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[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术

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时间: 2018-01-25
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近年来,由于国家经济和城市建设的快速发展,城市建筑能耗逐渐成为用电大户,部分大中城市的供冷用电量已占高峰用电量的30%以上。集中的用冷负荷成为电网产能面临的重要问题,加剧了电网的峰谷荷差。蓄冷技术成为平衡电网用能负荷峰谷矛盾的重要方法。



1 蓄冷技术发展及分类




20世纪70年代,由于能源危机的爆发以及经济的迅速发展,建筑中央空调的大规模应用,蓄冷技术在美国、日本等发达国家得到迅猛发展。进而衍生出水蓄冷、冰蓄冷、化合物蓄冷等技术,同时蓄冷应用领域也不断扩大,从工业冷却到建筑空调、区域供冷、电厂蓄能、冷藏保鲜等。总体而言,蓄冷技术的发展经历了水蓄冷、静态冰蓄冷、动态冰蓄冷过程。其中,水蓄冷属于显热蓄冷技术,通过水温在4~12℃之间的变化来蓄存冷量;而冰蓄冷技术属于相变蓄冷技术,主要利用冰的相变潜热来蓄存冷量。水蓄冷和冰蓄冷的不同特点(由于化合物蓄冷技术未成熟,实际应用较少,这里不做讨论)见表1。


表1 水蓄冷及冰蓄冷特点比较

[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术

由表1可知,水蓄冷和冰蓄冷均有各自的优缺点。水蓄冷可以使用常规冷水机组,制冷能效高,可利用消防水池或其他蓄水设施,投资低,技术要求也较低,但水蓄冷最大的问题在于其蓄冷密度低,蓄冷体积大,送风温度较高。冰蓄冷单位体积蓄冷量大,可实现低温送风;但制冷效率较低,需采用双工况主机,初投资较大。综上,不同蓄冷技术都有其可取之处,适合于不同的应用场景。

综合考虑电价政策、地理位置、技术优缺点等因素,针对不同用户侧用冷需求和各种应用场景下负荷特性,选择合适的蓄冷技术以期经济利益最优化。




2 不同场景下蓄冷技术的应用




通过研究不同应用场景需求的特点、种类,分析用户对用冷时段、冷量负荷的需要,整体考虑不同蓄冷技术经济性,评价不同蓄冷技术在该应用场景下的优劣。

以机场、工厂为代表的市郊大型需冷场景

机场、工厂多分布在城市郊区,场地充裕,供冷负荷主要集中在日间,电量负荷基数大,电量峰谷荷差很大,用冷场所基本为车间和候机厅,该类场景温度控制相对宽松,较高送风温度也能满足需求。

该类场景适宜应用水蓄冷技术:1)水蓄冷技术初投资较低,相比常规空调系统差别不大,而工厂、机场这类场景单位建筑面积增值能力较低,系统成本决定蓄冷技术选择的重要因素;2)大蓄冷量下的水蓄冷设施大,占地多,而机场、工厂场地相对富裕,有条件有空间布置;3)机场、工厂温度控制较宽松,蓄冷水温范围可为4~12℃甚至更高,即单位体积蓄冷能力变大。

当前国内很多机场采用水蓄冷技术,如上海浦东机场、虹桥机场、深圳机场等。下面以上海浦东机场2#能源站为例进行介绍。

浦东机场能源站于2008年完工,主要服务对象为东航站楼区域,包括40.5万平方米的航站楼东厅及3万平方米的交通中心和10万平方米的航站楼南厅。全年运行天数在200天(4—10月份)左右。

冷站设计供冷能力为24 400RT,蓄冷量为116 000RTH,削峰电力40 000kW,制冷主机采用离心系统(图1)日间采用主机供冷+蓄冷放冷运行模式。蓄冷槽为4个直径26m高25m的水罐(图2),单个蓄冷能力为29 000RTH,蓄冷率为34%,该冷站目前是国内最大的水蓄冷项目。

以2010年9月的供冷情况简要分析水蓄冷应用情况(图3)。平电时段的供冷由机组供冷和蓄冷供冷提供,峰电时段主要靠蓄冷供冷,谷电时段主要用于蓄冷。供冷站9月耗电量为峰电102 550 kW·h、平电566 968 kW·h、谷电2 147 905kW·h,其中谷电用量占总用电量的76.23%,峰电用量只占3.64%。该月份节省费用约为211万元,经济效益显著。


[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术

图1 制冷主机系统

[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术

图2 蓄冷槽

[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术

图3 供冷站2010年9月供冷情况

区域供冷站场景

区域性的供冷对于实现节能及有效利用资源有重要意义,区域供冷可以节约大量初投资和运行费用,避免资源浪费,提高设备使用率,达到能源合理利用的目的。区域供冷多分布在商场或办公楼聚集区,场地紧张,地价高,供冷量大,温度控制精度高。昼夜用电情况两极化,峰谷荷差大,运行成本高。

该类应用场景适合采用冰蓄冷技术,原因包括:1)区域供冷站一般布置在商场或办公楼地下,场地有限,蓄冷量非常大,有限空间内蓄冷量相比冰蓄冷大,能满足供冷需求;2)供冷站冷水输送距离长,沿程热损失较大,为保证用户侧的供冷能力,采用低温送水才能满足要求。冰蓄冷水温可控制在0~2℃以内,水蓄冷不可能达到。

目前,区域供冷成为国内外蓄冷技术发展的新趋势,国内新项目很多采用该种供冷模式,比如广州大学城、北京中关村供冷站等。以冰蓄冷为冷源的区域供冷系统,为用户侧提供低温冷水,用户侧节省自建冷站的投资,节省面积,同时使冷水供应可靠有效。下面以中关村供冷站为例进行介绍。


中关村广场区域供冷站主要服务于中关村地下购物中心、家乐福超市、新东方大楼以及微软大厦等(图4)。冷站设计供冷能力为12 000RT,蓄冷量为28 480RTH,削峰电力3 800kW,可为45万平方米建筑提供冷量。

冷站制冷主机采用双工况螺杆机组(图5),供冷水温度2℃,蓄冰池为42m×13.4m×4.5m,蓄冷能力28 480RTH,蓄冰形式为冰盘管外融式。

2011年全年供冷能耗数据分析见图6。其中6、7、8月是一年中供冷高峰月,供冷量占全年供冷量的76%,耗电量占全年总耗电的74%。图7为全年峰平谷用电情况。尖峰和峰值耗电量为6%和16%,占全年总耗电的22%,低谷时段耗电量占56%,全年运行费用可节省3 000万元,负荷移峰填谷效果显著。

[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术

图4 中关村供冷站

[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术

图5 蓄冰池

[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术

图6 全年供冷量[水蓄冷]不同应用场景下的蓄冷技术图7 峰平谷耗电量占比

机房、图书馆等特殊空调领域

机房、图书馆该类场景相较于普通空调领域的显著特点是除湿负荷占比大,且供冷时间长。这种除湿负荷占比大的蓄冷技术应该采用冰蓄冷技术,能够实现低温送风,除湿效果好,满足用户侧需求。以中央电视台音像馆为例,主要服务于办公区、机房和档案室,全年供冷时长超过2 000小时,设计冷负荷1 300RT,蓄冷量3 564RTH,蓄冰形式采用冰盘管内融式。

办公楼、商场等单独大厦场景

独栋大厦应视不同情况选择合适的蓄冷技术。

1) 改造项目。常规空调系统改造为蓄冷系统,应多以水蓄冷项目为主。水蓄冷系统制冷主机不用更换,可利用消防水池或原有储水设施做蓄水池,改造工程量小,初投资小。

2) 新建项目仅蓄冷。由于冰蓄冷密度高,占地小,冷水温度低可靠,因此当前国内冰蓄冷项目多于水蓄冷项目,冰蓄冷形式也多样化。

3) 新建项目蓄冷/热。在国内节能减排政策的指引下,蓄冷/热项目在北方逐渐受到人们重视,这也使得水蓄冷项目找到新的发展路线。水既可作为蓄冷介质也可成为蓄热工质,上海新建的世博园央企总部基地能源中心采用分布式冷、热、电联供方式。

建筑空调外其他领域

在工业工艺用冷、冷藏保鲜等领域,该类场景供冷负荷也较大,蓄冷技术的应用对电力调峰也能起到一定作用。拿牛奶加工、冷藏保鲜来说,需要低温冷水保障,冰蓄冷技术尤其是动态冰蓄冷技术优势较突出。

综上所述,不同蓄冷技术在不同应用场景下有较于其它独特优点,在不同领域都得到了广泛应用,其中冰蓄冷项目占比较大。但冰蓄冷技术复杂多样,动态冰蓄冷技术是未来蓄冷发展的一个方向。动态冰蓄冷因其供冷负荷响应快、取冷方便、制冰效率高等优点,将会逐渐得到社会认可。




3结束语




在不同应用场景,水蓄冷和冰蓄冷技术均有各自独特的优势。水蓄冷投资少,制冷效率高,系统简单,但蓄冷密度低、不能提供低温水。冰蓄冷可实现低温送风,蓄冷密度大,但投资大、效率低。

1) 水蓄冷适用场景包括机场、工厂等市郊用户、大厦改造项目及蓄冷/热新建项目情形。

2) 冰蓄冷适用场景包括区域供冷项目、新建蓄冷工程以及除湿负荷大的场景。

3) 建筑空调外其他领域如工业工艺用冷、冷藏保鲜等,因其低温要求,适合利用冰蓄冷技术。

冰蓄冷技术蓄冷密度大,发展前景较好,但需改进其投资大、制冷效率低的缺陷,动态冰蓄冷技术能够很好解决上述问题,是未来蓄冷技术发展的新方向。随着蓄冷技术研究的不断进步,成本低、效率高的蓄冷系统必将成为建筑及用冷行业的主流选择。

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