冰蓄冷空调在高峰谷负荷差地区应用的经济性

丁庆，段绍辉，王执中，孙冠男，王金晖，王勇

（1．深圳供电局有限公司，深圳518000；2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津300384）

冰蓄冷空调在高峰谷负荷差地区应用的经济性

丁庆1，段绍辉1，王执中2，孙冠男2，王金晖2，王勇2

（1．深圳供电局有限公司，深圳518000；2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津300384）

冰蓄冷空调采用冰作为储能介质，使用大型空调机组在供电低谷期制冰蓄冷，在供电高峰期释冷以满足冷负荷需求，对电网起到削峰填谷的效果。以深圳地区作为对象，针对当地的电价政策进行调研，通过对商用办公建筑的冷负荷需求预测数据分析，完成冰蓄冷空调的典型设备方案和造价确定，基于不同的运行策略、年用电量预测和电价政策，完成投资收益及经济性指标计算。研究表明，冰蓄冷技术在深圳的应用可以产生良好的经济效益，大规模推广后，其削峰填谷的效果将对深圳电网的健康运行和有序发展起到良好作用。

冰蓄冷空调；电价政策；运行策略；削峰填谷

冰蓄冷空调技术是20世纪80年代发展起来的一项技术，通过采用冰作为储能介质，使大型空调机组在用电低谷期储存能量，并在电网的供电高峰期供应冷负荷，从而降低楼宇夏季用电高峰时的负荷峰值，使电网移峰运行，并通过用电峰谷差价产生一定收益。

近年来，我国广东等地夏季空调负荷不断增加（据相关统计分析，空调负荷部分城市最高可达用电负荷的30%以上），负荷密度及最大负荷水平逐年增大，夏季负荷高峰期频频出现拉闸限电，陈健等以广州电网为研究对象，进行了详尽的负荷分析[1]。针对此情况，部分学者对通过储能设备削峰填谷[2]和相应的峰谷电价[3]进行了研究。随着城市峰谷电价差距的进一步增大，配变容量电价的产生为冰蓄冷的应用创造了机会。空调系统的能效比COP（coefficient of performance）根据运行效率有所波动，目前大型中央空调系统的平均COP约在4.9左右，冰蓄冷空调在4.0以上，虽然能效比略低于中央空调系统，但作为可控负载，冰蓄冷空调的削峰填谷作用和其经济性不容忽视。该技术的实际应用和统一管理将对相关地区的电网运行产生良好的移峰作用，同时也为使用户产生一定的经济效益。

目前，对冰蓄冷技术的研究主要结合办公建筑的能耗分析和空调系统能耗指标分析[4，5]、减少碳排放、移峰填谷及运行费用分析等方面展开[6，7]，至于实际的特定地区是否适用冰蓄冷技术及其推广效果尚未进行论证。

本文考虑到低纬度地区对空调需求程度较高，同时结合高峰谷差对电价所产生的影响，选取中国南方的广东省深圳市为例进行分析。基于深圳地区的电价政策并结合典型商用办公楼的DeST软件冷负荷预测数据[8]，对冰蓄冷技术的典型工程应用和运行情况进行经济性进行研究，对该技术在深圳的工程应用、项目推广的可行性和效果进行讨论和分析。

1 电价政策概述

截止2012年，深圳电网针对不到2 000 km2的供电范围，供电量700亿kW·h、最高负荷1 360万kW、供电户数260万户，呈现出鲜明的城市电网高负荷密度、高负荷峰谷差特点。此外，深圳夏季气候炎热，空调负荷占相当大的比重。

2010 年深圳电网的年最大峰谷差达到5 209 MW，日负荷曲线呈现出峰谷明显的三峰态势。不但具有高峰谷电价差，同时紧张的用地情况也制约了变电设备的建设，产生了变压器容量电价。

根据变压器容量的不同，容量为101～3 000 kVA，按变压器容量24元/kVA·月的价格收取容量电费，容量为3 001 kVA及以上，按最大需量44元/kW·月的价格收取容量电费；蓄冷空调用电谷期电价按0.278 8元/kW·h执行；一般商业及其他性质负荷的峰谷电价则按表1进行计费。

表1 深圳市电价价目Tab.1Electricity price in Shenzhen

其中峰期为9：00—12：00，14：00—16：00，19：00—21：00；谷期为23：00—7：00；平价期为7：00—9：00，12：00—14：00，16：00—19：00，21：00—23：00。

在多种电价因素共同影响下，冰蓄冷在深圳的应用效果将更具优势。考虑到一般商用负荷大小适中，因此选择用电量250 kW·h以上、装机容量101～3 000 kVA的负荷进行分析。

2 应用场景分析

2.1 冷负荷量需求预测

以深圳办公类商业建筑作为研究对象，选用DeST-c版本（应用于商业建筑的商建版本）进行建筑负荷模拟研究。针对一般办公楼的典型情况，通过CAD对已知信息采用实际参数，对建筑描述、室外气象数据、室内热扰量以及室内要求温湿度进行设定，通过软件模拟计算该建筑物全年逐时基础室温、空调系统负荷等的变化情况，并对本应用场景下的冷负荷需求量进行确定。

以供应冷负荷场地约2 000 m2的商用办公楼作为研究对象，根据软件的仿真结果，全年各月份工作日、非工作日及高峰的典型日需冷量如表2所示。

表2 2000 m2典型办公楼的需求Tab.2Data in the 2 000 m2typical office building kW·h

以一年中出现最大冷负荷需求的7月为例，其工作日和高峰日的典型冷负荷曲线如图1所示。

图1 7月典型冷负荷曲线Fig.1Typical cooling load curve in July

冷负荷的负荷峰值为188.18 kW，日最大需冷量1 564.33 kW·h，均出现于7月份。

2.2 冰蓄冷设备运行方式选取

冰蓄冷系统的运行策略主要包括全量蓄冰策略和部分蓄冰策略。在仅考虑峰谷电价的政策时，采用全量蓄冰策略后，系统将高峰期的冷负荷需求完全转移至低谷期，制冷机组在高峰期不运行。

如采用全量蓄冰策略作为典型的冰蓄冷运行方式，根据全量蓄冰要求，夜间23：00—7：00的谷期进行蓄冷，白天7：00—21：00释冷，在冷负荷需求的高峰期通过电空调补足。其运行的不同状态如图2所示。

图2 全量蓄冰运行策略示意Fig.2Sketch map of operating strategy for full ice storage

如采用部分蓄冰的方式，如图3所示，同样在夜间进行蓄冰以享受优惠的电价政策，白天通过冷机在电价平价期的启动对冷负荷进行供应。这样夜间所制的冰将专门满足出现高峰电价时的冷负荷需求，减少高峰电价出现时的系统用电电量。

图3 部分蓄冰运行策略示意Fig.3Sketch map of operating strategy for partial ice storage

2.3 冰蓄冷典型配置方案

在不计入冷负荷需求高峰时段的电空调和冷机补充供冷情况下，年度制冷量约17.97万kW·h，最大冷负荷188.18 kW。

根据以上的冰蓄冷的制冷需求量和运行方式的约束，按冰蓄冷的COP取值为4.0，制冷效率83.1%，进行仿真分析，推荐选取蓄冰量900 kW·h的蓄冰桶进行蓄冷，并配置100 kW制冷机组及相应的水泵、冷却塔、板式换热器等设备。具体设备清单及初装造价费用见表3。

按一般施工费取费标准进行计费，施工费用为设备费用的15%，约5.22万元。设备初装造价合计为34.8+5.22=40.02万元。

表3 典型设备清单及造价Tab.3List and cost of typical equipment

3 经济性分析

3.1 主要经济指标计算

全量制冷方式白天运行在释冷状态，可减少电负荷70 kW；部分制冷方式因选择电价更低的方式，此时针对电网系统是负荷峰值，但与用户的负荷峰值不能完全对应，仅能减少电负荷约30 kW。另统计冰蓄冷空调在全量制冷方式中，根据峰谷电价的小时数考虑制冷耗电，则峰期和平期各占总耗电量的50%。

根据容量电费和冰蓄冷用电电费的情况，按照不同时段的电费进行计算，完成对冰蓄冷空调的经济性分析。其边界条件为q=17.97万kW·h；ΔPE=0，ΔPIA=70 kW，ΔPIP=30 kW；COPI=4.0，ηI= 83.1%；COPE=4.9，ηE=71.4%。计算公式为

式中：q为所需制冷量；COPx为不同类型空调系统的能效比；ηx为不同类型空调系统的制冷效率；Px为总购电量；Fx为不同类型空调系统的总购电电价；Pxi和Txi为不同峰谷电价时段的购电电量和单位电价；Fx′为所节约的容量电费；Tx′为单位容量电费，取24元/kVA·月；ΔPx为不同空调系统及运行方式下所减少的电负荷。

研究中央空调和冰蓄冷空调建设后所产生的经济效益优势，需要对比中央空调和全量制冷与部分制冷2种运行方式下的蓄冰空调经济性，可从减少用户用电成本出发，对比不同运行方式所产生的费用差异，如表4所示。

冰蓄冷空调系统的设备运行费用为15 072元/a。此外，相比于一般的电空调不具备调峰功能，冰蓄冷空调的制冰期是系统的谷期，且冷负荷需求的峰值不产生电负荷，可节约相应的配电变压器容量配置。所产生的收益为正常空调用电电费与所减少的配变容量电费之和：

表4 系统运行耗电量统计Tab.4Statistics of power consumption at operation system

年收益=中央空调购电电费+节约容量电费由前文的各项计算结果得到经济指标计算的边界条件为：初期建设投资为40.02万元；年均运行成本为1.507万元；全量制冷年收益为6.948 5万元；部分制冷年收益为6.358 4万元；投资期为1 a；回收期（寿命）为20 a；年化收益率为7%；税费等费率为按一般费率计费。系统的主要经济指标如表5所示。

表5 系统主要经济指标Tab.5Main economic indicators of system

综合考虑深圳电价政策，全量制冷方式虽然节约的运行电费较部分制冷方式要少，但全量制冷在高峰期不会启动双工况制冷机，减小了冰蓄冷空调系统的峰值负荷，对配变容量需求更小，可节约更多的容量电费，从经济性角度要优于部分制冷方式。如无容量电费政策，部分制冷可通过协调控制，使所储存的冷量更多用于电价高峰期对冷负荷进行供应，反而可节约更多的费用。

3.2 经济效益分析

通过充分调动冰蓄冷空调等可控负荷参与系统调峰，能有效缓解峰谷差的影响，减少各级变电站的建设需求，节约电网公司的大量资金投入，极大地减少输变电设备对空间、土地资源投入的占用。

参照《中国南方电网城市配电网技术导则》的要求，深圳电网规划中的容载比指标选取如下：500 kV电网为1.5～2.0；220 kV电网为1.6～1.9；110 kV电网为1.8～2.1。根据调研所得的深圳平均负荷与系统峰值负荷的差值2 500 MW及《南方电网变电站标准设计》等资料进行计算，如采用蓄冰空调进行峰谷调节，可减少各级变电站建设约45座，减少土地需求合计（24.96～40.00）×104m2。

表6 变电站缩减的建设规模Tab.6Reduced scale of substation

4 结论

在空调应用广泛且利用率较高的地区，空调负荷已经成为了影响电网的主要因素之一。虽然蓄冰空调的能效比略低于中央空调，但应用蓄冰空调系统可以有效缓解电网的压力，并且能起到削峰填谷和减少配变装见容量的作用，对具有峰谷电价政策的地区可以直接减少用户的用电费用。通过以上对蓄冰空调经济分析，可得到如下结论。

（1）提出了冰蓄冷空调经济分析的计算方法，并分析了不同运行方式所产生的经济效益。在高峰谷差电价和配变容量电价存在的情况下，系统工作在全量蓄运行方式下将能产生更好的经济收益。

（2）冰蓄冷技术的广泛应用，可对电网起到很大程度的削峰填谷作用，减少各级配变建设，节约土地资源。

（3）基于深圳的电费政策，冰蓄冷空调技术在深圳的应用将具备良好的投资回报，内部收益率可达到13.08%。

本文对冰蓄冷技术在深圳应用的方案进行阐述，对运行的年化收益进行了宏观分析，但对具体的建设模式和不同蓄冰设备容量的建设方案未进行细分。在后续的研究中，可对本课题继续深化，建立多种冰蓄冷方案的模型和更多运行策略，并可在推广后结合实际工程进行模型修正，对冰蓄冷技术的实际应用进行更深入的探索。

[1]陈健，刘明波，樊亚亮，等（Chen Jian，Liu Mingbo，Fan Yaliang，et al）．广州电网负荷特性分析（Studies on load characteristics of Guangzhou power network）[J]．电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（6）：78-83．

[2]鲍冠南，陆超，袁志昌，等（Bao Guannan，Lu Chao，Yuan Zhichang，et al）．基于动态规划的电池储能系统削峰填谷实时优化（Load shift real-time optimization strategy of battery energy storage system based on dynamic programming）[J]．电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2012，36（12）：11-16．

[3]丁宁，吴军基，邹云（Ding Ning，Wu Junji，Zou Yun）．基于DSM的峰谷时段划分及分时电价研究（Research of peak and valley time period partition approach and TOU price on DSM）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2001，25（23）：9-12，16．

[4]梁珍，赵加宁，郭骏（Liang Zhen，Zhao Jianing，Guo Jun）．高层办公建筑能耗调查与节能潜力分析（Investigation on Shenzhen high-rise office building energy consumption and analysis of energy saving potentialities）[J]．节能技术（Energy Conservation Technology），2001，19（1）：19-22．

[5]薛志峰，江亿（Xue Zhifeng，Jiang Yi）．商业建筑的空调系统能耗指标分析（Study on the air conditioning energy consumption guideline in commercial buildings）[J]．暖通空调（Heating Ventilating&Air Conditioning），2005，35（1）：37-41．

[6]樊瑛，龙惟定（Fan Ying，Long Weiding）．冰蓄冷系统的碳减排分析（Carbon dioxide emissions reduction analysis of ice storage system）[J]．同济大学学报（自然科学版）（Journal of Tongji University（Natural Science）），2011，39（1）：105-108，134．

[7]董云达（Dong Yunda）．户用式冰蓄冷空调移峰填谷作用及运行费用分析（The function of transfer peak power to off-peak of residential ice-storage air conditioner and operation cost analyze）[J]．制冷与空调（Refrigeration and Air Conditioning），2002，2（3）：62-64．

[8]邓宇春，陈锋，江亿．建筑热环境设计模拟工具包DeST 1.0介绍[C]//全国暖通空调制冷学术年会，北京，中国：2000．

Economy of Ice-storage Air-condition Used in the Area of High Peak-valley Load Difference

DINGQing1，DUANShao-hui1，WANGZhi-zhong2，SUNGuan-nan2，WANGJin-hui2，WANGYong2
（1.Shenzhen Power Supply Bureau Co.Ltd.，Shenzhen 518000，China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.Ltd.，Tianjin 300384，China）

Ice-storage air-condition can act peak load shifting in the grid by using ice as a storage medium.The large air-condition unit can make ice for storage during the valley load，while the ice storage can chill during the peak load. Taking Shenzhen as a typical area，this paper analyzes the forecasting data of cooling load demand in commercial office buildings，and designs the typical equipments and the cost of ice-storage air-condition according to the local electricity price policy research.Based on different operation strategies，forecast of annual electricity consumption and electricity price policy，the investment income and economic indicator can be calculated.The results show that the icestorage technology can bring good economic benefit in Shenzhen，and can also play a good role to health operation and orderly development of the power grid in Shenzhen.

ice-storage air-condition；electricity price policy；operation strategy；peak load shifting

TM711；TM732

A

1003-8930（2014）01-0072-04

丁庆（1982—），男，博士，助理工程师，研究方向为新能源与节能技术。Email：dingqing@sz.csg.cn

2013-08-31；

2013-09-13

段绍辉（1961—），男，硕士，高级工程师，研究方向为智能电网新技术。Email：13502821051@139.com

王执中（1985—），男，本科，助理工程师，研究方向为电力自动化。Email：675798114@qq.com