陳明彪 宋文吉 王瑛瀅 馮自平

跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)系統(tǒng)能效與經(jīng)濟(jì)性分析

陳明彪1,2,3,4宋文吉1,2,3王瑛瀅1,2,3,4馮自平1,2,3

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

減少供暖和供冷的能耗是社會(huì)節(jié)能的關(guān)鍵任務(wù)之一。針對(duì)目前跨季節(jié)蓄能技術(shù)存在的特點(diǎn)和不足，提出了以冰源熱泵為核心的跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)。以北京、沈陽(yáng)地區(qū)的采暖供冷為研究對(duì)象，對(duì)比三種不同的方案，從能效和經(jīng)濟(jì)性?xún)蓚€(gè)方面對(duì)跨季節(jié)蓄冷技術(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）相比于傳統(tǒng)冷水機(jī)組供冷和鍋爐供熱組合的技術(shù)，以冰源熱泵為核心的跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)，其全年累計(jì)一次能源消耗減少了50%左右，污染物排放減少了55%左右，具備良好的社會(huì)效益和環(huán)保效益。（2）跨季節(jié)蓄冷技術(shù)與夜間蓄冷技術(shù)相結(jié)合，可以大幅降低運(yùn)行成本，減小投資回收期，具備很好的經(jīng)濟(jì)效益。北京地區(qū)投資回收期約在6年左右。（3）蓄水槽對(duì)投資回收期有重要影響，而且方案三的投資回收期一直比方案二短。

跨季節(jié)蓄冷；冰源熱泵；冰漿；能效；經(jīng)濟(jì)性；相變

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%左右[1]，在建筑能耗中，供暖和供冷占據(jù)61%左右，減少供暖和供冷的能耗是節(jié)能的關(guān)鍵任務(wù)之一。我國(guó)大部分等地區(qū)冬季嚴(yán)寒、夏季酷熱，對(duì)于供暖和供冷都有很大的需求?？缂竟?jié)蓄能技術(shù)，是將冬季存儲(chǔ)的冷量用于夏季供冷，夏季存儲(chǔ)的熱量用于冬季供暖。與傳統(tǒng)的空調(diào)、鍋爐組合技術(shù)相比，大規(guī)模的跨季節(jié)蓄能技術(shù)的低成本低，綜合能耗低，具有很好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

跨季節(jié)蓄能技術(shù)包括以熱量利用為主的跨季節(jié)蓄熱以及以冷量利用為主的跨季節(jié)蓄冷技術(shù)?？缂竟?jié)蓄熱技術(shù)因與多能互補(bǔ)區(qū)域供熱技術(shù)相結(jié)合，所以有較為廣泛的商業(yè)應(yīng)用。如丹麥的PlanEnergi公司、Arcon-Sunmark公司和Ramboll公司等在集中供暖區(qū)域利用跨季節(jié)蓄熱技術(shù)，減少單位熱能的成本，達(dá)到節(jié)約成本的目的。在國(guó)內(nèi)，四季沐歌主持設(shè)計(jì)河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)的季節(jié)性蓄熱采暖及熱水綜合利用項(xiàng)目[2]，太陽(yáng)雨集團(tuán)在西藏浪卡子縣和仲巴縣建立大型太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱采暖項(xiàng)目。在跨季節(jié)蓄熱技術(shù)應(yīng)用中，太陽(yáng)能聚熱是熱量的主要來(lái)源之一。蓄熱主要有三種形式，即儲(chǔ)罐蓄熱、大水池蓄熱、地下水體蓄熱。

跨季節(jié)蓄冷目前大多停留在研究階段。該技術(shù)主要利用地底土壤或含水層作為恒溫冷熱源，經(jīng)過(guò)熱交換后再當(dāng)作熱泵的冷源或熱源。2000年天津大學(xué)袁偉峰[3]概述了國(guó)內(nèi)外季節(jié)性含水層供暖供冷的發(fā)展?fàn)顩r。2004年湖南大學(xué)付崢嶸[4]提出了季節(jié)性含水層儲(chǔ)能的住宅集中空調(diào)系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的運(yùn)行特性。但是地下含水層作為蓄能形式，受到地理限制。2013年?yáng)|南大學(xué)楊衛(wèi)波等[5]以U型地埋管地下蓄能區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，探討跨季節(jié)蓄能型地源熱泵地下蓄能與釋能特性。2013年Zhang[6]等提出季節(jié)性自然冷源土壤蓄冷系統(tǒng)，并采用濕熱耦合數(shù)學(xué)模型分析土壤跨季節(jié)蓄能的蓄能特性。2020年Xingping Li[7]等提出了采用兩相閉式熱虹吸管作為被動(dòng)傳熱裝置，并通過(guò)建立模型分析系統(tǒng)特性。

然而基于地源熱泵的跨季節(jié)蓄能，存在熱量不均、冷熱匹配、影響地底生態(tài)、應(yīng)用場(chǎng)景受限等問(wèn)題。由于地底土壤或富水層作為恒溫冷熱源的跨季節(jié)蓄冷技術(shù)存在自身的不足，我們提出了以冰源熱泵為核心的跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)。該技術(shù)主要是利用冰源熱泵，在冬季提取水的凝固相變熱用于供暖，生成的廢棄冰漿存儲(chǔ)于蓄水槽中，用于夏季釋冷。以冰源熱泵為核心的跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)，打破常規(guī)水源熱泵的可利用下限溫度，充分利用水的相變潛熱[8]，儲(chǔ)能密度高，成本低。該跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)的核心在于冰源熱泵。冰源熱泵也稱(chēng)作采集凝固熱熱泵[9-12]，已經(jīng)有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究和論證。冰源熱泵主要是壓縮蒸汽制冷循環(huán)與動(dòng)態(tài)冰漿制取技術(shù)的穩(wěn)定結(jié)合。相比于靜態(tài)制冰技術(shù)，動(dòng)態(tài)冰漿制取技術(shù)以其連續(xù)穩(wěn)定的特點(diǎn)較好地配合冰源熱泵提取水的凝固相變熱。目前采用的動(dòng)態(tài)冰漿制取技術(shù)主要有刮削法[13]、過(guò)冷水法[14]、流化床法[15]等。而過(guò)冷水法，由于具備能效高、換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，該技術(shù)在動(dòng)態(tài)冰漿制取、冰蓄冷等領(lǐng)域已經(jīng)有商業(yè)應(yīng)用。

本文提出了以冰源熱泵為核心的跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)，其中冰源熱泵采用過(guò)冷水方法采集凝固熱將液態(tài)水變?yōu)楸鶟{，然后對(duì)該技術(shù)的綜合能效以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用作為理論參考。

1 以冰源熱泵為核心的跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)工作原理

冰源熱泵有多種不同的冰漿制取方式，本文采用過(guò)冷水動(dòng)態(tài)冰漿制取的冰源熱泵，并以過(guò)冷水法的冰源熱泵為核心，提出新的跨季節(jié)蓄冷技術(shù)。具體工作示意圖如圖1所示。

（1）供暖期。供暖期內(nèi)閥門(mén)僅1、2、3開(kāi)啟，換熱器1為冷端，換熱器2為熱端。蓄水槽中冷水經(jīng)過(guò)換熱器1，而冰源熱泵利用壓縮蒸汽循環(huán)從中提取熱量，給用戶(hù)側(cè)提供熱量。在供暖期內(nèi)，蓄水槽中的水溫逐漸降低直到0℃附近，隨著供暖的持續(xù)，來(lái)自蓄水槽中的液態(tài)水經(jīng)過(guò)冰源熱泵后，變成過(guò)冷水。過(guò)冷水解除過(guò)冷度后變成0℃的冰漿返回蓄水槽中，而蓄水槽中的含冰率IPF（Ice Packing Factor）也從0逐漸上升，直到供暖期結(jié)束。

（2）供冷期。供冷期開(kāi)始時(shí)，閥門(mén)僅4、5開(kāi)啟。蓄水槽中的冷水經(jīng)過(guò)換熱器3直接與用戶(hù)側(cè)的回水換熱。供水溫度通過(guò)換熱器兩端的水流量進(jìn)行控制。來(lái)自蓄水槽的冷水經(jīng)換熱后返回到蓄水槽，冰漿釋放冷量。供冷期內(nèi)，由于冰的相變熱很大，因此相變供冷將持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。隨著供冷的持續(xù)，蓄水槽溫度升高至7℃左右。該溫度的冷水已經(jīng)不能滿足單獨(dú)的供冷需求，此時(shí)，閥門(mén)全部開(kāi)啟，換熱器1為熱端，換熱器2為冷端，熱泵機(jī)組啟動(dòng)并輔助制冷。由于蓄水槽將作為熱泵機(jī)組的冷源使用，因此制冷能效很高。隨著供冷的持續(xù)，蓄水槽水溫逐漸上升，直到供冷期結(jié)束。在供冷期，潛熱供冷占據(jù)絕大部分的供冷量，因此整個(gè)供冷期內(nèi)供冷的運(yùn)行成本很低。

1~5：閥門(mén)；6~9：水泵；10：冰源熱泵機(jī)組

2 跨季節(jié)蓄冷能效分析

本文以三種方案對(duì)企業(yè)園區(qū)辦公樓的采暖供冷情況進(jìn)行對(duì)比分析。方案一，冬季利用城市集中管網(wǎng)供熱，夏季采用冷水機(jī)組實(shí)時(shí)供冷。方案二，冬季采用冰源熱泵實(shí)時(shí)供暖并產(chǎn)生冰漿，夏季冰漿融化釋冷實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)供冷，不足部分采用冷水機(jī)組供冷。方案三，利用大小兩個(gè)蓄水槽，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)蓄冷與夜間蓄冷相結(jié)合的方式。在冬季，晚上開(kāi)啟冰源熱泵抽取大蓄水槽熱量，提升小水槽的水溫至45℃，白天利用小水槽熱水供暖；在夏季，利用冰漿潛熱釋冷實(shí)時(shí)供冷，當(dāng)蓄水槽溫度大于6℃后，則利用大小水槽進(jìn)行夜間蓄冷，白天釋冷的方式供冷。

2.1 冷熱負(fù)荷計(jì)算

本案例以北京、沈陽(yáng)地區(qū)企業(yè)園區(qū)辦公樓為研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析，工作時(shí)間為8:00—19:00。首先需要估算辦公樓的冷熱負(fù)荷，具體參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 建筑供暖供冷設(shè)計(jì)參數(shù)

氣溫以北京、沈陽(yáng)2019年每日最高溫和最低溫為依據(jù)，并假設(shè)日間逐時(shí)溫度變化服從正弦函數(shù)。室外相對(duì)濕度則參考該地區(qū)歷年平均相對(duì)濕度為設(shè)計(jì)參數(shù)。

夏季供冷時(shí)總冷負(fù)荷包括五項(xiàng)：

P=P+P+P+P+P（1）

其中，P是總冷負(fù)荷；P是透過(guò)窗的輻射冷負(fù)荷；P是空氣交換產(chǎn)生的冷負(fù)荷；P是由于墻窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷；P是人體發(fā)熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷；P是機(jī)器發(fā)熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷。

冬季采暖的熱負(fù)荷，同樣以方程（1）為設(shè)計(jì)依據(jù)。北方地區(qū)冬季輻射較弱，占比很少，因此冬季熱負(fù)荷計(jì)算忽略輻射產(chǎn)生的熱負(fù)荷。

其中，是綜合遮陽(yáng)系數(shù)；A是窗的面積；J是各朝向透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)窗玻璃的直接輻射照度，W/m2。具體數(shù)值參考《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的附錄D。

其中，μ是全熱交換效率，通常為0.5；h是單位交換空氣的焓差；V是總空氣量?？偪諝饬扛鶕?jù)不同建筑的換氣次數(shù)與總?cè)莘e獲得。

其中，h是在溫度（℃）下的焓值；是單位干空氣的含濕量，kg/kg。

其中，h是墻體的總傳熱系數(shù)；A是墻體的面積；?是室外和室內(nèi)的溫差。

其中，w是人體發(fā)熱平均功率；是總?cè)藬?shù)。

其中，A是總的使用面積；w是機(jī)器的平均發(fā)熱功率。

2.2 一次能源利用

對(duì)于方案一夏季冷水機(jī)組供冷，由于室外空氣溫度變化對(duì)空調(diào)主機(jī)能效比有較為明顯的影響，因此根據(jù)文獻(xiàn)[16]的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得能效比與室外溫度一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。從而進(jìn)一步可以獲得機(jī)組的電能消耗。冬季城市熱網(wǎng)采暖的能源利用效率為：

其中，η和η,s分別是城市熱網(wǎng)使用鍋爐的熱效率以及設(shè)備損耗系數(shù)，分別取0.75和0.1[17]。

對(duì)于方案二以及方案三，根據(jù)廠家測(cè)試數(shù)據(jù)的回歸分析，我們可以擬合得到如下的COP（coefficient of performance）值關(guān)系式：

其中，?是冰源熱泵機(jī)組采暖熱水側(cè)水的平均溫度與低溫水源側(cè)水的平均溫度的差值，即：

其中，T,in和T,out是熱水側(cè)的進(jìn)口和出口水溫；T,in和T,out是冷水側(cè)的進(jìn)口和出口水溫。

對(duì)于方案二、三，夏季供冷開(kāi)始時(shí)刻蓄水槽中的含冰率為0.5，冬季供暖開(kāi)始時(shí)刻初始水溫為20℃。另外，三種方案中都采用電驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組，電能的一次能源利用效率為：

其中，η和η,s分別是發(fā)電廠發(fā)電效率以及電能傳輸損耗系數(shù)，分別取值為0.33和0.05。

通過(guò)編寫(xiě)程序計(jì)算，可以獲得不同參數(shù)的變化對(duì)跨季節(jié)蓄冷系統(tǒng)性能的影響關(guān)系。

2.3 能效結(jié)果分析

圖2 一次能源累計(jì)利用量

以北京、沈陽(yáng)兩個(gè)地區(qū)為例，分析三種不同的方案在全年采暖供冷過(guò)程中一次能源的消耗量，具體見(jiàn)圖2所示。其中，北京、沈陽(yáng)地區(qū)供冷分別為90天和60天，采暖分別為120天和150天。由圖2可見(jiàn)，無(wú)論是北京地區(qū)還是沈陽(yáng)地區(qū)，三種方案的一次能源消耗量順序都是：方案1>方案3>方案2。以城市熱網(wǎng)及冷水機(jī)組的方案1為基準(zhǔn)，北京、沈陽(yáng)地區(qū)利用方案2則一年節(jié)省一次能源12.1TJ和12.8TJ，節(jié)省率分別是62%和54%；利用方案3則一年節(jié)省一次能源11.2TJ和11.6TJ，節(jié)省率分別是57%和49%。相比于方案1，以跨季節(jié)蓄冷為基礎(chǔ)的方案2和方案3可以節(jié)省約一半的一次能源消耗。節(jié)省的來(lái)源主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，其一是冬季的冷量存儲(chǔ)并被用于夏季供冷，夏季熱量存儲(chǔ)并被用于冬季，這是主要的節(jié)省來(lái)源；其二是冬季供暖時(shí)，冰源熱泵的綜合能源利用效率比鍋爐的高，具體可見(jiàn)方程（8）以及方程（11）。在采暖和供冷兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，以跨季節(jié)蓄冷為基礎(chǔ)的方案2和方案3，其節(jié)省的一次能源隨著地區(qū)不同而出現(xiàn)變化。北京地區(qū)夏季節(jié)省的一次能源占總節(jié)省量的60%左右，而沈陽(yáng)地區(qū)夏季節(jié)省的一次能源占總節(jié)省量的50%左右。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以知道1GJ一次能源約排放1.15kg的CO2，8.1g的SO2，以及0.43g的NOx。進(jìn)一步計(jì)算可以知道采用三種不同的方案時(shí)污染物的排放量，具體見(jiàn)表3所示。相對(duì)比方案一而言，可以看到采用跨季節(jié)蓄冷技術(shù)可以減少約55%的污染物排放，具有很好的環(huán)保效益，因此，在空氣污染比較嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)該優(yōu)先選用跨季節(jié)蓄冷技術(shù)進(jìn)行供暖供冷。

表2 全年一次能源消耗

表3 全年污染物排放量

2.4 冷熱匹配

在跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)當(dāng)中，全年冷熱是否匹配對(duì)實(shí)際應(yīng)用有重要影響。在本文的一年運(yùn)行案例分析中，都是從夏季供冷開(kāi)式，并假設(shè)蓄水槽的初始含冰率IPF為50%，冬季采暖初始水溫為20℃。由圖3（a）可見(jiàn)，北京、沈陽(yáng)地區(qū)的含冰率都是從50%下降到0%，兩個(gè)地區(qū)在供冷結(jié)束后，蓄水槽水溫都在20℃左右。在冬季采暖階段，兩地區(qū)水溫都是從20℃下降到0℃并保持不變。采暖結(jié)束時(shí)，兩地區(qū)的含冰率各不相同，北京地區(qū)含冰率只有50%左右，而沈陽(yáng)地區(qū)含冰率達(dá)到70%以上。其原因是沈陽(yáng)地區(qū)的冬季熱負(fù)荷與夏季冷負(fù)荷的差值大于北京地區(qū)。從冷熱匹配的角度來(lái)考慮，則北京地區(qū)優(yōu)于沈陽(yáng)地區(qū)。

從方案2和方案3的對(duì)比來(lái)看，兩種方案在不同地區(qū)的情況差異并不大。在夏季，兩種方案的含冰率IPF是重疊的，這是因?yàn)樵贗PF大于0時(shí)，都是通過(guò)融冰的方式供冷，兩種方案并無(wú)差別。而供冷結(jié)束時(shí)，方案3中的蓄水槽水溫高于方案2。這是因?yàn)椴捎梅桨?時(shí)，夜間蓄冷的COP相對(duì)較小而且冷量損失較大，因此需要消耗了更多的電能，所消耗的電能轉(zhuǎn)化為熱量存儲(chǔ)在大蓄水槽中，導(dǎo)致大蓄水槽溫度升高。在冬季采暖結(jié)束時(shí)，方案3中含冰率IPF低于方案2。這是因?yàn)椴捎梅桨?時(shí)，夜間蓄熱的COP相對(duì)較小而且熱損失較大，需要消耗了更多的電能制熱，所消耗的電能轉(zhuǎn)化為熱量使小蓄水槽水溫更快升高，導(dǎo)致從大蓄水槽提取的凝固熱減少，因此方案3中含冰率小于方案2。

冷熱不匹配是跨季節(jié)冷技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的痛點(diǎn)問(wèn)題?？尚蟹椒ㄊ抢米匀唤绲睦錈嵩唇o目標(biāo)冷熱源進(jìn)行補(bǔ)充。在冷需求更多的區(qū)域，則在冬季利用大氣自然對(duì)流換熱等低成本技術(shù)給蓄水槽補(bǔ)充冷量。在熱量需求更多的區(qū)域，則采用太陽(yáng)能集熱等技術(shù)補(bǔ)充熱量。

3 跨季節(jié)蓄冷經(jīng)濟(jì)性分析

在經(jīng)濟(jì)性分析過(guò)程中，主要包括初始投資和運(yùn)行成本兩部分。由于辦公大樓必須配備供暖供冷系統(tǒng)，因此經(jīng)濟(jì)性分析中以方案1為基準(zhǔn)。在方案2和方案3中，土地價(jià)格、熱泵機(jī)組、用戶(hù)端設(shè)備、水泵等設(shè)備費(fèi)不包含在新增初始投資中。相對(duì)于方案1，其新增的初始投資主要包括蓄水槽、冰源熱泵主機(jī)配件等。蓄水槽的造價(jià)主要包括挖土和布置保溫材料，參考大容積水池蓄熱項(xiàng)目中，大水槽的造價(jià)[18]，水槽價(jià)格遵循邊際效應(yīng)遞減規(guī)律，隨著水槽容積增大而減小。

運(yùn)行成本計(jì)算過(guò)程中，峰谷電價(jià)參考北京、沈陽(yáng)地區(qū)的電價(jià)政策。城市集中供暖價(jià)格，其中北京地區(qū)是45元/平方·供暖季，而沈陽(yáng)地區(qū)則是4.7元/平方·月。

經(jīng)計(jì)算可以獲得不同地區(qū)不同方案的運(yùn)行費(fèi)用。由圖4可見(jiàn)，由于以方案1為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)榉桨?沒(méi)有初始投資也沒(méi)有回收期。方案3的初始投資比方案2多70萬(wàn)元左右，主要是大蓄水槽分離出小蓄水槽時(shí)的隔熱層以及相關(guān)配件。北京地區(qū)的初投資比沈陽(yáng)地區(qū)的初投資高，這是因?yàn)楸本┑貐^(qū)夏季冷負(fù)荷更大，需要更大的蓄水槽。對(duì)比不同方案的全年運(yùn)行費(fèi)用，方案3的運(yùn)行費(fèi)用總是最低的，這是因?yàn)榉桨?既利用了跨季節(jié)蓄冷的優(yōu)勢(shì)，也利用了峰谷電價(jià)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，具備很好的經(jīng)濟(jì)效益。靜態(tài)投資回收期也說(shuō)明，相比方案2方案3是更優(yōu)的選擇。北京地區(qū)的投資回收期比沈陽(yáng)地區(qū)的回收期短，主要有兩個(gè)原因。其一是北京地區(qū)的電價(jià)以及采暖價(jià)格比沈陽(yáng)地區(qū)高不少，其二是北京地區(qū)所需蓄水槽更大，因此單位立方的初投資費(fèi)用更小。當(dāng)然，該結(jié)論是不考慮土地價(jià)格的因素在內(nèi)所得。但由于蓄水槽表面封蓋后，土地依然可以被利用，因此結(jié)論仍然具有一定的參考意義。另外，需要注意的是沈陽(yáng)地區(qū)方案2的運(yùn)行費(fèi)用高于方案1。這是由于方案2在白天直接利用高峰電價(jià)運(yùn)轉(zhuǎn)冰源熱泵，所需電費(fèi)遠(yuǎn)高于集中采暖的價(jià)格，因此方案2的全年的運(yùn)行費(fèi)用高于方案1。

圖4 不同技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性分析

在方案2和方案3中，蓄水槽的費(fèi)用占總投資費(fèi)用的大部分，因此蓄水槽容積的改變將對(duì)投資產(chǎn)生重要影響。由圖5可見(jiàn)，方案2和方案3的靜態(tài)投資回收期都隨著蓄水槽容積而出現(xiàn)變化?？梢钥吹皆谟?jì)算范圍內(nèi)，方案3的投資回收期一直小于方案2，而且北京地區(qū)方案3的投資回收期在6年左右，對(duì)于大型工程而言，該投資回收期是可接受的。而且，隨著很多地方大力推廣夜間蓄冷電價(jià)（如廣州地區(qū)夜間蓄冷電價(jià)為0.15元），這必將使得投資回收期減小。

圖5 不同蓄水槽容積對(duì)投資的影響

4 總結(jié)

減少供暖和供冷的能耗是建立節(jié)約型社會(huì)的關(guān)鍵任務(wù)之一，本文針對(duì)目前跨季節(jié)蓄能技術(shù)存在的特點(diǎn)和不足，提出了以冰源熱泵為核心的跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)，并對(duì)跨季節(jié)蓄冷技術(shù)的原理詳細(xì)講述。然后，以北京、沈陽(yáng)地區(qū)企業(yè)園區(qū)辦公大樓的采暖供冷為研究對(duì)象，對(duì)比三種不同的方案，從能效和經(jīng)濟(jì)性?xún)蓚€(gè)方面對(duì)跨季節(jié)蓄冷技術(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）相比于傳統(tǒng)冷水機(jī)組供冷和鍋爐供熱組合的技術(shù)，以冰源熱泵為核心的跨季節(jié)蓄冷集成技術(shù)，其全年累計(jì)一次能源消耗減少了50%左右，污染物排放減少了55%左右，具備良好的社會(huì)效益和環(huán)保效益。

（2）跨季節(jié)蓄冷技術(shù)與夜間蓄冷技術(shù)相結(jié)合，可以大幅降低運(yùn)行成本，減小投資回收期，具備很好的經(jīng)濟(jì)效益。北京地區(qū)投資回收期約在6年左右。

（3）蓄水槽對(duì)投資回收期有重要影響，而且方案三的回收期一直比方案二要短。

此外，需要指出的是以上結(jié)論是假設(shè)全年冷熱均衡的基礎(chǔ)上獲得的。實(shí)際的工程應(yīng)用中不同地區(qū)的冷熱需求必然是不匹配的。但是冷熱均衡是可以通過(guò)其他低成本方式實(shí)現(xiàn)。因此，以全年冷熱是均衡的為假設(shè)而得到的結(jié)論仍具備一定的參考價(jià)值。

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System Energy Efficiency and Economic Analysis of Integrated Seasonal Cool Storage Technology

Chen Mingbiao1,2,3,4Song Wenji1,2,3Wang Yingying1,2,3,4Feng Ziping1,2,3

( 1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510640;2.Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510640;3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou, 510640;4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049 )

it is the key tasks to reduce the energy consumption on heating and cooling. Considering the characteristics and shortcomings of the current seasonal cool energy storage technology, it is proposed integrated seasonal cool storage technology (ISCST) based on ice source heat pump. Heating and cooling in Beijing and Shenyang are investigated with three different proposals from the prospect of energy efficiency and economic analysis. It is found that: (1) in comparison with the traditional chiller cooling and boiler heating, ISCST with ice heat pump as core can reduce about 50% of primary energy consumption and about 55% of pollutant emissions. A good social benefits and environmental benefits are produced. (2) Combined with cool storage at night ,ISCST can significantly reduce operation costs and payback period. Payback period is about 7 years at Beijing. (3) Water storage pit plays a great role in payback period. The payback period in case 3 is the smaller than that in case 2.

seasonal cool storage; ice source heat pump; ice slurry; energy efficiency; energy efficiency; phase transformation

TK02

A

1671-6612（2021）02-189-07

中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)（XDA21070305）；河南省中國(guó)科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（202001）

陳明彪（1986-），男，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)榇笠?guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，E-mail：chenmb@ms.giec.ac.cn

宋文吉（1978-），男，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笠?guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，E-mail：songwj@ms.giec.ac.cn

2020-07-27