冰蓄冷空調技術在北京某工程應用的經濟性分析
北京建筑工程學院 安強，郝學軍
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1 引言
冰蓄冷系統可以削減電負荷高峰,緩解電力緊張,減少電力建設投資。因此自80年代初至今在美國、日本得到了廣泛應用。目前我國不少省市已實施分時電價，以鼓勵用電單位在負荷低谷時用電，北京等一些城市更是明確規定利用電力制冷的單位必須安裝冰蓄冷系統，否則將控制高峰用電量。
由于影響冰蓄冷空調系統經濟性的因素較為復雜，現有的經濟性分析與優化的研究還不夠深入，本文正是針對此問題展開研究工作，就冰蓄冷空調系統進行經濟性分析與系統優化研究。通過對工程實例的分析計算，確定系統的最佳設計方案，同時計算出冷槽釋冷與冷機供冷負荷分配的最優解，為系統經濟運行提供參考。
2 空調負荷的計算
對蓄冰空調系統進行技術經濟分析評估, 首先需要進行詳細的負荷計算: ①根據典型日空調負荷計算確定蓄冰率，并在此基礎上進行設備的選型；②計算全年供冷季的動態負荷, 作為對系統能耗及運行電費分析的基礎。
DeST軟件是進行建筑模擬的一種有效的工具，它能夠對建筑空調系統進行“分階段的模擬”，對各部分進行合理的優化，從而達到整體的優化。它基于建筑熱平衡的狀態空間法，該方法是清華大學江億院士從現代控制理論引入到建筑熱過程動態模擬當中，是一種在時間上連續，空間上離散的動態模擬計算方法，與以前的計算方法（反應系數法，諧波反應法，有限差分法）相比，具有計算速度快，計算結果的穩定性和誤差不受時間步長的影響，可直接求解。所以,本文采用清華大學“建筑環境設計模擬分析DeST軟件”，對北京某工程建筑空調負荷進行全年的逐時計算。
3 蓄冷系統經濟性分析的數學模型
蓄冷空調系統的經濟性主要決定于系統的一次投資費用和運行費用。
3.1 系統的初投資
初投資包括設備費、土建費、安裝費（含材料費）等。
3.1.1 制冷機組的初投資
制冷主機制冷量TR的確定：
在冰蓄冷系統中，制冷主機一般為雙工況機，即制冷工況和制冰工況，所以應計算兩種工況下的制冷量。根據兩種工況下的制冷量進行選擇。
制冷工況時的制冷量：
TR1=(1－x)(Q/hd) (1)
制冰工況時的制冷量：
TR2=(xQ)/(0.98*k*hn) (2)
其中：x為蓄冰率（是蓄冰系統蓄冷裝置有效容量與設計日建筑總冷負荷的比值）
Q為典型日空調總負荷
k為主機制冰時容量變動率或降低系數,定義為制冰容量與標準容量的比。其值應取自實際的壓縮機特性曲線。
hd為制冷主機制冷工況運行的小時數
hn為制冷主機制冰工況運行的小時數
0.98為考慮到制冰容量損失及冷量的不能完全釋放，取一個修正系數0.98(本文中采用的蓄冷裝置釋冷特性較好,保溫性較好,因而計算的冷損失較小)。
因而，制冷機組的設備費為
Cch=max(TR1,TR2)*Mch (3)
Mch為單位容量制冷機組的費用
3.1.2 蓄冷設備的初投資
Cs=xQ/0.98*Ms (4)
Ms為單位蓄冷量蓄冰設備的費用
3.1.3 增加設備用房投資
增加的設備用房的面積為F= xQ/0.98*j，其中j為單位蓄冷量需增加的用房面積。
則增加設備用房的投資為:
Cj=F*Mj (5) Mj為單位面積建筑造價
3.1.4 安裝費的計算
安裝費按設備折算，取設備費的20%計
所以，系統的初投資為:
Cfe=1.2*1.3*(Cch+Cs)+Cj (6)
式中1.3為對其它輔助設備初投資的附加系數,1.2為考慮到設備安裝費的修正系數。
在實際工程的設備選擇中,年運行費用在沒有確定設備的情況下數學模型的求解極為復雜。在本文中采用已有應用的估算法,即將等額年金折算到每天,以標準設計日的運行費用作為評價的標準(設備的選擇應以設計日為準)。但這有其不完善之處,因為設計日的運行費用并不等同于非設計日的運行費用,因此在本課題中考慮一個修正系數a,假設運行費用與負荷的大小成正比,其值為:
a=空調季冷負荷的總和/設計日冷負荷的和/days
(7)其中
為壽命周期內不考慮設備殘值的初投資折算成的等額年金
為壽命周期內不考慮設備殘值的初投資折算成的等額年金n為壽命周期年數
i為基準貼現率
days為空調季運行天數
3.2 冰蓄冷系統的控制運行策略
部分負荷蓄冷系統的控制就是解決冷負荷在冷機和蓄冰槽之間的分配問題，常見的控制策略有冷機優先、蓄冰槽優先和優化控制。前兩種控制策略都有其局限性，不能很好的解決此問題。故本文采用了優化控制。
優化控制是提出某目標函數，在一定約束條件下，使其目標函數達到極值。為了使冰蓄冷系統最大限度的發揮作用，使用戶的電費最少，就需要對冰蓄冷系統進行優化控制。本文首先提出了優化目標和約束條件，然后利用DeST計算得到的全年的逐時負荷，用Matlab對每天的運行費用進行了求解，最后得到了整個空調季的運行費用，并對結果進行了分析。
(8)其中：Rch(i)為某地區i時刻的電價（元）
R低谷為某地區低谷時刻的電價（元）
E制冷為所有制冷主機制冷時的總的電功率
E制冰為所有制冷主機制冰時的總的電功率
TR1總為制冷工況時的總的制冷量
TR2總為制冰工況時的總的制冷量
E制冷/TR1總為冷機供單位冷負荷的費用
E制冰/TR2總為蓄冰槽供單位冷負荷的費用
Q機(i)為i時刻冷機負擔地總負荷
Q蓄(i)為i時刻蓄冰槽負擔地冷負荷
1.2為包含輔助機組(風機、水泵等)電耗地附加系數優化地約束條件是:
0≤Q機(i)≤TR1總
0≤Q蓄(i)≤Q(i)kmax
Q(i)kmax為蓄冰槽i時刻的最大融冰供冷能力
Q(i)kmax與融冰槽中剩余的冰量有關,也就是與蓄冰槽以前的融冰量有關,需要用融冰的供冷曲線進行分析.本文采用是美國Calmac (高靈牌) 1190A型蓄冰筒,它在回水10℃和供水6.7 ℃下的融冰供冷曲線用最小二乘法擬合為
x1=563[1－exp(-0.316t)] （9）
y1=dx1/dt=177.8e-0.316t=177.8[1－(x1/563)] （10）
x1為已融冰供冷量kWh
y1為各時刻最大融冰供冷量kW
T為蓄冰槽運行時間 h
(11)得到優化問題為
(12)4 冰蓄冷的設備選擇
對蓄冷系統設備的選擇,要根據建筑物設計日全天逐時負荷，對設計日全天的初投資和運行費用進行優化，確定其蓄冰率，從而進行制冷主機和蓄冰裝置的選擇。
4.1 蓄冰率的確定
蓄冷率就是蓄冰系統蓄冷裝置有效容量與設計日建筑總冷負荷的比值。蓄冷率為O時，為常規空調制冷方式；為1時，為全蓄冷方式；介于O到1之間時，為部分蓄冰方式。蓄冷率是反映蓄冰系統特性和經濟性的特征值之一，充分反映了負荷分布特性、全年負荷變化以及運行費用及電價分布情況，它的大小決定制冷系統設備容量的配置。必須在對系統的初投資和運行費用綜合衡量的情況下，確定是系統實現最大效益的蓄冰率。本文通過lingo優化軟件和matlab軟件對設計日的初投資和運行費用進行了優化計算。目標函數及約束條件如下
(13)4.2 制冷主機和蓄冰裝置的選擇
前面我們用DeST軟件對全年的逐時負荷進行了計算，從而得到了典型日的逐時供冷負荷。根據計算的得到的蓄冰率和公式（1）（2）進行制冷主機的選擇。
按所選定的蓄冰槽形式及可能的總取冷量計算所需蓄冰槽的型號和臺數。總的取冷量為xQ。
5 系統的運行費用及能耗的計算以及和常規能源的比較
蓄冰系統用電量的基礎數據是全年逐時負荷。用電量按天計算, 以電價時段劃分進行分段統計,按照前面所述的優化控制策略計算每天的最小耗電量，最后計算整個空調季的耗電量和運行費用，作經濟性分析。
在相同的條件下，選擇常規能源(離心式電制冷)常規能源系統，并用matlab編程計算其空調季的電耗,與冰蓄冷進行比較，從而分析冰蓄冷系統的經濟性和可行性。
6 工程實例
6.1 工程的概況
該位于長安街，總建筑面積14.957萬平方米，其中地上面積8.839萬平方米（有較大的中庭）。地下建筑面積6.118萬平方米。建筑體形系數為0.15。全部為自用寫字樓，辦公人數在4000人左右。
空調季從5月1日至9月30日,通過用DeST軟件計算得到夏季空調季最大設計負荷為12273.82kW，設計日的總負荷為63939.98kWh，空調季的總負荷為6392226.25kWh。空調面積為92147.14m2。
空調days為152天，計算的a為0.653，hd為12，hn為8，Mc為700元/kw，Ms為122.4/kwh，j為0.0073 m2/kwh，Mj為4000 元/m2，i為6%，A/P(6%,20) = 0.087, A/P(6%,∞)=0.06, A/P(6%,50)=0.0634. (其中20為設備的壽命年限，50為建筑物的折舊年限)
北京電網電價結構表
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時段
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尖峰時段
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高峰時段
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平段時段
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低谷時段
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7月1-9月3日
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11時-13時
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10時-15時
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7時-10時
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23時-7時
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20時-21時
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18時-21時
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21時-23時
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電價
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1.3003
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1.1933
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0.7525
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0.3369
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6.2 系統方案的確定
根據公式（13），得到系統的最佳蓄冰率為0.4，據此進行了方案的確定和設備的選擇。
冷源采用冰蓄冷系統。蓄冰工況時，供冷溫度為-8℃；融冰工況時，供冷溫度為1.1℃，冰蓄冷裝置的蓄冰總容量為8100TH。冰蓄冷裝置和制冷主機采用串聯連接方式，為提高制冷機的效率，系統布置形式采用了制冷主機設在上游，冰蓄冷裝置設在下游的連接方式。蓄冷系統采用閉式系統，其載冷劑采用溶液濃度為30%的乙二醇水溶液。
主要設備表
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螺桿式雙蒸發器冷凍機
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冷凝器進口溫度 制冷/制冰℃
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32/30
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冷凝器出口溫度 制冷/制冰℃
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37/35
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冷凝器流量 m3/h
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600
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蒸發器——制冰工況 制冷量Kw
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1758
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蒸發器——制冰工況 流量m3/h
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600
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蒸發器——制冷工況 制冷量Kw
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2800
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蒸發器——制冷工況 流量m3/h
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380
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壓縮機——制冰工況 功率K
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700
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壓縮機——制冷工況 功率Kw
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600
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臺數
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2
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蓄冰槽
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選擇美國Calmac (高靈牌) 1190A 型蓄冰筒51個，總的蓄
冰量為8100RT。
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6.3 冰蓄冷系統空調季運行費用的計算分析
通過優化控制策略,確定了冰蓄冷系統的運行方案，根據DeST計算得到的全年的逐時冷負荷，利用matlab軟件對其全年空調季的運行費用進行了計算，得到全年空調季總的運行費用為1059531元人民幣。耗電量為2215601.55kwh
6.4 常規能源(離心式電制冷)的運行費用計算分析
在相同的條件下進行了設備的選擇如下表所示，用matlab編程計算得到其全年的運行費用為1610568.3元人民幣。耗電量為1639808.9kwh
6.5 對比分析
冰蓄冷系統比電制冷系統空調季多耗電：2215601.55-1639808.9=575792.65kwh≈58萬kwh；
冰蓄冷系統比電制冷系統空調季節電費：1610568.3-1059531=551037.5元≈55萬元
年運行費用節約551037.5/1610568.3×100%=34.21%
從分析的結果可以看出，冰蓄冷系統具有移峰填谷的作用，降低冷凍站高峰電力的需求量；充分利用夜間低谷電力電價差，節約制冷運行費用，為用戶提供穩定的低溫冷源和提高制冷系統的可靠性等。
7 結論
(1)本文采用清華大學“建筑環境設計模擬分析DeST軟件”，對空調負荷進行全年的逐時計算，得到了全年的冷熱負荷，突破了常規的計算負荷的方法，從而使全年的運行費用的計算更加的準確可靠。
(2) 蓄冷率是反映蓄冰系統特性和經濟性的特征值之一，充分反映了負荷分布特性、全年負荷變化以及運行費用及電價分布情況，它的大小決定制冷系統設備容量的配置。必須在對系統的初投資和運行費用綜合衡量的情況下，確定是系統實現最大效益的蓄冰率。本文通過lingo優化軟件和matlab軟件對設計日的初投資和運行費用進行了優化計算。
(3)冰蓄冷系統的運行策略是經濟性分析的關鍵因素,本文用最優化的方法對其進行了優化控制,最大限度的發揮了融冰供冷能力,節約了運行的費用.
(4)通過和常規能源的對比可得,冰蓄冷系統具有移峰填谷的作用，降低冷凍站高峰電力的需求量；充分利用夜間低谷電力電價差，年節約運行費用34.21%，為用戶提供穩定的低溫冷源和提高制冷系統的可靠性等。
參考文獻
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湘公網安備43011102000873號
