張 寧

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

隨著節(jié)能減排政策的推行，作為高用電終端的空調(diào)系統(tǒng)在參與電力調(diào)峰方面快速推進(jìn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種基于能量存儲(chǔ)及電能釋放的電網(wǎng)峰谷差干預(yù)策略。儲(chǔ)能技術(shù)可解決能量供給與需求在時(shí)間和強(qiáng)度上的不匹配問(wèn)題，在新能源背景下，如何降低空調(diào)能耗以及合理利用可再生能源實(shí)現(xiàn)場(chǎng)所溫度調(diào)節(jié)成為新的研究熱點(diǎn)。本文主要從相變儲(chǔ)能和虛擬儲(chǔ)能兩個(gè)技術(shù)方面來(lái)分析空調(diào)系統(tǒng)的儲(chǔ)能及應(yīng)用，介紹新能源背景下空調(diào)系統(tǒng)如何高效利用新能源，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 空調(diào)領(lǐng)域相變儲(chǔ)能技術(shù)

隨著能耗問(wèn)題的日益突出，空調(diào)系統(tǒng)的新型節(jié)能技術(shù)成為解決能源危機(jī)及達(dá)成可持續(xù)發(fā)展的可行手段。相變儲(chǔ)能材料是一種儲(chǔ)熱介質(zhì)，可以在減小熱交換器體積的情況下維持相變過(guò)程中的恒溫狀態(tài)，通過(guò)物理上的熱能吸收和釋放來(lái)達(dá)到儲(chǔ)能的目的?；谶@一特性，相變材料可以被應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)，配合新能源技術(shù)使空調(diào)系統(tǒng)更具環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

相變儲(chǔ)能材料的特點(diǎn)是能夠受溫度的影響而改變物理狀態(tài)，當(dāng)物理狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)會(huì)伴隨著熱量的吸收和釋放，根據(jù)能量守恒定律，可以將能量看作是被儲(chǔ)存在了相變儲(chǔ)能材料中。目前被廣泛使用的相變材料品類眾多，可以分為無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料、有機(jī)相變儲(chǔ)能材料和共晶相變儲(chǔ)能材料三種。相變過(guò)程是一種等溫或接近等溫的過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量吸引或釋放在空調(diào)領(lǐng)域中，相變儲(chǔ)能技術(shù)主要應(yīng)用于地板采暖、儲(chǔ)熱換熱器和儲(chǔ)能水箱。

1.1 相變儲(chǔ)能采暖技術(shù)

將相變儲(chǔ)能采暖技術(shù)應(yīng)用于地板采暖中，可以節(jié)約大量的能源，其儲(chǔ)能原理是相變材料儲(chǔ)存熱能，當(dāng)需要的時(shí)候再將熱量釋放出來(lái)，在這一過(guò)程中不會(huì)消耗能源也不會(huì)造成排放污染。由于儲(chǔ)能過(guò)程是可調(diào)節(jié)的，所以這一類地板采暖技術(shù)能夠根據(jù)外部環(huán)境的溫度實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)，相比持續(xù)性的化學(xué)能源供熱具有高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。在新能源廣泛應(yīng)用的背景下，相變儲(chǔ)能技術(shù)可以和光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)將波動(dòng)較大的光伏發(fā)電以熱能的形式儲(chǔ)能，然后再將相變材料中的熱量釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電削峰填谷的效果。根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示，輸出相同的能量，相變材料系統(tǒng)所消耗的電量只有40%。

除了能源高利用率方面的優(yōu)勢(shì)之外，相變儲(chǔ)能地板還會(huì)減輕冷輻射對(duì)人體的危害，在冬天時(shí)相變儲(chǔ)能地暖系統(tǒng)可以溫和地改變室內(nèi)溫度，防止室內(nèi)溫度呈階梯狀變化。由于相變儲(chǔ)能地暖屬于非燃燒取暖的形式，所以不會(huì)造成環(huán)境污染，讓室內(nèi)更加清爽整潔。系統(tǒng)的熱源主要來(lái)自于電加熱和熱水線圈，并且充分利用可再生能源和電力峰谷差價(jià)，所以能夠有效提高能源的利用率，減少因采暖而產(chǎn)生的電費(fèi)壓力。

1.2 相變儲(chǔ)能換熱器

換熱器主要是使用相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行水熱交換，以此來(lái)為冬季供暖或夏季制冷，三套管結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能換熱器可以實(shí)現(xiàn)熱量的同時(shí)儲(chǔ)存與排放，并且可以作為太陽(yáng)能的儲(chǔ)能裝置，充分利用光照充足天氣的太陽(yáng)能，改善太陽(yáng)能供熱不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。相變儲(chǔ)能換熱器的基本原理是利用相變材料的物理狀態(tài)變化原理來(lái)完成儲(chǔ)能，儲(chǔ)能裝置的使用對(duì)節(jié)省電能有著非常大的幫助。

1.3 相變材料儲(chǔ)能水箱

將相變儲(chǔ)能材料與太陽(yáng)能相結(jié)合，能夠有效降低能耗。在建筑領(lǐng)域中，應(yīng)用最為廣泛的新能源為太陽(yáng)能，這是因?yàn)樘?yáng)能相較于其他可再生能源來(lái)說(shuō)獲取更加穩(wěn)定，光伏設(shè)備的成本更低，受地域影響更小。不過(guò)太陽(yáng)能和其他可再生能源一樣，有著不穩(wěn)定的限制因素，所以將光伏能源進(jìn)行儲(chǔ)能是解決這一問(wèn)題的最有效途徑。太陽(yáng)能加熱與制冷系統(tǒng)可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，不管是哪種方式其最終目的都是利用相變材料完成能量的儲(chǔ)存與釋放。比如在主動(dòng)式太陽(yáng)能房的設(shè)計(jì)中，相變儲(chǔ)能材料用于相變儲(chǔ)能裝置，當(dāng)陽(yáng)光較強(qiáng)時(shí)，相變儲(chǔ)能裝置將太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱量?jī)?chǔ)能起來(lái)，當(dāng)夜晚或者沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)，將這些熱能釋放出來(lái)用以取暖，以此達(dá)到高效利用太陽(yáng)能以及降低建筑內(nèi)電能消耗的目的。相變儲(chǔ)能材料的使用不僅減輕了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的污染，還可以有效降低能耗，特別是在暖通空調(diào)領(lǐng)域，相變材料的應(yīng)用尤為廣泛。

1.4 相變儲(chǔ)能自然冷卻系統(tǒng)

在風(fēng)冷空調(diào)領(lǐng)域，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用主要解決能量供給與需求的不匹配問(wèn)題，相變材料的優(yōu)點(diǎn)在前文中已經(jīng)做出了較為詳細(xì)的說(shuō)明，將相變材料與通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以在建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)室外溫差的單向平衡，夜間將室外空氣的冷量?jī)?chǔ)存，白天將所儲(chǔ)存的冷量釋放，解除夏季室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的過(guò)度依賴。相變材料在物理狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，可以儲(chǔ)存或釋放熱能，在主動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)中，可以對(duì)相變材料的物理狀態(tài)加以干預(yù)。普通的儲(chǔ)冷方式主要是使用冷凝液，首先是將熱能轉(zhuǎn)化為冷量，然后將冷凝液和蒸發(fā)液存儲(chǔ)于容器中，在溫度降至蒸發(fā)液和冷凝液相變溫度時(shí)，即可達(dá)到冷量存儲(chǔ)的效果。除此之外，也可以采用熱泵的方式將熱量轉(zhuǎn)換為冷量，然后再將冷量存儲(chǔ)。不管是哪種存儲(chǔ)方式，都可以實(shí)現(xiàn)冷量的調(diào)控。由于冷量?jī)?chǔ)存之后，其釋放是可調(diào)控的，所以可以將其應(yīng)用于自然冷卻系統(tǒng)，通過(guò)緩慢釋放冷量來(lái)減少電能的消耗。

2 虛擬儲(chǔ)能空調(diào)系統(tǒng)

在中央空調(diào)系統(tǒng)中，制冷環(huán)節(jié)所消耗的電能最大，由于空調(diào)是持續(xù)制冷并將冷氣吹入建筑物中的，所以這一過(guò)程所消耗的電量十分巨大。在具有儲(chǔ)能介質(zhì)的中央空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)通過(guò)消耗電能來(lái)制冷，然后將冷能儲(chǔ)存起來(lái)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電能消耗的轉(zhuǎn)移。如果能夠設(shè)計(jì)一套儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能消耗的轉(zhuǎn)移，則可極大降低電能消耗。

2.1 虛擬儲(chǔ)能充放電系統(tǒng)

系統(tǒng)需有啟停制冷主機(jī)來(lái)完成調(diào)控，在到達(dá)額定工作狀態(tài)之后，可以實(shí)現(xiàn)虛擬儲(chǔ)能元件的充放電。為延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，主機(jī)系統(tǒng)不宜過(guò)于頻繁地進(jìn)行啟停操作，需設(shè)置一個(gè)合理的次數(shù)閾值。在制冷的過(guò)程中，冷凍水的溫度越低消耗的電能越大，為了達(dá)到更加節(jié)能的目的，需要對(duì)制冷主機(jī)的冷凍水出水溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)出水溫度來(lái)靈活控制充放電功率，也避免過(guò)于頻繁地啟停。

2.2 虛擬儲(chǔ)能削峰策略

采用虛擬儲(chǔ)能群組的中央空調(diào)可以實(shí)現(xiàn)電能的削峰填谷，制冷空調(diào)使用的高峰期為炎熱的夏季，由于用電高峰的存在，想要提升電網(wǎng)穩(wěn)定性，促進(jìn)電網(wǎng)高效率運(yùn)用，需要使用儲(chǔ)能裝置來(lái)進(jìn)行供電削峰。在虛擬儲(chǔ)能技術(shù)下，中央空調(diào)可以利用虛擬儲(chǔ)能群組完成電能的儲(chǔ)存，然后在高峰期將儲(chǔ)存的電能釋放出來(lái)。參與削峰需要考慮用戶的舒適度，如果以用戶舒適度為代價(jià)來(lái)強(qiáng)制削峰，勢(shì)必會(huì)影響用戶參與削峰的積極性，所以利用虛擬儲(chǔ)能調(diào)峰的目標(biāo)應(yīng)具有計(jì)劃性和合理性，通過(guò)科學(xué)構(gòu)建模型并利用函數(shù)計(jì)算出最佳方案。

3 新能源儲(chǔ)能空調(diào)系統(tǒng)

新能源背景下的儲(chǔ)能空調(diào)系統(tǒng)是將太陽(yáng)能、風(fēng)能或班克斯能源轉(zhuǎn)化為電能并加以儲(chǔ)存、釋放和分配的新型系統(tǒng)，在現(xiàn)有技術(shù)水平下，電能的儲(chǔ)能大多借助于可充電電池，如鋰電池等來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的工作原理十分簡(jiǎn)單，首先是新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生電能，由可充電電池將電能儲(chǔ)存起來(lái)。然后可充電電池平衡釋放電量為空調(diào)系統(tǒng)供電，使空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行。在這一過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)起到的最主要作用是將供電平穩(wěn)化，解決新能源發(fā)電波動(dòng)大、受環(huán)境影響大的問(wèn)題。更加復(fù)雜的儲(chǔ)能空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)充放電的智能調(diào)節(jié)，在智能化調(diào)節(jié)模式下，中央空調(diào)會(huì)維持一個(gè)相對(duì)平衡的運(yùn)行狀態(tài)，為建筑持續(xù)制冷。由于新能源發(fā)電的不確定性，新能源儲(chǔ)能空調(diào)系統(tǒng)仍然需要連接常規(guī)電源，當(dāng)發(fā)電量和儲(chǔ)存電量都不能滿足需求時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)會(huì)調(diào)用傳統(tǒng)電力供電，保證居民的舒適度。新能源儲(chǔ)能方式主要有化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、熱能儲(chǔ)能和動(dòng)能儲(chǔ)能四種方式，其中化學(xué)儲(chǔ)能更加簡(jiǎn)單、高效且安全，相較于其他三種儲(chǔ)能方式更加適用于儲(chǔ)能式空調(diào)系統(tǒng)，也是目前最為流行的儲(chǔ)能空調(diào)建設(shè)方案。