阐述蓄冷空调系统的运行与经济性分析

　　【摘要】随着中央空调越来越广泛的应用，其耗电量也越来越大。我国电力需求的情况是，用电高峰负荷增长很快，峰谷差越来越大。城市建筑能耗呈现加速增长的趋势，使得电力系统峰谷差急剧增加。而蓄冷空调系统有效地将电网峰段的负荷转移到了谷段，起到了“削峰填谷”的作用。

　　【关键词】蓄冷空调；削峰填谷；供冷负荷；运行策略；经济性分析

　　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

　　中图分类号：TU831.3+7     文献标识码：A      文章编号：2095-2104（2012）

　　【正文】

　　1.蓄冷空调原理

　　蓄冷空调原理，简单地讲，就是利用夜间电网多余的谷段电力来运转制冷机进行制冷，并通过介质将冷量储存起来，在白天用电高峰时释放该冷量提供空调服务，从而缓解空调使用高峰电力的矛盾。目前较成熟的蓄冷方式有三种，即水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷。

　　1.1水蓄冷是利用水的显热来储存冷量的一种蓄冷方式,蓄冷温度为4～6℃,蓄冷温差6～11℃,单位体积蓄冷容量为5.9～11.3KWh/m3。在条件许可的情况下，是一种较为经济的储能方式。水蓄冷系统简单、投资少、技术要求低、维修方便，并可使用常规空调制冷机组蓄冷。此外，还可以利用消防水池、蓄水设施作为蓄冷容器，从而进一步降低系统的初投资，提高系统经济性。

　　水蓄冷的主要缺点是蓄冷槽容积大，这在人口密集、土地利用率高的大城市是一个问题，是限制其使用的主要原因。

　　1.2冰蓄冷是利用冰的相变潜热储存冷量的一种蓄冷方式。冰的相变潜热高达334KJ/KG，储存同样多的冷量，冰蓄冷的体积仅为水蓄冷的几十分之一，减少了占用空间。冰蓄冷温度几乎恒定，设备也容易实现标准化、系列化。

　　冰蓄冷的缺点：制冷主机冷媒出口端的温度通常低于－５℃，因此，制冷机组制冷剂的蒸发温度、蒸发压力显著低于常规空调冷水机组。从而导致制冷量降低30～40％，性能系数（COP）也有所下降，此外还有蓄冷设备的散热损失和二次换热损失等,耗电量相应增加。并且，冰蓄冷的技术要求较高，系统的设计与运行控制要比常规系统要复杂。另外，由于冷冻水管、风管温度较常规系统温度要低，还需要增加保温层厚度，以减少冷量损失和防止结露。

　　值得注意的是：采用冰蓄冷方式，可以制取1～3℃的低温水供应空气处理系统，使送风温度降低为4～7℃(常规空调系统送风温度为13～15℃),温差大幅度提高。提供相同的冷量，送风空气量比常规空调系统减少了40％，更有利于节省投资和运行费用，并且降低了室内湿度，提高了热舒适性。同时，由于送风量的减少，风管横断面高度也相应减少，这样就提高了房间有效高度，降低了建筑成本。因此，冰蓄冷和低温送风技术相结合已成为空调技术研究发展的一个重要方向。

　　1.3共晶盐蓄冷是利用固液相变蓄冷的一种方式。蓄冷介质是由无机盐、水、成核剂和稳定剂组成的混合物，由于选用的无机盐不同，其特性也各不相同。目前应用较广泛的相变温度为5～9℃,相变潜热为190～250KJ/KG，虽然相变潜热小于冰的相变潜热，但其相变温度要高于冰的相变温度，克服了冰蓄冷要求很低蒸发温度的缺点。共晶盐系统蓄冷槽体积比冰蓄冷槽要大，但远小于水蓄冷系统。

　　目前共晶盐蓄冷的技术还不够完善，在实际应用中存在一些问题,主要是相变材料的长期稳定性和蓄冷装置的特性问题。同时，设备投资较高和热交换性能较差，也制约了共晶盐蓄冷的应用。

　　2.蓄冷空调的发展与现状

　　蓄冷空调出现在20世纪30年代的美国，最初主要用于影剧院、乳品加工厂，后来由于蓄冷装置成本高等原因，此项技术停滞了一段时间。20世纪70年代，受能源危机的影响，加之欧美工业发达国家夏季电负荷增长及峰谷差不断加剧，以致不得不增建发电站以满足电力需求。新建发电站虽然满足了白天电力高峰负荷，但一到夜间发电机组又闲置下来了，更突出的问题是夜间发电站是以很低的效率运行的。为了缓解电负荷高峰，工程技术人员对蓄冷技术进行了一系列的研究与改进，同时由于政府的各项优惠政策，蓄冷空调技术取得了很大发展。我国大陆地区蓄冷空调技术发展较晚，1994年11月，国家计委、电力工业部等部门召开会议，明确指出：在全国电网推行峰谷分时电价政策，鼓励用户开发低谷电力，以缓解电网高峰缺电的矛盾。随后，电力部门实行了峰谷电价差，并推出了相应优惠政策。在此基础上，借鉴国外的成熟经验技术，蓄冷空调的研究和应用在我国取得了较大进展。

　　3. 对蓄冷空调系统设计供冷负荷的要求

　　对蓄冷空调系统设计供冷负荷的要求不同于常规空调系统，需要考虑以下因素：

　　3.1不能忽略附加冷负荷：常规空调系统设计中是以设计日的最大小时负荷为基础来确定制冷系统的容量，一般不计水泵及冷水管道温升引起的附加冷负荷，因为这些附加冷负荷相对于最大小时冷负荷是可以忽略不计的；而蓄冷空调系统需要以设计日供冷负荷来确定系统的容量，因此附加冷负荷对于全日而言就不能忽略了。

　　3.2应考虑空调停止运行时建筑物积累得热量：晚间空调停止运行后，建筑物的得热量会在第二天空调开始运行的1～2小时内释放出来。在常规空调系统中，这部分冷负荷是忽略不计的，因为它不会影响到最大小时冷负荷的确定；但蓄冷空调系统是以全日来考虑冷负荷的，就必须考虑这部分热量。

　　3.3日逐时供冷负荷计算：无论是常规空调还是蓄冷空调，逐时冷负荷计算都是最基本的，而且应首先算出。常规空调根据某一时刻最大冷负荷来选择空调设备，而蓄冷系统设备的确定需要以设计日负荷为依据，为使系统既经济又满足使用要求，需按逐时负荷进行校验。计算设计逐时冷负荷的方法很多，常用的有谐波反应法、冷负荷系数法等。

　　4.蓄冷空调运行策略

　　由于共晶盐蓄冷在国内基本处于理论研究阶段，而水蓄冷技术相对较简单，在此仅对冰蓄冷系统的运行策略做简要分析。

　　所谓运行策略是指以设计循环周期的负荷特点为基础，按电价结构等条件对系统制冷、释冷、供冷。一般可归纳为全部蓄冷策略和部分蓄冷策略。全部蓄冷是利用夜间谷段电力运行制冷设备储存足够的冷量，在白天非谷段电力时释放冷量承担全部的冷负荷，此时制冷机组不运行。在此种运行策略下，制冷机组和蓄冷设备容量都较大，因此初投资较大，故一般不被采用，仅适用于白天供冷时间较短的场所或峰谷电价差极大的地区。

　　部分蓄冷是利用夜间谷段电力运行制冷设备储存部分冷量，在白天非谷段电力时一部分负荷由蓄冷设备承担，一部分由制冷机组承担。相比之下，部分蓄冷比全部蓄冷的制冷机组利用率高，蓄冷设备容量小，是一种更经济有效的运行模式，有更广泛的适用性。部分蓄冷策略大多采用优化控制系统，把有限的蓄冰量用在电价最高的时候，并在一天内把前一天夜间的制冰量用完。优化控制系统根据当天的预测负荷图来运行，即按每小时主机和融冰各自所承担的负荷来分配冷量。尽量不开制冷主机，如果主机需要开启，则力求使主机处于满负荷状态，同时以末端空调冷负荷、主机的出口温度、主机负荷性能指标、电力峰谷时段等因素来决定各时段开启或关闭制冷主机，使电费达到最低。部分蓄冷策略分为以下四种工作状态运行：

　　(1)主机单制冰时段：此时段为电价谷段,制冷主机满负荷运行制冰储存,以备白天电价峰段时使用。同时供应少量夜间冷负荷。

　　(2)融冰+主机供冷时段:此时段内融冰和制冷主机同时供冷，在优化控制下,尽量提高主机效率,同时节约电费。

　　(3)单融冰供冷时段:此时段为电价峰段,冷负荷完全由融冰满足。当建筑物冷负荷降低时,可增大单融冰时段,以节约电费。

　　(4)制冷机单供冷时段:在部分负荷下,冷负荷完全可以由主机提供,以便让冰在电价峰段时供冷。此运行状态一般是在电价平段。

　　总之，运行策略应该是在设计循环周期负荷下，考虑制冷机组和蓄冷装置如何最经济运行的安排。实际运行中，按最大设计日负荷配置的部分蓄冷安排，在过渡季节往往可以转变为全量蓄冷运行，这就更体现出部分蓄冷策略的运行灵活性和经济性。

　　5.经济性分析

　　蓄冷空调与常规空调系统的经济性差别主要体现在设备投资和运行费用上，限于篇幅，在此仅作定性的经济分析。蓄冷空调的制冷主机容量约为常规空调系统的60～70％，相应的配电费用也有所下降，但由于增加了一套蓄冷设备，故蓄冷空调的初投资要高于常规空调系统。蓄冷空调的优势在于合理地利用了谷段电价,其运行费用要远小于常规空调系统，如果能继续增大电价峰谷差，将有更大的经济效益。同时应当注意到，常规空调系统大多数情况是在低负荷状态下运行的，而蓄冷空调系统大多是在满负荷状态下运行，制冷机组运行效率较高。相对而言，蓄冷空调制冷主机的使用寿命也要更长。

　　在确定最终方案时，往往要综合考虑方案的经济性、技术可行性和运行可靠性。进行经济性分析时应该考虑资金时间价值，可以用净现值、动态投资回收期等指标来衡量。由于各地电价结构、电力政策不同，同样的项目方案在不同的地域会有不同的经济效果。因此，评价空调系统的经济性是一项多方面的综合性工作。

　　6.结尾

　　蓄冷空调系统并不一定节电，而是合理地利用了利用峰谷电能，“削峰填谷”。在电力结构峰谷差距不断加大的今天，蓄冷空调技术有效地平衡了电网峰谷负荷，缓解了电力设施建设与日益增长的用电需求矛盾，起到了良好的的社会效益和经济效益。

　　【参考文献】

　　1 严德龙、张维君.空调蓄冷应用技术.中国建筑工业出版社，1997.

　　2 方贵银.蓄能空调技术.机械工业出版社，2006.

　　3 张永铨.我国蓄冷技术的发展.暖通空调，2010（6）.