冰蓄冷空調系統經濟性分析

徐 鵬，潘安東，段之殷

(1.北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044；2.北京建筑大學 供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室，北京 100044)

隨著近幾年夏季平均氣溫逐步走高與人們對空調舒適性需求的提高，促使空調制冷用電量占整個城市用電比例不斷上升，有些城市甚至達到40%以上[1].同時，空調用電高峰和低谷時段與電力負荷的高峰、低谷時段幾乎一致.這就導致高峰時電力供應不足而低谷時過剩的矛盾相當突出.另外在碳減排量方面，據統計，2013年我國建筑總商品能耗為7.56億t標準煤，約占全國能源消費總量的19.5%[2]，而供暖空調用能約占公共建筑總能耗的40%[3].在城市用電高峰期，冰蓄冷空調系統可以起到“移峰填谷”的作用，從而消減電負荷高峰，減少國家電力建設投資.對于用戶而言，可以通過冰蓄冷空調系統的合理設計和經濟性分析，節省更多的運行費用，獲得可觀的經濟效益.目前，冰蓄冷技術已越來越多地被大型辦公和商場等建筑場所應用.

關于冰蓄冷空調系統的經濟性分析，王雪梅等[4]運用全能耗模擬軟件Energyplus，制定了負荷動態模擬的冰蓄冷優化控制策略，保證了設備良好的經濟性.Henze G P和Krarti M等[5]提出適時電價結構的調整是對冰蓄冷空調系統經濟性的主要激勵因素.Giraldo和R.Alberto等[6]主要利用數值模擬來評估在商業或辦公建筑中安裝冰蓄冷空調系統的經濟性及可行性.李延寧等[7]對冰蓄冷空調系統建立經濟性分析模型，并對影響冰蓄冷系統經濟性的因素進行總結.黃亮等[8]根據已建立的系統優化計算模型，編寫冰蓄冷空調系統經濟性分析與優化軟件，對影響系統初投資及運行費用等因素進行研究.

目前，大部分冰蓄冷空調系統投入使用后的實測數據相對較少.大部分設計完成后，缺乏對系統進行持續跟蹤和反饋，實際運行效果如何并不清楚[9].本文對北京某辦公樓冰蓄冷空調系統進行持續跟蹤，對設備實際運行效果進行研究分析，對蓄冷設備實際運行費用和年節省費用等進行計算記錄，從設備實際運行角度出發，進行經濟性討論.

1 工程概況

該辦公樓項目位于北京市城區，總建筑面積約60 000 m2，空調面積43 000 m2.供冷涵蓋共五座單體建筑，其中，南北朝向有三座辦公樓，均為地上六層，地下一層.辦公樓地下一層的功能為辦公用品倉庫和制冷機房.東側有兩座辦公樓，地上五層，地下一層均為停車場.工程使用性質為辦公樓建筑，其中含有少部分工作人員值班宿舍.本建筑在供冷季24 h連續供冷，其主要冷負荷為白天辦公時段07:00-18:00.此工程于2011年進行設計時，得到國家節能政策補貼支持，享受北京市冰蓄冷技術的優惠電價政策，在工程初投資建設費用上也得到優惠3%的財政補貼.所以，在技術經濟性之外，政府的政策支持也推動了冰蓄冷空調系統設計方案的實施.

2 冰蓄冷空調系統設計與運行方案

2.1 空調負荷計算

冰蓄冷空調系統設計及設備選型是以該系統的設計日逐時負荷分布為依據.根據北京地區夏季空調室外計算干球溫度為33.2 ℃，計算濕球溫度為26.4 ℃，空調日平均溫度為28.6 ℃，通風計算溫度30 ℃[10].本工程設計日峰值負荷為3 246 kW.空調系統設計日24 h逐時冷負荷分布見圖1.

圖1 空調設計日冷負荷分布圖Fig.1 Daily cooling load distribution of air conditioning design

2.2 冰蓄冷系統負荷平衡運行策略

負荷平衡由主機蓄冰、冰槽供冷、主機供冷、基載供冷四部分承擔.主機為雙工況制冷機組，其中雙工況即為蓄冰工況和供冷工況.主機利用夜間低谷電進行蓄冰工作，2臺主機在夜間的電力低谷時段(23:00-07:00)進行蓄冰.白天峰電時配合冰槽進行供冷.基載供冷大部分時間在主機蓄冰的低谷時段承擔夜間的少量負荷.在系統夏季運行期間的耗電量方面，主機供冷和主機蓄冰(雙工況機組)的耗電量最大，冰槽供冷只需要水泵進行運轉，耗電量最小.所以在負荷相對少的時間里，盡量在峰值電價時段使用冰槽供冷是最好的選擇.冰蓄冷空調系統夏季負荷分配策略見圖2～5.

圖2 設計日運行負荷分布圖Fig.2 Load distribution of daily design

圖3 75%設計日運行負荷分布圖Fig.3 Load distribution diagram of 75% daily design

圖4 50%設計日蓄冰系統運行負荷分布圖Fig.4 50% design daily operating load distribution

圖5 25%設計日運行負荷分布圖Fig.5 25% design daily operating load distribution

2.3 冰蓄冷系統設計及設備參數

根據夏季空調設計日逐時冷負荷分布圖，結合該辦公建筑中工作人員的工作時間和夜間加班時間，本工程的設計冷負荷分布時間為07:00-22:00時段.考慮到北京市夏季有一定的潮濕天氣，采用主機上游的串聯系統可以提供更低的出水溫度，更好地保證冷凍除濕效果.從而使得在相同的負荷條件下，串聯系統乙二醇溶液的流量較小，大溫差小流量的設計，可以減小水路系統管徑，在相同的條件下串聯系統的乙二醇循環泵小于并聯系統.所以，采用串聯系統的設備投資和運行費用都優于并聯系統，并且串聯方式管路更加簡單，運行可靠.

根據空調負荷計算和冰蓄冷系統負荷平衡策略，確定該系統的空調工況制冷量和制冰工況制冷量.雙工況冷機一用一備.乙二醇水泵兩用一備；雙工況主機冷凍泵兩用一備；基載冷凍泵一用一備；主機冷卻泵兩用一備；基載冷卻泵一用一備.具體設備配置及技術參數見設備配置表1.

表1 冰蓄冷空調系統機房主要設備配置及參數Tab.1 Main equipment configuration and parameters of ice storage air conditioning system room

3 技術經濟性分析

本工程于2011年初開始設計施工，2013年正式投入運行至今.在方案設計時期，通過對夏季運行費用進行估算，采用靜態經濟分析法與動態經濟分析法分別計算投資回收期.然而，在冰蓄冷空調系統實際運行過程中，北京地區近幾年峰谷電價和相應時間段都有一些新的調整，所以系統實際運行過程的經濟性分析與設計之初有所變化.本文根據設備實際運行數據進行新的經濟性分析，從而與設計之初的經濟性分析進行比較.

3.1 冰蓄冷空調系統設計階段經濟性分析

根據2011年北京市峰谷電價、冰蓄冷設備配置和系統運行策略，空調運行季按照120 d計算，冰蓄冷系統設計運行費用見表2.以50%與100%負荷段設計運行費用進行對比，兩者的日耗電量未翻倍，日運行費用卻達到兩倍多.結合文中上述蓄冰系統負荷分布圖2和圖4，在50%負荷時段時，尖峰負荷時段全部由冰槽供冷承擔(全部尖峰電價時段均由谷電電價所代替)，基載冷機只在部分平電時段運行.而100%負荷時段，尖峰負荷時段由基載主機和冰槽供冷同時承擔(部分尖峰電價由谷電電價代替)，并且部分時段還需要一臺雙工況機組聯合基載和融冰供冷共同承擔其余負荷.由于100%負荷時段尖峰用電費用大幅度增加，因此導致日運行費用翻倍.這也充分說明了在50%負荷時段，谷電電價融冰狀態替代尖峰用電的作用，體現了冰蓄冷空調系統移峰填谷的優勢.

表2 冰蓄冷空調系統設計運行費用Tab.2 Design and operation cost of ice storage air conditioning system

為便于對冰蓄冷空調系統進行經濟性分析，參考該空調系統逐時負荷等設計參數，提供相應常規空調系統的主要設備見表3，采用常規空調系統的設計運行費用見表4.根據靜態分析評價法對設計之初與實際運行期間的冰蓄冷空調系統投資回收期進行計算對比分析.同時，考慮到設計之初經濟性分析的時效性，根據動態分析評價法對蓄冷系統進行分析計算.

表3 常規系統主要設備Tab.3 Main equipment of conventional system

表4 常規空調系統設計運行費用Tab.4 Design and operation cost of conventional air conditioning system

采用靜態經濟評價法進行經濟性分析.按式(1)計算冰蓄冷空調系統增加的初投資費用，為

ΔI=Is-Ic

(1)

式中:ΔI為冰蓄冷空調系統增加的初投資，元；Is為冰蓄冷空調系統的初投資，元；Ic為常規空調系統的初投資，元.按式(2)計算冰蓄冷空調系統全年節省的運行費用，為

ΔP=Ps-Pc

(2)

式中:ΔP為冰蓄冷空調系統運行電費節省費用，元；PS為冰蓄冷空調系統全年運行電費，元；Pc為同條件下，常規空調系統全年運行電費，元.按式(3)計算冰蓄冷空調系統的投資回收年限，為

n=Δ/ΔP

(3)

式中,n為投資回收年限，a.

在北京市鼓勵辦公場所帶頭使用節能設備的政策下，北京市相關節能單位聯手節能設備公司，對設計方案進行國家政策補貼支持，使該冰蓄冷空調系統的初投資降低了3%，提升了系統的經濟性.

在政府財政補貼前，該冰蓄冷空調系統比常規空調系統初投資增加的費用ΔI約為135萬元；根據表2和表4的設計運行費用中可以看出，冰蓄冷空調系統相比常規空調系統年節省電費ΔP約為26.4萬；根據公式(3)計算得到該項目投資回收期為5.11 a，投資回收期大于5 a.由此可見，在沒有地方政策對節能設備進行財政補貼前，該系統設計方案的經濟性不足，不能夠得以實施(根據靜態經濟評價法，如果投資回收期大于5 a，則不應采用冰蓄冷空調系統[11]).

在政府財政補貼費用落實，初投資優惠3%之后，冰蓄冷空調系統比常規空調系統初投資增加費用ΔI減少為120萬元.冰蓄冷空調系統運行季相比常規空調系統年節省電費ΔP約為26.4萬元不變.投資回收年限n變為4.54 a，小于5 a.該項目具體投資回收期分析曲線見圖6.由圖可見，當政府補貼對初投資優惠減免1%以上時，投資回收期開始小于5 a.可見隨著政府補貼力度的加大，投資回收期成線性下降趨勢，冰蓄冷技術經濟性顯著提高.所以，當地政府對節能設備的財政補貼支持是提升冰蓄冷空調系統經濟性、縮減工程投資回收期的主要原因之一，也是推動冰蓄冷技術工程方案得以實施的關鍵.

圖6 投資回收期分析曲線圖Fig.6 Investment payback period analysis curve

采用動態經濟評價法進行經濟性分析.動態回收周期考慮到資金的時間價值，計算工程項目開始到凈現值等于0的年限，冰蓄冷空調系統動態回收周期可以按式(4)計算.

(4)

式中:N為動態回收期，a；s為考慮投資的時間價值所給出的標準折現率；K為投資結束年份；En為第n年的凈收益；In為第n年的投資.

設在N=0投資后不再追加初投資，即K=0.等式右邊，為

(5)

式中:En為第N年的凈收益，以每年的凈收益保持不變為條件，即E保持定值.得到蓄冷空調動態回收期計算式為(6).

(6)

式中:I為初投資增加量，E為每年電費收益(節省運行費用/元)，s為折現率.在蓄冷系統可行性分析中，如果估算的回收期T小于用戶要求的回收期Te, 則此方案可行[12].

以冰蓄冷空調系統運行期間我國CPI維持穩定在3%為標準，設折現率s=5%.根據式(6)對冰蓄冷系統進行動態回收期計算.在政府補貼前，回收年限為4.6 a.政府對設備初投資進行補貼后，回收年限縮短為3.7 a.經過動態評價法分析，表明設計方案可行.

3.2 實際運行費用及經濟性分析

本工程2013年正式投入運行至今，對系統的運行費用及維護修理費進行統計記錄.由于該辦公場所配有計量系統服務器端，計量系統可以通過表頭選擇對冰蓄冷空調機房的各個設施進行電量計量和監控記錄，從而可以得出系統的實際耗電量.通過對冰蓄冷空調系統實際耗電量和每年北京市的峰谷電價調整政策進行運行費用計算.

根據自控數據記錄，2013-2017年間，本工程項目供冷季電量及電費均呈上升趨勢，同時，冰蓄冷空調系統相比常規空調系統夏季實際運行節省費用也呈現上升趨勢，五年間分別節省費用25 萬元、27 萬元、28 萬元、30 萬元和32 萬元，在系統實際運行五年的過程中共節省運行費用約142 萬元，年均節省 費用ΔP約為28.4萬元.通過經濟性分析，根據公式(3)計算系統實際投資回收期.在未得到政府補貼的情況下，系統實際運行投資回收期n為4.75 a，當獲得政府財政補貼后，系統實際運行投資回收期n為4.23 a，系統實際運行過程的投資回收期有所縮短.獲得政府補貼后的冰蓄冷工程項目，實際運行投資回收期縮短10.9%，可見政府對冰蓄冷空調技術的財政補貼力度是縮短蓄冷工程項目投資回收期的關鍵.

3.3 峰谷電價及時段調整政策的影響

該冰蓄冷空調系統實際運行投資回收期比設計階段投資回收期縮短6.8%.設計之初的運行費用估算約為53.8 萬元(如表2所示)，而實際平均年運行費用約為51.8 萬元，運行費用下降3.7%.這與北京市發改委對峰谷電價及時段進行政策調整有關，如圖7所示.從圖中可以看出，在冰蓄冷空調系統運行五年間，谷電電價基本保持不變，平電電價有小幅度上漲，高峰電價和尖峰電價漲幅明顯.

圖7 北京市峰谷電價變化趨勢圖Fig.7 Variation trend of Beijing peak and valley electricity prices

評價峰谷電價對冰蓄冷系統經濟性的主要影響是看兩者差價的絕對值[13].通過對比可知，尖峰電價由蓄冷系統設計初期的1.2 元/kWh，到2015年的1.44 元/kWh，到2017年的1.52 元/kWh；高峰電價由1.1 元/kWh，到2017年的1.41 元/kWh；而低谷電價在運行期間基本維持在0.35 元/kWh的水平.這使得峰谷電價差值由設計時期的0.85 元/kWh，上升到1.17 元/kWh，峰谷電價差價的絕對值增加37.6%，這對提升冰蓄冷空調系統經濟性有顯著影響.

冰蓄冷空調系統實際年節省費用比設計階段增加了7.6%，這與北京市發改委于2011年7月1日起，將16:00-17:00由平電時段調整為尖峰電時段，20:00至21:00由尖峰時段調整為高峰時段有關[14].調整前后的冰蓄冷空調系統設計日分時段電費分布見圖8.對比可以看出16:00-17:00時段冰蓄冷系統運行電費有明顯上升，增長約350 元.峰谷電時段政策調整后，根據單時段所用電量，計算常規空調設備設計日16:0-17:00時段運行費用增加約650元.相比常規空調運行費用增長量，冰蓄冷空調系統設計日16:00-17:00時段節省運行費用約300 元，體現了冰蓄冷系統相對常規空調系統在峰谷電價時段政策合理調整后的優勢.因此，建議北京市電力相關部門可以進一步考慮將上午和下午辦公的部分平電時段適當調整為尖峰電時段或者高峰電時段，這樣不僅可以進一步節省冰蓄冷空調系統用戶的運行費用，也可以讓更多的用戶考慮應用冰蓄冷空調技術.

對于冰蓄冷空調系統而言，不同地區制定的峰谷電價和峰谷時段等政策對運行費用和投資回收期等經濟性因素有直接影響，以江蘇省峰谷電價及分時政策為例，由于江蘇省的峰谷電分時政策與北京市有很大區別，江蘇省峰谷電分時只分為平電時段(8:00-24:00)和低谷電時段(00:0-8:00)，江蘇省2013-2017年平電電價基本維持在0.85元/kWh，低谷電電價0.37元/kWh，根據江蘇省峰谷電價政策對該冰蓄冷空調系統進行經濟性分析.冰蓄冷空調負荷平衡運行策略不變，假設系統各負荷日耗電量均不變.具體冰蓄冷空調系統設計運行費用見表5，常規空調系統設計運行費用見表6.通過對比，在江蘇省峰谷電價政策下，常規空調系統的設計運行費用要低于冰蓄冷空調系統，因而該冰蓄冷空調系統工程方案不能在江蘇地區執行.在現有峰谷電政策不變化的情況下，若江蘇地區采用冰蓄冷空調系統需要更改相應的負荷平衡策略.可見，相同冰蓄冷空調系統方案在不同的峰谷電相關政策下，系統經濟性有很大區別.所以，不同地區峰谷電相關政策性因素也是影響冰蓄冷空調系統經濟性的關鍵.

圖8 冰蓄冷系統設計日全天電費分布圖Fig.8 Electric charge distribution diagram of all-day period of ice storage system design day

表5 冰蓄冷系統設計日運行費用(江蘇省)

表6 常規空調系統設計運行費用(江蘇省)Tab.6 Design and operation cost of conventional air conditioning system (Jiangsu Province)

3.4 運行策略影響分析

運行人員合理調整運行策略是提升冰蓄冷空調系統經濟性的重要因素之一.由文中圖2和圖4可見，在北京市電價時段政策調整前，在16:00-17:00平電時段，負荷由基載供冷、主機供冷和冰槽供冷三部分承擔.從圖2可以看出，設計日計算運行負荷時基載供冷和主機供冷承擔該時段負荷的70%.從圖4中可以看出，50%設計日運行負荷時基載供冷承擔供冷負荷的55%.峰谷電時段政策調整后，運行人員可根據具體電價時段政策的變化更改運行策略，在16:0-17:00時段以開啟冰槽供冷自控模式為主，減少或關閉基載和主機供冷模式.充分利用冰槽供冷承擔該時段全部負荷，利用冰槽夜間的谷電電價完成此時段的供冷任務，從而減少基載冷機和雙工況機組(主機)在該時段大約60%的尖峰電費.以設計日負荷為例，根據峰谷電時段政策調整運行策略，該時段可節省冰蓄冷空調系統實際運行費用約200元(占單日運行費用3%)，相比常規空調系統，該時段可節省運行費用約500元.

嚴格規范冰蓄冷系統運行人員操作流程也是降低運行費用的關鍵.在50%設計日負荷時的下班時間(如圖4)，隨著供冷負荷需求量的下降，應充分提升融冰工況的利用率，避免過早開起基載機組.然而很多運行人員為節省夜間蓄冰時段前(夜間23:00)開啟基載機組的操作流程，選擇過早開啟基載機組，使得屬于融冰工況單獨承擔冷負荷的下班時段，變成基載供冷和融冰工況共同承擔，導致基載機組及水泵運行費用增加，設備損耗增加.根據實際運行數據的計算統計，單日過早開啟基載機組(如下午六點開啟基載)，導致系統單日運行費用上升約20%.同樣，在25%設計日負荷時期(如圖5)，應充分利用系統雙工況機組制冰+制冷工況的運行優勢，夜間蓄冰只需開啟雙工況機組及配套水泵設備方可完成工作.此時如果運行人員還采用之前夏季制冰工況+基載供冷工況的夜間蓄冰模式，對于基載冷機低負荷運行而言，不僅經濟性較差，還增加了基載冷凍、冷卻水泵的運行費用，而水泵的能耗約占空調系統總能耗的20%以上[15].所以，根據運行數據統計，該不合理操作導致系統單日運行費用上升約10%.因此，運行人員合理規范的運行策略也是影響冰蓄冷空調系統經濟性的因素之一.

3.5 移峰效益分析

建筑能耗占全球近40%的能源消耗,而空調系統是建筑能源的主要消耗[16].通過建設冰蓄冷空調系統，可以提高現有電網負荷率和運行效率，從而降低供電煤耗，使電力部門實現減排.根據所研究地區電網負荷率與供電煤耗之間的定量關系，得到冰蓄冷系統單位蓄冷量的碳減排量是0.686 kg/kWh[17]，該辦公建筑空調季總蓄冷量為987 953 kWh，可知該辦公建筑冰蓄冷空調系統每年可實現電網CO2減排約677.7 t.因此，冰蓄冷空調系統的環境效益與社會效益同樣顯著，具有很好的應用前景.政府及相關職能部門應積極采取相關激勵政策，推廣冰蓄冷技術的應用.

4 結論

本文通過對冰蓄冷空調系統實際運行過程的監測記錄與分析，說明在相應的峰谷電價差和相關政策的推動支持下，結合合理的設計和系統運行策略，北京地區辦公場所應用冰蓄冷系統可以獲得很好的經濟性和環境、社會效益.本例對具有類似空調冷負荷特性(利用夜間無冷負荷或低冷負荷時段的谷價電力來進行蓄冷，以保證在白天峰電價時段的釋冷)的辦公建筑場所應用冰蓄冷空調技術具有一定的參考和借鑒意義.通過經濟性分析，可以得到如下結論：

(1)對節能設備的政策性財政補貼是影響冰蓄冷技術推廣應用的重要影響因素，對于本工程而言，當政府補貼對初投資優惠減免3%時，系統實際運行投資回收期縮短10.9%.

(2)峰谷電價差及峰谷電價執行時間段等政策性因素是影響冰蓄冷空調系統經濟性最重要的因素.對于本工程而言，政策調整峰谷電價差絕對值增加37.6%，冰蓄冷空調系統實際運行投資回收期縮減6.8%.

(3)在不同地區的峰谷電相關政策性因素下，相同的冰蓄冷空調系統設計策略，以北京和江蘇地區為例進行對比，得出的經濟性分析結果完全不同，可見不同地區采用冰蓄冷空調系統需要嚴格根據當地的峰谷電相關政策等因素進行蓄冷系統設計分析.

(4)運行人員規范冰蓄冷空調系統的實際操作步驟，適時根據天氣負荷情況對運行策略進行更改，可以有效降低全天運行費用，是縮減設備投資回收期以及保證系統良好經濟性的重要因素.