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。
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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)。