冰蓄冷空調(diào)在高峰谷負(fù)荷差地區(qū)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性

丁慶，段紹輝，王執(zhí)中，孫冠男，王金暉，王勇

（1．深圳供電局有限公司，深圳518000；2．天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津300384）

冰蓄冷空調(diào)在高峰谷負(fù)荷差地區(qū)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性

丁慶1，段紹輝1，王執(zhí)中2，孫冠男2，王金暉2，王勇2

（1．深圳供電局有限公司，深圳518000；2．天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津300384）

冰蓄冷空調(diào)采用冰作為儲能介質(zhì)，使用大型空調(diào)機(jī)組在供電低谷期制冰蓄冷，在供電高峰期釋冷以滿足冷負(fù)荷需求，對電網(wǎng)起到削峰填谷的效果。以深圳地區(qū)作為對象，針對當(dāng)?shù)氐碾妰r政策進(jìn)行調(diào)研，通過對商用辦公建筑的冷負(fù)荷需求預(yù)測數(shù)據(jù)分析，完成冰蓄冷空調(diào)的典型設(shè)備方案和造價確定，基于不同的運(yùn)行策略、年用電量預(yù)測和電價政策，完成投資收益及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計算。研究表明，冰蓄冷技術(shù)在深圳的應(yīng)用可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，大規(guī)模推廣后，其削峰填谷的效果將對深圳電網(wǎng)的健康運(yùn)行和有序發(fā)展起到良好作用。

冰蓄冷空調(diào)；電價政策；運(yùn)行策略；削峰填谷

冰蓄冷空調(diào)技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項技術(shù)，通過采用冰作為儲能介質(zhì)，使大型空調(diào)機(jī)組在用電低谷期儲存能量，并在電網(wǎng)的供電高峰期供應(yīng)冷負(fù)荷，從而降低樓宇夏季用電高峰時的負(fù)荷峰值，使電網(wǎng)移峰運(yùn)行，并通過用電峰谷差價產(chǎn)生一定收益。

近年來，我國廣東等地夏季空調(diào)負(fù)荷不斷增加（據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析，空調(diào)負(fù)荷部分城市最高可達(dá)用電負(fù)荷的30%以上），負(fù)荷密度及最大負(fù)荷水平逐年增大，夏季負(fù)荷高峰期頻頻出現(xiàn)拉閘限電，陳健等以廣州電網(wǎng)為研究對象，進(jìn)行了詳盡的負(fù)荷分析[1]。針對此情況，部分學(xué)者對通過儲能設(shè)備削峰填谷[2]和相應(yīng)的峰谷電價[3]進(jìn)行了研究。隨著城市峰谷電價差距的進(jìn)一步增大，配變?nèi)萘侩妰r的產(chǎn)生為冰蓄冷的應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會?？照{(diào)系統(tǒng)的能效比COP（coefficient of performance）根據(jù)運(yùn)行效率有所波動，目前大型中央空調(diào)系統(tǒng)的平均COP約在4.9左右，冰蓄冷空調(diào)在4.0以上，雖然能效比略低于中央空調(diào)系統(tǒng)，但作為可控負(fù)載，冰蓄冷空調(diào)的削峰填谷作用和其經(jīng)濟(jì)性不容忽視。該技術(shù)的實際應(yīng)用和統(tǒng)一管理將對相關(guān)地區(qū)的電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生良好的移峰作用，同時也為使用戶產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，對冰蓄冷技術(shù)的研究主要結(jié)合辦公建筑的能耗分析和空調(diào)系統(tǒng)能耗指標(biāo)分析[4，5]、減少碳排放、移峰填谷及運(yùn)行費(fèi)用分析等方面展開[6，7]，至于實際的特定地區(qū)是否適用冰蓄冷技術(shù)及其推廣效果尚未進(jìn)行論證。

本文考慮到低緯度地區(qū)對空調(diào)需求程度較高，同時結(jié)合高峰谷差對電價所產(chǎn)生的影響，選取中國南方的廣東省深圳市為例進(jìn)行分析?；谏钲诘貐^(qū)的電價政策并結(jié)合典型商用辦公樓的DeST軟件冷負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)[8]，對冰蓄冷技術(shù)的典型工程應(yīng)用和運(yùn)行情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，對該技術(shù)在深圳的工程應(yīng)用、項目推廣的可行性和效果進(jìn)行討論和分析。

1 電價政策概述

截止2012年，深圳電網(wǎng)針對不到2 000 km2的供電范圍，供電量700億kW·h、最高負(fù)荷1 360萬kW、供電戶數(shù)260萬戶，呈現(xiàn)出鮮明的城市電網(wǎng)高負(fù)荷密度、高負(fù)荷峰谷差特點。此外，深圳夏季氣候炎熱，空調(diào)負(fù)荷占相當(dāng)大的比重。

2010 年深圳電網(wǎng)的年最大峰谷差達(dá)到5 209 MW，日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)出峰谷明顯的三峰態(tài)勢。不但具有高峰谷電價差，同時緊張的用地情況也制約了變電設(shè)備的建設(shè)，產(chǎn)生了變壓器容量電價。

根據(jù)變壓器容量的不同，容量為101～3 000 kVA，按變壓器容量24元/kVA·月的價格收取容量電費(fèi)，容量為3 001 kVA及以上，按最大需量44元/kW·月的價格收取容量電費(fèi)；蓄冷空調(diào)用電谷期電價按0.278 8元/kW·h執(zhí)行；一般商業(yè)及其他性質(zhì)負(fù)荷的峰谷電價則按表1進(jìn)行計費(fèi)。

表1 深圳市電價價目Tab.1Electricity price in Shenzhen

其中峰期為9：00—12：00，14：00—16：00，19：00—21：00；谷期為23：00—7：00；平價期為7：00—9：00，12：00—14：00，16：00—19：00，21：00—23：00。

在多種電價因素共同影響下，冰蓄冷在深圳的應(yīng)用效果將更具優(yōu)勢?？紤]到一般商用負(fù)荷大小適中，因此選擇用電量250 kW·h以上、裝機(jī)容量101～3 000 kVA的負(fù)荷進(jìn)行分析。

2 應(yīng)用場景分析

2.1 冷負(fù)荷量需求預(yù)測

以深圳辦公類商業(yè)建筑作為研究對象，選用DeST-c版本（應(yīng)用于商業(yè)建筑的商建版本）進(jìn)行建筑負(fù)荷模擬研究。針對一般辦公樓的典型情況，通過CAD對已知信息采用實際參數(shù)，對建筑描述、室外氣象數(shù)據(jù)、室內(nèi)熱擾量以及室內(nèi)要求溫濕度進(jìn)行設(shè)定，通過軟件模擬計算該建筑物全年逐時基礎(chǔ)室溫、空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷等的變化情況，并對本應(yīng)用場景下的冷負(fù)荷需求量進(jìn)行確定。

以供應(yīng)冷負(fù)荷場地約2 000 m2的商用辦公樓作為研究對象，根據(jù)軟件的仿真結(jié)果，全年各月份工作日、非工作日及高峰的典型日需冷量如表2所示。

表2 2000 m2典型辦公樓的需求Tab.2Data in the 2 000 m2typical office building kW·h

以一年中出現(xiàn)最大冷負(fù)荷需求的7月為例，其工作日和高峰日的典型冷負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 7月典型冷負(fù)荷曲線Fig.1Typical cooling load curve in July

冷負(fù)荷的負(fù)荷峰值為188.18 kW，日最大需冷量1 564.33 kW·h，均出現(xiàn)于7月份。

2.2 冰蓄冷設(shè)備運(yùn)行方式選取

冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行策略主要包括全量蓄冰策略和部分蓄冰策略。在僅考慮峰谷電價的政策時，采用全量蓄冰策略后，系統(tǒng)將高峰期的冷負(fù)荷需求完全轉(zhuǎn)移至低谷期，制冷機(jī)組在高峰期不運(yùn)行。

如采用全量蓄冰策略作為典型的冰蓄冷運(yùn)行方式，根據(jù)全量蓄冰要求，夜間23：00—7：00的谷期進(jìn)行蓄冷，白天7：00—21：00釋冷，在冷負(fù)荷需求的高峰期通過電空調(diào)補(bǔ)足。其運(yùn)行的不同狀態(tài)如圖2所示。

圖2 全量蓄冰運(yùn)行策略示意Fig.2Sketch map of operating strategy for full ice storage

如采用部分蓄冰的方式，如圖3所示，同樣在夜間進(jìn)行蓄冰以享受優(yōu)惠的電價政策，白天通過冷機(jī)在電價平價期的啟動對冷負(fù)荷進(jìn)行供應(yīng)。這樣夜間所制的冰將專門滿足出現(xiàn)高峰電價時的冷負(fù)荷需求，減少高峰電價出現(xiàn)時的系統(tǒng)用電電量。

圖3 部分蓄冰運(yùn)行策略示意Fig.3Sketch map of operating strategy for partial ice storage

2.3 冰蓄冷典型配置方案

在不計入冷負(fù)荷需求高峰時段的電空調(diào)和冷機(jī)補(bǔ)充供冷情況下，年度制冷量約17.97萬kW·h，最大冷負(fù)荷188.18 kW。

根據(jù)以上的冰蓄冷的制冷需求量和運(yùn)行方式的約束，按冰蓄冷的COP取值為4.0，制冷效率83.1%，進(jìn)行仿真分析，推薦選取蓄冰量900 kW·h的蓄冰桶進(jìn)行蓄冷，并配置100 kW制冷機(jī)組及相應(yīng)的水泵、冷卻塔、板式換熱器等設(shè)備。具體設(shè)備清單及初裝造價費(fèi)用見表3。

按一般施工費(fèi)取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計費(fèi)，施工費(fèi)用為設(shè)備費(fèi)用的15%，約5.22萬元。設(shè)備初裝造價合計為34.8+5.22=40.02萬元。

表3 典型設(shè)備清單及造價Tab.3List and cost of typical equipment

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計算

全量制冷方式白天運(yùn)行在釋冷狀態(tài)，可減少電負(fù)荷70 kW；部分制冷方式因選擇電價更低的方式，此時針對電網(wǎng)系統(tǒng)是負(fù)荷峰值，但與用戶的負(fù)荷峰值不能完全對應(yīng)，僅能減少電負(fù)荷約30 kW。另統(tǒng)計冰蓄冷空調(diào)在全量制冷方式中，根據(jù)峰谷電價的小時數(shù)考慮制冷耗電，則峰期和平期各占總耗電量的50%。

根據(jù)容量電費(fèi)和冰蓄冷用電電費(fèi)的情況，按照不同時段的電費(fèi)進(jìn)行計算，完成對冰蓄冷空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性分析。其邊界條件為q=17.97萬kW·h；ΔPE=0，ΔPIA=70 kW，ΔPIP=30 kW；COPI=4.0，ηI= 83.1%；COPE=4.9，ηE=71.4%。計算公式為

式中：q為所需制冷量；COPx為不同類型空調(diào)系統(tǒng)的能效比；ηx為不同類型空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率；Px為總購電量；Fx為不同類型空調(diào)系統(tǒng)的總購電電價；Pxi和Txi為不同峰谷電價時段的購電電量和單位電價；Fx′為所節(jié)約的容量電費(fèi)；Tx′為單位容量電費(fèi)，取24元/kVA·月；ΔPx為不同空調(diào)系統(tǒng)及運(yùn)行方式下所減少的電負(fù)荷。

研究中央空調(diào)和冰蓄冷空調(diào)建設(shè)后所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢，需要對比中央空調(diào)和全量制冷與部分制冷2種運(yùn)行方式下的蓄冰空調(diào)經(jīng)濟(jì)性，可從減少用戶用電成本出發(fā)，對比不同運(yùn)行方式所產(chǎn)生的費(fèi)用差異，如表4所示。

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用為15 072元/a。此外，相比于一般的電空調(diào)不具備調(diào)峰功能，冰蓄冷空調(diào)的制冰期是系統(tǒng)的谷期，且冷負(fù)荷需求的峰值不產(chǎn)生電負(fù)荷，可節(jié)約相應(yīng)的配電變壓器容量配置。所產(chǎn)生的收益為正?？照{(diào)用電電費(fèi)與所減少的配變?nèi)萘侩娰M(fèi)之和：

表4 系統(tǒng)運(yùn)行耗電量統(tǒng)計Tab.4Statistics of power consumption at operation system

年收益=中央空調(diào)購電電費(fèi)+節(jié)約容量電費(fèi)由前文的各項計算結(jié)果得到經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計算的邊界條件為：初期建設(shè)投資為40.02萬元；年均運(yùn)行成本為1.507萬元；全量制冷年收益為6.948 5萬元；部分制冷年收益為6.358 4萬元；投資期為1 a；回收期（壽命）為20 a；年化收益率為7%；稅費(fèi)等費(fèi)率為按一般費(fèi)率計費(fèi)。系統(tǒng)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表5所示。

表5 系統(tǒng)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.5Main economic indicators of system

綜合考慮深圳電價政策，全量制冷方式雖然節(jié)約的運(yùn)行電費(fèi)較部分制冷方式要少，但全量制冷在高峰期不會啟動雙工況制冷機(jī)，減小了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的峰值負(fù)荷，對配變?nèi)萘啃枨蟾?，可?jié)約更多的容量電費(fèi)，從經(jīng)濟(jì)性角度要優(yōu)于部分制冷方式。如無容量電費(fèi)政策，部分制冷可通過協(xié)調(diào)控制，使所儲存的冷量更多用于電價高峰期對冷負(fù)荷進(jìn)行供應(yīng)，反而可節(jié)約更多的費(fèi)用。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過充分調(diào)動冰蓄冷空調(diào)等可控負(fù)荷參與系統(tǒng)調(diào)峰，能有效緩解峰谷差的影響，減少各級變電站的建設(shè)需求，節(jié)約電網(wǎng)公司的大量資金投入，極大地減少輸變電設(shè)備對空間、土地資源投入的占用。

參照《中國南方電網(wǎng)城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》的要求，深圳電網(wǎng)規(guī)劃中的容載比指標(biāo)選取如下：500 kV電網(wǎng)為1.5～2.0；220 kV電網(wǎng)為1.6～1.9；110 kV電網(wǎng)為1.8～2.1。根據(jù)調(diào)研所得的深圳平均負(fù)荷與系統(tǒng)峰值負(fù)荷的差值2 500 MW及《南方電網(wǎng)變電站標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計》等資料進(jìn)行計算，如采用蓄冰空調(diào)進(jìn)行峰谷調(diào)節(jié)，可減少各級變電站建設(shè)約45座，減少土地需求合計（24.96～40.00）×104m2。

表6 變電站縮減的建設(shè)規(guī)模Tab.6Reduced scale of substation

4 結(jié)論

在空調(diào)應(yīng)用廣泛且利用率較高的地區(qū)，空調(diào)負(fù)荷已經(jīng)成為了影響電網(wǎng)的主要因素之一。雖然蓄冰空調(diào)的能效比略低于中央空調(diào)，但應(yīng)用蓄冰空調(diào)系統(tǒng)可以有效緩解電網(wǎng)的壓力，并且能起到削峰填谷和減少配變裝見容量的作用，對具有峰谷電價政策的地區(qū)可以直接減少用戶的用電費(fèi)用。通過以上對蓄冰空調(diào)經(jīng)濟(jì)分析，可得到如下結(jié)論。

（1）提出了冰蓄冷空調(diào)經(jīng)濟(jì)分析的計算方法，并分析了不同運(yùn)行方式所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。在高峰谷差電價和配變?nèi)萘侩妰r存在的情況下，系統(tǒng)工作在全量蓄運(yùn)行方式下將能產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)收益。

（2）冰蓄冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可對電網(wǎng)起到很大程度的削峰填谷作用，減少各級配變建設(shè)，節(jié)約土地資源。

（3）基于深圳的電費(fèi)政策，冰蓄冷空調(diào)技術(shù)在深圳的應(yīng)用將具備良好的投資回報，內(nèi)部收益率可達(dá)到13.08%。

本文對冰蓄冷技術(shù)在深圳應(yīng)用的方案進(jìn)行闡述，對運(yùn)行的年化收益進(jìn)行了宏觀分析，但對具體的建設(shè)模式和不同蓄冰設(shè)備容量的建設(shè)方案未進(jìn)行細(xì)分。在后續(xù)的研究中，可對本課題繼續(xù)深化，建立多種冰蓄冷方案的模型和更多運(yùn)行策略，并可在推廣后結(jié)合實際工程進(jìn)行模型修正，對冰蓄冷技術(shù)的實際應(yīng)用進(jìn)行更深入的探索。

[1]陳健，劉明波，樊亞亮，等（Chen Jian，Liu Mingbo，F(xiàn)an Yaliang，et al）．廣州電網(wǎng)負(fù)荷特性分析（Studies on load characteristics of Guangzhou power network）[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（6）：78-83．

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Economy of Ice-storage Air-condition Used in the Area of High Peak-valley Load Difference

DINGQing1，DUANShao-hui1，WANGZhi-zhong2，SUNGuan-nan2，WANGJin-hui2，WANGYong2
（1.Shenzhen Power Supply Bureau Co.Ltd.，Shenzhen 518000，China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.Ltd.，Tianjin 300384，China）

Ice-storage air-condition can act peak load shifting in the grid by using ice as a storage medium.The large air-condition unit can make ice for storage during the valley load，while the ice storage can chill during the peak load. Taking Shenzhen as a typical area，this paper analyzes the forecasting data of cooling load demand in commercial office buildings，and designs the typical equipments and the cost of ice-storage air-condition according to the local electricity price policy research.Based on different operation strategies，forecast of annual electricity consumption and electricity price policy，the investment income and economic indicator can be calculated.The results show that the icestorage technology can bring good economic benefit in Shenzhen，and can also play a good role to health operation and orderly development of the power grid in Shenzhen.

ice-storage air-condition；electricity price policy；operation strategy；peak load shifting

TM711；TM732

A

1003-8930（2014）01-0072-04

丁慶（1982—），男，博士，助理工程師，研究方向為新能源與節(jié)能技術(shù)。Email：dingqing@sz.csg.cn

2013-08-31；

2013-09-13

段紹輝（1961—），男，碩士，高級工程師，研究方向為智能電網(wǎng)新技術(shù)。Email：13502821051@139.com

王執(zhí)中（1985—），男，本科，助理工程師，研究方向為電力自動化。Email：675798114@qq.com