冰蓄冷空调技术在北京某工程应用的经济性分析
北京建筑工程学院 安强，郝学军
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1 引言
冰蓄冷系统可以削减电负荷高峰,缓解电力紧张,减少电力建设投资。因此自80年代初至今在美国、日本得到了广泛应用。目前我国不少省市已实施分时电价，以鼓励用电单位在负荷低谷时用电，北京等一些城市更是明确规定利用电力制冷的单位必须安装冰蓄冷系统，否则将控制高峰用电量。
由于影响冰蓄冷空调系统经济性的因素较为复杂，现有的经济性分析与优化的研究还不够深入，本文正是针对此问题展开研究工作，就冰蓄冷空调系统进行经济性分析与系统优化研究。通过对工程实例的分析计算，确定系统的最佳设计方案，同时计算出冷槽释冷与冷机供冷负荷分配的最优解，为系统经济运行提供参考。
2 空调负荷的计算
对蓄冰空调系统进行技术经济分析评估, 首先需要进行详细的负荷计算: ①根据典型日空调负荷计算确定蓄冰率，并在此基础上进行设备的选型；②计算全年供冷季的动态负荷, 作为对系统能耗及运行电费分析的基础。
DeST软件是进行建筑模拟的一种有效的工具，它能够对建筑空调系统进行“分阶段的模拟”，对各部分进行合理的优化，从而达到整体的优化。它基于建筑热平衡的状态空间法，该方法是清华大学江亿院士从现代控制理论引入到建筑热过程动态模拟当中，是一种在时间上连续，空间上离散的动态模拟计算方法，与以前的计算方法（反应系数法，谐波反应法，有限差分法）相比，具有计算速度快，计算结果的稳定性和误差不受时间步长的影响，可直接求解。所以,本文采用清华大学“建筑环境设计模拟分析DeST软件”，对北京某工程建筑空调负荷进行全年的逐时计算。
3 蓄冷系统经济性分析的数学模型
蓄冷空调系统的经济性主要决定于系统的一次投资费用和运行费用。
3.1 系统的初投资
初投资包括设备费、土建费、安装费（含材料费）等。
3.1.1 制冷机组的初投资
制冷主机制冷量TR的确定：
在冰蓄冷系统中，制冷主机一般为双工况机，即制冷工况和制冰工况，所以应计算两种工况下的制冷量。根据两种工况下的制冷量进行选择。
制冷工况时的制冷量：
TR1=(1－x)(Q/hd) (1)
制冰工况时的制冷量：
TR2=(xQ)/(0.98*k*hn) (2)
其中：x为蓄冰率（是蓄冰系统蓄冷装置有效容量与设计日建筑总冷负荷的比值）
Q为典型日空调总负荷
k为主机制冰时容量变动率或降低系数,定义为制冰容量与标准容量的比。其值应取自实际的压缩机特性曲线。
hd为制冷主机制冷工况运行的小时数
hn为制冷主机制冰工况运行的小时数
0.98为考虑到制冰容量损失及冷量的不能完全释放，取一个修正系数0.98(本文中采用的蓄冷装置释冷特性较好,保温性较好,因而计算的冷损失较小)。
因而，制冷机组的设备费为
Cch=max(TR1,TR2)*Mch (3)
Mch为单位容量制冷机组的费用
3.1.2 蓄冷设备的初投资
Cs=xQ/0.98*Ms (4)
Ms为单位蓄冷量蓄冰设备的费用
3.1.3 增加设备用房投资
增加的设备用房的面积为F= xQ/0.98*j，其中j为单位蓄冷量需增加的用房面积。
则增加设备用房的投资为:
Cj=F*Mj (5) Mj为单位面积建筑造价
3.1.4 安装费的计算
安装费按设备折算，取设备费的20%计
所以，系统的初投资为:
Cfe=1.2*1.3*(Cch+Cs)+Cj (6)
式中1.3为对其它辅助设备初投资的附加系数,1.2为考虑到设备安装费的修正系数。
在实际工程的设备选择中,年运行费用在没有确定设备的情况下数学模型的求解极为复杂。在本文中采用已有应用的估算法,即将等额年金折算到每天,以标准设计日的运行费用作为评价的标准(设备的选择应以设计日为准)。但这有其不完善之处,因为设计日的运行费用并不等同于非设计日的运行费用,因此在本课题中考虑一个修正系数a,假设运行费用与负荷的大小成正比,其值为:
a=空调季冷负荷的总和/设计日冷负荷的和/days
(7)其中
为寿命周期内不考虑设备残值的初投资折算成的等额年金
为寿命周期内不考虑设备残值的初投资折算成的等额年金n为寿命周期年数
i为基准贴现率
days为空调季运行天数
3.2 冰蓄冷系统的控制运行策略
部分负荷蓄冷系统的控制就是解决冷负荷在冷机和蓄冰槽之间的分配问题，常见的控制策略有冷机优先、蓄冰槽优先和优化控制。前两种控制策略都有其局限性，不能很好的解决此问题。故本文采用了优化控制。
优化控制是提出某目标函数，在一定约束条件下，使其目标函数达到极值。为了使冰蓄冷系统最大限度的发挥作用，使用户的电费最少，就需要对冰蓄冷系统进行优化控制。本文首先提出了优化目标和约束条件，然后利用DeST计算得到的全年的逐时负荷，用Matlab对每天的运行费用进行了求解，最后得到了整个空调季的运行费用，并对结果进行了分析。
(8)其中：Rch(i)为某地区i时刻的电价（元）
R低谷为某地区低谷时刻的电价（元）
E制冷为所有制冷主机制冷时的总的电功率
E制冰为所有制冷主机制冰时的总的电功率
TR1总为制冷工况时的总的制冷量
TR2总为制冰工况时的总的制冷量
E制冷/TR1总为冷机供单位冷负荷的费用
E制冰/TR2总为蓄冰槽供单位冷负荷的费用
Q机(i)为i时刻冷机负担地总负荷
Q蓄(i)为i时刻蓄冰槽负担地冷负荷
1.2为包含辅助机组(风机、水泵等)电耗地附加系数优化地约束条件是:
0≤Q机(i)≤TR1总
0≤Q蓄(i)≤Q(i)kmax
Q(i)kmax为蓄冰槽i时刻的最大融冰供冷能力
Q(i)kmax与融冰槽中剩余的冰量有关,也就是与蓄冰槽以前的融冰量有关,需要用融冰的供冷曲线进行分析.本文采用是美国Calmac (高灵牌) 1190A型蓄冰筒,它在回水10℃和供水6.7 ℃下的融冰供冷曲线用最小二乘法拟合为
x1=563[1－exp(-0.316t)] （9）
y1=dx1/dt=177.8e-0.316t=177.8[1－(x1/563)] （10）
x1为已融冰供冷量kWh
y1为各时刻最大融冰供冷量kW
T为蓄冰槽运行时间 h
(11)得到优化问题为
(12)4 冰蓄冷的设备选择
对蓄冷系统设备的选择,要根据建筑物设计日全天逐时负荷，对设计日全天的初投资和运行费用进行优化，确定其蓄冰率，从而进行制冷主机和蓄冰装置的选择。
4.1 蓄冰率的确定
蓄冷率就是蓄冰系统蓄冷装置有效容量与设计日建筑总冷负荷的比值。蓄冷率为O时，为常规空调制冷方式；为1时，为全蓄冷方式；介于O到1之间时，为部分蓄冰方式。蓄冷率是反映蓄冰系统特性和经济性的特征值之一，充分反映了负荷分布特性、全年负荷变化以及运行费用及电价分布情况，它的大小决定制冷系统设备容量的配置。必须在对系统的初投资和运行费用综合衡量的情况下，确定是系统实现最大效益的蓄冰率。本文通过lingo优化软件和matlab软件对设计日的初投资和运行费用进行了优化计算。目标函数及约束条件如下
(13)4.2 制冷主机和蓄冰装置的选择
前面我们用DeST软件对全年的逐时负荷进行了计算，从而得到了典型日的逐时供冷负荷。根据计算的得到的蓄冰率和公式（1）（2）进行制冷主机的选择。
按所选定的蓄冰槽形式及可能的总取冷量计算所需蓄冰槽的型号和台数。总的取冷量为xQ。
5 系统的运行费用及能耗的计算以及和常规能源的比较
蓄冰系统用电量的基础数据是全年逐时负荷。用电量按天计算, 以电价时段划分进行分段统计,按照前面所述的优化控制策略计算每天的最小耗电量，最后计算整个空调季的耗电量和运行费用，作经济性分析。
在相同的条件下，选择常规能源(离心式电制冷)常规能源系统，并用matlab编程计算其空调季的电耗,与冰蓄冷进行比较，从而分析冰蓄冷系统的经济性和可行性。
6 工程实例
6.1 工程的概况
该位于长安街，总建筑面积14.957万平方米，其中地上面积8.839万平方米（有较大的中庭）。地下建筑面积6.118万平方米。建筑体形系数为0.15。全部为自用写字楼，办公人数在4000人左右。
空调季从5月1日至9月30日,通过用DeST软件计算得到夏季空调季最大设计负荷为12273.82kW，设计日的总负荷为63939.98kWh，空调季的总负荷为6392226.25kWh。空调面积为92147.14m2。
空调days为152天，计算的a为0.653，hd为12，hn为8，Mc为700元/kw，Ms为122.4/kwh，j为0.0073 m2/kwh，Mj为4000 元/m2，i为6%，A/P(6%,20) = 0.087, A/P(6%,∞)=0.06, A/P(6%,50)=0.0634. (其中20为设备的寿命年限，50为建筑物的折旧年限)
北京电网电价结构表
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时段
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尖峰时段
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高峰时段
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平段时段
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低谷时段
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7月1-9月3日
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11时-13时
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10时-15时
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7时-10时
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23时-7时
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20时-21时
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18时-21时
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21时-23时
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电价
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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 系统方案的确定
根据公式（13），得到系统的最佳蓄冰率为0.4，据此进行了方案的确定和设备的选择。
冷源采用冰蓄冷系统。蓄冰工况时，供冷温度为-8℃；融冰工况时，供冷温度为1.1℃，冰蓄冷装置的蓄冰总容量为8100TH。冰蓄冷装置和制冷主机采用串联连接方式，为提高制冷机的效率，系统布置形式采用了制冷主机设在上游，冰蓄冷装置设在下游的连接方式。蓄冷系统采用闭式系统，其载冷剂采用溶液浓度为30%的乙二醇水溶液。
主要设备表
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螺杆式双蒸发器冷冻机
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冷凝器进口温度 制冷/制冰℃
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32/30
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冷凝器出口温度 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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蒸发器——制冰工况 制冷量Kw
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1758
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蒸发器——制冰工况 流量m3/h
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600
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蒸发器——制冷工况 制冷量Kw
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2800
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蒸发器——制冷工况 流量m3/h
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380
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压缩机——制冰工况 功率K
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700
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压缩机——制冷工况 功率Kw
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600
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台数
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2
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蓄冰槽
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选择美国Calmac (高灵牌) 1190A 型蓄冰筒51个，总的蓄
冰量为8100RT。
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6.3 冰蓄冷系统空调季运行费用的计算分析
通过优化控制策略,确定了冰蓄冷系统的运行方案，根据DeST计算得到的全年的逐时冷负荷，利用matlab软件对其全年空调季的运行费用进行了计算，得到全年空调季总的运行费用为1059531元人民币。耗电量为2215601.55kwh
6.4 常规能源(离心式电制冷)的运行费用计算分析
在相同的条件下进行了设备的选择如下表所示，用matlab编程计算得到其全年的运行费用为1610568.3元人民币。耗电量为1639808.9kwh
6.5 对比分析
冰蓄冷系统比电制冷系统空调季多耗电：2215601.55-1639808.9=575792.65kwh≈58万kwh；
冰蓄冷系统比电制冷系统空调季节电费：1610568.3-1059531=551037.5元≈55万元
年运行费用节约551037.5/1610568.3×100%=34.21%
从分析的结果可以看出，冰蓄冷系统具有移峰填谷的作用，降低冷冻站高峰电力的需求量；充分利用夜间低谷电力电价差，节约制冷运行费用，为用户提供稳定的低温冷源和提高制冷系统的可靠性等。
7 结论
(1)本文采用清华大学“建筑环境设计模拟分析DeST软件”，对空调负荷进行全年的逐时计算，得到了全年的冷热负荷，突破了常规的计算负荷的方法，从而使全年的运行费用的计算更加的准确可靠。
(2) 蓄冷率是反映蓄冰系统特性和经济性的特征值之一，充分反映了负荷分布特性、全年负荷变化以及运行费用及电价分布情况，它的大小决定制冷系统设备容量的配置。必须在对系统的初投资和运行费用综合衡量的情况下，确定是系统实现最大效益的蓄冰率。本文通过lingo优化软件和matlab软件对设计日的初投资和运行费用进行了优化计算。
(3)冰蓄冷系统的运行策略是经济性分析的关键因素,本文用最优化的方法对其进行了优化控制,最大限度的发挥了融冰供冷能力,节约了运行的费用.
(4)通过和常规能源的对比可得,冰蓄冷系统具有移峰填谷的作用，降低冷冻站高峰电力的需求量；充分利用夜间低谷电力电价差，年节约运行费用34.21%，为用户提供稳定的低温冷源和提高制冷系统的可靠性等。
参考文献
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