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【技术】中国蓄冷空调工程应用调查分析研究

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时间: 2017-09-14
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1 调研范围

  本次调研对象主要为《规程》参编企业,同时也涵盖了标准编制组以外的业内有影响力的单位。本次调研统计数据主要以生产蓄冷装置企业的蓄冷容量来体现,即项目数量最终都通过蓄冷装置来体现。


2 调研内容

  考虑到对于2010年以前的中国蓄冷行业的发展已经有相关单位和个人作了统计和调研,加之本次调研时间有限,故本次调研项目限定为2011年1月至2015年6月完成施工并调试完毕的蓄冷工程(本文中所有数据统计时间段如无特别说明均为该时间段)。本次调研方式主要为向行业内有影响力的单位发放调查问卷和表格,然后对返回问卷和表格进行整理和统计。对于重点企业和重点项目进行了技术和项目案例的二次调研。

  调研内容包括蓄冷项目名称、项目地点、项目开展时间、建筑面积、项目设计日蓄冷量、项目蓄能装置品牌、项目系统配置以及项目投资情况等。项目种类包括冰蓄冷和水蓄冷(单纯的水蓄热不在此次调研范围内)。从反馈的信息来看,各家信息基本符合调研初衷和目的,最后得出的结论也符合相关的要求。


3 调研结果

  通过对调查问卷的整理,总结出2011年1月至2015年6月中国蓄冷空调行业发展情况。


3.1 蓄冷技术应用总量

  中国蓄冷空调行业的总项目为239项,总蓄冷量为1 004万kW•h。涉及投资近80亿元。


3.2 蓄冰与水蓄冷总量统计

  本次调研对蓄冰项目和水蓄冷项目进行了严格的区分,其中冰蓄冷项目共实施190项,设计日总蓄能量839.5万kW•h;水蓄冷项目共实施49项,设计日总蓄能量164.4万kW•h。


3.3 项目规模及应用形式分布情况

  冰蓄冷中各种蓄冷模式容量和所占比例分别为:外融冰,141.3万kW•h,17%;封装冰,96.5万kW•h,11%;动态制冰,34.8万kW•h,4%;内融冰,566.9万kW•h,68%。

  由于在调研厂家中少数厂家无法按逐年提供项目数据,只能提供项目实施大致时间,本次调研无法对2011—2015年内每年蓄冷项目的变化作详细的统计。本次调研仅以数据较为完整的1个企业为例,介绍蓄冷项目的逐年变化。


3.4 项目地域分布情况

  通过对目前实施项目所在地进行统计,得出国内蓄冷空调项目地理分布,如下:北京,45项;天津,10项;上海,12项;重庆,5项;浙江,30项;广东,34项;江苏,27项;安徽,13项;湖北,10项;海南,4项;陕西,3项;河北,12项;吉林,1项;山东,8项;四川,5项;辽宁,4项;江西,3项;福建,10项;黑龙江,1项;广西,2项;总计239项。


4 累计数据及中日韩三国蓄冷空调工程应用关键数据比对

  前述为我国2011年1月至2015年6月蓄冷项目调研情况汇总,结合2011年前其他学者进行的相关调研对我国所有蓄冷项目累计情况进行汇总。

  经过统计,截至2015年6月,中国蓄冷项目总量是1 133项。其中971项为冰蓄冷,162项为水蓄冷。相应总容量为2 600万kW•h,近5年总容量为1 230万kW•h。由于在调研中较难精确统计蓄冷项目的空调负荷移峰量,经过初步估计,我国所有蓄冷项目的冷负荷移峰量约为1.6 GW。1 133个项目分布最多的省市依次为:北京,161项;江苏,139项;广东,139项;浙江,135项;上海,73项;湖北,62项;山东,55项。

  将我国蓄冷空调工程累计项目数据与日本和韩国的累计情况进行发现:

  1)我国虽然国土面积和建筑体量远超日韩两国,蓄冷项目数量却远远少于两国。说明蓄冷技术在中国的推广还不是很成熟。而中国的电力负荷系数与两国相当,峰谷电价优势较两国也更为明显。之所以造成现有局面,根本在于社会大众对该技术的理解和接受程度有限,相关从业人员仍需要加大推广力度。同时也说明蓄冷事业在中国发展大有可为。

  2)中国的蓄冷空调激励政策主要还是依靠峰谷电价,即希望用户通过运行费用的节省来收回增加的投资,而较少采用其他两国使用的直接对初投资补贴的措施。相对日韩两国,中国蓄冷空调激励政策力度不足,可执行性有限,政策延续性较差,这些是制约蓄冷空调技术发展的重要因素。

  3)日韩两国在蓄冷空调项目数量上远超中国,蓄冷空调移峰负荷上却与中国差异不大,究其原因为蓄冷空调在中国的应用还是以大型应用为主,而日韩两国项目规模较小。这与两国在小型化蓄冷装置上的大量研发密不可分。小型化的蓄冷空调技术在中国推广未来可能会有较大空间,中国蓄冷空调行业在小型化技术上的研发和推广应更加深入。


5 调研成果分析及问题汇总

5.1 调研成果分析

  对上述数据进行分析总结得出如下结论:

  1)近年来,我国的蓄冷空调项目数量有了较大的增长。据统计,从20世纪90年代初到2005年我国蓄冷工程数量约为400个;而2011年1月至2015年6月不到5年的时间内,国内建设的蓄冷项目已达239项,设计日蓄冷量超过1 000万kW•h,涉及投资近80亿元。

  2)在我国蓄冰领域中,外资品牌占比较大。国产品牌中,仅有少数能达到类似规模。蓄冰行业的发展中,形成少数几家较大的局面。水蓄冷行业则是国产品牌占比较大。

  3)从蓄冷方式来看,盘管内融冰系统占比最高,国内绝大多数项目均为内融冰。盘管外融冰因其独特的技术特点,目前在国内应用较少,也仅有少数厂家具有生产能力。但是,应该注意到盘管外融冰技术应用的项目数量虽然较少,总蓄能量却占有一定比例。这是由于盘管外融冰技术一般应用在较大型项目中,如区域供冷等。

  4)封装冰蓄冷系统在国内也有一定的发展,部分特色厂家所有项目均为封装冰蓄冷系统。动态制冰得到了一定层面的发展,个别厂家在这个领域作出了较大的贡献,目前有20多个项目案例。

  5)从项目规模上看,蓄冷项目有大型化的发展趋势。蓄冷在区域供冷中应用越来越多。设计日蓄冷量3.5万kW•h以上项目达到43%之多。设计日蓄冷量10.5万kW•h以上甚至17.5万kW•h以上项目也越来越多。如天津某能源中心项目规模在35万kW•h左右。

  6)从地域分布来看,蓄冷空调在北京、广东、江苏、浙江等经济发达、人口密集、电力紧缺的省市应用较多,在我国的西北部地区应用则较少。

  7)水蓄冷技术与热泵等技术结合,得到了越来越大规模的推广。


5.2 存在问题分析

  尽管从时间维度来看,蓄冷项目近年来得到了长足发展,但蓄冷项目在集中空调项目总量中所占的比例仍然很低,根据近年的测算,每年新建公共建筑中采用蓄冷空调系统的比例仅为1%左右,因此蓄冷技术的推广还有很长的路要走,也可以说存在极大的发展潜力。

  在调研过程中发现,由于近年来相关补贴政策和地方峰谷电价落实不到位,很多生产厂家在蓄冷设备的发展上陷入停滞状态甚至退出了这个行业。一些厂家将研发和投入转向了国家热点的建筑可再生能源领域。从蓄能设备生产厂家的数量上来看,总量是在减少的,行业发展呈现出高度聚合的态势。

  蓄冷空调项目的推进仍集中在经济较为发达的城市,在经济较为落后的区域发展较为缓慢,甚至有些城市即使是在负荷特性较适合蓄冷空调技术的应用,电力峰谷效应也较明显的情况下,仍然项目应用较少。主要原因是建筑和电力部门不协调,各自诉求和出发点不尽相同。

  蓄冷项目的推广与各个地区的负荷特性的关系远达不到国家补贴政策和峰谷电价的落实带来的效应明显。北京作为中国蓄冷项目推进最好的城市,究其原因就是政策扶持力度较大。因此,各个地区政府应根据自身用电情况,合理制定补贴和峰谷电价政策,推动该技术的发展。


6 大型蓄冷空调工程应用技术特点与发展趋势

  通过调研分析可知,蓄冷项目有大型化的发展趋势。蓄冷技术在区域供冷项目中的应用越来越多,规模越来越大,影响力也在逐步提升。这些发展趋势也是《规程》修编应该关注的重点。

  针对此趋势,笔者所在研究团队对目前国内的数十个结合冰蓄冷技术的区域供冷项目进行调研,结合理论分析和实测数据,对此类项目的技术特点和发展趋势分析归纳如下。


6.1 冰蓄冷和区域供冷结合技术优势突出

  根据《规程》相关专题理论分析和监测数据分析总结可知:对北京、上海、深圳等采用峰谷电价的城市,在峰谷电价和设计合理的前提下,采用冰蓄冷能节省30%以上的运行费用,静态投资回收期能控制在5年内。一般在合理的蓄冷率下,采用冰蓄冷甚至可以节约15%~20%的初投资。


6.2 准确的动态负荷分析是大型蓄冷项目设计的必要条件

  蓄冰空调系统的本质为空调制备冷量在时间上的转移。因此,充分了解蓄冷系统中建筑负荷逐时分布的特点及规律是系统配置以及制定运行策略的前提。而大型区域供冷项目中,冷源设备类型和数量均较多,系统投资较大,运行和控制策略较为复杂。只有在掌握供应区域的建筑负荷特点的前提下,才有可能进行系统的合理配置和制定恰当的运行策略。根据目前大型区域供冷项目经验,系统配置和运行策略制定阶段,应按100%,75%,50%,25%设计负荷列表给出蓄能释能周期的逐时运行模式和负荷分配。在有条件时,应采用动态负荷模拟计算软件进行全年逐时负荷计算,并结合峰谷电价和蓄能释能周期进行能耗和运行费用分析,以及全年移峰电量的计算。


6.3 设计冰蓄冷系统时蓄冷率和削峰率应重点关注

  在大型区域供冷项目中采用冰蓄冷技术能一定程度上削减设备装机容量,进而降低系统初投资,这对于投资巨大的区域供冷项目是非常重要的。冰蓄冷系统的削峰量(装机容量的减少)取决于蓄冷率。合理的做法是在动态负荷计算的基础上,按照不同的蓄冰率制定不同的技术方案,根据不同方案下的初投资和运行费用综合比较得出最终的蓄冷率。蓄冷率越高,削峰率一般越大,系统全年负荷转移率也就越高。一般而言,在蓄冷率较小时,系统全年负荷转移率和削峰率变化较大,当蓄冷率增大到一定程度时,变化逐步减小直至趋于平缓。

  因此,蓄冰项目一般存在最佳蓄冷规模。目前国内区域供冷中蓄冷率一般取20%~40%,削峰率一般取30%~50%。在实际项目中,应根据具体情况,结合动态负荷曲线制定合理的蓄冷率。


6.4 动态蓄冷和释冷速率应作为设计重要参考依据

  对于冰蓄冷系统,需关注蓄冷设备的蓄冷和释冷速率,很多工程未注意到这个问题,导致未达到预想的冰蓄存和取用效果。

  不同的蓄冷装置蓄冷、释冷特性不同。同一蓄冷装置,随着蓄冷量的增加,蓄冷速率一般会有所下降,所需要的蓄冷温度也随之降低;释冷时,随着释冷量的增加,释冷速率下降,释冷温度随之上升。设计时应由制造厂商提供详细的蓄冷、释冷特性曲线图表作为设计的重要参考依据。

  修订的《规程》也将增加相关规定,明确动态蓄冷和释冷速率数据应作为蓄冰系统设计的重要参考依据。


6.5 水力输送系统设计是关键环节

  大温差输送是区域供冷结合冰蓄冷的一个重要特性。国内目前区域供冷结合冰蓄冷的项目大多数采用串联系统、主机上游的方式。为提高夏季制冷供回水温差,降低输送能耗,一般采用盘管外融冰直接供冷。系统输送温差一般大于8 ℃,甚至达到12 ℃以上。

  为适应各末端用户系统阻力差异较大并为减少输送能耗,空调水系统一般采用多级变频泵系统形式。部分项目在此基础上采用以泵代阀和末端用户处混水加压的理念降低系统输配能耗。根据数个项目的运行监测数据分析可知,合理控制供冷半径,采用大温差输送结合多级变频泵技术,可以将冷水输配能耗控制在系统总能耗的20%甚至15%以内。


6.6 优化的控制策略是保证系统高效运行的重要手段

  通过调研分析发现,目前国内采用冰蓄冷的区域供冷项目中冰蓄冷运行水平普遍不高,基本都存在一定的运行优化空间。目前很多项目实际运行策略为制冷机优先或者蓄冷优先。少数项目能做到设计日负荷工况采用主机优先的运行策略;非设计日负荷工况条件下,在保证全天供冷温度满足要求的前提下,采用融冰优先的运行优化控制方式。鲜有项目能做到结合负荷预测技术的优化控制。

  根据调研可知,有些项目仅仅通过优化运行策略,可实现节省年运行费用30%以上。因此,蓄冷系统的控制系统非常重要,但在目前智能化、自学习能力尚未完善之前,应总结运维管理经验,通过实际使用情况修正、完善控制策略,使之适应实际工程,提升控制系统的控制品质。


6.7 应关注末端系统的匹配

  通过调研发现,部分冰蓄冷项目在实际运行过程中较难实现设计中的大温差。根本原因在于末端设计不合理,即对末端和控制阀在大温差下的性能未进行详细校核,盘管的排数达不到大温差的要求或者控制阀的特性无法满足大温差的需求,导致既定的设计意图无法实现。因此,蓄冷空调设计应为系统工程,在末端设计时应严格校核末端和控制阀特性。


全文刊登于《暖通空调》2016年第7期

作者:

中国建筑科学研究院 徐伟 孙宗宇 李骥 张瑞雪 李锦堂


链接知识:

冰蓄冷空调是利用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中,白天融冰将所储存冷量释放出来,减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量,它代表着当今世界中央空调的发展方向。

1.削峰填谷、平衡电力负荷。

2.改善发电机组效率、减少环境污染。

3.减小机组装机容量、节省空调用户的电力花费。

4.改善制冷机组运行效率。

5.蓄冷空调系统特别适合用于负荷比较集中、变化较大的场合加体育馆、影剧院、音乐厅等。

6.应用蓄冷空调技术,可扩大空调区域使用面积。

7.适合于应急设备所处的环境,计算机房、军事设施、电话机房和易燃易爆物品仓库等。


优势

(1)节省电费。

(2)节省电力设备费用与用电困扰。

(3)蓄冷空调效率高。

(4)节省冷水设备费用。

(5)节省空调箱倒设备费用。

(6)除湿效果良好。

(7)断电时利用一般功率发电机仍可保持室内空调运行。

(8)可快速达到冷却效果 。

(9)节省空调及电力设备的保养成本。

(10)降低噪乱冷水流量与循环风上减少,即水泵与空调机组运转振动及噪音降低。

(11)使用寿命长。


缺点

(1)对于冰蓄冷系统,其运行效率将降低。

(2)增加了蓄冷设备费用及其占用的空间。

(3)增加水管和风管的保温费用。

(4)冰蓄冷空调系统的制冷主机性能系数(COP)要下降。


占用空间

蓄冷设备的占用空间是业主与设计者应重点考虑的项目,特别是高楼林立的都市地区,寸士即寸金,有时为增加停车位,而放弃采用蓄冷空调系统,因此蓄冷设备的单位可利用蓄冷量所占用体积或面积是衡量蓄冷设备的一项重要指标,应优先考虑占用空间少,布置位置灵活的蓄冷设备。


热损失

在设计蓄冷槽体时应注意:槽体必须有足够的强度克服水,冰水混合物或其它冷媒体的静压,槽体应作防腐防水处理,同时应防止水的蒸发。对于埋地式蓄冷槽,槽体还须承受泥土和地表水对槽体四周的压力。 蓄冷槽体一般每天有l—5%的能量损失,其数值大小取决于槽体的面积、传热系数和槽体内外温差。对于埋地式蓄冷槽设计时必须考虑其冷损失,通常换热系数取0.58~1.9W/ M2.K。槽体材料可选用钢结构、混凝土、玻璃钢或塑料。


安全性

蓄冷空调系统,主要应用于商用大楼,特别是都市人口稠密的地区,其系统首先应考虑安全性。 通常蓄冷设备的维修量很小,如内融冰式、容器式、优态盐式等.但对于冷媒盘管式系统,由于制冷剂在蓄冷设备内直接蒸发,蒸发面积很大,制冷剂需求量也很多,蓄冷设备的安全性与可靠性是十分重要的。而对于制冰滑落式,冰晶式蓄冷设备的机构维修问题应予以重视。


使用寿命

通常常规空调系统的使用寿命 15—25年,同样对于蓄冷设备的使用寿命也应加以限制,一般最少应有15年以上的使用寿命,以保证设备的可靠性。 例如,对于优态盐式系统,其使用寿命周期应在相变次数3000次以上仍保持系统原有的名义蓄冷量和净可利用蓄冷量。


经济性

蓄冷空调系统无论是采用部分蓄冷还是全部蓄冷,其初期投资通常均比常规空调系统高,这就要求设计者应正确掌握建筑物空调负荷的时间变化特性,确定合理的蓄冷设备及其系统配置,制定系统的运转策略,准确地作出经济分析,以便投资者可以在短时间里以节省电费的形式收回多出的投资.一般情况下,在一个已设计好的蓄冷系统中可以以单位可利用蓄冷量所需的费用来衡量蓄冷设备。另外,蓄冷系统的配置也影响蓄冷设备的大小。


发展状态

在发达国家,60%以上的建筑物都已使用冰蓄冷技术。美国芝加哥一个城市区域供冷系统,600多万平方米的建筑共有4个冷站,城市集中供冷。其中芝加哥城市供冷三号冷站蓄冰量是12.5万冷吨时,电力负荷438兆瓦,每日制冰4700吨。从美、日、韩等国家应用的情况看,冰蓄冷技术在空调负荷集中、峰谷差大、建筑物相对聚集的地区或区域都可推广使用。目前我国每年新建建筑面积约20亿平方米,其中,城市新增住宅建筑和公共建筑约8亿~9亿平方米,为冰蓄冷技术的推广应用提供了巨大市场。我国每年公共建筑新增面积约3亿平方米,如30%的新建公共建筑采用冰蓄冷空调系统,全国每年可节约15亿千瓦时所对应的电价差值,所节约金额高达约10亿元。


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