基于電力蓄冷蓄熱技術(shù)的探討

許培德

福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 永安 366000

0 引言

最近幾年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和電力體制改革及電源建設(shè)步伐的加快，長(zhǎng)期制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的電力供應(yīng)緊缺問題基本上得到緩解。但是，由于用電結(jié)構(gòu)已經(jīng)并將繼續(xù)發(fā)生根本性的變化，尤其是中央空調(diào)的大范圍使用，造成電網(wǎng)峰谷差日益增大，峰谷比不斷下調(diào)，調(diào)峰能力不斷下降。我國(guó)的峰谷比大約為10:0.7，美國(guó)的峰谷比為1:0.25，俄羅斯、日本、法國(guó)、英國(guó)和德國(guó)的峰谷比分別為：1:0.52、1:0.4、1:0.35、1:0.35和1:0.2，一般發(fā)展中國(guó)家的峰谷比是1:0.63，由此可見，我國(guó)用電結(jié)構(gòu)面臨的調(diào)峰任務(wù)和壓力日益嚴(yán)峻。

為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，發(fā)電側(cè)應(yīng)該采取調(diào)峰措施：水、火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行，建立抽水蓄能、燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)峰電廠。但發(fā)電側(cè)調(diào)峰水平是有限的，而且是以犧牲機(jī)組壽命、能源利用率、高投資等為代價(jià)。因此，為了做到資源的合理配置，用電側(cè)也必須采取調(diào)峰措施，進(jìn)行削峰填谷。近年來我國(guó)電網(wǎng)政策上實(shí)行了峰谷電價(jià)差，峰谷電價(jià)差為3倍左右，并隨著峰谷比不斷下調(diào)，峰谷電價(jià)差將逐步拉開到5～7倍。

而電力蓄冷蓄熱技術(shù)，就是利用低谷電力，通過水蓄冷、冰蓄冷和水蓄熱等設(shè)備，來轉(zhuǎn)移用電高峰負(fù)荷的一種新技術(shù)，它不但可以起到均衡負(fù)荷的作用，而且可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)增加了系統(tǒng)的備用容量，有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此使用電力蓄冷蓄熱技術(shù)對(duì)電網(wǎng) “削峰填谷”起著非常重要的作用。同時(shí)，電力蓄冷蓄熱技術(shù)已成為我國(guó)電網(wǎng)今后進(jìn)行電力負(fù)荷需求側(cè)管理、改善電力供需矛盾最主要的技術(shù)措施之一。

1 電力蓄冷蓄熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 電力蓄冷蓄熱技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展與應(yīng)用

20世紀(jì)80年代初，電力蓄冷蓄熱技術(shù)已成為一項(xiàng)新興技術(shù)，在國(guó)外科學(xué)家不斷研發(fā)新產(chǎn)品，而且在國(guó)外已作為DSM的一項(xiàng)成熟、節(jié)能、環(huán)保技術(shù)，一般在大型商場(chǎng)、賓館飯店、娛樂場(chǎng)所、金融大廈、商住樓、辦公樓大樓、醫(yī)院等場(chǎng)所應(yīng)用具有顯著效果。1998年底，日本擁有蓄冷空調(diào)系統(tǒng)4 500多家，美國(guó)已有4 000多家，我國(guó)臺(tái)灣已投運(yùn)600多家。

1.2 國(guó)內(nèi)電力蓄冷蓄熱技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

國(guó)內(nèi)從90年代初，逐步引進(jìn)和研制電力蓄冷蓄熱技術(shù)，并取得一定的成果和經(jīng)驗(yàn)，而且具備進(jìn)一步推廣應(yīng)用的條件。1992年我國(guó)首先引進(jìn)法國(guó)西亞特公司的全套電力蓄冷技術(shù)設(shè)備在深圳電子大廈啟用。最近幾年來，我國(guó)電力蓄冷蓄熱技術(shù)發(fā)展迅速，到去年底，全國(guó)擁有20多個(gè)省市應(yīng)用了電力蓄冷、蓄熱技術(shù)，累計(jì)可轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷80萬千瓦，按照冰蓄冷空調(diào)和蓄熱電鍋爐平均移峰成本約1 500元／千瓦和900元／千瓦計(jì)算，這樣共節(jié)省電力投資50多億元。至今，我國(guó)已建成投產(chǎn)和正在施工的電力蓄冷蓄熱項(xiàng)目擁有300多個(gè)，蓄能空調(diào)的部分技術(shù)和設(shè)備達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平。

目前峰谷電價(jià)政策的實(shí)施及其不斷的完善和發(fā)展，將為我國(guó)電力蓄冷蓄熱技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造良好的外部經(jīng)濟(jì)環(huán)境，該技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用范圍將形成不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，技術(shù)水平將不斷的提高。

2 電力蓄冷蓄熱技術(shù)

我們都知道“蓄”作為一種儲(chǔ)存調(diào)節(jié)的方法，在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域有著極其重要的作用，諸如蓄水保豐、蓄糧備荒、蓄幣致富、蓄才立國(guó)等。但是電力作為現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)最重要的能源之一，卻沒能實(shí)現(xiàn)大容量?jī)?chǔ)存。

國(guó)內(nèi)的發(fā)電廠70%左右為燃煤火力發(fā)電，電量調(diào)節(jié)難度較高。由于人類固有的生活特性決定了夜間活動(dòng)減少，電力需求降低。發(fā)電和需求的不平衡帶來的直接危害就是發(fā)電效率低、電網(wǎng)不穩(wěn)定。因此，國(guó)內(nèi)外紛紛建造“抽水蓄能電站”，即在山頂上修建一個(gè)水庫(kù)，夜間把水抽到山頂，白天放水發(fā)電。但這樣工程耗資巨大、工期漫長(zhǎng)，而且對(duì)生態(tài)有不確定影響，實(shí)屬無奈之舉。

而蓄冷蓄熱技術(shù)則是在用戶方間接實(shí)現(xiàn)電力儲(chǔ)存的一種簡(jiǎn)單易行的措施。電力輸送給用戶后，有一部分是轉(zhuǎn)化為熱能使用的，如電制冷的空調(diào)、電加熱設(shè)備等。這些設(shè)備的使用因生產(chǎn)時(shí)間、外界氣溫的變化也存在晝夜峰谷，因此可以通過熱能儲(chǔ)存的方法來平衡電網(wǎng)供需。

2.1 電力蓄冷技術(shù)及其主要特點(diǎn)

在電力負(fù)荷低谷時(shí)段采用電動(dòng)制冷機(jī)組制冷，利用水的潛熱（顯熱）以冰（低溫水）的形式將冷量貯存起來，在用電高峰段將它釋放，來部分或全部滿足建筑物的空調(diào)或生產(chǎn)工藝需冷量，達(dá)到電網(wǎng)移峰填谷的目的。這種技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域里叫做冰（水）蓄冷空調(diào)技術(shù)。該技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

1）全部或部分轉(zhuǎn)移了制冷機(jī)組的用電時(shí)間，達(dá)到了轉(zhuǎn)移高鋒負(fù)荷的目的。電廠和供配電設(shè)施的建設(shè)將慢慢減少，電力投資將逐步的減少、電廠運(yùn)行效率將逐漸提高。

2）冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷設(shè)計(jì)容量和用電功率小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，用戶配電容量將減少，一般可減少到30%～50%容量，這樣也節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)成本。

3）雖然這種技術(shù)增加了蓄冷裝置及其輔助設(shè)備，初步投資一般比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)來的高。但是，將供電設(shè)施費(fèi)用的節(jié)約也計(jì)入的話，根據(jù)每個(gè)地區(qū)的情況，這種投資也有可能跟常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)一樣。

4）根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司的政策，我們充分利用電網(wǎng)峰谷分時(shí)電價(jià)差，這樣空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)用費(fèi)用將比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)降低很多，分時(shí)電價(jià)差值愈大，其空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省愈多，如果峰谷電價(jià)比≥3時(shí)，就可以節(jié)約電費(fèi)30%～60%以上。

5）該技術(shù)可以提高空調(diào)蓄冷系統(tǒng)中制冷設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行比例，使運(yùn)行工況穩(wěn)定，設(shè)備利用率也大大的提高；空調(diào)使用的靈活也會(huì)因利用蓄冷裝置的使用而得到改善。

6）使用這種技術(shù)可以使空調(diào)冷凍水溫度降到1～4℃，這樣實(shí)現(xiàn)了大溫差及低溫送風(fēng)空調(diào)，使得空調(diào)末端冷量輸送系統(tǒng)的設(shè)備容量大大節(jié)省、材料投資和輸送系統(tǒng)運(yùn)行能耗也將降低。

2.2 電力蓄熱技術(shù)及其主要特點(diǎn)

電力蓄熱技術(shù)是指在電網(wǎng)低谷時(shí)段運(yùn)行電加熱設(shè)備對(duì)存放在蓄熱罐中的蓄熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，將電能轉(zhuǎn)換成熱能儲(chǔ)存起來，在用電高峰期將其釋放，以滿足建筑物采暖或生活熱水需熱量的全部或者其中的一部分，從而達(dá)到電網(wǎng)削峰填谷的目的。按照蓄熱量在采暖使用時(shí)提供的熱量不同，這種蓄熱模式可分為全量蓄熱和分量蓄熱。常用的電加熱設(shè)備主要有電鍋爐和熱泵機(jī)組，蓄熱介質(zhì)有水、金屬固體和其它相變蓄熱材料。蓄熱系統(tǒng)按蓄熱介質(zhì)劃分，可分為水蓄熱、相變材料蓄熱和蒸汽蓄熱，其中水蓄熱又分為常溫蓄熱、高溫蓄熱。這里主要討論電鍋爐及其蓄熱技術(shù)的主要特點(diǎn)：

1）制熱設(shè)備的用電時(shí)間將全部或者部分被轉(zhuǎn)移，電網(wǎng)較富裕的低谷電力得到了充分利用，這樣使電力系統(tǒng)運(yùn)行效率大大的提高。

2）蓄熱系統(tǒng)的制熱設(shè)備容量和用電功率小于非蓄熱系統(tǒng)，這樣用戶側(cè)配電容量可以減少，節(jié)約了電力投資成本。

3）雖然使用這種技術(shù)增加了蓄熱裝置及其輔助設(shè)備，使得投資成本比直熱系統(tǒng)來的高，但是如果能發(fā)揮國(guó)網(wǎng)公司政策，充分利用電網(wǎng)峰谷分時(shí)電價(jià)差，這樣蓄熱系統(tǒng)的運(yùn)用費(fèi)用將比直熱系統(tǒng)大大的降低，而且分時(shí)電價(jià)差值愈大，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用將愈多，當(dāng)峰谷電價(jià)比≥3時(shí)，就可以節(jié)約電費(fèi)30%～60%以上。

4）電力蓄熱技術(shù)是一種無噪聲、無污染、安全穩(wěn)定、可靠性和自動(dòng)化程度高的新技術(shù)，而這種技術(shù)的使用有利于保護(hù)環(huán)境，和減少管理環(huán)節(jié)。

2.3 電力蓄冷蓄熱技術(shù)的適用范圍

在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施峰谷電價(jià)差比較明顯的地區(qū)，如果具有下列條件之一，而且綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較合理時(shí)，就可以采用電力蓄冷蓄熱技術(shù)：

1）如果電力低谷時(shí)能使用閑置設(shè)備進(jìn)行制冷、制熱的，而且建筑物空調(diào)的冷、熱負(fù)荷具有明顯的不平衡，均可使用該技術(shù)。

2）當(dāng)空調(diào)建筑面積>3000，而且使用空調(diào)時(shí)負(fù)荷的峰谷差>60%，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的使用會(huì)造成裝機(jī)容量過大，且空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行于部分負(fù)荷下的，均可使用該技術(shù)。

3）電網(wǎng)高峰時(shí)段與空調(diào)使用高峰時(shí)段重合，且在電網(wǎng)低谷時(shí)段空調(diào)負(fù)荷小于電網(wǎng)高峰時(shí)段空調(diào)負(fù)荷的30%的。

4）有避峰限電要求或者必須裝設(shè)應(yīng)急冷熱源的場(chǎng)所。

5）與上面各狀況相同或者相似的，需要冷卻或加熱工業(yè)過程的，也可采用該技術(shù)。

3 電力蓄冷蓄熱模式

除部分特殊的工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)以外，商業(yè)建筑空調(diào)或普通工業(yè)建筑用空調(diào)一般沒有全日使用，通常每天只有運(yùn)行10小時(shí)左右，而且空調(diào)負(fù)荷逐日、逐時(shí)不平衡。如果不采用蓄冷系統(tǒng)，制冷機(jī)組的制冷量應(yīng)滿足瞬時(shí)最大負(fù)荷。當(dāng)采用蓄冷蓄熱系統(tǒng)時(shí)，一般有兩種模式，主要是全量蓄冷（熱）與分量蓄冷（熱）。

3.1 全量蓄冷（熱）模式

全量蓄冷模式主要是在電網(wǎng)高峰期時(shí)將空調(diào)所需要的負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)低谷時(shí)段。如圖1所示，是將制冷機(jī)組在低谷時(shí)段的制冷量（圖中B部分）蓄存起來供給電網(wǎng)高峰時(shí)段使用，使得電網(wǎng)高峰時(shí)段可以停止運(yùn)行制冷機(jī)組，圖中A與B的面積相等，這樣就達(dá)到了削峰填谷的目的。

圖1 全量蓄冷負(fù)荷示意圖

3.2 分量蓄冷（熱）模式

圖2為部分負(fù)荷蓄冷示意圖。分量蓄冷（熱）模式主要是指在電力高峰時(shí)段，讓制冷機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，不足部分由低谷時(shí)段的蓄冷量來補(bǔ)充，這樣就只有讓部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段。圖中，A的面積等于B與C之和且C=D。采用部分負(fù)荷蓄冷模式，相當(dāng)于一個(gè)工作日的負(fù)荷被制冷機(jī)組均攤到全天來承擔(dān)，因此這樣容量最小，這方面的初投資將大大的節(jié)省。在現(xiàn)實(shí)工程中也普遍采用這種模式。

分量蓄冷系統(tǒng)的控制比全量蓄冷系統(tǒng)的控制較復(fù)雜，除了保證蓄冷工況與供冷工況之間的轉(zhuǎn)換操作以及空調(diào)供水或回水溫度控制以外，還要解決制冷主機(jī)和蓄冷裝置之間的供冷負(fù)荷分配問題，如果這些系統(tǒng)控制的好使得利用蓄冷系統(tǒng)得到充分的利用，這就可以使得該系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用大大的節(jié)省。正常用的控制策略主要有三種，即：制冷主機(jī)優(yōu)先運(yùn)行，蓄冷裝置優(yōu)先運(yùn)行和優(yōu)化控制。

圖2 分量蓄冷負(fù)荷示意圖

電力蓄冷蓄熱技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，我們選擇使用該系統(tǒng)時(shí)應(yīng)明確目標(biāo)，如節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)投資、提高中央空調(diào)使用靈活性、減少配電容量還是為電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)移峰填谷最大可能地節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)等。

4 電力蓄冷蓄熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與效益

隨著能源問題的日益嚴(yán)峻，電力蓄冷蓄熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展給社會(huì)生產(chǎn)與生活現(xiàn)狀帶來了新的曙光。該技術(shù)與常規(guī)的供冷、供熱方法相比所具有的優(yōu)勢(shì)以及所帶來的多重效益，我們可以從社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益兩方面來概述。

4.1 社會(huì)效益

電力蓄冷蓄熱技術(shù)的應(yīng)用與國(guó)家電網(wǎng)的政策是相輔相成的，因?yàn)樾钅芗夹g(shù)具有相當(dāng)可觀的社會(huì)效益。蓄能技術(shù)能夠轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)峰谷差的均衡，達(dá)到“削峰填谷”目的。同時(shí)可以使新建電廠投資逐步減少，提高現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備和輸變電設(shè)備的利用率，也可以減少環(huán)境污染和能源利用（特別是對(duì)于火力發(fā)電）引起的影響，使有限的不可再生資源得到充分利用，使生態(tài)平衡得到合理的調(diào)節(jié)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

電力蓄冷蓄熱技術(shù)在帶來巨大的社會(huì)效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于廣大用戶來說，良好的經(jīng)濟(jì)效益和良性的運(yùn)行管理主要從以下幾方面來體現(xiàn)：

1）平衡電網(wǎng)峰谷荷，提高發(fā)電效率，減緩電廠和供配電設(shè)施的建設(shè)，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

2）制冷主機(jī)容量減少，減少空調(diào)系統(tǒng)電力增容費(fèi)和供配電設(shè)施費(fèi)。

3）利用電網(wǎng)峰谷荷電力差價(jià)，降低空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。 如：沿海地區(qū)夏季10kV工商業(yè)用電白天峰電為1.138元/kWh，夜間谷電為0.268元/kWh，差價(jià)達(dá)0.87元/kWh。

4）電鍋爐及其蓄熱技術(shù)無污染、無噪聲、安全可靠且自動(dòng)化程度高不需要專人管理。

5）冷凍水溫度可降到1~4℃，可實(shí)現(xiàn)大溫差、低溫送風(fēng)空調(diào)，節(jié)省水、風(fēng)輸送系統(tǒng)的投資和能耗。

6）相對(duì)濕度較低，空調(diào)品質(zhì)提高，可有效防止中央空調(diào)綜合癥。

7）具有應(yīng)急冷〔熱〕源，空調(diào)可靠性提高。

8）冷（熱）量全年一對(duì)一配置，能量利用率高。

5 結(jié)束語

電力蓄冷蓄熱技術(shù)是一項(xiàng)有利國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，且代表電力應(yīng)用發(fā)展方向的新技術(shù)，將為保護(hù)人類生存環(huán)境、優(yōu)化電力資源配置、保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到積極的作用。電力蓄冷蓄熱技術(shù)在我國(guó)推廣應(yīng)用剛剛起步，但效益明顯，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ摷夹g(shù)在我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，具備在全國(guó)大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用的條件。應(yīng)當(dāng)出臺(tái)相應(yīng)政策、法規(guī)，大力推廣應(yīng)用電蓄能技術(shù)。在當(dāng)前電能緊張的形勢(shì)下，應(yīng)選派市場(chǎng)開發(fā)人員前往高耗能大戶大力推廣此項(xiàng)技術(shù)，向客戶介紹電力蓄冷蓄熱技術(shù)的特點(diǎn)、原理、適用范圍、技術(shù)分類、技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及使用此技術(shù)前后的負(fù)荷對(duì)比，宣傳使用該技術(shù)的重要意義，使我國(guó)的電力蓄冷蓄熱事業(yè)步入迅速發(fā)展的良性軌道。

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