tǒng)制冷、釋冷、供冷。一般可歸納為全部蓄冷策略和部分蓄冷策略。全部蓄冷是利用夜間谷段電力運行制冷設備儲存足夠的冷量，在白天非谷段電力時釋放冷量承擔全部的冷負荷，此時制冷機組不運行。在此種運行策略下，制冷機組和蓄冷設備容量都較大，因此初投資較大，故一般不被采用，僅適用于白天供冷時間較短的場所或峰谷電價差極大的地區(qū)。

　　部分蓄冷是利用夜間谷段電力運行制冷設備儲存部分冷量，在白天非谷段電力時一部分負荷由蓄冷設備承擔，一部分由制冷機組承擔。相比之下，部分蓄冷比全部蓄冷的制冷機組利用率高，蓄冷設備容量小，是一種更經濟有效的運行模式，有更廣泛的適用性。部分蓄冷策略大多采用優(yōu)化控制系統(tǒng)，把有限的蓄冰量用在電價最高的時候，并在一天內把前一天夜間的制冰量用完。優(yōu)化控制系統(tǒng)根據當天的預測負荷圖來運行，即按每小時主機和融冰各自所承擔的負荷來分配冷量。盡量不開制冷主機，如果主機需要開啟，則力求使主機處于滿負荷狀態(tài)，同時以末端空調冷負荷、主機的出口溫度、主機負荷性能指標、電力峰谷時段等因素來決定各時段開啟或關閉制冷主機，使電費達到最低。部分蓄冷策略分為以下四種工作狀態(tài)運行：

　　(1)主機單制冰時段：此時段為電價谷段,制冷主機滿負荷運行制冰儲存,以備白天電價峰段時使用。同時供應少量夜間冷負荷。

　　(2)融冰+主機供冷時段:此時段內融冰和制冷主機同時供冷，在優(yōu)化控制下,盡量提高主機效率,同時節(jié)約電費。

　　(3)單融冰供冷時段:此時段為電價峰段,冷負荷完全由融冰滿足。當建筑物冷負荷降低時,可增大單融冰時段,以節(jié)約電費。

　　(4)制冷機單供冷時段:在部分負荷下,冷負荷完全可以由主機提供,以便讓冰在電價峰段時供冷。此運行狀態(tài)一般是在電價平段。

　　總之，運行策略應該是在設計循環(huán)周期負荷下，考慮制冷機組和蓄冷裝置如何最經濟運行的安排。實際運行中，按最大設計日負荷配置的部分蓄冷安排，在過渡季節(jié)往往可以轉變?yōu)槿啃罾溥\行，這就更體現(xiàn)出部分蓄冷策略的運行靈活性和經濟性。

　　5.經濟性分析

　　蓄冷空調與常規(guī)空調系統(tǒng)的經濟性差別主要體現(xiàn)在設備投資和運行費用上，限于篇幅，在此僅作定性的經濟分析。蓄冷空調的制冷主機容量約為常規(guī)空調系統(tǒng)的60～70％，相應的配電費用也有所下降，但由于增加了一套蓄冷設備，故蓄冷空調的初投資要高于常規(guī)空調系統(tǒng)。蓄冷空調的優(yōu)勢在于合理地利用了谷段電價,其運行費用要遠小于常規(guī)空調系統(tǒng)，如果能繼續(xù)增大電價峰谷差，將有更大的經濟效益。同時應當注意到，常規(guī)空調系統(tǒng)大多數(shù)情況是在低負荷狀態(tài)下運行的，而蓄冷空調系統(tǒng)大多是在滿負荷狀態(tài)下運行，制冷機組運行效率較高。相對而言，蓄冷空調制冷主機的使用壽命也要更長。

　　在確定最終方案時，往往要綜合考慮方案的經濟性、技術可行性和運行可靠性。進行經濟性分析時應該考慮資金時間價值，可以用凈現(xiàn)值、動態(tài)投資回收期等指標來衡量。由于各地電價結構、電力政策不同，同樣的項目方案在不同的地域會有不同的經濟效果。因此，評價空調系統(tǒng)的經濟性是一項多方面的綜合性工作。

　　6.結尾

　　蓄冷空調系統(tǒng)并不一定節(jié)電，而是合理地利用了利用峰谷電能，“削峰填谷”。在電力結構峰谷差距不斷加大的今天，蓄冷空調技術有效地平衡了電網峰谷負荷，緩解了電力設施建設與日益增長的用電需求矛盾，起到了良好的的社會效益和經濟效益。

　　【參考文獻】

　　1 嚴德龍、張維君.空調蓄冷應用技術.中國建筑工業(yè)出版社，1997.

　　2 方貴銀.蓄能空調技術.機械工業(yè)出版社，2006.

　　3 張永銓.我國蓄冷技術的發(fā)展.暖通空調，2010（6）.