基于需求側響應的水蓄冷空調經濟性分析

丁 榮,周 波

(國網河北省電力有限公司經濟技術研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

近年來,隨著我國經濟快速發展,人民生活水平迅速提高,空調的普及率和使用率穩步提升,對夏季電力系統的安全穩定運行帶來較大壓力。為緩解電網高峰時段供需平衡矛盾,電力需求側管理技術的相關理論和實踐得到了廣泛研究,總體來看,對空調負荷的管理有3種方式:一是,借助建筑物本身的儲冷能力,在用電高峰時段將不同區域的空調實行輪開輪停管理,削減電網尖峰負荷[1-2];二是,推廣使用蓄冷技術,將電網部分尖峰負荷轉移至用電低谷時段,實現負荷的轉移[3-4];三是,推廣新型空調制冷技術,通過能效的提升減少空調負荷[5-7]。

水蓄冷空調技術作為一種成熟的蓄冷技術,比傳統單純空調制冷優勢明顯。在經濟效益方面,水蓄冷空調利用低谷時段的低價電將水制冷,在高峰時段關閉空調主機,依靠冷水釋冷,相比傳統的單純空調制冷具備明顯節約電費支出的優勢[8]。在冷負荷高峰時段使用水釋冷部分替代空調制冷,可以減少空調裝機容量,降低設備初始投資。

在社會效益方面,水資源在蓄冷、釋冷過程中不存在損耗,實現了水資源的循環利用,同時將電網尖峰負荷轉移到了用電低谷時段,對節約電力建設投資、高效利用電力設施方面有很大幫助。

本文在梳理水蓄冷空調技術經濟相關研究的基礎上,針對水蓄冷空調系統和單純空調制冷2種模式滿足冷負荷需求的經濟性進行了建模分析,提出了水蓄冷空調系統的經濟性判據。在理論研究的基礎上,選擇河北某辦公區域項目的水蓄冷空調系統進行了實證分析,通過測算分析,驗證了水蓄冷空調系統的經濟性優勢。

1 水蓄冷技術

蓄冷技術是一項合理利用電力資源,通過低谷蓄冷、高峰釋冷幫助電力系統實現削峰填谷以改善負荷曲線的技術手段。通常情況下,單純采用空調制冷技術,由于空調運行時段和電力需求高峰時段重疊,導致夏季電網平衡壓力巨大。而蓄冷系統可以實現低谷用電、避開日間高峰用電,在夜間利用低價電制冷,白天電力需求高峰時段停止空調運行改為由蓄冷裝置供冷,能產生很好的經濟效益和社會效益。

從用戶側來看,蓄冷系統充分利用低價電,替代白天使用高價電制冷,可以大量節約電費支出;同時由于蓄冷系統的部署,可以部分替代供冷高峰時段的空調制冷,節省空調初始投資,經濟效益顯著。從電力系統來看,蓄冷系統的推廣將轉移大量空調尖峰負荷至夜晚低谷時段,對改善電力負荷曲線、節約電源及電網建設投資具有重大意義。蓄冷技術的種類較多,主要分類如圖1所示。

圖1 蓄冷技術分類

水蓄冷是利用冷凍存儲在儲槽內的冷量進行蓄冷,即夜間利用4~7 ℃的低溫水供空調白天使用,因該溫度的水可適用于大多數常規冷水機組直接制冷,故可在白天高峰用電時段關閉空調制冷系統,直接使用蓄冷裝置釋放冷量。在實際釋冷過程中,供水、回水溫度相差約10 ℃。因水的比熱遠遠小于冰的融化熱,故水蓄冷系統蓄冷密度較低,需要建設體積較大的蓄水池。水蓄冷系統具備技術要求低、維修費用少的特點,且可以利用建筑物的消防水池進行儲冷,因此具備推廣價值。

2 水蓄冷空調經濟性分析

2.1 成本構成

水蓄冷空調系統的成本主要包括固定成本和變動成本。固定成本是空調系統開發和建設期間的資本投入所形成的成本,主要包括:固定資產投資、建設期借款利息和流動資金。變動成本是項目投產運營后在運營過程中產生的成本,主要是指空調系統的運行維護成本。水蓄冷空調系統的主要成本構成如圖2所示。

圖2 水蓄冷空調系統成本

2.2 經濟性分析模型

為便于比較水蓄冷空調系統和傳統空調制冷模式的經濟性,均采用凈年值法統一進行比較。

水蓄冷空調系統的凈年值成本計算公式為

式中:C0為水蓄冷空調系統的凈年值成本;I0為項目初始總投資(固定成本);CRF為將建設期投資折算為等價年值的換算因子;S0為水蓄冷空調系統的年維護成本;Qc、Qw分別為空調系統制冷、蓄冷的年耗電量;P0為電價;i為貼現率;n為壽命期,a。

中央空調系統的凈年值成本計算公式為

式中:C1為中央空調系統的凈年值成本;I1為中央空調系統的初始總投資;S1為中央空調系統的年維護成本;Qc1為中央空調系統的制冷年耗電量。

定義水蓄冷空調系統與中央空調系統年費差為

根據上述定義,如果ΔC>0,表示水蓄冷空調系統經濟性優于空調模式;如果ΔC<0,表示水蓄冷空調系統經濟性比傳統模式差。

3 算例分析

3.1 A 辦公區域水蓄冷項目概況

A 辦公區域水蓄冷項目位于華北某地,該項目結合區域電力、冷熱負荷現狀及未來規劃,在空調系統建設的同時,配套建設215 m3的冷熱雙蓄水池,夏季利用水池蓄冷,在夜間低谷電時段,空調啟動向水池蓄冷,在白天負荷需求高峰關閉空調,啟動水池釋冷。該項目是該地區第一個規劃建成的示范項目,目前運行情況良好。

該地區的分時電價情況見表1和圖3,該辦公區域的冷負荷需求見表2和圖3。

表1 分時電價

表2 辦公區域冷負荷需求

圖3 冷負荷需求及分時電價

3.2 項目經濟性測算

該項目中水蓄冷空調系統建設空調功率為830 k W,建造水池215 m3,空調造價為3 500元/k W,水池造價為600元/m3,則初始總投資為303.4萬元,項目建設期1 a,設計運營壽命10 a,則初始投資的年值折算系數為0.463,該水蓄冷空調系統的年維護成本為3.03萬元(初始投資的1%),根據項目特點,基準收益率取8%。

如全部采用空調制冷,需要建設空調功率為1 500 k W,則初始投資為525萬元,設計運營壽命為10 a,初始投資的年值折算系數為0.463,殘值率5%。

該地區供冷需求為每年5月15日到9月15日,即空調系統每年運行120 d。

該水蓄冷空調系統的運行策略為23:00至次日08:00,空調利用低谷電通過9 h 向水池蓄冷7 450 k Wh;在08:00—11:00、17:00—22:00的用電高峰時段,關閉空調完全通過蓄冷水池釋冷滿足冷負荷需求;在12:00—17:00的用電平段,優先通過空調制冷,空調制冷功率不足時由蓄冷水池釋冷補充冷負荷需求。系統供冷策略見圖4。

圖4 蓄冷空調系統供冷策略

則在此運行策略下,水蓄冷空調系統的日耗電情況如圖5 所示,通過計算,每日電費支出為3 320元,則系統年電費支出為39.84萬元。

圖5 蓄冷空調系統日耗電量

采用水蓄冷空調制冷系統與傳統中央空調制冷系統的成本對比如表3所示。

表3 2種供冷模式成本對比表 萬元

單純采用空調制冷的每日電費支出為7 300元,年電費支出為87.6萬元。

蓄冷空調系統與空調系統年費差為

(525萬元×0.463/年+5.25 萬元/年+87.6萬元/年)-(303.4 萬元/年×0.463/年+3.03 萬元/年+39.84萬元/年)=152.581萬元/年>0。

3.3 結果分析

從計算結果可以看出,在滿足相同的供冷需求情況下,采用水蓄冷空調系統建設方案,比單純采用空調制冷系統建設方案在各方面均具有很大優勢。

1)從初始投資方面看,建設水蓄冷空調系統,可以將中央空調系統建設規模由1 500 k W 降低到830 k W,減少44.67%。綜合考慮蓄冷水池改造成本后,初始建設投資仍減少42.21%。

2)從年運維成本方面看,水蓄冷空調系統結構簡單、不易損壞,運維成本相比單純采用空調制冷方案有所降低。

3)從電費支出方面看,水蓄冷空調系統可以在夜間電價低谷時段向水池蓄冷、在白天電價高峰時段通過水池釋冷,減少電費支出54.52%,同時實現了夏季用電高峰期電力負荷向低谷時段的轉移,對緩解夏季電力供需矛盾、減少電源電網投資效益明顯。

4)總體來看,在滿足相同的供冷需求情況下,采用水蓄冷空調系統建設方案,比單純采用空調制冷系統建設方案在各方面均具有優勢,綜合降低年均制冷成本152.581萬元,降幅達45.42%。

4 結論

本文對水蓄冷空調系統的經濟效益進行了分析和測算,得出如下結論。

1)本文建立的基于年值成本對比分析法的水蓄冷空調系統和傳統中央空調系統的技術經濟分析判據,通過建設投資凈年值、年運維成本、年電費支出的綜合測算,可以科學量化評估2種技術方案的經濟性,具備科學性和實用性。

2)在滿足相同的供冷需求情況下,水蓄冷空調系統投資經濟性遠遠優于單純的中央空調供冷系統,通過轉移高峰用電至低谷時段,降低了電費支出,減少中央空調系統的建設規模,綜合降低年均制冷成本約40%,經濟效益顯著。

3)建設水蓄冷空調系統是需求側響應的一種可行手段,可實現夏季用電高峰期空調負荷向低谷時段的轉移,對緩解夏季電網電力供需矛盾、減少電源電網投資效益明顯,社會效益顯著。