深圳市前海能源科技發(fā)展有限公司 馬建波 王朝暉 曠金國 胡 勣香港華藝設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司 高 龍

0 引言

空調(diào)制冷系統(tǒng)采用夜間低谷電蓄冷技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，尤其是在華南地區(qū)，峰谷電價(jià)差大，蓄冷的經(jīng)濟(jì)性比較顯著。通常認(rèn)為蓄冷系統(tǒng)省錢不節(jié)能，原因是蓄冷系統(tǒng)夜間制冷能效低于常規(guī)無蓄冷系統(tǒng)，尤其是采用蓄冰技術(shù)時(shí)，制冷溫度低，制冷機(jī)制冰過程耗電多，而白天放冷過程中，從較低溫度的冷水轉(zhuǎn)換為較高溫度(7 ℃/12 ℃)的建筑空調(diào)末端冷水，熱力學(xué)損失較大。這是從空調(diào)制冷系統(tǒng)角度得到的結(jié)論。

從電力大系統(tǒng)角度考慮，電網(wǎng)采用了峰谷平電價(jià)，廣東電網(wǎng)峰谷平電價(jià)差還在不斷增大。原因包括提高電廠、電網(wǎng)、配電等電力設(shè)備利用率和減少投資，以及大電力系統(tǒng)節(jié)能。在低谷電時(shí)段，電廠的深度調(diào)峰會降低電廠能效，增加發(fā)電煤耗[1-2]。隨著電網(wǎng)負(fù)荷率的下降，機(jī)組發(fā)電煤耗增加，負(fù)荷率下降越多，越需要高能耗機(jī)組進(jìn)行降載運(yùn)行，降載調(diào)峰的發(fā)電煤耗越高。

為了電力系統(tǒng)的移峰填谷，使發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)和配電設(shè)備平穩(wěn)高效運(yùn)行，以及大規(guī)模消納可再生能源，各國都建設(shè)了大量抽水蓄能電站，西方發(fā)達(dá)國家抽水蓄能電站裝機(jī)容量通常占電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量的5%～10%，而目前我國這一比例不到2%[3]。2021年國家能源局發(fā)布《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，要求按照能核盡核、能開盡開的原則，到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”翻一番；到2030年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十四五”再翻一番。抽水蓄能電站的能源效率約為75%[4]，說明有25%的直接能源損失，但是從大系統(tǒng)角度考慮，由于提高了低谷電時(shí)段的發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率，使得發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率提高，降低了低谷電時(shí)段發(fā)電單位煤耗，同時(shí)提高了用電高峰發(fā)電能力，降低了煤電的發(fā)電需求，降低了高能耗、高成本機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷，有利于實(shí)現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。抽水蓄能也是一種大系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。

蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)采用夜間低谷電制冷，白天不需要制冷，直接把蓄冷量釋放出來供冷。如果采用蓄電的形式制冷，比如抽水蓄能+電制冷，則需要在白天把儲存的電能釋放出來，供給制冷機(jī)系統(tǒng)制冷。與夜間蓄冷供冷系統(tǒng)相比，抽水蓄能+電制冷的模式多了一個(gè)電能儲存與電能釋放的循環(huán)，增加了能源損失。蓄冷供冷系統(tǒng)比抽水蓄能+電制冷系統(tǒng)的能效高，因此，低谷電蓄冷供冷也是一種大系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。

如何評價(jià)低谷電蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能效益，尤其是與沒有蓄冷的常規(guī)空調(diào)制冷系統(tǒng)的能效對比，目前還沒有一個(gè)全面準(zhǔn)確的評價(jià)體系。JGJ 158—2018《蓄能空調(diào)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中給出了根據(jù)年移峰電量計(jì)算電網(wǎng)節(jié)約耗煤量的估算公式[5]，GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》中給出了蓄冷系統(tǒng)能耗指標(biāo)的修正系數(shù)(0～0.06)[6]，浙江省DB 33/1070—2010《大型公共建筑能耗測評標(biāo)準(zhǔn)》中將低谷電耗折減40%后用于能效計(jì)算[7]。但是，在實(shí)際使用過程中，這些修正很難把實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)的蓄能效益在節(jié)能效益中準(zhǔn)確體現(xiàn)出來，行業(yè)內(nèi)也沒有統(tǒng)一認(rèn)識。本文從電網(wǎng)系統(tǒng)峰谷平不同時(shí)段煤耗的角度，對蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能效益進(jìn)行分析，通過提出一個(gè)等效COP模型，與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析比較，以期為不同蓄冷空調(diào)系統(tǒng)提供一個(gè)較為全面的節(jié)能效益評估依據(jù)。

1 蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能量計(jì)算

1.1 蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)削峰填谷的節(jié)能計(jì)算

2018年國家能源局《關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見》要求實(shí)施火電靈活性提升工程，改造后的純凝機(jī)組最小技術(shù)出力達(dá)到額定容量的30%～40%，機(jī)組不投油穩(wěn)燃時(shí)純凝工況最小技術(shù)出力達(dá)到額定容量的20%～30%。目前燃煤電廠深度調(diào)峰已經(jīng)大范圍推行，文獻(xiàn)[8]介紹了浙江省燃煤機(jī)組深度調(diào)峰的整體情況。深度調(diào)峰意味著增加發(fā)電單位煤耗，而采用蓄冷系統(tǒng)后，電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了移峰填谷，降低了電廠調(diào)峰量，從而減少了耗煤量。

基于我國將在較長一段時(shí)間以燃煤機(jī)組為主體能源，根據(jù)蓄冷系統(tǒng)移峰填谷后實(shí)現(xiàn)的耗煤量節(jié)約，定義蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的等效COP如下：

式中 COPeff為蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的等效COP；Q為制冷系統(tǒng)供冷量，kW·h；W為制冷系統(tǒng)耗電量，kW·h；下標(biāo)P表示峰段，F(xiàn)表示平段，V表示谷段，s表示儲冷系統(tǒng)；ΔW為移峰填谷節(jié)約的耗電量，kW·h。

按照1 000MW燃煤機(jī)組滿負(fù)荷的耗煤量計(jì)算，移峰填谷節(jié)約的耗電量為

式中ΔE為移峰填谷節(jié)約的耗煤量(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))，kg；α(100%)1 000 MW為1 000 MW燃煤機(jī)組100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的發(fā)電單位煤耗，kg/(kW·h)。

蓄冷空調(diào)制冷系統(tǒng)移峰填谷節(jié)約的耗煤量為

ΔE=ΔEV,s+ΔEP

(3)

以下分別計(jì)算移峰填谷時(shí)段節(jié)約的耗煤量。

1.2 峰谷平各時(shí)段耗煤量計(jì)算

對于有峰谷平電價(jià)時(shí)段的制冷系統(tǒng)，其總耗煤量可以表示為

E=αFWF+αPWP+αVWV+αVWV,s

(4)

式中 E為制冷系統(tǒng)耗煤量，kg；α為發(fā)電單位煤耗，kg/(kW·h)。

系統(tǒng)總制冷量與耗電量分別為

Q=QF+QP+QV+QV,s

(5)

W=WF+WP+WV+WV,s

(6)

制冷系統(tǒng)COP定義為

則峰段制冷與谷段蓄冷的耗電量分別表示為

對于沒有蓄冷的空調(diào)系統(tǒng)，各時(shí)段制冷量就是各時(shí)段用戶冷負(fù)荷的需求量。系統(tǒng)制冷量表示為

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

(10)

式中 下標(biāo)ref表示沒有蓄冷的參考系統(tǒng)。

高峰時(shí)段參考系統(tǒng)制冷耗電量為

結(jié)合廣東省DBJ/T15-129—2017《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中空調(diào)系統(tǒng)全年一級能效要求[9]，對于深圳市來說，本文全年參考能效COPP,ref取5.0。

1.3 夜間低谷電蓄冷節(jié)約耗煤量計(jì)算

對于電廠夜間深度調(diào)峰，通常有各種容量發(fā)電機(jī)組的煤耗變化數(shù)據(jù)。假設(shè)電網(wǎng)負(fù)荷率f與發(fā)電單位煤耗α有如下關(guān)系：

α=α(f)

(12)

電網(wǎng)負(fù)荷率與發(fā)電單位煤耗的關(guān)系比較復(fù)雜，公認(rèn)的是負(fù)荷率降低，發(fā)電單位煤耗增加。對于某容量的燃煤發(fā)電機(jī)組，式(12)也有一個(gè)固定關(guān)系，比如文獻(xiàn)[1]指出，隨發(fā)電負(fù)荷變化，發(fā)電單位煤耗在280～350g/(kW·h)之間變化。對于電網(wǎng)來說，不但是面對不同的發(fā)電廠，而且每個(gè)發(fā)電廠還可以有不同型號發(fā)電機(jī)組的組合，都是電網(wǎng)調(diào)度時(shí)的變量，導(dǎo)致很難得到一個(gè)通用的方程來描述電網(wǎng)負(fù)荷率與發(fā)電單位煤耗的關(guān)系。本文作了簡化，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，發(fā)電單位煤耗與負(fù)荷率的關(guān)系見圖1。通過擬合，得到關(guān)系式為

圖1 發(fā)電單位煤耗隨負(fù)荷率的變化規(guī)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)

通過夜間儲能形式，電網(wǎng)負(fù)荷率從f提升到f+df，則節(jié)約耗煤量包括兩部分：一部分是電網(wǎng)負(fù)荷率從f提升到f+df后，電網(wǎng)負(fù)荷率增量部分df對應(yīng)的發(fā)電單位煤耗從α變化到α+dα；另一部分是原有電網(wǎng)負(fù)荷率f對應(yīng)的單位發(fā)電煤耗也從α變化到α+dα，折合到電網(wǎng)負(fù)荷率增量部分df的發(fā)電單位煤耗降低量為dα(f/df)。

于是電網(wǎng)負(fù)荷率從f提升到f+df，單位發(fā)電煤耗節(jié)約量dαs為

根據(jù)式(14)，dα(f/df)隨負(fù)荷率增加而降低，在負(fù)荷率為20%時(shí)，達(dá)到0.065 kg/(kW·h)；在負(fù)荷率為50%時(shí)，達(dá)到0.041 kg/(kW·h)。

另外，從負(fù)荷率50%增加到負(fù)荷率100%，發(fā)電單位煤耗α降低0.018 kg/(kW·h)。如果通過夜間儲能形式把機(jī)組負(fù)荷率從50%提升到100%，對于電網(wǎng)來說，儲能負(fù)荷增量的發(fā)電單位煤耗節(jié)約量保守估計(jì)為0.059 kg/(kW·h)。

對于夜間蓄冷空調(diào)系統(tǒng)來說，通過蓄冷節(jié)約的耗煤量為

ΔEV,s=WV,sΔαV,f1-f2

(16)

式中ΔαV,f1-f2為電網(wǎng)負(fù)荷率從f1增大到f2時(shí)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗的變化量，kg/(kW·h)。

這里保守估算ΔαV,f1-f2取0.059kg/(kW·h)。

1.4 高峰時(shí)段削峰節(jié)約耗煤量計(jì)算

根據(jù)國內(nèi)電廠各容量機(jī)組發(fā)電單位煤耗情況，隨著機(jī)組容量的降低，發(fā)電單位煤耗增加。電網(wǎng)調(diào)度時(shí)，按照優(yōu)先考慮高效率大機(jī)組的原則，高峰時(shí)段，在1 000 MW超臨界機(jī)組運(yùn)行的基礎(chǔ)上，假設(shè)增加300 MW超臨界機(jī)組，則電網(wǎng)增加負(fù)荷的煤耗增加，保守計(jì)算，發(fā)電單位煤耗增加量ΔαP可表示為

ΔαP=α(100%)300 MW-α(100%)1 000 MW(17)

式中 α(100%)300 MW為300 MW燃煤機(jī)組100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的發(fā)電單位煤耗，kg/(kW·h)。

對于300 MW的超臨界機(jī)組，100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)發(fā)電單位煤耗為0.32 kg/(kW·h)，比1 000 MW超臨界機(jī)組增加0.04 kg/(kW·h)以上。這里保守估算ΔαP為0.04 kg/(kW·h)。

對于高峰時(shí)段的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)來說，通過釋冷節(jié)約的煤耗量為

ΔEP=(WP,ref-WP)ΔαP

(18)

根據(jù)式(16)、(18)、(3)、(2)、(1)，可以計(jì)算得到等效COP。

2 前海區(qū)域供冷3號站等效COP計(jì)算

前海區(qū)域供冷系統(tǒng)3號站供冷面積90萬m2，設(shè)計(jì)供冷能力67 MW，采用電制冷+冰蓄冷+水蓄冷，包含4臺6 330 kW雙工況制冰主機(jī)、1臺7 034 kW水蓄冷主機(jī)、2臺7 034 kW基載主機(jī)，以及外融冰蓄冰盤管和水蓄冷設(shè)備，設(shè)計(jì)日冰蓄冷量13.6萬kW·h，水蓄冷量6.0萬kW·h；全年水蓄冷量1 620.8萬kW·h，冰蓄冷量4 028.7萬kW·h；水蓄冷全年蓄冷COP為6.2，冰蓄冷全年蓄冷COP為4.6。

根據(jù)設(shè)計(jì)，3號站100%、75%、50%、25%負(fù)荷日峰谷平各時(shí)段空調(diào)供冷量、融冰供冷量、蓄冷量、蓄冷與供冷耗電量，以及蓄冷與供冷COP見表1。

表1 3號站設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)不同負(fù)荷日的工作天數(shù)(100%、75%、50%、25%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間分別為13、95、95、98 d)，得到全年各時(shí)段的冷量分配、耗電量分配及COP數(shù)據(jù)。由表1數(shù)據(jù)計(jì)算，3號站全年系統(tǒng)COP為4.25。需要說明的是，該COP為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，全年供冷量1.22億kW·h，全年耗電量2 886.2萬kW·h，數(shù)據(jù)來源于前海3號制冷站的施工圖設(shè)計(jì)。由于采用了各種優(yōu)化手段，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)系統(tǒng)COP較以往的制冷站設(shè)計(jì)有了大幅提升。除了增加水蓄冷系統(tǒng)外，設(shè)計(jì)優(yōu)化中還采用了高效設(shè)備、變頻電動(dòng)機(jī)、流體阻力優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化配置、系統(tǒng)運(yùn)行策略與參數(shù)優(yōu)化等手段。

全年供冷量中有47%的冷量由夜間蓄冷提供，蓄冷耗電量占全年耗電量的50%。通過移峰填谷，全年白天高峰時(shí)段供冷量的54%由蓄冷提供，平段供冷量的43%由蓄冷提供。全年蓄冷系統(tǒng)的COP為3.95，低于白天空調(diào)制冷的系統(tǒng)COP(4.59)。

根據(jù)前海3號站設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對標(biāo)沒有蓄冷的常規(guī)制冷系統(tǒng)。其中常規(guī)制冷系統(tǒng)的全天供冷能效按照COP為5.0計(jì)算，峰段節(jié)電量等于常規(guī)制冷系統(tǒng)峰段供冷量除以5.0減去3號站峰段空調(diào)制冷量除以4.59。計(jì)算得到等效系統(tǒng)COP為4.91，見表2。

表2 3號站等效COP計(jì)算

以上分析表明，采用蓄冷的空調(diào)制冷系統(tǒng)，考慮削峰填谷的節(jié)能效益后，系統(tǒng)能效提升16%，達(dá)到4.91，相當(dāng)于廣東省DBJ/T 15-129—2017《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的一級能效要求[9]。

如果按照浙江省DB 33/1070—2010《大型公共建筑能耗測評標(biāo)準(zhǔn)》，將低谷蓄冷耗電量折減40%，則全年系統(tǒng)COP達(dá)到5.3。

根據(jù)設(shè)計(jì)，3號站分兩期建設(shè)，其中一期采用1臺7 034 kW基載主機(jī)、1臺7 034 kW水蓄冷主機(jī)、2臺6 330 kW雙工況機(jī)組，以及相應(yīng)水蓄冷和冰蓄冷裝置，設(shè)計(jì)日冰蓄冷量6.8萬kW·h，水蓄冷量6.0萬kW·h。在第3年，二期投產(chǎn)，地塊用冷需求大約在第10年達(dá)到滿負(fù)荷。圖2顯示了3號站全年供冷量與全年蓄冷量隨運(yùn)行時(shí)間的變化。在第1年和第2年，蓄冷裝置基本按照一期蓄冷裝機(jī)容量滿負(fù)荷運(yùn)行；第3年開始，所有蓄冷裝置投產(chǎn)，全年基本按照設(shè)計(jì)滿負(fù)荷蓄冷運(yùn)行。另一方面，從第1年到第5年，全年供冷量持續(xù)增加，第5年開始，增加速率減緩，意味著全年蓄冷供冷比例逐漸降低。

圖2 全年冷量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

根據(jù)表2的計(jì)算方法，得到不同運(yùn)行年份的全年系統(tǒng)COP和全年等效系統(tǒng)COP，如圖3所示。全年系統(tǒng)COP在不同運(yùn)行年份略有不同，主要與蓄冷供冷比例有關(guān)，但是全年等效系統(tǒng)COP基本保持在4.9，表明了低谷電蓄冷對系統(tǒng)節(jié)能的影響。

圖3 全年系統(tǒng)COP隨運(yùn)行時(shí)間的變化

3 結(jié)語

蓄冷供冷系統(tǒng)比無蓄冷供冷系統(tǒng)耗電量多，但是耗煤量少，如何比較蓄冷與無蓄冷供冷系統(tǒng)的能源效率，需要一個(gè)全面準(zhǔn)確的能效模型。本文提出了一個(gè)等效COP的模型，結(jié)合峰谷平各時(shí)段供冷系統(tǒng)的全年供冷量、制冷量、蓄冷量及對應(yīng)的COP，考慮峰谷平不同時(shí)段電網(wǎng)的供電煤耗，以及移峰填谷對電廠節(jié)約煤耗的影響，為蓄冷與不蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能效比較提供依據(jù)。根據(jù)前海區(qū)域供冷系統(tǒng)3號站設(shè)計(jì)參數(shù)，在考慮蓄冷的節(jié)能貢獻(xiàn)后，系統(tǒng)COP從4.25提升到4.91，基本達(dá)到廣東省DBJ/T 15-129—2017《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的一級能效要求。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，3號站投產(chǎn)后，每年的等效系統(tǒng)COP保持在4.9左右。在碳達(dá)峰碳中和的趨勢下，電網(wǎng)中可再生能源比例快速增加，未來可再生能源的使用量將成為衡量系統(tǒng)能效的一個(gè)指標(biāo)，會對用耗煤量評價(jià)能源系統(tǒng)效率產(chǎn)生影響。對于蓄冷供冷系統(tǒng)來說，除了移峰填谷的節(jié)能效益外，還降低了電源側(cè)與電網(wǎng)的調(diào)峰裝機(jī)容量需求[10-11]，平衡了電網(wǎng)供需，蓄冷系統(tǒng)也是在用戶側(cè)的儲能，增加了用戶側(cè)負(fù)荷的柔性，采用大規(guī)模蓄冷，將為大規(guī)模消納可再生能源創(chuàng)造條件。