闡述蓄冷空調系統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。城市建筑能耗呈現加速增長的趨勢，使得電力系統峰谷差急劇增加。而蓄冷空調系統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。水蓄冷系統簡單、投資少、技術要求低、維修方便，并可使用常規空調制冷機組蓄冷。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的初投資，提高系統經濟性。

　　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溫度、蒸發壓力顯著低于常規空調冷水機組。從而導致制冷量降低30～40％，性能系數（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，系統的設計與運行控制要比常規系統要復雜。另外，由于冷凍水管、風管溫度較常規系統溫度要低，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，使送風溫度降低為4～7℃(常規空調系統送風溫度為13～15℃),溫差大幅度提高。提供相同的冷量，送風空氣量比常規空調系統減少了40％，更有利于節省投資和運行費用，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溫度的缺點。共晶鹽系統蓄冷槽體積比冰蓄冷槽要大，但遠小于水蓄冷系統。

　　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.蓄冷空調的發展與現狀

　　蓄冷空調出現在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，加之歐美工業發達國家夏季電負荷增長及峰谷差不斷加劇，以致不得不增建發電站以滿足電力需求。新建發電站雖然滿足了白天電力高峰負荷，但一到夜間發電機組又閑置下來了，更突出的問題是夜間發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惠政策，蓄冷空調技術取得了很大發展。我國大陸地區蓄冷空調技術發展較晚，1994年11月，國家計委、電力工業部等部門召開會議，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. 對蓄冷空調系統設計供冷負荷的要求

　　對蓄冷空調系統設計供冷負荷的要求不同于常規空調系統，需要考慮以下因素：

　　3.1不能忽略附加冷負荷：常規空調系統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；而蓄冷空調系統需要以設計日供冷負荷來確定系統的容量，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。在常規空調系統中，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，而蓄冷系統設備的確定需要以設計日負荷為依據，為使系統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的運行策略做簡要分析。

　　所謂運行策略是指以設計循環周期的負荷特點為基礎，按電價結構等條件對系統制冷、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。

　　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化控制系統，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。優化控制系統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，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，在優化控制下,盡量提高主機效率,同時節約電費。

　　(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。此運行狀態一般是在電價平段。

　　總之，運行策略應該是在設計循環周期負荷下，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，在過渡季節往往可以轉變為全量蓄冷運行，這就更體現出部分蓄冷策略的運行靈活性和經濟性。

　　5.經濟性分析

　　蓄冷空調與常規空調系統的經濟性差別主要體現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空調系統的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空調系統。蓄冷空調的優勢在于合理地利用了谷段電價,其運行費用要遠小于常規空調系統，如果能繼續增大電價峰谷差，將有更大的經濟效益。同時應當注意到，常規空調系統大多數情況是在低負荷狀態下運行的，而蓄冷空調系統大多是在滿負荷狀態下運行，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，可以用凈現值、動態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

　　蓄冷空調系統并不一定節電，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.中國建筑工業出版社，1997.

　　2 方貴銀.蓄能空調技術.機械工業出版社，2006.

　　3 張永銓.我國蓄冷技術的發展.暖通空調，2010（6）.