冰蓄冷空调系统在不同蓄冷比例下的经济性分析

冰蓄冷空调系统在不同蓄冷比例下的经济性分析

李婷1王祯2

（1.清华大学建筑节能研究中心北京海淀区100084；2.新奥泛能网络科技有限公司北京大兴区100176）

摘要：冰蓄冷空调系统具有“削峰填谷”、低温供冷等特点，对于峰谷电价差较大、需要区域供冷的项目有良好的适应性。在进行冰蓄冷空调系统设计过程中，合理选择蓄冷比例，平衡项目初投资、机房面积与运行费用之间的关系，是保证项目具有良好经济性的重要基础。本文以中山市某区域集中供冷项目为例，根据全年逐时冷负荷分布特点，从投资收益的角度，以项目内部收益率为指标，比较不同蓄冷比例的经济性。结果表明，在目前中山市峰谷电价政策下，蓄冰比例在25%~30%范围内的冰蓄冷系统方案经济性最好，当蓄冰比例大于30%时，削峰作用已不再明显，而初投资继续增大，经济性明显下降。

关键词：冰蓄冷空调；蓄冷比例；区域集中供冷；内部收益率

1引言

随着我国经济的快速发展，我国建筑业规模不断扩大，建筑能耗逐年增长，能源紧缺、电力紧张等问题也愈发严峻。一方面，我国的电力供给难以满足峰值用电需求，另一方面，电力负荷却在用电低谷时段增速放缓，甚至下降，电网峰谷差日趋加大，甚至已高达25%～30%。当能源的生产与使用不能完全匹配时，就产生了空间转移和时间转移的需求，即能源输配和能源存储。

在空调系统中，冷热负荷出现的高峰往往和电力需求的高峰重叠，导致电力系统峰谷负荷差加大，装机容量上升，负荷率偏低等问题。采用冰蓄冷空调系统，可以在电力负荷低的夜间制取冷量，将冷量储存起来，在白天高峰期使用，从而可以有效地实现合理用电，缓解电力负荷峰谷差的现象。此外，由于冰蓄冷空调系统能够提供更低的出水温度，还可以满足区域集中供冷大温差供回水的需求。因此，对于执行分时电价，且峰谷电价差较大的地区，采用集中区域供冷的冰蓄冷空调系统具有较大的经济优势。

然而，虽然冰蓄冷空调系统具有“削峰填谷”的优点，但由于它的初投资比常规空调系统更大，且占地面积也比较大，因此需要根据项目实际情况，从经济运行角度对其系统选型进行分析。本项目以中山市某园区内的区域能源站为例，结合该能源站服务范围内的全年逐时负荷曲线，比较不同蓄冷比例工况下的项目初投资及全年运行费用，并从投资收益的角度，以15年的内部收益率为指标，评价不同蓄冷比例的冰蓄冷空调系统的经济性。

2冰蓄冷空调系统经济性影响因素

2.1电价政策

对于冰蓄冷空调系统，峰谷电价是影响系统运行费用的主要因素之一，峰谷电价差越大，低谷时段蓄冷、高峰时段释冷的经济性越高。中山市商业用电的分时电价，电力高峰时段共6小时，低谷时段共8小时，峰谷电价比为6.6，具有较好的电价政策优势。

2.2蓄冷比例

冰蓄冷空调系统通常是按一个蓄冷-释冷周期（通常以24h为一个周期）内的冷负荷量来计量，单位采用kW•h或RT•h，蓄冷比例为系统在一个周期内的最大蓄冷量与空调冷负荷总量的比值，它的高低直接影响制冷机组和蓄冷装置的装机容量的大小，进而影响系统在低谷时段可节省的电费、设备初投资以及机房面积，因此，在选择蓄冷比例时，应综合考虑以上三个因素的影响。

3案例分析

3.1项目概况

本项目位于广东省中山市某新建园区，为一区域集中供冷能源站，主要服务对象为四栋高层商务写字楼，总建筑面积为352569m2，其中地上建筑面积为258555m2，地下为94014m2。

3.2负荷计算

本项目采用DeST能耗模拟计算平台，计算全年逐时冷负荷，结果如图1所示。可见，冷负荷与用电高峰时段基本重合，夜间谷电时段几乎无空调冷负荷，从全年来看，由于项目位于夏热冬暖地区，峰值冷负荷较高，为27897kW，且全年供冷时间较长，需供冷时间主要集中在4月到10月。

图1全年及典型日逐时空调冷负荷

3.3系统方案和运行方式

由于本项目为区域集中供冷，宜采用大温差冷冻水供冷，因此冰蓄冷空调系统采用“制冷机上游”的串联系统，运行方式采用蓄冷装置优先运行方式，在夜间开启双工况冷机制冰，用电高峰时段优先使用蓄冷装置供冷，不开或者少开制冷主机，保证前晚的蓄冰在次日能够得到全部利用，从而能够最大限度地减少系统的运行费用，并降低蓄冷系统的初投资。

为了对不同蓄冷比例的冰蓄冷空调系统经济性进行分析，结合以上冰蓄冷模式，本项目将对蓄冷比例在10%~35%区间的10个方案进行比较。

3.4经济性分析

3.4.1初投资比较

表1不同蓄冰比例系统初投资

冰蓄冷系统初投资与冷机容量、蓄冰容量直接相关，其中，随着蓄冷比例的增大，蓄冰容量也随之增大，而双工况冷机需同时满足夜间制冰和白天除蓄冷装置供冷之外的冷负荷，因此冷机容量取两者的较大值，此外，机房面积及其他辅助设备也随着设备容量的大小有所变化。表1为10%~35%蓄冰比例下的主要设备容量、机房面积及对应的初投资。

3.4.2全年运行费用

根据本项目冰蓄冷空调系统的运行方式，系统供冷形式分为制冷机组直接供冷和融冰供冷两种，由于中山市采用分时电价，全年运行费用与上述两种供冷形式在峰段、平段的供冷量以及谷段的蓄冷量相关。以蓄冷比例为20%的方案为例，图2为两种供冷形式的逐日供冷量。

图2两种供冷形式在不同时段的供冷量（20%蓄冷比例）

按照谷段冰蓄冷装置完全蓄冷，计算得到峰段、平段、谷段的逐时电耗及对应的用电费用。

图3全年逐日电耗及电费（20%蓄冷比例）

不同蓄冰比例的全年运行费用如表2，可见，随着蓄冰比例的增加，全年运行费用逐渐减少，当蓄冰比例达到一定程度时，其减少趋势减缓，节省费用的优势不再明显。

表2不同蓄冰比例全年能耗及能源费用

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3.4.3内部收益率测算

根据项目初投资及全年运行费用，并按照中山市市场价格收取接口费及售冷费用，计算得到各蓄冰比例方案的15年内部收益率，如图4所示。其中售冷费用为8元/(m2•月)，接口费为50元/m2。

可见，随着蓄冰比例的增加，削峰作用增大，内部收益率也随之增大；当蓄冰比例达到25%~30%范围内时，蓄冰减少的能源费用与增加的初投资达到平衡，其内部收益率变化不大，约在10%左右；当蓄冰比例大于30%时，由于削峰作用已不再明显，而初投资继续增大，内部收益率出现拐点并快速下降。可见，蓄冰比例为25%~30%的冰蓄冷系统方案经济性较好。

图4不同蓄冷比例经济性比较

4结论

（1）冰蓄冷空调系统的经济性主要与系统初投资和运行费用相关，其中系统初投资随蓄冷比例的增加而增大，运行费用随蓄冷比例的增加而减少；

（2）冰蓄冷空调系统主要的经济优势在于利用低谷电价蓄冷，在高峰时段释冷，利用较大的峰谷电价差节省运行费用。由于高峰时段的冷负荷总量一定，因此运行费用并不随着蓄冷比例的增加而线性减少，当蓄冷比例较大时，运行费用的变化已趋于平缓。

（3）对于本项目，在目前中山市峰谷电价政策及市场售冷价格情况下，蓄冰比例在25%~30%范围内的冰蓄冷系统方案经济性最好，当蓄冰比例大于30%时，削峰作用已不再明显，而初投资继续增大，经济性明显下降。

参考文献：

[1]陆耀庆，实用供热空调设计手册（下册）（第二版）[M]，北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]清华大学建筑节能研究中心，中国建筑节能年度发展研究报告2014[M]，北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]华泽钊、刘道平、邬兆琳等，蓄冷技术及其在空调中的应用[M]，北京：科学出版社，1997.

[4]牛庆照、李继领、王光芹，冰蓄冷空调不同蓄冷比例时经济性分析比较[J]，建筑热能通风空调，2013，32（1）：63-65

[5]张文奏、王飞、郑惠明，冰蓄冷空调的投资回收期及能耗分析[J]，山西能源与节能，2009，（1）：65-68