跨季节蓄冷技术及在设施农业应用的经济性分析

傅德坤，宋文吉，陈明彪，冯自平,5

（1中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥 230027；2中国科学院广州能源研究所；3中国科学院可再生能源重点实验室；4广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东广州 510640；5淄博能源研究院，山东淄博 255000）

大规模跨季节储能技术克服了廉价能源供给与需求在时间尺度上的不匹配，可以有效降低供冷供热过程的能耗，具有很好的经济及环境效益。相较于跨季节蓄热技术，跨季节蓄冷技术的研究及工程案例较少，主要集中在利用热管或土壤收集自然冷源。Li 等[1]提出一种利用两相闭式热虹吸管被动蓄冷的跨季节蓄冷系统，并对节能和效益成本进行分析。Yan 等[2]提出一种基于分离式热管的跨季节蓄冷系统，通过北京某建筑案例的研究论证了系统的有效性和可持续性。Abbas 等[3]建立了土壤蓄冷系统的数学模型，并设计实验室尺度的沙箱进行模拟论证。Yang 等[4]提出一种季节性自然冷源土壤蓄冷系统，在哈尔滨地区建立试验平台分析其运行特性。上述研究均基于自然冷源充足地区，但冷量需求大的地区往往自然冷源匮乏。以冰源热泵为核心的跨季节蓄冷技术将供热时产生的冰浆跨季节存储用于供冷，在满足冷热需求的同时克服对自然冷源的依赖，极大拓宽了跨季节蓄冷技术的应用地区。

日光温室是设施园艺的主要形式，为解决我国果蔬周年均衡供应问题做出了重要贡献[5]。仅依靠日光温室无法为植物生长提供适宜的环境，而传统的温控方式(燃煤锅炉、遮阳、通风等)存在能耗大、适用性差且温控效果不佳等局限性[6]。鉴于此，以济南地区某日光温室群为应用场景，采用跨季节蓄冷系统对温室内热环境进行调控；建立跨季节蓄冷系统的蓄冷量损失模型和节能、经济、环境效益评价模型，对系统的蓄冷量、一次能源利用率、费用年值、动态投资回收期及污染物减排量进行分析，并同其他热泵系统和锅炉系统进行比较，以期为跨季节蓄冷技术的工程应用提供理论参考和依据。

1 材料和方法

1.1 系统原理

跨季节蓄冷系统主要由冰源热泵和跨季节蓄冷体组成，系统原理如图1所示，虚线框内为冰源热泵系统[7-8]。供热时，阀门4～7、17、18 关闭，阀门3、15、16开启，利用冰源热泵为末端供热，冰浆缓冲槽内冰浆在重力作用下冰水分层，浮冰输送至跨季节蓄冷体中存储，同时向冰浆缓冲槽补充热源水。供冷时，阀门3、5、7、15～18关闭，阀门4、6 开启，利用跨季节蓄冷体内储冰融化生成的低温水为末端供冷，低温水吸收末端热量温度升高，以喷淋的方式返回跨季节蓄冷体，融化储冰生成低温水继续循环；若跨季节蓄冷体中蓄冷量不足，关闭阀门3、4、6、15、16，开启阀门5、7、17、18，利用冰源热泵为末端供冷。

图1 跨季节蓄冷系统原理Fig.1 Schematic diagram of seasonal cold storage system

1.2 研究对象

选取济南地区某日光温室群(共500 座)为研究对象，总占地面积为300000 m2。温室东西走向，长60 m，跨度10 m，脊高4 m，北墙及山墙采用240 黏土多孔砖+聚苯颗粒保温浆料，屋面采用聚乙烯塑料薄膜。温室主要用于种植观赏性花卉，根据相关规范将室温设定为18.0～28.0 ℃[9]。

基于当地典型气象参数，对温室的全年逐时室温及逐时负荷进行模拟，分别如图2、图3所示。温室内最高温度为54.4 ℃，最低温度为−4.9 ℃，全年仅有2000 h 在设定的室温范围内。最大热负荷为140.4 W/m2，最大冷负荷为187.1 W/m2。全年累计热负荷为52.51 GW，累计冷负荷为45.85 GW，将供热时所蓄冷量跨季节存储用于供冷，理论上可以满足温室的供冷需求。

图2 全年逐时室温Fig.2 Hourly room temperature throughout year

图3 全年逐时负荷Fig.3 Hourly load throughout year

1.3 分析模型

1.3.1 冷量损失模型

跨季节蓄冷体为埋于地下的圆柱体储库，图4为蓄冷体示意图。对于跨季节时间尺度的冷量存储，通过围护结构传递的冷量损耗不可忽略。为简化蓄冷及释冷过程中冷量损失的计算，作如下假设[10]：①储冰的瞬时释冷能力无限大，初始温度为t0，当蓄冷体内温度达到释冷上限温度tlim时蓄冷量耗尽；②蓄冷体内储冰或冰水混合物温度始终趋于一致，与周围土壤的传热按稳态热传导处理；③土壤远边界处温度恒为t∞，其值为当地土壤表面年平均温度。基于上述假设条件，建立跨季节蓄冷体的冷量损失模型。

图4 跨季节蓄冷体Fig.4 Schematic diagram of seasonal cold storage tank

蓄冷体表面的传热热阻Rs为

蓄冷体表面的逐时冷量损失Qs为

蓄冷体顶面或底面的传热热阻Rd为

蓄冷体顶面或底面的逐时冷量损失Qd为

某一时段蓄冷体的冷量损失Q为

式中，d0为蓄冷体内直径；d1为蓄冷体外直径；d2为远边界直径；λ1为蓄冷体围护结构的热导率；λ2为土壤的热导率；H为蓄冷体高度；hd为蓄冷体顶部及底部土壤厚度；T为时间。

为全面客观地对跨季节蓄冷系统进行技术经济性分析，在下文节能性、经济性、环保性分析中选取4种系统与跨季节蓄冷系统进行对比，分别是冰源热泵系统、空气源热泵系统、地源热泵系统、燃气锅炉+空调系统。

1.3.2 节能性

一次能源利用率PER(primary energy ratio)指系统输出有效供能量与一次能源消耗的比值[11]，PER 值的大小反映着系统节能效果的好坏。采用PER值作为跨季节蓄冷系统及各系统节能性的评价指标，不同系统PER值的计算公式如式(6)～式(8)。

热泵的PER值Eh为

锅炉的PER值Eb为

全年PER值Eo为

式中，COP为热泵系统的性能系数；ηe为发电厂发电效率，取0.33；ηe,l为电能传输损耗率，取0.05；ε为锅炉系统的热效率；ηb,l为设备损耗系数，取0.1；QH为系统供热能耗；QC为系统供冷能耗；lH为热量损耗；lC为冷量损耗；EH为供热PER值；EC为供冷PER值。

1.3.3 经济性

经济效益对于跨季节蓄冷技术的工程应用至关重要。对系统进行经济性评价时，资金在生产和运行过程中的时间价值不可忽略，因此本文采用动态经济性评价指标中的费用年值及动态投资回收期作为跨季节蓄冷系统及其他系统的经济性评价指标，以期评价结果对实际工程更有指导意义。

将初投资等值折算为年值后与年运行费用相加即为费用年值，费用年值最小者为最优方案，可按照式(9)进行计算[12]

式中，Ca为费用年值；Ci为初投资；Co为年运行费用；i为年利率，取9%；n为设备设计寿命。

在考虑资金时间价值的前提下，以系统净收益回收系统增量投资所需要的时间为动态投资回收期，可按照式(10)进行计算[12]

式中，T为动态投资回收期，年；(ACI−ACO)t为第t年净现金流，万元。

1.3.4 环境效益

跨季节蓄冷系统在运行过程中并不产生温室气体及其他污染物，但消耗的电能主要来自火力发电，会导致温室效应等环境问题，因此需要分析相应的环境效益。采用省煤量和CO2、SO2、NOx、烟尘的减排量评价跨季节蓄冷系统的环境效益。

系统耗电量对应的标准煤量mh为

燃煤锅炉供热消耗的标准煤量mc为

式中，mg为供电煤耗， kg/(kW·h)， 取0.31 kg/(kW·h)[13]；Eh为系统耗电量，kW·h；Q为供热量，kJ；η为燃煤锅炉的效率，取75%；Qs为标准煤热值，kJ/kg，取29307.60 kJ/kg。

温室气体及其他污染物排放量Mx采用排放系数法计算[14]

式中，mx为燃料x的消耗总量；β为燃料x的污染物排放系数，取值参照表1[15-16]。

表1 污染物排放系数Table 1 Pollutant emission factor

2 结果与讨论

2.1 蓄冷量分析

应用1.3.1 节所述冷量损失模型，分析跨季节蓄冷系统的蓄冷量损失和变化。根据温室群的全年累计冷、热负荷，设计跨季节蓄冷体直径为100 m，高度为80 m，储冰初始温度t0为−0.5 ℃，释冷上限温度tlim为12 ℃。计算可得全年的冷量损失率为3.06%，综合考虑冰浆输运等过程中的冷量损失，蓄冷体的全年冷量损失率在5%以内。

跨季节蓄冷体中蓄冷量的逐日变化如图5 所示。全年蓄冷始于11月1日，此时温室负荷需求以热为主，但仍需少量冷负荷，供热所蓄部分冷量用于供冷，因此蓄冷量增长较为平缓；11 月下旬至3 月初，此阶段仅有热负荷，蓄冷量近似按线性关系快速增加；3月上旬至4月下旬，随着气温转暖，此时温室群的热负荷逐渐减少、冷负荷逐渐增加，负荷需求由以热为主转变为以冷为主，蓄冷量增速放缓，于4 月1 日达到全年最大值170409.07 GJ，随后开始减少；5 月初至9 月末开始进入供冷期，此阶段仅有冷负荷，蓄冷量近似按线性关系快速消耗；10 月初至10 月末全年蓄冷周期结束，此阶段以冷负荷为主，但随着气温不断降低，冷负荷逐渐减少、热负荷逐渐降低，蓄冷量缓慢消耗，至全年结束仍有14509.47 GJ的蓄冷量剩余，蓄冷体所蓄冷量可满足温室群全年供冷需求。

图5 蓄冷量逐日变化Fig.5 Daily change of cold storage capacity

2.2 节能性分析

各系统的供冷、供热及全年PER值见表2。跨季节蓄冷系统的供冷PER 为6.27，较冰源热泵系统和空气源热泵系统提高近5 倍；全年PER 为1.71，较空气源热泵系统提升85.9%，比燃气锅炉+空调系统高出106%；供热PER 为1.04，比空气源热泵系统高出26.8%，较燃气锅炉+空调系统提升34.6%。可以看出，在相同的冷热负荷条件下，跨季节蓄冷系统的供冷PER 和全年PER 明显高于其他系统，跨季节蓄冷技术的应用大幅提升了系统能效，节能效果显著。

表2 各系统的一次能源利用率Table 2 PER of each system

2.3 经济性分析

跨季节蓄冷系统以冰源热泵为核心，因此可在冰源热泵系统的基础上核算其经济性。初投资方面，冰源热泵系统主要包括热泵主机、换热器、超声波促晶器、冰浆缓冲槽及水泵等设备，跨季节蓄冷体主要包括土建和保温材料等费用，单位体积造价参考大容积坑式蓄热项目[17]。系统运行费用主要包括热泵机组和水泵等设备的电费、人工费、维修费等。

各系统的经济性评价指标见表3。跨季节蓄冷系统的初投资最高，比地源热泵高出5388.22 万元，主要是由于跨季节蓄冷体的土建成本较高。但得益于蓄冷体存储的冷量，系统在供冷时仅有水泵等辅助设备的能耗，因此系统的全年运行费用最低，比空气源热泵低1187.54万元/年。由于蓄冷体的使用寿命远超热泵系统，因此在分析费用年值及投资回收期时对蓄冷体的建造成本进行修正。费用年值方面，跨季节蓄冷系统最低，比燃气锅炉+空调系统低773.59 万元，为最优方案。跨季节蓄冷系统相对冰源热泵系统、空气源热泵系统、地源热泵系统、燃气锅炉+空调系统的动态投资回收期分别为6.9年、5.2年、3.9年、5.0年，投资回收期较为合理，经济可行性良好。

表3 各系统的经济性评价指标Table 3 Economic evaluation index of each system

2.4 环保性分析

根据耗电量可计算出各系统的耗煤量及省煤量，见表4。跨季节蓄冷系统的耗煤量最少，仅为3930.16 t，远低于空气源热泵，较燃煤锅炉+空调系统省煤8954.85 t，耗煤量及省煤量在所有系统中均表现最好。燃气锅炉以天然气作为燃料，同煤炭比较消耗量无实际意义，此处不作比较。

表4 各系统耗煤量及省煤量Table 4 Coal consumption and coal saving in each system

各系统的污染物排放量见表5。跨季节蓄冷系统的CO2、SO2、NOx及烟尘的排放量分别为8160.43 t、2.12 t、4.21 t、0.83 t，各项污染物排放量均为最少。同空气源热泵做对比，跨季节蓄冷系统CO2、SO2、NOx及烟尘的减排量分别为13897.90 t、3.61 t、7.16 t、1.41 t，减排率达到77.3%。可以看出，跨季节蓄冷技术的应用显著减少温室气体及污染物的排放，有助于“双碳”目标的实现。

表5 各系统污染物排放量(单位：吨)Table 5 Pollutant emissions of each system(unit:t)

3 结论

为研究跨季节蓄冷技术在设施农业应用场景下的效益，选取济南地区某日光温室群为研究对象，采用以冰源热泵为核心的跨季节蓄冷系统实现温室全年冷热管理，建立跨季节蓄冷系统的蓄冷量损失模型和技术经济性评价模型，分别对系统蓄冷量、一次能源利用率、经济效益及污染物减排量进行分析。结果表明：

（1）跨季节蓄冷体的全年冷量损失在5%以内，最大蓄冷量为170409.07 GJ，至全年结束仍有14509.47 GJ剩余，系统可满足温室群全年供冷供热需求；

（2）系统的供冷一次能源利用率为6.27，全年一次能源利用率为1.71，跨季节蓄冷技术的应用大幅提升系统能效，节能效果优越；

（3）系统运行费用极低，费用年值最低，动态投资回收期为3.9～6.9年，经济可行性良好；

（4）跨季节蓄冷系统较空气源热泵每年可减少13897.90 t CO2、3.61 t SO2、7.16 t NOx和1.41 t烟尘排放，减排率高达77.3%，跨季节蓄冷技术的应用显著减少温室气体及污染物的排放，环境效益显著。