隨著中央空調(diào)越來越廣泛的應(yīng)用，蓄冷空調(diào)耗電量也越來越大，我國電力供求本來就存在不平衡的現(xiàn)象。本文主要研究蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運行與經(jīng)濟性分析。

　　《制冷空調(diào)與電力機械》由國家電力公司主辦，同濟大學(xué)熱能利用及空調(diào)制冷研究所，浙江大學(xué)制冷與低溫工程研究所、武漢大學(xué)動力與機械工程學(xué)院協(xié)辦。本刊聘請了清華大學(xué)、同濟大學(xué)、上海交通大學(xué)、武漢大學(xué)、浙江大學(xué)等著名院校的專家、學(xué)者和北京、上海等地著名設(shè)計院所的資深科技人員組成了高水平的學(xué)術(shù)編審委員會。

　　1.蓄冷空調(diào)的發(fā)展與現(xiàn)狀

　　蓄冷空調(diào)出現(xiàn)在20世紀(jì)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(shù)停滯了一段時間。20世紀(jì)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(fù)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(fù)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(fù)荷高峰，工程技術(shù)人員對蓄冷技術(shù)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(diào)技術(shù)取得了很大發(fā)展。我國大陸地區(qū)蓄冷空調(diào)技術(shù)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(wǎng)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(wǎng)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(yīng)優(yōu)惠政策。在此基礎(chǔ)上，借鑒國外的成熟經(jīng)驗技術(shù)，蓄冷空調(diào)的研究和應(yīng)用在我國取得了較大進展。

　　2.蓄冷空調(diào)原理

　　蓄冷空調(diào)原理，簡單地講，就是利用夜間電網(wǎng)多余的谷段電力來運轉(zhuǎn)制冷機進行制冷，并通過介質(zhì)將冷量儲存起來，在白天用電高峰時釋放該冷量提供空調(diào)服務(wù)，從而緩解空調(diào)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。

　　2.1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(jīng)濟的儲能方式。水蓄冷系統(tǒng)簡單、投資少、技術(shù)要求低、維修方便，并可使用常規(guī)空調(diào)制冷機組蓄冷。此外，還可以利用消防水池、蓄水設(shè)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(jīng)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。

　　2.2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(shè)備也容易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(diào)冷水機組。從而導(dǎo)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(shè)備的散熱損失和二次換熱損失等,耗電量相應(yīng)增加。并且，冰蓄冷的技術(shù)要求較高，系統(tǒng)的設(shè)計與運行控制要比常規(guī)系統(tǒng)要復(fù)雜。另外，由于冷凍水管、風(fēng)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(jié)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(yīng)空氣處理系統(tǒng)，使送風(fēng)溫度降低為4～7℃(常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度為13～15℃),溫差大幅度提高。提供相同的冷量，送風(fēng)空氣量比常規(guī)空調(diào)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(nèi)濕度，提高了熱舒適性。同時，由于送風(fēng)量的減少，風(fēng)管橫斷面高度也相應(yīng)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(fēng)技術(shù)相結(jié)合已成為空調(diào)技術(shù)研究發(fā)展的一個重要方向。

　　2.3共晶鹽蓄冷是利用固液相變蓄冷的一種方式。蓄冷介質(zhì)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(yīng)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(shù)還不夠完善，在實際應(yīng)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(shè)備投資較高和熱交換性能較差，也制約了共晶鹽蓄冷的應(yīng)用。

　　3. 對蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計供冷負(fù)荷的要求

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

　　3.1不能忽略附加冷負(fù)荷：常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中是以設(shè)計日的最大小時負(fù)荷為基礎(chǔ)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(fù)荷，因為這些附加冷負(fù)荷相對于最大小時冷負(fù)荷是可以忽略不計的;而蓄冷空調(diào)系統(tǒng)需要以設(shè)計日供冷負(fù)荷來確定系統(tǒng)的容量，因此附加冷負(fù)荷對于全日而言就不能忽略了。

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

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

　　4.蓄冷空調(diào)運行策略

　　由于共晶鹽蓄冷在國內(nèi)基本處于理論研究階段，而水蓄冷技術(shù)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(shè)計循環(huán)周期的負(fù)荷特點為基礎(chǔ)，按電價結(jié)構(gòu)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(shè)備儲存足夠的冷量，在白天非谷段電力時釋放冷量承擔(dān)全部的冷負(fù)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(shè)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(shè)備儲存部分冷量，在白天非谷段電力時一部分負(fù)荷由蓄冷設(shè)備承擔(dān)，一部分由制冷機組承擔(dān)。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(shè)備容量小，是一種更經(jīng)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(nèi)把前一天夜間的制冰量用完。優(yōu)化控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)天的預(yù)測負(fù)荷圖來運行，即按每小時主機和融冰各自所承擔(dān)的負(fù)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(fù)荷狀態(tài)，同時以末端空調(diào)冷負(fù)荷、主機的出口溫度、主機負(fù)荷性能指標(biāo)、電力峰谷時段等因素來決定各時段開啟或關(guān)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(fù)荷運行制冰儲存,以備白天電價峰段時使用。同時供應(yīng)少量夜間冷負(fù)荷。

　　(2)融冰+主機供冷時段:此時段內(nèi)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(fù)荷完全由融冰滿足。當(dāng)建筑物冷負(fù)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(fù)荷下,冷負(fù)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(yīng)該是在設(shè)計循環(huán)周期負(fù)荷下，考慮制冷機組和蓄冷裝置如何最經(jīng)濟運行的安排。實際運行中，按最大設(shè)計日負(fù)荷配置的部分蓄冷安排，在過渡季節(jié)往往可以轉(zhuǎn)變?yōu)槿�量蓄冷運行，這就更體現(xiàn)出部分蓄冷策略的運行靈活性和經(jīng)濟性。

　　5.經(jīng)濟性分析

　　蓄冷空調(diào)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性差別主要體現(xiàn)在設(shè)備投資和運行費用上，限于篇幅，在此僅作定性的經(jīng)濟分析。蓄冷空調(diào)的制冷主機容量約為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的60～70%，相應(yīng)的配電費用也有所下降，但由于增加了一套蓄冷設(shè)備，故蓄冷空調(diào)的初投資要高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。蓄冷空調(diào)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(diào)系統(tǒng)，如果能繼續(xù)增大電價峰谷差，將有更大的經(jīng)濟效益。同時應(yīng)當(dāng)注意到，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)大多數(shù)情況是在低負(fù)荷狀態(tài)下運行的，而蓄冷空調(diào)系統(tǒng)大多是在滿負(fù)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(diào)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(jīng)濟性、技術(shù)可行性和運行可靠性。進行經(jīng)濟性分析時應(yīng)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(biāo)來衡量。由于各地電價結(jié)構(gòu)、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(jīng)濟效果。因此，評價空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性是一項多方面的綜合性工作。

　　6.結(jié)尾

　　蓄冷空調(diào)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(jié)構(gòu)峰谷差距不斷加大的今天，蓄冷空調(diào)技術(shù)有效地平衡了電網(wǎng)峰谷負(fù)荷，緩解了電力設(shè)施建設(shè)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(jīng)濟效益。

　　【參考文獻】

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