陳東文 ，劉育權(quán) ，李 勇 ，熊 文 ，王如竹

（1.上海交通大學(xué) 制冷與低溫研究所，上海 200240；2.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

空調(diào)蓄冷作為一項(xiàng)重要的蓄能技術(shù)，可利用峰谷電價(jià)差，在電價(jià)較低的谷電時(shí)段蓄冷，在電價(jià)較高的峰電時(shí)段釋放冷量替代空調(diào)供冷，從而減少峰電時(shí)段的用電量，以達(dá)到減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本的目的［1］。雖然此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的能耗會(huì)增加，但是空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到提高，并協(xié)助電網(wǎng)公司移峰填谷，提高了電網(wǎng)公司的設(shè)備利用率及整個(gè)綜合能源系統(tǒng)的能量利用效率［2］。

工程應(yīng)用中，常見(jiàn)的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)蓄冷介質(zhì)主要可分為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)多用于場(chǎng)地受限制、供冷溫度需求較低的場(chǎng)合，如酒店、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館等；水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)多用于場(chǎng)地較開(kāi)闊的場(chǎng)合［3］。

對(duì)于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的建模已有很多研究。文獻(xiàn)［4］運(yùn)用減法聚類法和網(wǎng)格法進(jìn)行了冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷量的模糊建模。文獻(xiàn)［5］以最小生命周期成本為目標(biāo)函數(shù)，利用粒子群優(yōu)化算法求得建筑冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化容量，然而該方法需要有企業(yè)大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，缺乏通用性。文獻(xiàn)［6］提出了炯用分析方法用于評(píng)價(jià)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［7］結(jié)合了經(jīng)濟(jì)性與炯用效率，提出了炯用-經(jīng)濟(jì)性分析方法用于評(píng)價(jià)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)劃建模與運(yùn)行。文獻(xiàn)［8］模擬了家用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)用于削峰的能力。然而，當(dāng)前對(duì)于蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的建模，主要適用于典型的非工業(yè)用戶建筑，即白天負(fù)荷較大時(shí)，使用蓄冷系統(tǒng)釋放冷量或利用制冷機(jī)組供冷；夜間負(fù)荷較小或者沒(méi)有負(fù)荷時(shí)，采用制冷機(jī)組蓄冷。對(duì)于工業(yè)園區(qū)典型的加工生產(chǎn)企業(yè)而言，空調(diào)系統(tǒng)往往需要24 h運(yùn)行，并且一天內(nèi)的冷負(fù)荷逐時(shí)變化較小。因此，傳統(tǒng)蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)劃建模并不適用于工業(yè)園區(qū)典型蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。并且傳統(tǒng)的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)建模中都是基于經(jīng)驗(yàn)確定蓄冷容量，或基于歷史數(shù)據(jù)用數(shù)值方法得出最佳蓄冷容量，沒(méi)有給出簡(jiǎn)潔、通用的確定最佳蓄冷容量的方法。

另一方面，儲(chǔ)能作為綜合能源系統(tǒng)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)削減峰值用電功率、調(diào)節(jié)能量／功率供需平衡，起著重要的作用［9-10］。對(duì)于純粹的電網(wǎng)，可以通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)等協(xié)調(diào)優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)調(diào)峰［11-12］，同時(shí)也可以引入動(dòng)態(tài)獎(jiǎng)懲電價(jià)改變用戶用電習(xí)慣實(shí)現(xiàn)調(diào)峰［13］。而在綜合能源系統(tǒng)中，需通過(guò)優(yōu)先考慮使用儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)更靈活的調(diào)峰控制?？照{(diào)蓄冷作為一種重要的儲(chǔ)能手段，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有被充分利用，在規(guī)劃階段，往往僅從經(jīng)濟(jì)性角度考慮系統(tǒng)的規(guī)劃建模。對(duì)于工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃建模，需要充分考慮蓄冷系統(tǒng)配合電網(wǎng)公司完成削減峰值用電負(fù)荷這一目標(biāo)。

綜上所述，工業(yè)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)中的蓄冷系統(tǒng)規(guī)劃有以下3個(gè)特點(diǎn)：

a.空調(diào)系統(tǒng)24 h運(yùn)行，并且晝夜負(fù)荷變化不大；

b.空調(diào)系統(tǒng)容量相對(duì)于整個(gè)企業(yè)用電容量較小，可以忽略容量電價(jià)的影響；

c.需要充分考慮其配合園區(qū)削減用電峰值功率的目標(biāo)。

本文在考慮上述因素的同時(shí)，建立工業(yè)園區(qū)滿足削峰條件的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化規(guī)劃模型，并以某工業(yè)企業(yè)的空調(diào)系統(tǒng)改造為例進(jìn)行蓄冷空調(diào)系統(tǒng)規(guī)劃建模，確定最佳蓄冷容量、最佳蓄冷率、主機(jī)容量、基載容量等關(guān)鍵規(guī)劃參數(shù)。

1 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)概述

典型的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)由制冷主機(jī)系統(tǒng)、基載系統(tǒng)、蓄冷系統(tǒng)、負(fù)荷側(cè)4個(gè)部分構(gòu)成。其中，由于工業(yè)企業(yè)需要24 h供冷，為此需要增加一組并聯(lián)的基載機(jī)組。在夜間谷電時(shí)段，制冷主機(jī)進(jìn)行蓄冷，基載提供空調(diào)冷負(fù)荷。蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行流程示意圖如圖1所示。圖中，箭頭表示換熱介質(zhì)流動(dòng)方向；P1、P2分別表示泵 1、泵 2；V1—V5表示閥門。

圖1 蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of CSS operation

蓄冷系統(tǒng)基本工作原理如下：蓄冷時(shí)段，由換熱介質(zhì)（冰蓄冷系統(tǒng)中為乙二醇溶液，水蓄冷系統(tǒng)中為水）與制冷主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行換熱，換熱后溫度較低的換熱介質(zhì)通過(guò)循環(huán)，與蓄冷裝置中的液態(tài)水進(jìn)行換熱，使其降溫或者凝固為冰，此時(shí)若有空調(diào)負(fù)荷需求，可由基載系統(tǒng)提供空調(diào)負(fù)荷所需的冷量；釋冷時(shí)段，蓄冷裝置內(nèi)的冷水直接作為冷凍水進(jìn)行循環(huán)或者蓄冰裝置內(nèi)的冰融化為液態(tài)水釋放冷量，此過(guò)程中其與溫度較高的換熱介質(zhì)換熱輸出冷量。

2 考慮削峰時(shí)的設(shè)備容量

冰蓄冷系統(tǒng)主要由雙工況制冷主機(jī)系統(tǒng)、蓄冰系統(tǒng)、基載系統(tǒng)與負(fù)荷側(cè)4個(gè)部分構(gòu)成。對(duì)于水蓄冷系統(tǒng)而言，蓄冷溫度一般為4℃左右，無(wú)需使用雙工況主機(jī)進(jìn)行制冷，故水蓄冷系統(tǒng)由制冷主機(jī)系統(tǒng)、蓄水箱／池和負(fù)荷側(cè)3個(gè)部分構(gòu)成。由于水蓄冷系統(tǒng)占地面積比較大，因此在實(shí)際使用過(guò)程中，其受場(chǎng)地限制，應(yīng)用較少。

2.1 蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行方式

根據(jù)制冷主機(jī)與基載運(yùn)行優(yōu)先關(guān)系，蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式可以分為以下2種：基載優(yōu)先模式，制冷主機(jī)僅在谷電時(shí)段蓄冷，其余時(shí)段完全由基載進(jìn)行空調(diào)供冷，適用于主機(jī)供冷功率小于冷負(fù)荷需求功率的場(chǎng)合；主機(jī)優(yōu)先模式，主機(jī)在非谷電時(shí)段進(jìn)行空調(diào)供冷，在谷電時(shí)段進(jìn)行蓄冷，此時(shí)由基載進(jìn)行空調(diào)供冷，適用于主機(jī)供冷功率大于冷負(fù)荷需求功率的場(chǎng)合。對(duì)于24 h有供冷需求的大部分工業(yè)企業(yè)，其夜間空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷較小，故一般選擇主機(jī)優(yōu)先的運(yùn)行模式。

2.2 釋冷模式

根據(jù)釋冷模式的不同，蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式主要分為部分釋冷、全部釋冷、分時(shí)釋冷3種模式［14］。為了實(shí)現(xiàn)削峰與充分利用蓄冷裝置實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性這一雙重目標(biāo)，往往采用分時(shí)釋冷模式?？紤]到分時(shí)電價(jià)與實(shí)現(xiàn)削峰目標(biāo)的結(jié)合，本文針對(duì)具有24 h冷量需求的工業(yè)企業(yè)的冰蓄冷系統(tǒng)，采用分時(shí)釋冷運(yùn)行方案，該運(yùn)行方案示意圖如圖2所示。

圖2 蓄冷系統(tǒng)分時(shí)釋冷示意圖Fig.2 Schematic diagram of period-dependent cooling loads of CSS

如圖2所示，d至24、0至a為谷電時(shí)段，在此時(shí)段內(nèi)雙工況主機(jī)進(jìn)行蓄冷，由基載進(jìn)行空調(diào)供冷；a至b、c至d時(shí)段為平電時(shí)段，在此時(shí)段內(nèi)由主機(jī)與釋冷系統(tǒng)共同供冷，其中，主機(jī)維持恒定功率，不足部分由釋冷系統(tǒng)提供；b至c時(shí)段為峰電時(shí)段，在此時(shí)段內(nèi)完全由釋冷系統(tǒng)提供所需的空調(diào)冷量。

進(jìn)行配合實(shí)現(xiàn)削峰目標(biāo)的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，需要考慮如下因素的限制：

a.釋冷時(shí)期在滿足經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，限制制冷主機(jī)功率，使得蓄冷系統(tǒng)儲(chǔ)存足夠的冷量用于特定時(shí)刻的調(diào)峰；

b.夜間蓄冷時(shí)期和主機(jī)空調(diào)供冷時(shí)期，由于園區(qū)用電功率限制，蓄冷時(shí)長(zhǎng)受到限制。

2.3 主機(jī)系統(tǒng)容量

蓄冷系統(tǒng)的規(guī)劃建模主要由制冷主機(jī)系統(tǒng)、基載系統(tǒng)、蓄冷系統(tǒng)的容量確定。

主機(jī)系統(tǒng)的能效比EER（Energy Efficiency Ratio）是確定容量的重要參數(shù)之一，記為REE，其主要受到干濕球溫度、部分負(fù)荷的影響［15］。進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，忽略這些影響，假定系統(tǒng)EER不變進(jìn)行規(guī)劃。

主機(jī)系統(tǒng)的容量需要滿足3個(gè)條件：保證白天空調(diào)系統(tǒng)的供冷；保證夜間的蓄冷；不超過(guò)調(diào)峰允許的最大用電功率PR。

滿足白天空調(diào)系統(tǒng)制冷需求時(shí)的主機(jī)容量Pm，1為：

其中，m為峰電時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，單位為h；n為谷電時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，單位為h；QC，G為夜間谷電時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷需求，單位為kW·h；QS為蓄冷系統(tǒng)容量，單位為kW·h；QC為設(shè)計(jì)日總冷負(fù)荷，單位為 kW·h；QC，i為設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷，單位為kW·h。

滿足夜間蓄冷需求時(shí)的主機(jī)容量Pm，2為：

其中，T2為由于需要調(diào)峰，夜間谷電時(shí)段暫停蓄冷的時(shí)長(zhǎng)，單位為h；ηS為蓄冷裝置蓄冷、釋冷效率；k為同樣工況下，主機(jī)蓄冷與空調(diào)制冷的EER。

令 Pm，1=Pm，2，可得臨界情況如下：

其中，T1為谷電時(shí)段主要削峰的時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)QS／（QCQC，G）>［QS／（QC-QC，G）］0時(shí)，Pm，2>Pm，1，此時(shí)選擇 Pm，2作為優(yōu)選主機(jī)容量；當(dāng) QS／（QC-QC，G）<［QS／（QC-QC，G）］0時(shí)，Pm，2

調(diào)峰允許最高功率PR的限制體現(xiàn)為對(duì)主機(jī)運(yùn)行時(shí)的控制，因此主機(jī)容量Pm為：

2.4 基載系統(tǒng)容量

基載系統(tǒng)一般在夜間主機(jī)蓄冷時(shí)，進(jìn)行空調(diào)供冷或者在白天主機(jī)供冷能力不足時(shí)，進(jìn)行輔助供冷?；d容量PB為：

即基載容量為夜間最大逐時(shí)冷負(fù)荷。

3 規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 初始投資

初始投資主要由設(shè)備費(fèi)用（雙工況主機(jī)、基載、各類泵）、安裝費(fèi)用、土建費(fèi)用三部分構(gòu)成。為了便于分析，假定初始投資分別與雙工況主機(jī)容量、基載容量、蓄冷量呈一次函數(shù)關(guān)系。則初始投資yinvest，total為：

其中，k1、k2、k3分別為對(duì)應(yīng)于雙工況主機(jī)容量、基載容量、蓄冷量的單位成本。

與傳統(tǒng)非蓄冷空調(diào)系統(tǒng)相比，增加的成本yinvest為：

其中，Pcool為無(wú)蓄冷設(shè)備時(shí)的基載容量。

3.2 運(yùn)行成本

運(yùn)行成本主要包含2個(gè)部分：節(jié)省的電費(fèi)和故障修復(fù)、日常維護(hù)費(fèi)用。

與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，蓄冷空調(diào)節(jié)約的電費(fèi)主要來(lái)自于替代的峰電、平電時(shí)段制冷系統(tǒng)用電費(fèi)用與谷電時(shí)期蓄冷增加的用電費(fèi)用之間的差值?？梢怨?jié)約的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)按照設(shè)計(jì)日100%負(fù)荷、設(shè)計(jì)日75%負(fù)荷、設(shè)計(jì)日50%負(fù)荷、設(shè)計(jì)日25%負(fù)荷進(jìn)行考慮。為了表述方便，取k0=Ppump／Pcool，表示蓄冷系統(tǒng)釋冷時(shí)，冷凍水泵耗電功率與采用空調(diào)系統(tǒng)供冷耗電功率之比。隨著設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷與蓄冷量的不同，對(duì)應(yīng)的節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用變化結(jié)果如下。

當(dāng) QS≤QC，F(xiàn)時(shí)，有：

當(dāng) QC，F(xiàn)

當(dāng) QS>QC，F(xiàn)+QC，P時(shí)，有：

其中，f1、f2、f3分別為峰電、平電、谷電電價(jià)；QC，F(xiàn)、QC，P分別為峰電時(shí)段、平電時(shí)段的空調(diào)冷負(fù)荷需求，單位為kW·h，計(jì)算公式如下：

計(jì)算年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用時(shí)，按照設(shè)計(jì)日100%負(fù)荷天數(shù)為d1、設(shè)計(jì)日75%負(fù)荷天數(shù)為d2、設(shè)計(jì)日50%負(fù)荷天數(shù)為d3、設(shè)計(jì)日25%負(fù)荷天數(shù)為d4考慮。d1、d2、d3、d4滿足：

則年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用為：

其中，y0，1、y0，2、y0，3、y0，4分別為表示設(shè)計(jì)日 100%、75%、50%、25%負(fù)荷節(jié)約的運(yùn)行電費(fèi)。

3.3 臨界運(yùn)行電價(jià)

蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行存在臨界運(yùn)行電價(jià)，當(dāng)實(shí)際峰電電價(jià)低于此數(shù)值時(shí)，蓄冷替代供冷將不再經(jīng)濟(jì)。因此當(dāng)蓄冷用于替代供冷時(shí)，需要滿足的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性條件為：

其中，Q′S為假定的供冷需求；f′0為滿足運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行電價(jià)；REEref、REEcooling分別為制冷空調(diào)系統(tǒng)在制冰、空調(diào)供冷2種工況下的EER。當(dāng)式（14）恰好取等號(hào)時(shí)，得到設(shè)計(jì)日臨界運(yùn)行電價(jià)需要滿足的臨界條件為：

其中，f0為臨界運(yùn)行電價(jià)。若蓄冷系統(tǒng)在某一時(shí)段內(nèi)的實(shí)際電價(jià)與谷電電價(jià)之比小于f0／f3，則在平電時(shí)段蓄冷沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益，此時(shí)建議不考慮用蓄冷空調(diào)替代供冷；若蓄冷系統(tǒng)在某一時(shí)段內(nèi)的實(shí)際電價(jià)與谷電電價(jià)之比大于f0／f3，此時(shí)需要進(jìn)一步考慮由于初始投資、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本等帶來(lái)的影響，從而進(jìn)一步與臨界成本作比較。

3.4 維護(hù)成本

維護(hù)成本指的是為了維持設(shè)備正常運(yùn)行需要投入的檢測(cè)、維修、護(hù)理等費(fèi)用。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常假定蓄冷系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的年運(yùn)行維護(hù)成本按照初始投資的固定比例考慮。運(yùn)行維護(hù)成本yo&m為：

其中，l為系統(tǒng)運(yùn)行壽命，單位為a；r為折現(xiàn)率；t為年運(yùn)行成本占初始投資的比例，一般取2%～5%。

3.5 經(jīng)濟(jì)性分析及優(yōu)化

空調(diào)系統(tǒng)一般運(yùn)行年限較長(zhǎng)，可達(dá)到20～30 a，因此殘值很小，故在此處忽略殘值的影響。則在整個(gè)生命周期內(nèi)，蓄冷空調(diào)系統(tǒng)總的收益為：

其中，y為采用蓄冷空調(diào)系統(tǒng)后相對(duì)于非蓄冷空調(diào)系統(tǒng)獲得的收益。

3.6 經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)

當(dāng)某一時(shí)段的實(shí)際電價(jià)與谷電電價(jià)的比值高于f0／f3時(shí)，實(shí)際電價(jià)需要進(jìn)一步地與經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)作比較以最終確定采用蓄冷替代供冷并用于削峰是否經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題。

考慮蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的初始投資及運(yùn)行維護(hù)成本，并考慮到由于運(yùn)行蓄冷而減少的空調(diào)供冷用電費(fèi)用帶來(lái)的收益，從而滿足y≥0。當(dāng)f00＜f2時(shí)，將式（8）—（10）中的 f1與 f2均替換為 f00；當(dāng)f00＞f2時(shí)，將式（8）—（10）中的 f1替換為 f00；再令式（17）中 y＝0，可以解得經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià) f00。

3.7 最優(yōu)蓄冷容量

根據(jù)經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)與實(shí)際電價(jià)的大小關(guān)系，可以得到最優(yōu)蓄冷容量。

當(dāng)經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)滿足f3≤f00＜f2時(shí)，在平電時(shí)段采用蓄冷替代供冷在經(jīng)濟(jì)上可行，則最優(yōu)蓄冷容量QS，m為：

當(dāng)經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)滿足f2≤f00＜f1時(shí)，在平電時(shí)段采用蓄冷替代供冷在經(jīng)濟(jì)上不可行，在峰電時(shí)段采用蓄冷替代供冷在經(jīng)濟(jì)上可行，因此最優(yōu)蓄冷容量QS，m為：

當(dāng)經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)滿足f00＞f1時(shí)，無(wú)論在峰電時(shí)段還是在平電時(shí)段，蓄冷替代供冷運(yùn)行均不經(jīng)濟(jì)。

3.8 冰蓄冷系統(tǒng)與水蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用比較可通過(guò)蓄冷、釋冷過(guò)程中的能量利用效率得出。從蓄存冷量至釋放冷量，在整個(gè)過(guò)程中蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行效率為：

對(duì)于水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)而言，由于工業(yè)園區(qū)企業(yè)的空調(diào)房間多為一層，因此可以采用無(wú)板式換熱器的水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，釋冷時(shí)的泵僅為冷凍水泵。設(shè)冷凍水泵占非蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的耗電比例為k01，則k0＝k01；對(duì)于冰蓄冷系統(tǒng)而言，由于增加了換熱器，增加了乙二醇泵，設(shè)乙二醇泵占非蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的耗電比例為k02，則k0＝k01+k02。水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)蓄冷效率較高，取k＝0.95；冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)蓄冷效率一般較低，取k＝0.75。水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的冷量利用效率取經(jīng)驗(yàn)值 ηS＝0.8，冰蓄冷系統(tǒng)取經(jīng)驗(yàn)值 ηS＝0.85。 得到水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率ηsystem，water與冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率 ηsystem，ice的比值為：

其中，（kηS）water、（kηS）ice分別表示水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)、冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的kηS值。由式（21）可知，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度考慮，水蓄冷系統(tǒng)比冰蓄冷系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。

3.9 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)規(guī)劃流程

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)規(guī)劃流程圖如圖3所示。

圖3 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)規(guī)劃流程圖Fig.3 Flowchart of CSS planning

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在規(guī)劃時(shí)，首先根據(jù)輸入條件計(jì)算出k0和f0。判斷f2＞f0是否成立，若不成立，則最佳蓄冷容量為0；若f2＞f0成立，則進(jìn)一步地假定最佳蓄冷容量分別恰好能滿足設(shè)計(jì)日100%、75%、50%、25%負(fù)荷峰電時(shí)段冷負(fù)荷需求 QC，F(xiàn)，100%、QC，F(xiàn)，75%、QC，F(xiàn)，50%、QC，F(xiàn)，25%，并計(jì)算相應(yīng)的 f00，選擇總收益 y 的最大值及其對(duì)應(yīng)的蓄冷容量作為初步規(guī)劃結(jié)果。再判斷f2＜f00是否成立，若不成立，則最佳蓄冷容量為滿足峰電時(shí)段和平電時(shí)段冷負(fù)荷之和的冷量；若f2＜f00成立，則最佳蓄冷容量為滿足峰電時(shí)段冷負(fù)荷的冷量，并計(jì)算相應(yīng)的Pm和PB。

4 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)規(guī)劃案例分析

下面以廣州明珠工業(yè)園區(qū)某工業(yè)企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)改造為例，進(jìn)行蓄冷空調(diào)系統(tǒng)改造規(guī)劃。

已知該企業(yè)的典型設(shè)計(jì)日空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)冷負(fù)荷如圖4所示。

圖4 空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)冷負(fù)荷Fig.4 Hourly cooling loads of air-conditioning system

企業(yè)現(xiàn)有中央空調(diào)系統(tǒng)為螺桿冷水機(jī)組，主要用于維持生產(chǎn)車間24 h恒定溫度和濕度。企業(yè)現(xiàn)有變壓器容量為31.5 MV·A，要求蓄冷系統(tǒng)建成后，增加的運(yùn)行功率最大不應(yīng)超過(guò)該變壓器容量的5%。企業(yè)場(chǎng)地充足，既可以考慮建立冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，也可以考慮建立水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。

由于需要配合園區(qū)削減峰值用電功率，因此需要保證非谷電時(shí)段至少要有1 h配合園區(qū)削減峰值用電功率，谷電時(shí)段有1 h配合園區(qū)削減峰值用電功率而停止蓄冷。按照以往運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，每年設(shè)計(jì)日100%負(fù)荷天數(shù)、設(shè)計(jì)日75%負(fù)荷天數(shù)、設(shè)計(jì)日50%負(fù)荷天數(shù)、設(shè)計(jì)日25%負(fù)荷天數(shù)分別為d1＝146d，d2＝d3＝55 d，d4＝109 d。 峰電時(shí)段為 14∶00— 17∶00、19∶00—22∶00，電價(jià)均為 f1＝1.0911 元／（kW·h）；谷電時(shí)段為 00∶00—08∶00，電價(jià)為 f3＝0.3647 元／（kW·h）；其余時(shí)段為平電時(shí)段，電價(jià)為 f2＝0.6805元／（kW·h）。目前政策中容量電價(jià)為276元／（kW·a）。

下面以該系統(tǒng)為例進(jìn)行考慮電力系統(tǒng)削峰條件下的蓄冷系統(tǒng)規(guī)劃。

4.1 蓄冷系統(tǒng)類型的確定

設(shè)計(jì)日總冷負(fù)荷 QC＝104081 kW·h，峰、谷、平電時(shí)段冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)日峰谷平電價(jià)時(shí)段負(fù)荷Table 1 Cooling loads of peak，normal and valley periods for day designed

蓄冷系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)［16-17］如下：REE＝ 3.7，f1＝1.0911 元 ／（kW·h），f2＝0.680 5 元 ／（kW·h），f3＝0.3647 元／（kW·h），l＝20 a，m＝6 h，n＝8 h，t＝2%，T1＝1 h，T2＝1 h，r＝8%。 對(duì)原空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)改造時(shí)，可以將原中央空調(diào)冷水機(jī)組作為蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的基載部分，因此不需要增加基載新設(shè)備。原中央空調(diào)系統(tǒng)改造為水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其相關(guān)參數(shù)如下：k＝0.95，k0＝0.12，k1＝550 元／（kW·h），k3＝100元／（kW·h）。對(duì)應(yīng)地，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如下：k＝0.76，k0＝0.31，k1＝600 元／（kW·h），k3＝128元／（kW·h）。

根據(jù)式（15）計(jì)算得到臨界運(yùn)行電價(jià)比，對(duì)于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，有f0／f3＝2.24；對(duì)于水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，有 f0／f3＝1.50。

園區(qū)峰、谷電電價(jià)比為 f1／f3＝2.99，平、谷電電價(jià)比為 f2／f3＝1.87。 當(dāng)采用冰蓄冷系統(tǒng)時(shí)，f2／f3＜f0／f3，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性受損；當(dāng)采用水蓄冷系統(tǒng)時(shí)，f2／f3＞f0／f3，此時(shí)蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)，因此采用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。

4.2 經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)與最優(yōu)蓄冷容量

根據(jù)上文的計(jì)算公式，最終計(jì)算得到該工業(yè)企業(yè)的最優(yōu)蓄冷容量為 QS，m＝26744 kW·h。此時(shí)，最大收益為y＝238.3萬(wàn)元，即整個(gè)全壽命周期內(nèi)水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)能夠節(jié)約238.3萬(wàn)元的費(fèi)用。根據(jù)最優(yōu)蓄冷容量計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)為：

代入企業(yè)的實(shí)際參數(shù)后，得到經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)為f00＝0.7631 元 ／（kW·h），滿足條件 f2＜f00＜f1。

根據(jù)式（1）—（4），代入相關(guān)數(shù)據(jù)后得到主機(jī)容量為 Pm＝Pm，2＝970 kW，又 PR＝1575 kW，故 Pm＜PR，符合削峰的要求。由于采用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，可以將原空調(diào)系統(tǒng)的制冷機(jī)作為蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的基載系統(tǒng)，并且實(shí)際容量大于理論所需基載容量，無(wú)需增加基載設(shè)備，故不考慮基載設(shè)備費(fèi)用。

企業(yè)峰值用電功率主要發(fā)生在08∶00—16∶00，企業(yè)峰值用電功率約為22 MW，而蓄冷時(shí)段增加的用電功率最大約為1 MW，并且發(fā)生在夜間谷電時(shí)段，即使企業(yè)運(yùn)行蓄冷系統(tǒng)，夜間峰值用電功率依然小于企業(yè)白天峰值用電功率，對(duì)企業(yè)負(fù)荷峰值沒(méi)有影響，故容量電價(jià)可以忽略。

4.3 最佳蓄冷容量驗(yàn)證

總收益隨蓄冷量變化而變化的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 總收益隨蓄冷量變化關(guān)系Fig.5 Relationship between total benefit and cold-storage capacity

由圖5可知，總收益與蓄冷量呈分段線性函數(shù)關(guān)系。當(dāng)蓄冷量低于26744 kW·h時(shí)，總收益隨蓄冷量增大而增大，但增大的速率逐漸減小，這是由于隨著蓄冷量的增大，增加的蓄冷容量在全年范圍內(nèi)的設(shè)備利用率逐漸減小；當(dāng)蓄冷容量超過(guò)26744 kW·h時(shí)，增加的蓄冷容量只能在設(shè)計(jì)日75%負(fù)荷的平電時(shí)段和設(shè)計(jì)日100%負(fù)荷的平電、峰電時(shí)段使用，設(shè)備利用率過(guò)低以至于無(wú)法回收成本，使得總收益減小。因此最佳蓄冷容量為恰好滿足設(shè)計(jì)日75%負(fù)荷峰電時(shí)段全部冷負(fù)荷需求的蓄冷量。

5 結(jié)論

本文針對(duì)工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，提出了一種蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)劃方法，使得蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在滿足削峰要求的前提條件下，獲得最優(yōu)蓄冷容量和設(shè)備容量，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。

分析結(jié)果表明，當(dāng)蓄冷空調(diào)系統(tǒng)采用在峰電時(shí)段釋放冷量，在谷電時(shí)段蓄存冷量，在平電時(shí)段由空調(diào)機(jī)組供應(yīng)冷量的方案時(shí)，削峰對(duì)蓄冷系統(tǒng)規(guī)劃的影響主要體現(xiàn)在限制主機(jī)夜間蓄冷時(shí)間、限制蓄冷主機(jī)容量2個(gè)方面。

在進(jìn)行蓄冷系統(tǒng)類型的選擇時(shí)，冰蓄冷系統(tǒng)由于乙二醇溶液泵能耗較大，增加了換熱器使得換熱效率降低，主機(jī)制冰效率較低等因素，導(dǎo)致冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行效率明顯低于水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。因此，在場(chǎng)地足夠大的情況下，建議采用水蓄冷系統(tǒng)。

最優(yōu)蓄冷容量需要依據(jù)實(shí)際電價(jià)與臨界運(yùn)行電價(jià)f0、經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)f00的大小關(guān)系來(lái)確定。當(dāng)實(shí)際電價(jià)小于臨界運(yùn)行電價(jià)時(shí)，采用蓄冷替代制冷用于削峰不經(jīng)濟(jì)；當(dāng)實(shí)際電價(jià)大于臨界運(yùn)行電價(jià)時(shí)，由于受到初始投資和設(shè)備維護(hù)成本的影響，采用蓄冷用于削峰時(shí)，需要進(jìn)一步考慮經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)。具體如下：當(dāng)實(shí)際電價(jià)大于經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)時(shí)，最佳蓄冷容量為覆蓋該時(shí)段的全部冷量與蓄／釋冷效率之比；當(dāng)實(shí)際電價(jià)小于經(jīng)濟(jì)平衡電價(jià)但大于臨界運(yùn)行電價(jià)時(shí)，最優(yōu)化蓄冷容量不應(yīng)當(dāng)覆蓋該時(shí)段內(nèi)的冷負(fù)荷。但對(duì)于已經(jīng)建立的系統(tǒng)，可以通過(guò)蓄冷替代空調(diào)供冷以實(shí)現(xiàn)削峰和更高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。

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