跨季節蓄冷集成技術系統能效與經濟性分析

陳明彪 宋文吉 王瑛瀅 馮自平

跨季節蓄冷集成技術系統能效與經濟性分析

陳明彪1,2,3,4宋文吉1,2,3王瑛瀅1,2,3,4馮自平1,2,3

（1.中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640；2.中國科學院可再生能源重點實驗室 廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室 廣州 510640；4.中國科學院大學 北京 100049）

減少供暖和供冷的能耗是社會節能的關鍵任務之一。針對目前跨季節蓄能技術存在的特點和不足，提出了以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術。以北京、沈陽地區的采暖供冷為研究對象，對比三種不同的方案，從能效和經濟性兩個方面對跨季節蓄冷技術進行分析。結果發現：（1）相比于傳統冷水機組供冷和鍋爐供熱組合的技術，以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術，其全年累計一次能源消耗減少了50%左右，污染物排放減少了55%左右，具備良好的社會效益和環保效益。（2）跨季節蓄冷技術與夜間蓄冷技術相結合，可以大幅降低運行成本，減小投資回收期，具備很好的經濟效益。北京地區投資回收期約在6年左右。（3）蓄水槽對投資回收期有重要影響，而且方案三的投資回收期一直比方案二短。

跨季節蓄冷；冰源熱泵；冰漿；能效；經濟性；相變

0 引言

據統計，我國建筑能耗占社會總能耗的30%左右[1]，在建筑能耗中，供暖和供冷占據61%左右，減少供暖和供冷的能耗是節能的關鍵任務之一。我國大部分等地區冬季嚴寒、夏季酷熱，對于供暖和供冷都有很大的需求。跨季節蓄能技術，是將冬季存儲的冷量用于夏季供冷，夏季存儲的熱量用于冬季供暖。與傳統的空調、鍋爐組合技術相比，大規模的跨季節蓄能技術的低成本低，綜合能耗低，具有很好的經濟和環境效益。

跨季節蓄能技術包括以熱量利用為主的跨季節蓄熱以及以冷量利用為主的跨季節蓄冷技術。跨季節蓄熱技術因與多能互補區域供熱技術相結合，所以有較為廣泛的商業應用。如丹麥的PlanEnergi公司、Arcon-Sunmark公司和Ramboll公司等在集中供暖區域利用跨季節蓄熱技術，減少單位熱能的成本，達到節約成本的目的。在國內，四季沐歌主持設計河北經貿大學的季節性蓄熱采暖及熱水綜合利用項目[2]，太陽雨集團在西藏浪卡子縣和仲巴縣建立大型太陽能跨季節蓄熱采暖項目。在跨季節蓄熱技術應用中，太陽能聚熱是熱量的主要來源之一。蓄熱主要有三種形式，即儲罐蓄熱、大水池蓄熱、地下水體蓄熱。

跨季節蓄冷目前大多停留在研究階段。該技術主要利用地底土壤或含水層作為恒溫冷熱源，經過熱交換后再當作熱泵的冷源或熱源。2000年天津大學袁偉峰[3]概述了國內外季節性含水層供暖供冷的發展狀況。2004年湖南大學付崢嶸[4]提出了季節性含水層儲能的住宅集中空調系統，分析系統的運行特性。但是地下含水層作為蓄能形式，受到地理限制。2013年東南大學楊衛波等[5]以U型地埋管地下蓄能區域為研究對象，探討跨季節蓄能型地源熱泵地下蓄能與釋能特性。2013年Zhang[6]等提出季節性自然冷源土壤蓄冷系統，并采用濕熱耦合數學模型分析土壤跨季節蓄能的蓄能特性。2020年Xingping Li[7]等提出了采用兩相閉式熱虹吸管作為被動傳熱裝置，并通過建立模型分析系統特性。

然而基于地源熱泵的跨季節蓄能，存在熱量不均、冷熱匹配、影響地底生態、應用場景受限等問題。由于地底土壤或富水層作為恒溫冷熱源的跨季節蓄冷技術存在自身的不足，我們提出了以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術。該技術主要是利用冰源熱泵，在冬季提取水的凝固相變熱用于供暖，生成的廢棄冰漿存儲于蓄水槽中，用于夏季釋冷。以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術，打破常規水源熱泵的可利用下限溫度，充分利用水的相變潛熱[8]，儲能密度高，成本低。該跨季節蓄冷集成技術的核心在于冰源熱泵。冰源熱泵也稱作采集凝固熱熱泵[9-12]，已經有學者對其進行了研究和論證。冰源熱泵主要是壓縮蒸汽制冷循環與動態冰漿制取技術的穩定結合。相比于靜態制冰技術，動態冰漿制取技術以其連續穩定的特點較好地配合冰源熱泵提取水的凝固相變熱。目前采用的動態冰漿制取技術主要有刮削法[13]、過冷水法[14]、流化床法[15]等。而過冷水法，由于具備能效高、換熱效率高、結構緊湊的特點，該技術在動態冰漿制取、冰蓄冷等領域已經有商業應用。

本文提出了以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術，其中冰源熱泵采用過冷水方法采集凝固熱將液態水變為冰漿，然后對該技術的綜合能效以及經濟性進行分析，為該技術的進一步應用作為理論參考。

1 以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術工作原理

冰源熱泵有多種不同的冰漿制取方式，本文采用過冷水動態冰漿制取的冰源熱泵，并以過冷水法的冰源熱泵為核心，提出新的跨季節蓄冷技術。具體工作示意圖如圖1所示。

（1）供暖期。供暖期內閥門僅1、2、3開啟，換熱器1為冷端，換熱器2為熱端。蓄水槽中冷水經過換熱器1，而冰源熱泵利用壓縮蒸汽循環從中提取熱量，給用戶側提供熱量。在供暖期內，蓄水槽中的水溫逐漸降低直到0℃附近，隨著供暖的持續，來自蓄水槽中的液態水經過冰源熱泵后，變成過冷水。過冷水解除過冷度后變成0℃的冰漿返回蓄水槽中，而蓄水槽中的含冰率IPF（Ice Packing Factor）也從0逐漸上升，直到供暖期結束。

（2）供冷期。供冷期開始時，閥門僅4、5開啟。蓄水槽中的冷水經過換熱器3直接與用戶側的回水換熱。供水溫度通過換熱器兩端的水流量進行控制。來自蓄水槽的冷水經換熱后返回到蓄水槽，冰漿釋放冷量。供冷期內，由于冰的相變熱很大，因此相變供冷將持續很長一段時間。隨著供冷的持續，蓄水槽溫度升高至7℃左右。該溫度的冷水已經不能滿足單獨的供冷需求，此時，閥門全部開啟，換熱器1為熱端，換熱器2為冷端，熱泵機組啟動并輔助制冷。由于蓄水槽將作為熱泵機組的冷源使用，因此制冷能效很高。隨著供冷的持續，蓄水槽水溫逐漸上升，直到供冷期結束。在供冷期，潛熱供冷占據絕大部分的供冷量，因此整個供冷期內供冷的運行成本很低。

1~5：閥門；6~9：水泵；10：冰源熱泵機組

2 跨季節蓄冷能效分析

本文以三種方案對企業園區辦公樓的采暖供冷情況進行對比分析。方案一，冬季利用城市集中管網供熱，夏季采用冷水機組實時供冷。方案二，冬季采用冰源熱泵實時供暖并產生冰漿，夏季冰漿融化釋冷實現實時供冷，不足部分采用冷水機組供冷。方案三，利用大小兩個蓄水槽，實現跨季節蓄冷與夜間蓄冷相結合的方式。在冬季，晚上開啟冰源熱泵抽取大蓄水槽熱量，提升小水槽的水溫至45℃，白天利用小水槽熱水供暖；在夏季，利用冰漿潛熱釋冷實時供冷，當蓄水槽溫度大于6℃后，則利用大小水槽進行夜間蓄冷，白天釋冷的方式供冷。

2.1 冷熱負荷計算

本案例以北京、沈陽地區企業園區辦公樓為研究對象進行對比分析，工作時間為8:00—19:00。首先需要估算辦公樓的冷熱負荷，具體參數見表1所示。

表1 建筑供暖供冷設計參數

氣溫以北京、沈陽2019年每日最高溫和最低溫為依據，并假設日間逐時溫度變化服從正弦函數。室外相對濕度則參考該地區歷年平均相對濕度為設計參數。

夏季供冷時總冷負荷包括五項：

P=P+P+P+P+P（1）

其中，P是總冷負荷；P是透過窗的輻射冷負荷；P是空氣交換產生的冷負荷；P是由于墻窗等圍護結構傳熱產生的冷負荷；P是人體發熱產生的冷負荷；P是機器發熱產生的冷負荷。

冬季采暖的熱負荷，同樣以方程（1）為設計依據。北方地區冬季輻射較弱，占比很少，因此冬季熱負荷計算忽略輻射產生的熱負荷。

其中，是綜合遮陽系數；A是窗的面積；J是各朝向透過標準窗玻璃的直接輻射照度，W/m2。具體數值參考《采暖通風與空氣調節設計規范》的附錄D。

其中，μ是全熱交換效率，通常為0.5；h是單位交換空氣的焓差；V是總空氣量。總空氣量根據不同建筑的換氣次數與總容積獲得。

其中，h是在溫度（℃）下的焓值；是單位干空氣的含濕量，kg/kg。

其中，h是墻體的總傳熱系數；A是墻體的面積；?是室外和室內的溫差。

其中，w是人體發熱平均功率；是總人數。

其中，A是總的使用面積；w是機器的平均發熱功率。

2.2 一次能源利用

對于方案一夏季冷水機組供冷，由于室外空氣溫度變化對空調主機能效比有較為明顯的影響，因此根據文獻[16]的統計數據獲得能效比與室外溫度一一對應的關系。從而進一步可以獲得機組的電能消耗。冬季城市熱網采暖的能源利用效率為：

其中，η和η,s分別是城市熱網使用鍋爐的熱效率以及設備損耗系數，分別取0.75和0.1[17]。

對于方案二以及方案三，根據廠家測試數據的回歸分析，我們可以擬合得到如下的COP（coefficient of performance）值關系式：

其中，?是冰源熱泵機組采暖熱水側水的平均溫度與低溫水源側水的平均溫度的差值，即：

其中，T,in和T,out是熱水側的進口和出口水溫；T,in和T,out是冷水側的進口和出口水溫。

對于方案二、三，夏季供冷開始時刻蓄水槽中的含冰率為0.5，冬季供暖開始時刻初始水溫為20℃。另外，三種方案中都采用電驅動熱泵機組，電能的一次能源利用效率為：

其中，η和η,s分別是發電廠發電效率以及電能傳輸損耗系數，分別取值為0.33和0.05。

通過編寫程序計算，可以獲得不同參數的變化對跨季節蓄冷系統性能的影響關系。

2.3 能效結果分析

圖2 一次能源累計利用量

以北京、沈陽兩個地區為例，分析三種不同的方案在全年采暖供冷過程中一次能源的消耗量，具體見圖2所示。其中，北京、沈陽地區供冷分別為90天和60天，采暖分別為120天和150天。由圖2可見，無論是北京地區還是沈陽地區，三種方案的一次能源消耗量順序都是：方案1>方案3>方案2。以城市熱網及冷水機組的方案1為基準，北京、沈陽地區利用方案2則一年節省一次能源12.1TJ和12.8TJ，節省率分別是62%和54%；利用方案3則一年節省一次能源11.2TJ和11.6TJ，節省率分別是57%和49%。相比于方案1，以跨季節蓄冷為基礎的方案2和方案3可以節省約一半的一次能源消耗。節省的來源主要來自兩個方面，其一是冬季的冷量存儲并被用于夏季供冷，夏季熱量存儲并被用于冬季，這是主要的節省來源；其二是冬季供暖時，冰源熱泵的綜合能源利用效率比鍋爐的高，具體可見方程（8）以及方程（11）。在采暖和供冷兩個時間段內，以跨季節蓄冷為基礎的方案2和方案3，其節省的一次能源隨著地區不同而出現變化。北京地區夏季節省的一次能源占總節省量的60%左右，而沈陽地區夏季節省的一次能源占總節省量的50%左右。

根據統計數據，可以知道1GJ一次能源約排放1.15kg的CO2，8.1g的SO2，以及0.43g的NOx。進一步計算可以知道采用三種不同的方案時污染物的排放量，具體見表3所示。相對比方案一而言，可以看到采用跨季節蓄冷技術可以減少約55%的污染物排放，具有很好的環保效益，因此，在空氣污染比較嚴重的地區，應該優先選用跨季節蓄冷技術進行供暖供冷。

表2 全年一次能源消耗

表3 全年污染物排放量

2.4 冷熱匹配

在跨季節蓄冷集成技術當中，全年冷熱是否匹配對實際應用有重要影響。在本文的一年運行案例分析中，都是從夏季供冷開式，并假設蓄水槽的初始含冰率IPF為50%，冬季采暖初始水溫為20℃。由圖3（a）可見，北京、沈陽地區的含冰率都是從50%下降到0%，兩個地區在供冷結束后，蓄水槽水溫都在20℃左右。在冬季采暖階段，兩地區水溫都是從20℃下降到0℃并保持不變。采暖結束時，兩地區的含冰率各不相同，北京地區含冰率只有50%左右，而沈陽地區含冰率達到70%以上。其原因是沈陽地區的冬季熱負荷與夏季冷負荷的差值大于北京地區。從冷熱匹配的角度來考慮，則北京地區優于沈陽地區。

從方案2和方案3的對比來看，兩種方案在不同地區的情況差異并不大。在夏季，兩種方案的含冰率IPF是重疊的，這是因為在IPF大于0時，都是通過融冰的方式供冷，兩種方案并無差別。而供冷結束時，方案3中的蓄水槽水溫高于方案2。這是因為采用方案3時，夜間蓄冷的COP相對較小而且冷量損失較大，因此需要消耗了更多的電能，所消耗的電能轉化為熱量存儲在大蓄水槽中，導致大蓄水槽溫度升高。在冬季采暖結束時，方案3中含冰率IPF低于方案2。這是因為采用方案3時，夜間蓄熱的COP相對較小而且熱損失較大，需要消耗了更多的電能制熱，所消耗的電能轉化為熱量使小蓄水槽水溫更快升高，導致從大蓄水槽提取的凝固熱減少，因此方案3中含冰率小于方案2。

冷熱不匹配是跨季節冷技術在實際應用中的痛點問題?？尚蟹椒ㄊ抢米匀唤绲睦錈嵩唇o目標冷熱源進行補充。在冷需求更多的區域，則在冬季利用大氣自然對流換熱等低成本技術給蓄水槽補充冷量。在熱量需求更多的區域，則采用太陽能集熱等技術補充熱量。

3 跨季節蓄冷經濟性分析

在經濟性分析過程中，主要包括初始投資和運行成本兩部分。由于辦公大樓必須配備供暖供冷系統，因此經濟性分析中以方案1為基準。在方案2和方案3中，土地價格、熱泵機組、用戶端設備、水泵等設備費不包含在新增初始投資中。相對于方案1，其新增的初始投資主要包括蓄水槽、冰源熱泵主機配件等。蓄水槽的造價主要包括挖土和布置保溫材料，參考大容積水池蓄熱項目中，大水槽的造價[18]，水槽價格遵循邊際效應遞減規律，隨著水槽容積增大而減小。

運行成本計算過程中，峰谷電價參考北京、沈陽地區的電價政策。城市集中供暖價格，其中北京地區是45元/平方·供暖季，而沈陽地區則是4.7元/平方·月。

經計算可以獲得不同地區不同方案的運行費用。由圖4可見，由于以方案1為基準進行計算，因為方案1沒有初始投資也沒有回收期。方案3的初始投資比方案2多70萬元左右，主要是大蓄水槽分離出小蓄水槽時的隔熱層以及相關配件。北京地區的初投資比沈陽地區的初投資高，這是因為北京地區夏季冷負荷更大，需要更大的蓄水槽。對比不同方案的全年運行費用，方案3的運行費用總是最低的，這是因為方案3既利用了跨季節蓄冷的優勢，也利用了峰谷電價的經濟優勢，具備很好的經濟效益。靜態投資回收期也說明，相比方案2方案3是更優的選擇。北京地區的投資回收期比沈陽地區的回收期短，主要有兩個原因。其一是北京地區的電價以及采暖價格比沈陽地區高不少，其二是北京地區所需蓄水槽更大，因此單位立方的初投資費用更小。當然，該結論是不考慮土地價格的因素在內所得。但由于蓄水槽表面封蓋后，土地依然可以被利用，因此結論仍然具有一定的參考意義。另外，需要注意的是沈陽地區方案2的運行費用高于方案1。這是由于方案2在白天直接利用高峰電價運轉冰源熱泵，所需電費遠高于集中采暖的價格，因此方案2的全年的運行費用高于方案1。

圖4 不同技術方案的經濟性分析

在方案2和方案3中，蓄水槽的費用占總投資費用的大部分，因此蓄水槽容積的改變將對投資產生重要影響。由圖5可見，方案2和方案3的靜態投資回收期都隨著蓄水槽容積而出現變化?？梢钥吹皆谟嬎惴秶鷥?，方案3的投資回收期一直小于方案2，而且北京地區方案3的投資回收期在6年左右，對于大型工程而言，該投資回收期是可接受的。而且，隨著很多地方大力推廣夜間蓄冷電價（如廣州地區夜間蓄冷電價為0.15元），這必將使得投資回收期減小。

圖5 不同蓄水槽容積對投資的影響

4 總結

減少供暖和供冷的能耗是建立節約型社會的關鍵任務之一，本文針對目前跨季節蓄能技術存在的特點和不足，提出了以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術，并對跨季節蓄冷技術的原理詳細講述。然后，以北京、沈陽地區企業園區辦公大樓的采暖供冷為研究對象，對比三種不同的方案，從能效和經濟性兩個方面對跨季節蓄冷技術進行分析。結果發現：

（1）相比于傳統冷水機組供冷和鍋爐供熱組合的技術，以冰源熱泵為核心的跨季節蓄冷集成技術，其全年累計一次能源消耗減少了50%左右，污染物排放減少了55%左右，具備良好的社會效益和環保效益。

（2）跨季節蓄冷技術與夜間蓄冷技術相結合，可以大幅降低運行成本，減小投資回收期，具備很好的經濟效益。北京地區投資回收期約在6年左右。

（3）蓄水槽對投資回收期有重要影響，而且方案三的回收期一直比方案二要短。

此外，需要指出的是以上結論是假設全年冷熱均衡的基礎上獲得的。實際的工程應用中不同地區的冷熱需求必然是不匹配的。但是冷熱均衡是可以通過其他低成本方式實現。因此，以全年冷熱是均衡的為假設而得到的結論仍具備一定的參考價值。

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System Energy Efficiency and Economic Analysis of Integrated Seasonal Cool Storage Technology

Chen Mingbiao1,2,3,4Song Wenji1,2,3Wang Yingying1,2,3,4Feng Ziping1,2,3

( 1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510640;2.Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510640;3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou, 510640;4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049 )

it is the key tasks to reduce the energy consumption on heating and cooling. Considering the characteristics and shortcomings of the current seasonal cool energy storage technology, it is proposed integrated seasonal cool storage technology (ISCST) based on ice source heat pump. Heating and cooling in Beijing and Shenyang are investigated with three different proposals from the prospect of energy efficiency and economic analysis. It is found that: (1) in comparison with the traditional chiller cooling and boiler heating, ISCST with ice heat pump as core can reduce about 50% of primary energy consumption and about 55% of pollutant emissions. A good social benefits and environmental benefits are produced. (2) Combined with cool storage at night ,ISCST can significantly reduce operation costs and payback period. Payback period is about 7 years at Beijing. (3) Water storage pit plays a great role in payback period. The payback period in case 3 is the smaller than that in case 2.

seasonal cool storage; ice source heat pump; ice slurry; energy efficiency; energy efficiency; phase transformation

TK02

A

1671-6612（2021）02-189-07

中科院先導專項（XDA21070305）；河南省中國科學院科技成果轉移轉化項目（202001）

陳明彪（1986-），男，助理研究員，碩士，研究方向為大規模儲能系統，E-mail：chenmb@ms.giec.ac.cn

宋文吉（1978-），男，研究員，博士，碩士生導師，研究方向為大規模儲能系統，E-mail：songwj@ms.giec.ac.cn

2020-07-27