冰蓄冷空调系统的节能分析

冰蓄冷空调系统的节能分析

摘要：随着越来越多的城市实行阶梯电价，冰蓄冷空调系统应用越来越广。本文结合实际案例，对冰蓄冷空调的节能效益作出分析。

关键词：冰蓄冷COP 效率节能

美国从1990年起，开始对蓄冷系统的优化设计、控制和计算机模拟以及节能问题进行研究。现在，蓄冷技术作为一种电力负荷的调峰手段，己较为广泛地应用于建筑物的空调和其它工业工艺用冷上。美国电力研究院(EPRI)和美国供暖制冷空调工程师协会(ASHRAE)正在进行低温送风系统的新型冷却盘管和末端高诱导比散流器的设计和应用研究，以进一步提高冰蓄冷技术的应用效率。

虽然目前冰蓄冷系统的发展前景很好，但我们应该很清楚地认识到冰蓄冷空调系统实际上是一个不节能的系统。在蓄冰空调系统中，制冷主机一定要具有两种工作工况：空调工况和制冰工况，类型一般选用活塞式、螺杆式和离心式，其性能参数及特点见表1—1。

表1—1 制冷机性能参数及特性

表1—2 制冷机制冰工况容量特性

制冷机组的制冷能力随着蒸发温度（或蒸发器出口液温度）降低而减少，随着冷凝温度（或冷凝器进水温度）降低而提高。通常制冷机组在制冰工况下的容量仅为标定容量的60%~80%。据分析，制冷剂出液温度每降低1℃，各制冷机容量减少见表1—2，而冷凝器及水温度每降低1℃，制冷量增加1%~2%。

总体上看，制冷工况下的COP比空调工况下的COP小，并且制冰工况的工作温度比空调工况低，因此具有更多的冷量损失。因此可以看出冰蓄冷空调系统并不节能。

虽然从机组的运行效率上看不到冰蓄冷的任何优点，但是从能源需求侧来看，空调蓄能技术对国家、人民、环境都有巨大的利益：

1、社会效益：

（1）转移电力高峰用电量，平衡电网峰谷差

（2）减少新建电厂投资

（3）减少环境污染，有利于生态平衡

电网的峰谷差是现代电网的一大特点，而且随着经济发展有加剧的趋势。随着我国国民经济的不断发展，城市建筑能耗呈现加速增长的趋势。据统计，国内部分大城市的高峰用电量中空调用电就占了30%以上，这样使得电力系统峰谷差急剧增加，若按尖峰用电负荷建设发电设备与供电电网，那么在低谷时段，相当一部分发电设备与输电设备不能充分发挥作用，折算到每kWh的平均供电成本也要上升；如果按平均用电负荷建设发电厂输配电网，那么在夏季尖峰用电时段，用电负荷就会超过发电与输配电设备的供电能力，电网的周波（频率）就会下滑，当降到48.5Hz以下后就不能安全用电，供电调度部门必须采取拉闸停电的办法，强制削减用电负荷。而采取了蓄冷空调之后，利用午后的富余电力制冷，尖峰时段不制冷或少制冷，即可均衡用电负荷，改善电网负载因素，有利于安全供电。

为了满足尖峰用电负荷需要，就必须根据尖峰用电负荷的大小来兴建更多的新电厂。在空调的社会普及率相当高后，如果采用与推广蓄冷空调技术，就可有效地把空调用电的约40％左右的负荷转移到低谷时段，原计划兴建的新电厂或新的发电机组就可不建或缓建，从而提高了现有发电设备与输配电网的利用率与效率，改善电力建设的投资效益。

由于推广冰蓄冷空调系统后，可以少建或缓建电厂，就可减少CO2的排放量。若少建一座300MW燃煤发电厂，一年就可向大气少排放300万kgCO2，减轻全球的温室效应。常规情况下，各类型发电厂的产生量见表1—3。

表1—3 电厂CO2排放量

蓄能系统与常规系统的比较如表1—4。

表1—4 蓄能系统与常规系统的比较

2、用户收益：

（1）减少主机装机容量和功率可达30%～50%

（2）相应减少冷却塔的装机容量和功率

（3）设备满负荷运行比例增大，可充分提高设备利用率

（4）减少一次电力投资费用，包括电贴费、变压器、配电柜等

（5）利用分时电价，可节省大量的运行费用

（6）可作为应急冷源，停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷

蓄能系统在带来巨大的社会效益的同时，也具有良好的经济效益，如推迟或减少发电装机容量，减少环境污染治理费用，减少电网调峰次数、降低发电成本等。对用户来说，实实在在的经济效益和运行管理的优点主要体现在以下方面：

首先，利用分时电价政策，可以大幅节省运行费用。就象炒股票一样，蓄能系统的用电策略也是“高抛低吸”，即在电价高时少用或不用电，把蓄存的能量释放出来使用，而在电价低时多用电，把制得的冷或热量储存起来。一般情况下，峰谷时段的电价比可达3:1或4:1，因此每年节省的运行电费是相当可观的。

其次，可以减少制冷主机装机容量和功率达30~50%，相应地减少冷却塔和水泵等的装机容量和功率。由于在空调负荷高峰时，可以依靠融冰来供冷，因此主机的装机制冷容量可以减少，而不必象常规空调系统那样按高峰负荷配备设备。相应地，设备满负荷运行比例增大，可充分提高设备利用率，而且设备运行效率也较高。如果采用冰蓄冷与低温大温差供冷送风相结合的技术，在初投资费用方面，既可减少空气处理设备、输配设备的大小，输送管网的粗细，还可减少机房管井的占用面积，压低建筑层高，从而不但可节省空调的一次投资费，而且还可降低建筑造价；在运行费用方面，由于风机、水泵的输配功率大幅度降低，不但可补偿制冰蓄冷时所多耗的电能，而且还可提高制冷空调系统的整体能效。

第三，减少一次电力初投资费用。由于制冷系统设备装机功率下降，电贴费、变压器和高低压配电柜等费用均可减少。另外，由于电力系统的优惠政策，蓄能系统可以争取到电贴费减免的额外优惠。

第四，由于采用了低温大温差供冷送风，使空调处理与输送过程均在较低温度下进行，有利于抑止细菌、病菌的繁殖，降低室内湿度，从而可进一步改善室内空气品质与热舒适水平。

另外，蓄冷系统可作为应急冷源，停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷；蓄热系统减少了粉尘烟尘的污染，减少或免除了消防措施等。因此，蓄能系统在运行管理上具有更大的灵活性和更广的适应性。

以某地建筑面积22000m2的办公大楼为例，夏天设计日空调的尖峰负荷2616kW，空调使用时间为8:00~18:00，年使用时间为135天，冰蓄冷空调与常规电制冷空调系统的经济性分析如表1—5所示。

表1—5 冰蓄冷空调系统与常规电制冷空调系统经济分析

由于采用蓄冷空调提高了空调制冷系统的整体效率，减少了钢材与有色金属消耗，提高了现有发电设备与供电电网的利用率，有利于提高全社会的能源利用系数，可更合理经济地开发与使用我国的能源资源。

可以看出，冰蓄冷空调系统比常规电制冷空调系统初投资增加16%，而年运行费用减少38%，初投资增加费用的投资回收周期约为3年。因此，冰蓄冷空调系统具有良好的推广意义。

参考文献：

[1] 华泽钊蓄冷技术及其在空调工程中的应用. 科学出版社, 1997

[2] 吴喜平. 蓄冷技术和蓄热电锅炉在空调中的应用. 同济大学出版社, 2000