基于相變蓄冷技術(shù)的建筑空調(diào)系統(tǒng)負荷柔性改造方案探究

摘要：相變材料作為一種新型儲能材料，將其應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)可以實現(xiàn)控制環(huán)境溫度或儲存冷量的作用，還有利于提高建筑制冷電負荷調(diào)控能力。研究建筑空調(diào)系統(tǒng)冷卻水側(cè)耦合相變蓄能改造方案表明，在70 000 m2的辦公建筑中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水側(cè)配置20～40 m3體積的相變蓄冷罐，可通過降低制冷機組入口冷卻水溫度，實現(xiàn)削減空調(diào)系統(tǒng)3%電負荷30～60 min。

關(guān)鍵詞：相變蓄冷技術(shù);相變材料；調(diào)峰;柔性分析實現(xiàn)“雙碳”目標，中國必須實施能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，建設(shè)新型能源體系。未來，大比例新能源接入電網(wǎng)，供給側(cè)和需求側(cè)的同步互動是解決風(fēng)光新能源消納的關(guān)鍵。

夏季，城市建筑空調(diào)負荷在電力消耗中的比重越來越大，加劇了電力調(diào)度與電力緊張局面。商業(yè)及辦公類公共建筑集中制冷機房一般占據(jù)建筑能耗的30%～50%。若能增加建筑制冷負荷調(diào)控區(qū)間，在空調(diào)制冷高峰時主動調(diào)控負荷，平滑建筑電力需求，便能助力風(fēng)光新能源消納。隨著新能源、人工智能等技術(shù)進一步發(fā)展，在未來的新型零碳電力系統(tǒng)中，建筑將從簡單的電力消費者轉(zhuǎn)化為發(fā)電、蓄電、調(diào)節(jié)和消費四位一體的重要角色，挖掘和提升建筑負荷的調(diào)節(jié)能力對于電網(wǎng)大比例風(fēng)光新能源消納起到巨大支撐作用。

相變蓄冷技術(shù)可以增加建筑空調(diào)系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)能力。目前，冰作為一種最常規(guī)的儲冷介質(zhì)，相變溫度為0 ℃，低于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水7～12 ℃的溫度工況。因制冷機組蒸發(fā)溫度過低，需配置雙工況制冷機且機組蓄冷工況運行效率降低［1］。城市土地價格高昂，為降低建筑成本，大部分建筑機房布置緊湊，進行冰蓄冷或水蓄冷改造受到較多限制。以相變材料作為儲冷介質(zhì)，可降低建筑蓄冷改造難度，提高制冷系統(tǒng)運行效率。本部分將重點探究建筑空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用相變蓄冷技術(shù)后的制冷機組用電負荷變化情況。

1相變儲能材料及相變蓄冷技術(shù)

相變材料（PCM）是指能夠在外界條件變化時發(fā)生相變的材料。它的基本原理是利用材料的物態(tài)變化吸收或釋放熱量。當(dāng)相變材料在吸收熱量時，溫度升高，狀態(tài)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài);而當(dāng)材料釋放熱量時，溫度降低，狀態(tài)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)［2］。

相變蓄冷技術(shù)是利用相變材料（PCM）在物態(tài)變化過程中提供的潛熱并加以儲存和利用的技術(shù)。通過將相變蓄冷材料與中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合，將晚上低谷電轉(zhuǎn)化為冷量儲存起來，在白天尖峰負荷時釋放冷量，轉(zhuǎn)移用電負荷，結(jié)合分時階梯電價策略能降低建筑制冷成本與能耗［3］。相對于電化學(xué)儲能，相變蓄冷技術(shù)可以直接存儲冷能，具有安全性高、循環(huán)穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

2中央空調(diào)蓄冷相變材料的選擇條件及分類因相變材料能量密度高且溫度可控，與冰蓄冷系統(tǒng)相比，此時制冷機運行效率更高。蓄冷和正常制冷過程均可以利用同一制冷機組，在運行能效和改造投資上均具有優(yōu)勢。采用該方式進行蓄冷的空調(diào)系統(tǒng)可避免水蓄冷儲罐體積大和冰蓄冷機組運行效率低的問題。

目前研究及應(yīng)用最為廣泛的相變材料是固液相變材料。根據(jù)化學(xué)成分，固液相變材料可分為無機相變儲冷材料、有機相變儲冷材料和共晶相變儲冷材料?？照{(diào)相變蓄冷材料應(yīng)具有相變潛熱高、體積變化小、導(dǎo)熱系數(shù)高、化學(xué)穩(wěn)定性高、無腐蝕、無毒、難燃、過冷度低、價格低、供應(yīng)充足等優(yōu)良性能。

無機類相變材料中的水合鹽材料因儲能密度高、相變溫度固定、價格低廉、來源廣泛，現(xiàn)用于空調(diào)蓄冷的熔點在5～10 ℃范圍內(nèi)的相變材料，多數(shù)由十水硫酸鈉添加其他控制熔點的鹽類組成［4］。

有機類相變材料主要包括石蠟、酯酸類、高分子化合物等。單一有機相變材料的相變溫度普遍較高，在蓄熱領(lǐng)域應(yīng)用更廣泛。為得到相變溫度合適、潛熱值高、性能穩(wěn)定的蓄冷材料，通常會將幾種材料混合制成復(fù)合相變材料以融合各材料的優(yōu)點，彌補單一材料的不足。目前，已有公司開發(fā)出應(yīng)用于制冷等場景的相變材料。

3建筑空調(diào)系統(tǒng)情況

某集團總部大廈位于北京市朝陽區(qū)，總建筑面積73 000 m2，其中地上建筑面積56 000 m2。大廈采用中央空調(diào)系統(tǒng)，地下制冷機房現(xiàn)有2臺離心式冷水機組和1臺螺桿冷水機組。離心式冷水機組額定制冷量3 516 kW，電功率626 kW，螺桿式冷水機組額定制冷量1 044 kW，電功率212 kW。

該大廈每年5月1日至9月30日為夏季制冷季，每天機組運行約12 h，夏季最高峰時期運行2臺離心機，其余時間基本只運行1臺離心機組，大廈平均需求冷負荷約4 200 kW，離心式冷水機組夏季典型工況數(shù)據(jù)所示：冷凍水進水溫度：11.48 ℃，冷凍水出水溫度：8.32 ℃，冷卻水進水溫度：28.4 ℃，冷卻水出水溫度：32.2 ℃，循環(huán)水流量：793.4 m3/h，驅(qū)動電功率：506.7 kW。

4中央空調(diào)系統(tǒng)負荷可調(diào)負荷柔性分析

4.1空調(diào)系統(tǒng)相變蓄冷改造方案

制冷機組是由壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器組成。如圖1所示，建筑制冷系統(tǒng)主要分成冷凍水與冷卻水兩套循環(huán)系統(tǒng)，制冷機組通過壓縮機將制冷劑壓縮成液態(tài)后送到蒸發(fā)器中對冷凍水降溫，經(jīng)蒸發(fā)后的制冷劑在冷凝器中釋放出熱量，冷卻循環(huán)水升溫后將熱量帶到冷卻塔向大氣環(huán)境散熱。

制冷機組供回水溫度一般為7～12 ℃，冷卻塔進出口水溫一般為30～37 ℃。由于制冷機組絕大部分布置在建筑地下室，空間有限，因此在冷凍水側(cè)開展蓄冷條件不容易滿足。而建筑中央空調(diào)系統(tǒng)中冷卻塔一般設(shè)置在建筑樓頂或地面，因此在冷卻水側(cè)開展蓄冷改造相對來說更容易找到場地布置蓄能罐。根據(jù)冷卻水溫度、夏季北京環(huán)境溫度情況，相變材料溫度在20～30 ℃可能較好，儲能釋能循環(huán)比較容易建立。選擇20～25 ℃相變溫度的相變材料，相變潛熱約140 kJ/kg。

在冷卻水側(cè)耦合相變儲能罐，可以在夏季高峰時降低制冷機冷卻水入口溫度，保持冷機在高效區(qū)間運行，提高制冷機組的COP，進而降低制冷機組電負荷。

4.2計算分析

根據(jù)經(jīng)驗，制冷機組隨著冷凝溫度的升高，制冷系數(shù)也隨著下降，冷凝溫度每升高1 ℃，機組效率大約下降3.2％［5］。

該建筑夏季平均冷負荷大約4 200 kW，典型工況下冷機COP約5.81，則空調(diào)系統(tǒng)通過冷卻塔平均對大氣環(huán)境排熱約4 922.9 kW?；诖髿猸h(huán)境溫度不變，相變蓄冷單元需要從循環(huán)冷卻水中持續(xù)吸收冷卻熱負荷約1 316 kW，即將冷卻水水溫從28.4 ℃降低到27.4 ℃，制冷機COP值從5.8提高到6.0，冷水機組電功率由722.9 kW下降到700.0 kW，降低約3.2%。

考慮相變蓄冷釋冷過程效率85%，以冷卻水溫度降低1 ℃為目標，不同的蓄冷儲罐體積下對應(yīng)的蓄冷量及降低3%負荷運行時長計算如下表1所示。

因此，可以根據(jù)建筑富余空間，設(shè)置至少20～40 m3的相變蓄冷罐，尖峰時刻可以消減3%的電負荷需求0.5～1.0 h。

5結(jié)論

根據(jù)分析，相變蓄冷技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)冷卻水側(cè)可以降低建筑空調(diào)蓄冷改造難度，還可利用環(huán)境冷量增加建筑柔性可控負荷。

相變蓄冷材料可選擇相變溫度20～30 ℃，在建筑空調(diào)系統(tǒng)冷卻水側(cè)設(shè)置20～40 m3的相變蓄冷罐。蓄冷單元與空調(diào)原有制冷系統(tǒng)耦合運行，可以實現(xiàn)消減3%的冷機尖峰電負荷30～60 min。

參考文獻：

［1］李沐，李亞溪，李傳常.相變儲冷技術(shù)及其在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儲能科學(xué)與技術(shù)，2023，12（1）：181197.

［2］周文凱，王賽羽.相變儲能材料在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程，2024，50（2）：9193.

［3］湯磊，曾德森，凌子夜，等.相變蓄冷材料及系統(tǒng)應(yīng)用研究進展［J］.化工進展，2023，42（8）.43224339.

［4］楊晉，殷勇高.徐笑鋒.空調(diào)蓄冷用相變材料的研究進展［J］.制冷學(xué)報，2022，43（3）：3744..

［5］鄭慧明，鄒磊，徐禎祥.論蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對制冷效率的影響［J］.空調(diào)技術(shù)，2013，34（2）：3235.

作者簡介：沈永兵，男，江蘇南京人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：余熱利用及新能源利用技術(shù)。