东北地区天然冰蓄冷空调系统节能技术应用研究

1、文章编号：CAR003东北地区天然冰蓄冷空调系统节能技术应用研究李杰 季阿敏 张广宇（哈尔滨商业大学 土木与制冷工程学院，哈尔滨 150028）摘 要 从初投资和系统总耗能量角度，对利用天然冰蓄冷空调系统与冰蓄冷空调系统、常规空调系统进行经济比较；对不同电价政策下的冰蓄冷空调系统的年运行费用和投资回收期进行比较，进一步推出系统总能耗的差别及采用天然冰蓄冷具有良好的节能效益。关键词 天然冰 节能 冰蓄冷空调系统APPLICATION AND RESEARCH SAVING ENERGY TECHNOLOGY OFNATURAL ICE STORAGE AIR-CONDITIONING SYSTE

2、M INNORTHEAST AREA IN CHINALi Jie Ji A-min(School of Construction and Refrigeration, Harbin University of Commerce, Harbin150028,ChinaAbstract From the view point of initial investment and the total energy consumption, compares the natural ice-storage air-conditioning system with the ice-storage air

3、-conditioning system and the conventional air-conditioning system; Compares the annual operation cost and payback period of the ice-storage system under different electricity price, deduces the total energy consumption difference and natural ice-conditioning can bring a good saving energy result.Key

4、words natural ice saving energy ice-storage air-conditioning system1 前言 东北地区作为丰富的资源、能源地区，同时也是资源、能源大消耗地区， 节能减排的任务非常繁重。重视加大节能减排工作、建设节能性空调等探索循环经济之路，建设资源节约型社会。而随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生活和工作环境提出了更高的要求。空调的应用已越来越广泛，它一方面改善和提高人们工作和居住环境的质量，另一方面以电为主要驱动形式的民用住宅空调系统已经成为不可忽视的耗能大户,它们的大量使用大大增加了我国的电力负荷，据统计，国内部分大城市的高峰用电量

5、中空调用电就占了30%以上1，2。由于空调耗电主要集中在夏季温度较高的时间区间内，夜间需求则相对降低，从而造成用电高峰与低谷间的负荷差大，近几年全国主要电网的峰谷负荷已达25%30%。逐年增加的峰谷差给电站的调峰运行带来了困难，白天电力高峰不足，夜间低谷电力过剩，无处配送，电站不得不在低负荷下低效率运行，使得电网平均负荷率低。为了缓解这一矛盾，发展冰蓄冷空调成了现代空调发展的一个重要方向。蓄冷空调系统可以使制冷机容量减少，且经常在满负荷高效率下工作。它利用夜间廉价电，均衡电网负荷，是符合我国国情的。但是在户式蓄冷空调系统应用中，节能效果和经济性是制约其发展的关键因素。所谓冰蓄冷空调系统，就是在

6、电力负荷很低的夜间用电低谷期，才用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式贮存起来。在电力负荷较高的白天，也就是用电高峰期，把贮存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷的要求。同时，在空调负荷较小的季节，减少电制冷机的开启，尽量熔冰释冷，满足空调负荷。由此可见，蓄冰空调系统是“转移用电负荷“或“平衡用电负荷“的有效方法。可以减少新建电厂投资，提高现有发电设备和输变电设备的使用率，同时可以减少能源使用（特别是对于火力发电）引起的环境污染，充分利用有限的不可再生资源，有利于生态平衡，具有巨大的社会效益。但是冰蓄冷空调技术能否得以推广应用的关键在于它的经济效益是否可行，冰蓄冷空调的经济效益包括社会经济效益和用户

7、经济效益两部分，它通过转移电力负荷，减少电力建设投资等宏观社会经济效益对国家的全局而言是显而易见的。值得注意的是，从纯技术角度看，冰蓄冷空调并不是一项节能技术。一是冰蓄冷空调机组在夜间制冰时，设备性能要降低，蒸发温度每降低1，耗电约增加1.5%3.0%；二是蓄冷设备处于低温，存在冷量损失；从而造成夜间蓄冷过程中制冷机运行的性能系数（COP ）仅是白天的60%70%3。而我国东北地区在北纬450以上，每年至少有5-6个月平均气温在0或0以下的地区，有些地区最低气温能够达到-30以下。年积冰雪日数在120-140天，最大冰层厚度达1.27米4。利用东北地区的气候特点（四季分明），将冬天天然冰（包括

8、废冰雪）利用到夏天的空调当中，这不仅具有直接的经济效益，还有间接经济效益、生态效益和社会效益。2 冰蓄冷空调系统经济评价方法冰蓄冷空调系统经济分析评价范围包括整个蓄冷空调系统合整个常规空调系统的比较，其经济性评价方法主要分为静态经济评价和动态经济评价，评价指标为投资回收期2。静态经济评价静态经济评价方法主要考虑设备的成本和运行费用。一般认为，投资回收期少于5年为经济可行。这种方法使用最为简单和直观，因而得到了广泛的应用5。（1）冰蓄冷空调系统增加的初投资费用s c I I I = （1）式中 s I 为冰蓄冷空调系统的初投资（元）； c I 为常规空调系统的初投次（元） （2）冰蓄冷空调系统全

9、年节省运行费用c s P P P = （2）式中 P c 为常规空调系统全年运行总费用（元）；s P 为冰蓄冷空调空调系统全年运行总费用（元）（3）计算投资回收期In P= （3） 动态经济评价动态经济评价方法中，除设备成本及运行费用之外，还需要考虑经济变化因素，如贷款利率、通货膨胀率等。因此当计算得出的投资回收期在5年以上时，即应采用动态经济评价方法 6。(1 (1 1n nI i i P i +=+ （4） 式中 n 为动态投资回收期（年）；P 为冰蓄冷空调系统年运行费用节省量（元）；I 为冰蓄冷空调系统增加的初投资（元）； i 为折现率。在动态经济评价方法中，折现率是一个非常重要的因素，

10、对结果会产生影响。可采用行业的折现率或社会折现率，至少不应采用低于银行贷款的利率。3 工程实例分析以某市某大厦为生产厂房。建筑面积为300002m ，设计日小时最大冷负荷为3904.1kW ，总冷负荷为43415.6kW ，主要负荷集中在8：0018：00的电力高峰，采用冰蓄冷空调技术。3.1 设备初投资比较分时电价见表1所示。本工程采用分量蓄冷并负荷均衡运行策略，流程采用制冷机组位于蓄冷装置上游的串联流程。机组在电力低谷期运行蓄冷，在空调负荷大也既是电力高峰期，蓄冷装置和制冷机组联合向空调系统供冷。在负荷较小时，可以采用优化控制模式充分利用蓄存的冷量供冷，以减少运行费用7。表2和表3分别给出

11、了常规空调系统和蓄冷空调系统的初投资。表1 分时电价计费表峰价（元/. kW h ）谷价（元/. kW h ）峰谷差（元/. kW h ）峰谷比0.75 0.2 0.55 3.75表2 常规空调系统主要设备表设备名称 规格或性能 数量（台） 功率（kW ）价格（元） 制冷机组 制冷量1407kW冷却塔 循环水量350m 3/h3 45 113400 冷冻水泵250m 3/h 345 320000 冷却水泵 475m 3/h 3 55 30000自控系统 400000 管网系统 600000 合计1128 4463400表3 冰蓄冷空调系统主要设备表设备名称 规格或性能 数量（台） 功率（kW

12、） 价格（元） 冷机组 制冷量 1206kW冷却水泵 250 m3/h2 45 35000 冷却塔 循环水量250 m3/h2 45 200000 冷冻水泵 200 m3/h2 18.5 30000 板式换热器 2400kW 1 360000 板式换热器乙二醇泵 200 m3/h2 18.5 28000 乙二醇溶液 t 45 7000蓄冰设备 制冷量 14400kW1 1700000 蓄冰设备自控系统 400000 管网系统 600000 合计776 5048000与常规系统相比，冰蓄冷空调系统由于增加了蓄冷设备，因此其设备初投资比常规空调系统大，同时，采用冰蓄冷可以减小制冷主机的容量，制冷机

13、的装机容量减少了1809kW （515RT ），使得其电力增容费降低。但总体来说，系统总投资比常规空调系统大。由表1和表2可以看出本工程中，冰蓄冷中央空调冷站大约比常规空调冷站初投资费用增加了58.46万元。3.2 运行费用比较为了简化计算过程，不考虑制冷机组的COP 值随运行工况和负荷率的变化。由于实行分时电价政策，高峰段（7：00-23：00）电价为0.75元/kWh ，低谷段（23：00-7：00）电价为0.2元/kWh ，峰谷电价比为3.75。表4给出了冰蓄冷空调系统典型日运行功率，表5和表6分别给出了冰蓄冷空调系统和常规空调系统年运行费用。笔者在进行冰蓄冷空调系统经济分析时粗略的认为

14、空调时间以满负荷进行计算，空调时间按200天计作为定性分析。表4 冰蓄冷空调系统日运行耗电 kWh负荷率时段主机冷却泵 冷冻泵 乙二醇泵冷却塔100%峰段8352 1440 592 592 528谷段4176 720 296 296264表5 冰蓄冷空调系统年运行费用 万元 负荷率时段主机冷却泵冷冻泵 乙二醇泵 冷却塔合计100%2.652表6常规空调系统年运行费用 万元负荷率时段 主机 冷却泵 冷冻泵 冷却塔合计 100%峰段 19.08 3.96 3.24 3.2429.52谷段 2.544 0.528 0.432 0.432 3.936乘以修正系数冰蓄冷空调系统年运行费用大约为2.19&

15、#215;19.848+2.652×1.13=46.46万元7，常规空调年运行费用约为69.1万元。3.3 冰蓄冷空调系统的投资回收期冰蓄冷空调系统增加的初投资I =58.46万元，年运行费用的节约量P =22.64万元则该冰蓄冷空调系统的投资回收期（静态经济评价）为：I n P =（年） 通过静态经济评价可以看出：n 5年，此冰蓄冷空调系统可行，且用户只需要2.58年时间就可回收投资。回收期过后，每年可以多得净收益22.64万元，经济效益相当可观。4 天然冰蓄冷经济性分析由上述分析可得，影响冰蓄冷空调系统经济性的关键是当地电力部门能否提供合适的峰谷电价及其它优惠政策。同时，需要根据

16、用户自身空调负荷特性，确定是否可能利用夜间的廉价电力制冰充冷，在白天高峰时段融冰释冷。但这从总的耗电量来看，蓄冷空调系统的总耗电量远远大于常规空调系统。从这点考虑，又根据东北地区的气候特点，将东北地区冬天的天然冰贮存起来，到空调期或空调高峰期作为冷源。天然冰是一种资源节约、环境友好的能源，1千吨（约1100m 3）-10的冰变成16的水能吸收117161kWh 电量（相当于44.52吨标准煤的发电量）的热能，按1度电0.5元计算，价值5.585万元。以此工程为例，该蓄冷空调系统在粗略的计算下，仅在夜间蓄冷期间耗电达到132600kWh 。用天然冰蓄能供冷设备系统替代蓄冷空调中耗电制冷设备，向空

17、气调节设备提供0-4或7的冷冻水，制冰（供冷）不耗电（水泵用电除外），实现冰的冬贮夏用，节省电能；不用制冷设备，节省铜、钢材料；不用制冷剂，不破坏臭氧层；年运行费用低；维修简便；使用寿命长。另外，在天然冰蓄冷空调设计可以和低温送风系统相结合，所谓低温送风技术是指从集中空气处理设备送出温度较低的一次风经高诱导比的末端装置送入空调房间的送风系统8。冰蓄冷和低温送风技术相结合，由于送风温差增大，可以减少一次送风处理设备、风机、送风管道、供回水管路及水泵等的投资费用，如果送风温度从13降低到7，在送风和配水系统上的投资可减少14% 19%，同时由于相应的风机和水泵功率降低，系统的运行费也得以减少。据统

18、计当采用低温送风系统时，低温空调系统初投资低于常温系统10% 20%8，故一定规模的低温空调系统与非蓄冷系统的投资可能持平。从而最大限度的减低了冰蓄冷空调系统的初投资，减少了投资回收期，更好的发挥其优势，提高冰蓄冷空调的竞争力，有利于用户的使用。5 结束语通过上述分析可知，采用天然冰蓄冷空调，一方面，可消减制冷机组装机容量，降低系统初投资成本，同时减少了白天高峰负荷时的用电量，有效地实现了电力消峰填谷；另一方面，利用天然冰最为冷源，降低空调年使用费用，节省耗电，减少以火力发电为主的CO 2排放、减轻温室效应、热岛效应、酸雨造成的灾害，在节约不可再生资源、保护环境的同时，发展天然冰蓄冷对建设节约型社会、保持经济持续发展十分有利。同时通过采用与冰蓄冷相结合的低温送风技术以及对运行模式的优化控制可以降低系统的初投资和运行费用，从份显示了天然冰蓄冷空调的优越性，因而在我国东北地区必将具有较的发展空间。参考文献1 白彬，周洁. 蓄能空调：一条绿色之路J.上海节能：2003（3）：272 陈允轩，陈梅倩等. 冰蓄冷空调系统的经济性分析J.制冷与空调：2006（2）：36-393 蒋爱华，黄竹清，邹新远. 冰蓄冷空调与电网调峰J. 制冷：2002，21（1）：41-434 张强，李静. 哈尔滨市冰雪体育旅游产业化发展对