蓄冷供冷系統的節能效益分析

深圳市前海能源科技發展有限公司 馬建波 王朝暉 曠金國 胡 勣香港華藝設計顧問(深圳)有限公司 高 龍

0 引言

空調制冷系統采用夜間低谷電蓄冷技術已得到廣泛應用，尤其是在華南地區，峰谷電價差大，蓄冷的經濟性比較顯著。通常認為蓄冷系統省錢不節能，原因是蓄冷系統夜間制冷能效低于常規無蓄冷系統，尤其是采用蓄冰技術時，制冷溫度低，制冷機制冰過程耗電多，而白天放冷過程中，從較低溫度的冷水轉換為較高溫度(7 ℃/12 ℃)的建筑空調末端冷水，熱力學損失較大。這是從空調制冷系統角度得到的結論。

從電力大系統角度考慮，電網采用了峰谷平電價，廣東電網峰谷平電價差還在不斷增大。原因包括提高電廠、電網、配電等電力設備利用率和減少投資，以及大電力系統節能。在低谷電時段，電廠的深度調峰會降低電廠能效，增加發電煤耗[1-2]。隨著電網負荷率的下降，機組發電煤耗增加，負荷率下降越多，越需要高能耗機組進行降載運行，降載調峰的發電煤耗越高。

為了電力系統的移峰填谷，使發電機組、電網和配電設備平穩高效運行，以及大規模消納可再生能源，各國都建設了大量抽水蓄能電站，西方發達國家抽水蓄能電站裝機容量通常占電力系統總裝機容量的5%～10%，而目前我國這一比例不到2%[3]。2021年國家能源局發布《抽水蓄能中長期發展規劃(2021—2035年)》，要求按照能核盡核、能開盡開的原則，到2025年，抽水蓄能投產總規模較“十三五”翻一番；到2030年，抽水蓄能投產總規模較“十四五”再翻一番。抽水蓄能電站的能源效率約為75%[4]，說明有25%的直接能源損失，但是從大系統角度考慮，由于提高了低谷電時段的發電機組負荷率，使得發電機組運行效率提高，降低了低谷電時段發電單位煤耗，同時提高了用電高峰發電能力，降低了煤電的發電需求，降低了高能耗、高成本機組的發電負荷，有利于實現能源綠色低碳轉型。抽水蓄能也是一種大系統節能技術。

蓄冷空調制冷系統采用夜間低谷電制冷，白天不需要制冷，直接把蓄冷量釋放出來供冷。如果采用蓄電的形式制冷，比如抽水蓄能+電制冷，則需要在白天把儲存的電能釋放出來，供給制冷機系統制冷。與夜間蓄冷供冷系統相比，抽水蓄能+電制冷的模式多了一個電能儲存與電能釋放的循環，增加了能源損失。蓄冷供冷系統比抽水蓄能+電制冷系統的能效高，因此，低谷電蓄冷供冷也是一種大系統節能技術。

如何評價低谷電蓄冷空調制冷系統的節能效益，尤其是與沒有蓄冷的常規空調制冷系統的能效對比，目前還沒有一個全面準確的評價體系。JGJ 158—2018《蓄能空調工程技術標準》中給出了根據年移峰電量計算電網節約耗煤量的估算公式[5]，GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》中給出了蓄冷系統能耗指標的修正系數(0～0.06)[6]，浙江省DB 33/1070—2010《大型公共建筑能耗測評標準》中將低谷電耗折減40%后用于能效計算[7]。但是，在實際使用過程中，這些修正很難把實際空調系統的蓄能效益在節能效益中準確體現出來，行業內也沒有統一認識。本文從電網系統峰谷平不同時段煤耗的角度，對蓄冷空調制冷系統的節能效益進行分析，通過提出一個等效COP模型，與常規空調系統進行分析比較，以期為不同蓄冷空調系統提供一個較為全面的節能效益評估依據。

1 蓄冷空調制冷系統的節能量計算

1.1 蓄冷空調制冷系統削峰填谷的節能計算

2018年國家能源局《關于提升電力系統調節能力的指導意見》要求實施火電靈活性提升工程，改造后的純凝機組最小技術出力達到額定容量的30%～40%，機組不投油穩燃時純凝工況最小技術出力達到額定容量的20%～30%。目前燃煤電廠深度調峰已經大范圍推行，文獻[8]介紹了浙江省燃煤機組深度調峰的整體情況。深度調峰意味著增加發電單位煤耗，而采用蓄冷系統后，電網實現了移峰填谷，降低了電廠調峰量，從而減少了耗煤量。

基于我國將在較長一段時間以燃煤機組為主體能源，根據蓄冷系統移峰填谷后實現的耗煤量節約，定義蓄冷空調制冷系統的等效COP如下：

式中 COPeff為蓄冷空調制冷系統的等效COP；Q為制冷系統供冷量，kW·h；W為制冷系統耗電量，kW·h；下標P表示峰段，F表示平段，V表示谷段，s表示儲冷系統；ΔW為移峰填谷節約的耗電量，kW·h。

按照1 000MW燃煤機組滿負荷的耗煤量計算，移峰填谷節約的耗電量為

式中ΔE為移峰填谷節約的耗煤量(以標準煤計)，kg；α(100%)1 000 MW為1 000 MW燃煤機組100%負荷運行時的發電單位煤耗，kg/(kW·h)。

蓄冷空調制冷系統移峰填谷節約的耗煤量為

ΔE=ΔEV,s+ΔEP

(3)

以下分別計算移峰填谷時段節約的耗煤量。

1.2 峰谷平各時段耗煤量計算

對于有峰谷平電價時段的制冷系統，其總耗煤量可以表示為

E=αFWF+αPWP+αVWV+αVWV,s

(4)

式中 E為制冷系統耗煤量，kg；α為發電單位煤耗，kg/(kW·h)。

系統總制冷量與耗電量分別為

Q=QF+QP+QV+QV,s

(5)

W=WF+WP+WV+WV,s

(6)

制冷系統COP定義為

則峰段制冷與谷段蓄冷的耗電量分別表示為

對于沒有蓄冷的空調系統，各時段制冷量就是各時段用戶冷負荷的需求量。系統制冷量表示為

Q=QP,ref+QF,ref+QV,ref

(10)

式中 下標ref表示沒有蓄冷的參考系統。

高峰時段參考系統制冷耗電量為

結合廣東省DBJ/T15-129—2017《集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準》中空調系統全年一級能效要求[9]，對于深圳市來說，本文全年參考能效COPP,ref取5.0。

1.3 夜間低谷電蓄冷節約耗煤量計算

對于電廠夜間深度調峰，通常有各種容量發電機組的煤耗變化數據。假設電網負荷率f與發電單位煤耗α有如下關系：

α=α(f)

(12)

電網負荷率與發電單位煤耗的關系比較復雜，公認的是負荷率降低，發電單位煤耗增加。對于某容量的燃煤發電機組，式(12)也有一個固定關系，比如文獻[1]指出，隨發電負荷變化，發電單位煤耗在280～350g/(kW·h)之間變化。對于電網來說，不但是面對不同的發電廠，而且每個發電廠還可以有不同型號發電機組的組合，都是電網調度時的變量，導致很難得到一個通用的方程來描述電網負荷率與發電單位煤耗的關系。本文作了簡化，根據文獻[2]，發電單位煤耗與負荷率的關系見圖1。通過擬合，得到關系式為

圖1 發電單位煤耗隨負荷率的變化規律

α=0.308 9f4-0.963 5f3+1.175 7f2-

0.689 9f+0.461 0

(13)

于是：

2.351 4f-0.689 9

(14)

通過夜間儲能形式，電網負荷率從f提升到f+df，則節約耗煤量包括兩部分：一部分是電網負荷率從f提升到f+df后，電網負荷率增量部分df對應的發電單位煤耗從α變化到α+dα；另一部分是原有電網負荷率f對應的單位發電煤耗也從α變化到α+dα，折合到電網負荷率增量部分df的發電單位煤耗降低量為dα(f/df)。

于是電網負荷率從f提升到f+df，單位發電煤耗節約量dαs為

根據式(14)，dα(f/df)隨負荷率增加而降低，在負荷率為20%時，達到0.065 kg/(kW·h)；在負荷率為50%時，達到0.041 kg/(kW·h)。

另外，從負荷率50%增加到負荷率100%，發電單位煤耗α降低0.018 kg/(kW·h)。如果通過夜間儲能形式把機組負荷率從50%提升到100%，對于電網來說，儲能負荷增量的發電單位煤耗節約量保守估計為0.059 kg/(kW·h)。

對于夜間蓄冷空調系統來說，通過蓄冷節約的耗煤量為

ΔEV,s=WV,sΔαV,f1-f2

(16)

式中ΔαV,f1-f2為電網負荷率從f1增大到f2時發電標準煤耗的變化量，kg/(kW·h)。

這里保守估算ΔαV,f1-f2取0.059kg/(kW·h)。

1.4 高峰時段削峰節約耗煤量計算

根據國內電廠各容量機組發電單位煤耗情況，隨著機組容量的降低，發電單位煤耗增加。電網調度時，按照優先考慮高效率大機組的原則，高峰時段，在1 000 MW超臨界機組運行的基礎上，假設增加300 MW超臨界機組，則電網增加負荷的煤耗增加，保守計算，發電單位煤耗增加量ΔαP可表示為

ΔαP=α(100%)300 MW-α(100%)1 000 MW(17)

式中 α(100%)300 MW為300 MW燃煤機組100%負荷運行時的發電單位煤耗，kg/(kW·h)。

對于300 MW的超臨界機組，100%負荷運行時發電單位煤耗為0.32 kg/(kW·h)，比1 000 MW超臨界機組增加0.04 kg/(kW·h)以上。這里保守估算ΔαP為0.04 kg/(kW·h)。

對于高峰時段的蓄冷空調系統來說，通過釋冷節約的煤耗量為

ΔEP=(WP,ref-WP)ΔαP

(18)

根據式(16)、(18)、(3)、(2)、(1)，可以計算得到等效COP。

2 前海區域供冷3號站等效COP計算

前海區域供冷系統3號站供冷面積90萬m2，設計供冷能力67 MW，采用電制冷+冰蓄冷+水蓄冷，包含4臺6 330 kW雙工況制冰主機、1臺7 034 kW水蓄冷主機、2臺7 034 kW基載主機，以及外融冰蓄冰盤管和水蓄冷設備，設計日冰蓄冷量13.6萬kW·h，水蓄冷量6.0萬kW·h；全年水蓄冷量1 620.8萬kW·h，冰蓄冷量4 028.7萬kW·h；水蓄冷全年蓄冷COP為6.2，冰蓄冷全年蓄冷COP為4.6。

根據設計，3號站100%、75%、50%、25%負荷日峰谷平各時段空調供冷量、融冰供冷量、蓄冷量、蓄冷與供冷耗電量，以及蓄冷與供冷COP見表1。

表1 3號站設計參數

根據不同負荷日的工作天數(100%、75%、50%、25%負荷運行時間分別為13、95、95、98 d)，得到全年各時段的冷量分配、耗電量分配及COP數據。由表1數據計算，3號站全年系統COP為4.25。需要說明的是，該COP為設計數據，全年供冷量1.22億kW·h，全年耗電量2 886.2萬kW·h，數據來源于前海3號制冷站的施工圖設計。由于采用了各種優化手段，該項目設計系統COP較以往的制冷站設計有了大幅提升。除了增加水蓄冷系統外，設計優化中還采用了高效設備、變頻電動機、流體阻力優化、系統設計優化配置、系統運行策略與參數優化等手段。

全年供冷量中有47%的冷量由夜間蓄冷提供，蓄冷耗電量占全年耗電量的50%。通過移峰填谷，全年白天高峰時段供冷量的54%由蓄冷提供，平段供冷量的43%由蓄冷提供。全年蓄冷系統的COP為3.95，低于白天空調制冷的系統COP(4.59)。

根據前海3號站設計數據，對標沒有蓄冷的常規制冷系統。其中常規制冷系統的全天供冷能效按照COP為5.0計算，峰段節電量等于常規制冷系統峰段供冷量除以5.0減去3號站峰段空調制冷量除以4.59。計算得到等效系統COP為4.91，見表2。

表2 3號站等效COP計算

以上分析表明，采用蓄冷的空調制冷系統，考慮削峰填谷的節能效益后，系統能效提升16%，達到4.91，相當于廣東省DBJ/T 15-129—2017《集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準》中的一級能效要求[9]。

如果按照浙江省DB 33/1070—2010《大型公共建筑能耗測評標準》，將低谷蓄冷耗電量折減40%，則全年系統COP達到5.3。

根據設計，3號站分兩期建設，其中一期采用1臺7 034 kW基載主機、1臺7 034 kW水蓄冷主機、2臺6 330 kW雙工況機組，以及相應水蓄冷和冰蓄冷裝置，設計日冰蓄冷量6.8萬kW·h，水蓄冷量6.0萬kW·h。在第3年，二期投產，地塊用冷需求大約在第10年達到滿負荷。圖2顯示了3號站全年供冷量與全年蓄冷量隨運行時間的變化。在第1年和第2年，蓄冷裝置基本按照一期蓄冷裝機容量滿負荷運行；第3年開始，所有蓄冷裝置投產，全年基本按照設計滿負荷蓄冷運行。另一方面，從第1年到第5年，全年供冷量持續增加，第5年開始，增加速率減緩，意味著全年蓄冷供冷比例逐漸降低。

圖2 全年冷量隨運行時間的變化

根據表2的計算方法，得到不同運行年份的全年系統COP和全年等效系統COP，如圖3所示。全年系統COP在不同運行年份略有不同，主要與蓄冷供冷比例有關，但是全年等效系統COP基本保持在4.9，表明了低谷電蓄冷對系統節能的影響。

圖3 全年系統COP隨運行時間的變化

3 結語

蓄冷供冷系統比無蓄冷供冷系統耗電量多，但是耗煤量少，如何比較蓄冷與無蓄冷供冷系統的能源效率，需要一個全面準確的能效模型。本文提出了一個等效COP的模型，結合峰谷平各時段供冷系統的全年供冷量、制冷量、蓄冷量及對應的COP，考慮峰谷平不同時段電網的供電煤耗，以及移峰填谷對電廠節約煤耗的影響，為蓄冷與不蓄冷空調系統進行能效比較提供依據。根據前海區域供冷系統3號站設計參數，在考慮蓄冷的節能貢獻后，系統COP從4.25提升到4.91，基本達到廣東省DBJ/T 15-129—2017《集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準》中的一級能效要求。根據設計數據，3號站投產后，每年的等效系統COP保持在4.9左右。在碳達峰碳中和的趨勢下，電網中可再生能源比例快速增加，未來可再生能源的使用量將成為衡量系統能效的一個指標，會對用耗煤量評價能源系統效率產生影響。對于蓄冷供冷系統來說，除了移峰填谷的節能效益外，還降低了電源側與電網的調峰裝機容量需求[10-11]，平衡了電網供需，蓄冷系統也是在用戶側的儲能，增加了用戶側負荷的柔性，采用大規模蓄冷，將為大規模消納可再生能源創造條件。