基于相變蓄冷技術的建筑空調系統負荷柔性改造方案探究

摘要：相變材料作為一種新型儲能材料，將其應用于空調系統可以實現控制環境溫度或儲存冷量的作用，還有利于提高建筑制冷電負荷調控能力。研究建筑空調系統冷卻水側耦合相變蓄能改造方案表明，在70 000 m2的辦公建筑中央空調系統冷卻水側配置20～40 m3體積的相變蓄冷罐，可通過降低制冷機組入口冷卻水溫度，實現削減空調系統3%電負荷30～60 min。

關鍵詞：相變蓄冷技術;相變材料；調峰;柔性分析實現“雙碳”目標，中國必須實施能源轉型戰略，建設新型能源體系。未來，大比例新能源接入電網，供給側和需求側的同步互動是解決風光新能源消納的關鍵。

夏季，城市建筑空調負荷在電力消耗中的比重越來越大，加劇了電力調度與電力緊張局面。商業及辦公類公共建筑集中制冷機房一般占據建筑能耗的30%～50%。若能增加建筑制冷負荷調控區間，在空調制冷高峰時主動調控負荷，平滑建筑電力需求，便能助力風光新能源消納。隨著新能源、人工智能等技術進一步發展，在未來的新型零碳電力系統中，建筑將從簡單的電力消費者轉化為發電、蓄電、調節和消費四位一體的重要角色，挖掘和提升建筑負荷的調節能力對于電網大比例風光新能源消納起到巨大支撐作用。

相變蓄冷技術可以增加建筑空調系統的負荷調節能力。目前，冰作為一種最常規的儲冷介質，相變溫度為0 ℃，低于常規空調系統中冷凍水7～12 ℃的溫度工況。因制冷機組蒸發溫度過低，需配置雙工況制冷機且機組蓄冷工況運行效率降低［1］。城市土地價格高昂，為降低建筑成本，大部分建筑機房布置緊湊，進行冰蓄冷或水蓄冷改造受到較多限制。以相變材料作為儲冷介質，可降低建筑蓄冷改造難度，提高制冷系統運行效率。本部分將重點探究建筑空調系統應用相變蓄冷技術后的制冷機組用電負荷變化情況。

1相變儲能材料及相變蓄冷技術

相變材料（PCM）是指能夠在外界條件變化時發生相變的材料。它的基本原理是利用材料的物態變化吸收或釋放熱量。當相變材料在吸收熱量時，溫度升高，狀態由固態變為液態;而當材料釋放熱量時，溫度降低，狀態由液態變為固態［2］。

相變蓄冷技術是利用相變材料（PCM）在物態變化過程中提供的潛熱并加以儲存和利用的技術。通過將相變蓄冷材料與中央空調系統結合，將晚上低谷電轉化為冷量儲存起來，在白天尖峰負荷時釋放冷量，轉移用電負荷，結合分時階梯電價策略能降低建筑制冷成本與能耗［3］。相對于電化學儲能，相變蓄冷技術可以直接存儲冷能，具有安全性高、循環穩定性好的優點。

2中央空調蓄冷相變材料的選擇條件及分類因相變材料能量密度高且溫度可控，與冰蓄冷系統相比，此時制冷機運行效率更高。蓄冷和正常制冷過程均可以利用同一制冷機組，在運行能效和改造投資上均具有優勢。采用該方式進行蓄冷的空調系統可避免水蓄冷儲罐體積大和冰蓄冷機組運行效率低的問題。

目前研究及應用最為廣泛的相變材料是固液相變材料。根據化學成分，固液相變材料可分為無機相變儲冷材料、有機相變儲冷材料和共晶相變儲冷材料。空調相變蓄冷材料應具有相變潛熱高、體積變化小、導熱系數高、化學穩定性高、無腐蝕、無毒、難燃、過冷度低、價格低、供應充足等優良性能。

無機類相變材料中的水合鹽材料因儲能密度高、相變溫度固定、價格低廉、來源廣泛，現用于空調蓄冷的熔點在5～10 ℃范圍內的相變材料，多數由十水硫酸鈉添加其他控制熔點的鹽類組成［4］。

有機類相變材料主要包括石蠟、酯酸類、高分子化合物等。單一有機相變材料的相變溫度普遍較高，在蓄熱領域應用更廣泛。為得到相變溫度合適、潛熱值高、性能穩定的蓄冷材料，通常會將幾種材料混合制成復合相變材料以融合各材料的優點，彌補單一材料的不足。目前，已有公司開發出應用于制冷等場景的相變材料。

3建筑空調系統情況

某集團總部大廈位于北京市朝陽區，總建筑面積73 000 m2，其中地上建筑面積56 000 m2。大廈采用中央空調系統，地下制冷機房現有2臺離心式冷水機組和1臺螺桿冷水機組。離心式冷水機組額定制冷量3 516 kW，電功率626 kW，螺桿式冷水機組額定制冷量1 044 kW，電功率212 kW。

該大廈每年5月1日至9月30日為夏季制冷季，每天機組運行約12 h，夏季最高峰時期運行2臺離心機，其余時間基本只運行1臺離心機組，大廈平均需求冷負荷約4 200 kW，離心式冷水機組夏季典型工況數據所示：冷凍水進水溫度：11.48 ℃，冷凍水出水溫度：8.32 ℃，冷卻水進水溫度：28.4 ℃，冷卻水出水溫度：32.2 ℃，循環水流量：793.4 m3/h，驅動電功率：506.7 kW。

4中央空調系統負荷可調負荷柔性分析

4.1空調系統相變蓄冷改造方案

制冷機組是由壓縮機、冷凝器、節流部件、蒸發器組成。如圖1所示，建筑制冷系統主要分成冷凍水與冷卻水兩套循環系統，制冷機組通過壓縮機將制冷劑壓縮成液態后送到蒸發器中對冷凍水降溫，經蒸發后的制冷劑在冷凝器中釋放出熱量，冷卻循環水升溫后將熱量帶到冷卻塔向大氣環境散熱。

制冷機組供回水溫度一般為7～12 ℃，冷卻塔進出口水溫一般為30～37 ℃。由于制冷機組絕大部分布置在建筑地下室，空間有限，因此在冷凍水側開展蓄冷條件不容易滿足。而建筑中央空調系統中冷卻塔一般設置在建筑樓頂或地面，因此在冷卻水側開展蓄冷改造相對來說更容易找到場地布置蓄能罐。根據冷卻水溫度、夏季北京環境溫度情況，相變材料溫度在20～30 ℃可能較好，儲能釋能循環比較容易建立。選擇20～25 ℃相變溫度的相變材料，相變潛熱約140 kJ/kg。

在冷卻水側耦合相變儲能罐，可以在夏季高峰時降低制冷機冷卻水入口溫度，保持冷機在高效區間運行，提高制冷機組的COP，進而降低制冷機組電負荷。

4.2計算分析

根據經驗，制冷機組隨著冷凝溫度的升高，制冷系數也隨著下降，冷凝溫度每升高1 ℃，機組效率大約下降3.2％［5］。

該建筑夏季平均冷負荷大約4 200 kW，典型工況下冷機COP約5.81，則空調系統通過冷卻塔平均對大氣環境排熱約4 922.9 kW。基于大氣環境溫度不變，相變蓄冷單元需要從循環冷卻水中持續吸收冷卻熱負荷約1 316 kW，即將冷卻水水溫從28.4 ℃降低到27.4 ℃，制冷機COP值從5.8提高到6.0，冷水機組電功率由722.9 kW下降到700.0 kW，降低約3.2%。

考慮相變蓄冷釋冷過程效率85%，以冷卻水溫度降低1 ℃為目標，不同的蓄冷儲罐體積下對應的蓄冷量及降低3%負荷運行時長計算如下表1所示。

因此，可以根據建筑富余空間，設置至少20～40 m3的相變蓄冷罐，尖峰時刻可以消減3%的電負荷需求0.5～1.0 h。

5結論

根據分析，相變蓄冷技術應用于空調系統冷卻水側可以降低建筑空調蓄冷改造難度，還可利用環境冷量增加建筑柔性可控負荷。

相變蓄冷材料可選擇相變溫度20～30 ℃，在建筑空調系統冷卻水側設置20～40 m3的相變蓄冷罐。蓄冷單元與空調原有制冷系統耦合運行，可以實現消減3%的冷機尖峰電負荷30～60 min。

參考文獻：

［1］李沐，李亞溪，李傳常.相變儲冷技術及其在空調系統中的應用［J］.儲能科學與技術，2023，12（1）：181197.

［2］周文凱，王賽羽.相變儲能材料在新能源領域的應用［J］.化學工程，2024，50（2）：9193.

［3］湯磊，曾德森，凌子夜，等.相變蓄冷材料及系統應用研究進展［J］.化工進展，2023，42（8）.43224339.

［4］楊晉，殷勇高.徐笑鋒.空調蓄冷用相變材料的研究進展［J］.制冷學報，2022，43（3）：3744..

［5］鄭慧明，鄒磊，徐禎祥.論蒸發溫度和冷凝溫度對制冷效率的影響［J］.空調技術，2013，34（2）：3235.

作者簡介：沈永兵，男，江蘇南京人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：余熱利用及新能源利用技術。