蓄冷供冷系统的节能效益分析

深圳市前海能源科技发展有限公司 马建波 王朝晖 旷金国 胡 勣香港华艺设计顾问(深圳)有限公司 高 龙

0 引言

空调制冷系统采用夜间低谷电蓄冷技术已得到广泛应用，尤其是在华南地区，峰谷电价差大，蓄冷的经济性比较显著。通常认为蓄冷系统省钱不节能，原因是蓄冷系统夜间制冷能效低于常规无蓄冷系统，尤其是采用蓄冰技术时，制冷温度低，制冷机制冰过程耗电多，而白天放冷过程中，从较低温度的冷水转换为较高温度(7 ℃/12 ℃)的建筑空调末端冷水，热力学损失较大。这是从空调制冷系统角度得到的结论。

从电力大系统角度考虑，电网采用了峰谷平电价，广东电网峰谷平电价差还在不断增大。原因包括提高电厂、电网、配电等电力设备利用率和减少投资，以及大电力系统节能。在低谷电时段，电厂的深度调峰会降低电厂能效，增加发电煤耗[1-2]。随着电网负荷率的下降，机组发电煤耗增加，负荷率下降越多，越需要高能耗机组进行降载运行，降载调峰的发电煤耗越高。

为了电力系统的移峰填谷，使发电机组、电网和配电设备平稳高效运行，以及大规模消纳可再生能源，各国都建设了大量抽水蓄能电站，西方发达国家抽水蓄能电站装机容量通常占电力系统总装机容量的5%～10%，而目前我国这一比例不到2%[3]。2021年国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》，要求按照能核尽核、能开尽开的原则，到2025年，抽水蓄能投产总规模较“十三五”翻一番；到2030年，抽水蓄能投产总规模较“十四五”再翻一番。抽水蓄能电站的能源效率约为75%[4]，说明有25%的直接能源损失，但是从大系统角度考虑，由于提高了低谷电时段的发电机组负荷率，使得发电机组运行效率提高，降低了低谷电时段发电单位煤耗，同时提高了用电高峰发电能力，降低了煤电的发电需求，降低了高能耗、高成本机组的发电负荷，有利于实现能源绿色低碳转型。抽水蓄能也是一种大系统节能技术。

蓄冷空调制冷系统采用夜间低谷电制冷，白天不需要制冷，直接把蓄冷量释放出来供冷。如果采用蓄电的形式制冷，比如抽水蓄能+电制冷，则需要在白天把储存的电能释放出来，供给制冷机系统制冷。与夜间蓄冷供冷系统相比，抽水蓄能+电制冷的模式多了一个电能储存与电能释放的循环，增加了能源损失。蓄冷供冷系统比抽水蓄能+电制冷系统的能效高，因此，低谷电蓄冷供冷也是一种大系统节能技术。

如何评价低谷电蓄冷空调制冷系统的节能效益，尤其是与没有蓄冷的常规空调制冷系统的能效对比，目前还没有一个全面准确的评价体系。JGJ 158—2018《蓄能空调工程技术标准》中给出了根据年移峰电量计算电网节约耗煤量的估算公式[5]，GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》中给出了蓄冷系统能耗指标的修正系数(0～0.06)[6]，浙江省DB 33/1070—2010《大型公共建筑能耗测评标准》中将低谷电耗折减40%后用于能效计算[7]。但是，在实际使用过程中，这些修正很难把实际空调系统的蓄能效益在节能效益中准确体现出来，行业内也没有统一认识。本文从电网系统峰谷平不同时段煤耗的角度，对蓄冷空调制冷系统的节能效益进行分析，通过提出一个等效COP模型，与常规空调系统进行分析比较，以期为不同蓄冷空调系统提供一个较为全面的节能效益评估依据。

1 蓄冷空调制冷系统的节能量计算

1.1 蓄冷空调制冷系统削峰填谷的节能计算

2018年国家能源局《关于提升电力系统调节能力的指导意见》要求实施火电灵活性提升工程，改造后的纯凝机组最小技术出力达到额定容量的30%～40%，机组不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力达到额定容量的20%～30%。目前燃煤电厂深度调峰已经大范围推行，文献[8]介绍了浙江省燃煤机组深度调峰的整体情况。深度调峰意味着增加发电单位煤耗，而采用蓄冷系统后，电网实现了移峰填谷，降低了电厂调峰量，从而减少了耗煤量。

基于我国将在较长一段时间以燃煤机组为主体能源，根据蓄冷系统移峰填谷后实现的耗煤量节约，定义蓄冷空调制冷系统的等效COP如下：

式中 COPeff为蓄冷空调制冷系统的等效COP；Q为制冷系统供冷量，kW·h；W为制冷系统耗电量，kW·h；下标P表示峰段，F表示平段，V表示谷段，s表示储冷系统；ΔW为移峰填谷节约的耗电量，kW·h。

按照1 000MW燃煤机组满负荷的耗煤量计算，移峰填谷节约的耗电量为

式中ΔE为移峰填谷节约的耗煤量(以标准煤计)，kg；α(100%)1 000 MW为1 000 MW燃煤机组100%负荷运行时的发电单位煤耗，kg/(kW·h)。

蓄冷空调制冷系统移峰填谷节约的耗煤量为

ΔE=ΔEV,s+ΔEP

(3)

以下分别计算移峰填谷时段节约的耗煤量。

1.2 峰谷平各时段耗煤量计算

对于有峰谷平电价时段的制冷系统，其总耗煤量可以表示为

E=αFWF+αPWP+αVWV+αVWV,s

(4)

式中 E为制冷系统耗煤量，kg；α为发电单位煤耗，kg/(kW·h)。

系统总制冷量与耗电量分别为

Q=QF+QP+QV+QV,s

(5)

W=WF+WP+WV+WV,s

(6)

制冷系统COP定义为

则峰段制冷与谷段蓄冷的耗电量分别表示为

对于没有蓄冷的空调系统，各时段制冷量就是各时段用户冷负荷的需求量。系统制冷量表示为

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

(10)

式中 下标ref表示没有蓄冷的参考系统。

高峰时段参考系统制冷耗电量为

结合广东省DBJ/T15-129—2017《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》中空调系统全年一级能效要求[9]，对于深圳市来说，本文全年参考能效COPP,ref取5.0。

1.3 夜间低谷电蓄冷节约耗煤量计算

对于电厂夜间深度调峰，通常有各种容量发电机组的煤耗变化数据。假设电网负荷率f与发电单位煤耗α有如下关系：

α=α(f)

(12)

电网负荷率与发电单位煤耗的关系比较复杂，公认的是负荷率降低，发电单位煤耗增加。对于某容量的燃煤发电机组，式(12)也有一个固定关系，比如文献[1]指出，随发电负荷变化，发电单位煤耗在280～350g/(kW·h)之间变化。对于电网来说，不但是面对不同的发电厂，而且每个发电厂还可以有不同型号发电机组的组合，都是电网调度时的变量，导致很难得到一个通用的方程来描述电网负荷率与发电单位煤耗的关系。本文作了简化，根据文献[2]，发电单位煤耗与负荷率的关系见图1。通过拟合，得到关系式为

图1 发电单位煤耗随负荷率的变化规律

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)

通过夜间储能形式，电网负荷率从f提升到f+df，则节约耗煤量包括两部分：一部分是电网负荷率从f提升到f+df后，电网负荷率增量部分df对应的发电单位煤耗从α变化到α+dα；另一部分是原有电网负荷率f对应的单位发电煤耗也从α变化到α+dα，折合到电网负荷率增量部分df的发电单位煤耗降低量为dα(f/df)。

于是电网负荷率从f提升到f+df，单位发电煤耗节约量dαs为

根据式(14)，dα(f/df)随负荷率增加而降低，在负荷率为20%时，达到0.065 kg/(kW·h)；在负荷率为50%时，达到0.041 kg/(kW·h)。

另外，从负荷率50%增加到负荷率100%，发电单位煤耗α降低0.018 kg/(kW·h)。如果通过夜间储能形式把机组负荷率从50%提升到100%，对于电网来说，储能负荷增量的发电单位煤耗节约量保守估计为0.059 kg/(kW·h)。

对于夜间蓄冷空调系统来说，通过蓄冷节约的耗煤量为

ΔEV,s=WV,sΔαV,f1-f2

(16)

式中ΔαV,f1-f2为电网负荷率从f1增大到f2时发电标准煤耗的变化量，kg/(kW·h)。

这里保守估算ΔαV,f1-f2取0.059kg/(kW·h)。

1.4 高峰时段削峰节约耗煤量计算

根据国内电厂各容量机组发电单位煤耗情况，随着机组容量的降低，发电单位煤耗增加。电网调度时，按照优先考虑高效率大机组的原则，高峰时段，在1 000 MW超临界机组运行的基础上，假设增加300 MW超临界机组，则电网增加负荷的煤耗增加，保守计算，发电单位煤耗增加量ΔαP可表示为

ΔαP=α(100%)300 MW-α(100%)1 000 MW(17)

式中 α(100%)300 MW为300 MW燃煤机组100%负荷运行时的发电单位煤耗，kg/(kW·h)。

对于300 MW的超临界机组，100%负荷运行时发电单位煤耗为0.32 kg/(kW·h)，比1 000 MW超临界机组增加0.04 kg/(kW·h)以上。这里保守估算ΔαP为0.04 kg/(kW·h)。

对于高峰时段的蓄冷空调系统来说，通过释冷节约的煤耗量为

ΔEP=(WP,ref-WP)ΔαP

(18)

根据式(16)、(18)、(3)、(2)、(1)，可以计算得到等效COP。

2 前海区域供冷3号站等效COP计算

前海区域供冷系统3号站供冷面积90万m2，设计供冷能力67 MW，采用电制冷+冰蓄冷+水蓄冷，包含4台6 330 kW双工况制冰主机、1台7 034 kW水蓄冷主机、2台7 034 kW基载主机，以及外融冰蓄冰盘管和水蓄冷设备，设计日冰蓄冷量13.6万kW·h，水蓄冷量6.0万kW·h；全年水蓄冷量1 620.8万kW·h，冰蓄冷量4 028.7万kW·h；水蓄冷全年蓄冷COP为6.2，冰蓄冷全年蓄冷COP为4.6。

根据设计，3号站100%、75%、50%、25%负荷日峰谷平各时段空调供冷量、融冰供冷量、蓄冷量、蓄冷与供冷耗电量，以及蓄冷与供冷COP见表1。

表1 3号站设计参数

根据不同负荷日的工作天数(100%、75%、50%、25%负荷运行时间分别为13、95、95、98 d)，得到全年各时段的冷量分配、耗电量分配及COP数据。由表1数据计算，3号站全年系统COP为4.25。需要说明的是，该COP为设计数据，全年供冷量1.22亿kW·h，全年耗电量2 886.2万kW·h，数据来源于前海3号制冷站的施工图设计。由于采用了各种优化手段，该项目设计系统COP较以往的制冷站设计有了大幅提升。除了增加水蓄冷系统外，设计优化中还采用了高效设备、变频电动机、流体阻力优化、系统设计优化配置、系统运行策略与参数优化等手段。

全年供冷量中有47%的冷量由夜间蓄冷提供，蓄冷耗电量占全年耗电量的50%。通过移峰填谷，全年白天高峰时段供冷量的54%由蓄冷提供，平段供冷量的43%由蓄冷提供。全年蓄冷系统的COP为3.95，低于白天空调制冷的系统COP(4.59)。

根据前海3号站设计数据，对标没有蓄冷的常规制冷系统。其中常规制冷系统的全天供冷能效按照COP为5.0计算，峰段节电量等于常规制冷系统峰段供冷量除以5.0减去3号站峰段空调制冷量除以4.59。计算得到等效系统COP为4.91，见表2。

表2 3号站等效COP计算

以上分析表明，采用蓄冷的空调制冷系统，考虑削峰填谷的节能效益后，系统能效提升16%，达到4.91，相当于广东省DBJ/T 15-129—2017《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》中的一级能效要求[9]。

如果按照浙江省DB 33/1070—2010《大型公共建筑能耗测评标准》，将低谷蓄冷耗电量折减40%，则全年系统COP达到5.3。

根据设计，3号站分两期建设，其中一期采用1台7 034 kW基载主机、1台7 034 kW水蓄冷主机、2台6 330 kW双工况机组，以及相应水蓄冷和冰蓄冷装置，设计日冰蓄冷量6.8万kW·h，水蓄冷量6.0万kW·h。在第3年，二期投产，地块用冷需求大约在第10年达到满负荷。图2显示了3号站全年供冷量与全年蓄冷量随运行时间的变化。在第1年和第2年，蓄冷装置基本按照一期蓄冷装机容量满负荷运行；第3年开始，所有蓄冷装置投产，全年基本按照设计满负荷蓄冷运行。另一方面，从第1年到第5年，全年供冷量持续增加，第5年开始，增加速率减缓，意味着全年蓄冷供冷比例逐渐降低。

图2 全年冷量随运行时间的变化

根据表2的计算方法，得到不同运行年份的全年系统COP和全年等效系统COP，如图3所示。全年系统COP在不同运行年份略有不同，主要与蓄冷供冷比例有关，但是全年等效系统COP基本保持在4.9，表明了低谷电蓄冷对系统节能的影响。

图3 全年系统COP随运行时间的变化

3 结语

蓄冷供冷系统比无蓄冷供冷系统耗电量多，但是耗煤量少，如何比较蓄冷与无蓄冷供冷系统的能源效率，需要一个全面准确的能效模型。本文提出了一个等效COP的模型，结合峰谷平各时段供冷系统的全年供冷量、制冷量、蓄冷量及对应的COP，考虑峰谷平不同时段电网的供电煤耗，以及移峰填谷对电厂节约煤耗的影响，为蓄冷与不蓄冷空调系统进行能效比较提供依据。根据前海区域供冷系统3号站设计参数，在考虑蓄冷的节能贡献后，系统COP从4.25提升到4.91，基本达到广东省DBJ/T 15-129—2017《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》中的一级能效要求。根据设计数据，3号站投产后，每年的等效系统COP保持在4.9左右。在碳达峰碳中和的趋势下，电网中可再生能源比例快速增加，未来可再生能源的使用量将成为衡量系统能效的一个指标，会对用耗煤量评价能源系统效率产生影响。对于蓄冷供冷系统来说，除了移峰填谷的节能效益外，还降低了电源侧与电网的调峰装机容量需求[10-11]，平衡了电网供需，蓄冷系统也是在用户侧的储能，增加了用户侧负荷的柔性，采用大规模蓄冷，将为大规模消纳可再生能源创造条件。