冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

徐 鵬，潘安東，段之殷

(1.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

隨著近幾年夏季平均氣溫逐步走高與人們對(duì)空調(diào)舒適性需求的提高，促使空調(diào)制冷用電量占整個(gè)城市用電比例不斷上升，有些城市甚至達(dá)到40%以上[1].同時(shí)，空調(diào)用電高峰和低谷時(shí)段與電力負(fù)荷的高峰、低谷時(shí)段幾乎一致.這就導(dǎo)致高峰時(shí)電力供應(yīng)不足而低谷時(shí)過(guò)剩的矛盾相當(dāng)突出.另外在碳減排量方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)建筑總商品能耗為7.56億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的19.5%[2]，而供暖空調(diào)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(diào)系統(tǒng)可以起到“移峰填谷”的作用，從而消減電負(fù)荷高峰，減少國(guó)家電力建設(shè)投資.對(duì)于用戶而言，可以通過(guò)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性分析，節(jié)省更多的運(yùn)行費(fèi)用，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益.目前，冰蓄冷技術(shù)已越來(lái)越多地被大型辦公和商場(chǎng)等建筑場(chǎng)所應(yīng)用.

關(guān)于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析，王雪梅等[4]運(yùn)用全能耗模擬軟件Energyplus，制定了負(fù)荷動(dòng)態(tài)模擬的冰蓄冷優(yōu)化控制策略，保證了設(shè)備良好的經(jīng)濟(jì)性.Henze G P和Krarti M等[5]提出適時(shí)電價(jià)結(jié)構(gòu)的調(diào)整是對(duì)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要激勵(lì)因素.Giraldo和R.Alberto等[6]主要利用數(shù)值模擬來(lái)評(píng)估在商業(yè)或辦公建筑中安裝冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及可行性.李延寧等[7]對(duì)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)建立經(jīng)濟(jì)性分析模型，并對(duì)影響冰蓄冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的因素進(jìn)行總結(jié).黃亮等[8]根據(jù)已建立的系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算模型，編寫冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析與優(yōu)化軟件，對(duì)影響系統(tǒng)初投資及運(yùn)行費(fèi)用等因素進(jìn)行研究.

目前，大部分冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)投入使用后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少.大部分設(shè)計(jì)完成后，缺乏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)跟蹤和反饋，實(shí)際運(yùn)行效果如何并不清楚[9].本文對(duì)北京某辦公樓冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)跟蹤，對(duì)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行研究分析，對(duì)蓄冷設(shè)備實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用和年節(jié)省費(fèi)用等進(jìn)行計(jì)算記錄，從設(shè)備實(shí)際運(yùn)行角度出發(fā)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性討論.

1 工程概況

該辦公樓項(xiàng)目位于北京市城區(qū)，總建筑面積約60 000 m2，空調(diào)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(cāng)庫(kù)和制冷機(jī)房.東側(cè)有兩座辦公樓，地上五層，地下一層均為停車場(chǎng).工程使用性質(zhì)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(xù)供冷，其主要冷負(fù)荷為白天辦公時(shí)段07:00-18:00.此工程于2011年進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，得到國(guó)家節(jié)能政策補(bǔ)貼支持，享受北京市冰蓄冷技術(shù)的優(yōu)惠電價(jià)政策，在工程初投資建設(shè)費(fèi)用上也得到優(yōu)惠3%的財(cái)政補(bǔ)貼.所以，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性之外，政府的政策支持也推動(dòng)了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施.

2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行方案

2.1 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型是以該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷分布為依據(jù).根據(jù)北京地區(qū)夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為33.2 ℃，計(jì)算濕球溫度為26.4 ℃，空調(diào)日平均溫度為28.6 ℃，通風(fēng)計(jì)算溫度30 ℃[10].本工程設(shè)計(jì)日峰值負(fù)荷為3 246 kW.空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)日24 h逐時(shí)冷負(fù)荷分布見(jiàn)圖1.

圖1 空調(diào)設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷分布圖Fig.1 Daily cooling load distribution of air conditioning design

2.2 冰蓄冷系統(tǒng)負(fù)荷平衡運(yùn)行策略

負(fù)荷平衡由主機(jī)蓄冰、冰槽供冷、主機(jī)供冷、基載供冷四部分承擔(dān).主機(jī)為雙工況制冷機(jī)組，其中雙工況即為蓄冰工況和供冷工況.主機(jī)利用夜間低谷電進(jìn)行蓄冰工作，2臺(tái)主機(jī)在夜間的電力低谷時(shí)段(23:00-07:00)進(jìn)行蓄冰.白天峰電時(shí)配合冰槽進(jìn)行供冷.基載供冷大部分時(shí)間在主機(jī)蓄冰的低谷時(shí)段承擔(dān)夜間的少量負(fù)荷.在系統(tǒng)夏季運(yùn)行期間的耗電量方面，主機(jī)供冷和主機(jī)蓄冰(雙工況機(jī)組)的耗電量最大，冰槽供冷只需要水泵進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，耗電量最小.所以在負(fù)荷相對(duì)少的時(shí)間里，盡量在峰值電價(jià)時(shí)段使用冰槽供冷是最好的選擇.冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)夏季負(fù)荷分配策略見(jiàn)圖2～5.

圖2 設(shè)計(jì)日運(yùn)行負(fù)荷分布圖Fig.2 Load distribution of daily design

圖3 75%設(shè)計(jì)日運(yùn)行負(fù)荷分布圖Fig.3 Load distribution diagram of 75% daily design

圖4 50%設(shè)計(jì)日蓄冰系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷分布圖Fig.4 50% design daily operating load distribution

圖5 25%設(shè)計(jì)日運(yùn)行負(fù)荷分布圖Fig.5 25% design daily operating load distribution

2.3 冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備參數(shù)

根據(jù)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷分布圖，結(jié)合該辦公建筑中工作人員的工作時(shí)間和夜間加班時(shí)間，本工程的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷分布時(shí)間為07:00-22:00時(shí)段.考慮到北京市夏季有一定的潮濕天氣，采用主機(jī)上游的串聯(lián)系統(tǒng)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(fù)荷條件下，串聯(lián)系統(tǒng)乙二醇溶液的流量較小，大溫差小流量的設(shè)計(jì)，可以減小水路系統(tǒng)管徑，在相同的條件下串聯(lián)系統(tǒng)的乙二醇循環(huán)泵小于并聯(lián)系統(tǒng).所以，采用串聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用都優(yōu)于并聯(lián)系統(tǒng)，并且串聯(lián)方式管路更加簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠.

根據(jù)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算和冰蓄冷系統(tǒng)負(fù)荷平衡策略，確定該系統(tǒng)的空調(diào)工況制冷量和制冰工況制冷量.雙工況冷機(jī)一用一備.乙二醇水泵兩用一備；雙工況主機(jī)冷凍泵兩用一備；基載冷凍泵一用一備；主機(jī)冷卻泵兩用一備；基載冷卻泵一用一備.具體設(shè)備配置及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)設(shè)備配置表1.

表1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)機(jī)房主要設(shè)備配置及參數(shù)Tab.1 Main equipment configuration and parameters of ice storage air conditioning system room

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

本工程于2011年初開(kāi)始設(shè)計(jì)施工，2013年正式投入運(yùn)行至今.在方案設(shè)計(jì)時(shí)期，通過(guò)對(duì)夏季運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行估算，采用靜態(tài)經(jīng)濟(jì)分析法與動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)分析法分別計(jì)算投資回收期.然而，在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，北京地區(qū)近幾年峰谷電價(jià)和相應(yīng)時(shí)間段都有一些新的調(diào)整，所以系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性分析與設(shè)計(jì)之初有所變化.本文根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行新的經(jīng)濟(jì)性分析，從而與設(shè)計(jì)之初的經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)行比較.

3.1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)2011年北京市峰谷電價(jià)、冰蓄冷設(shè)備配置和系統(tǒng)運(yùn)行策略，空調(diào)運(yùn)行季按照120 d計(jì)算，冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表2.以50%與100%負(fù)荷段設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比，兩者的日耗電量未翻倍，日運(yùn)行費(fèi)用卻達(dá)到兩倍多.結(jié)合文中上述蓄冰系統(tǒng)負(fù)荷分布圖2和圖4，在50%負(fù)荷時(shí)段時(shí)，尖峰負(fù)荷時(shí)段全部由冰槽供冷承擔(dān)(全部尖峰電價(jià)時(shí)段均由谷電電價(jià)所代替)，基載冷機(jī)只在部分平電時(shí)段運(yùn)行.而100%負(fù)荷時(shí)段，尖峰負(fù)荷時(shí)段由基載主機(jī)和冰槽供冷同時(shí)承擔(dān)(部分尖峰電價(jià)由谷電電價(jià)代替)，并且部分時(shí)段還需要一臺(tái)雙工況機(jī)組聯(lián)合基載和融冰供冷共同承擔(dān)其余負(fù)荷.由于100%負(fù)荷時(shí)段尖峰用電費(fèi)用大幅度增加，因此導(dǎo)致日運(yùn)行費(fèi)用翻倍.這也充分說(shuō)明了在50%負(fù)荷時(shí)段，谷電電價(jià)融冰狀態(tài)替代尖峰用電的作用，體現(xiàn)了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)移峰填谷的優(yōu)勢(shì).

表2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用Tab.2 Design and operation cost of ice storage air conditioning system

為便于對(duì)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，參考該空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)負(fù)荷等設(shè)計(jì)參數(shù)，提供相應(yīng)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備見(jiàn)表3，采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表4.根據(jù)靜態(tài)分析評(píng)價(jià)法對(duì)設(shè)計(jì)之初與實(shí)際運(yùn)行期間的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)投資回收期進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析.同時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)之初經(jīng)濟(jì)性分析的時(shí)效性，根據(jù)動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)法對(duì)蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算.

表3 常規(guī)系統(tǒng)主要設(shè)備Tab.3 Main equipment of conventional system

表4 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用Tab.4 Design and operation cost of conventional air conditioning system

采用靜態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析.按式(1)計(jì)算冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加的初投資費(fèi)用，為

ΔI=Is-Ic

(1)

式中:ΔI為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加的初投資，元；Is為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的初投資，元；Ic為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資，元.按式(2)計(jì)算冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)全年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用，為

ΔP=Ps-Pc

(2)

式中:ΔP為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)節(jié)省費(fèi)用，元；PS為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行電費(fèi)，元；Pc為同條件下，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行電費(fèi)，元.按式(3)計(jì)算冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)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(lì)辦公場(chǎng)所帶頭使用節(jié)能設(shè)備的政策下，北京市相關(guān)節(jié)能單位聯(lián)手節(jié)能設(shè)備公司，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行國(guó)家政策補(bǔ)貼支持，使該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的初投資降低了3%，提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.

在政府財(cái)政補(bǔ)貼前，該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資增加的費(fèi)用ΔI約為135萬(wàn)元；根據(jù)表2和表4的設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用中可以看出，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)省電費(fèi)ΔP約為26.4萬(wàn)；根據(jù)公式(3)計(jì)算得到該項(xiàng)目投資回收期為5.11 a，投資回收期大于5 a.由此可見(jiàn)，在沒(méi)有地方政策對(duì)節(jié)能設(shè)備進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼前，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性不足，不能夠得以實(shí)施(根據(jù)靜態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法，如果投資回收期大于5 a，則不應(yīng)采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)[11]).

在政府財(cái)政補(bǔ)貼費(fèi)用落實(shí)，初投資優(yōu)惠3%之后，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資增加費(fèi)用ΔI減少為120萬(wàn)元.冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行季相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)省電費(fèi)ΔP約為26.4萬(wàn)元不變.投資回收年限n變?yōu)?.54 a，小于5 a.該項(xiàng)目具體投資回收期分析曲線見(jiàn)圖6.由圖可見(jiàn)，當(dāng)政府補(bǔ)貼對(duì)初投資優(yōu)惠減免1%以上時(shí)，投資回收期開(kāi)始小于5 a.可見(jiàn)隨著政府補(bǔ)貼力度的加大，投資回收期成線性下降趨勢(shì)，冰蓄冷技術(shù)經(jīng)濟(jì)性顯著提高.所以，當(dāng)?shù)卣畬?duì)節(jié)能設(shè)備的財(cái)政補(bǔ)貼支持是提升冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、縮減工程投資回收期的主要原因之一，也是推動(dòng)冰蓄冷技術(shù)工程方案得以實(shí)施的關(guān)鍵.

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

采用動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析.動(dòng)態(tài)回收周期考慮到資金的時(shí)間價(jià)值，計(jì)算工程項(xiàng)目開(kāi)始到凈現(xiàn)值等于0的年限，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)回收周期可以按式(4)計(jì)算.

(4)

式中:N為動(dòng)態(tài)回收期，a；s為考慮投資的時(shí)間價(jià)值所給出的標(biāo)準(zhǔn)折現(xiàn)率；K為投資結(jié)束年份；En為第n年的凈收益；In為第n年的投資.

設(shè)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?yōu)闂l件，即E保持定值.得到蓄冷空調(diào)動(dòng)態(tài)回收期計(jì)算式為(6).

(6)

式中:I為初投資增加量，E為每年電費(fèi)收益(節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用/元)，s為折現(xiàn)率.在蓄冷系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間我國(guó)CPI維持穩(wěn)定在3%為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)折現(xiàn)率s=5%.根據(jù)式(6)對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)回收期計(jì)算.在政府補(bǔ)貼前，回收年限為4.6 a.政府對(duì)設(shè)備初投資進(jìn)行補(bǔ)貼后，回收年限縮短為3.7 a.經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)法分析，表明設(shè)計(jì)方案可行.

3.2 實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用及經(jīng)濟(jì)性分析

本工程2013年正式投入運(yùn)行至今，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用及維護(hù)修理費(fèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄.由于該辦公場(chǎng)所配有計(jì)量系統(tǒng)服務(wù)器端，計(jì)量系統(tǒng)可以通過(guò)表頭選擇對(duì)冰蓄冷空調(diào)機(jī)房的各個(gè)設(shè)施進(jìn)行電量計(jì)量和監(jiān)控記錄，從而可以得出系統(tǒng)的實(shí)際耗電量.通過(guò)對(duì)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際耗電量和每年北京市的峰谷電價(jià)調(diào)整政策進(jìn)行運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算.

根據(jù)自控?cái)?shù)據(jù)記錄，2013-2017年間，本工程項(xiàng)目供冷季電量及電費(fèi)均呈上升趨勢(shì)，同時(shí)，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)夏季實(shí)際運(yùn)行節(jié)省費(fèi)用也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，五年間分別節(jié)省費(fèi)用25 萬(wàn)元、27 萬(wàn)元、28 萬(wàn)元、30 萬(wàn)元和32 萬(wàn)元，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行五年的過(guò)程中共節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約142 萬(wàn)元，年均節(jié)省 費(fèi)用ΔP約為28.4萬(wàn)元.通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析，根據(jù)公式(3)計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際投資回收期.在未得到政府補(bǔ)貼的情況下，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行投資回收期n為4.75 a，當(dāng)獲得政府財(cái)政補(bǔ)貼后，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行投資回收期n為4.23 a，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的投資回收期有所縮短.獲得政府補(bǔ)貼后的冰蓄冷工程項(xiàng)目，實(shí)際運(yùn)行投資回收期縮短10.9%，可見(jiàn)政府對(duì)冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的財(cái)政補(bǔ)貼力度是縮短蓄冷工程項(xiàng)目投資回收期的關(guān)鍵.

3.3 峰谷電價(jià)及時(shí)段調(diào)整政策的影響

該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行投資回收期比設(shè)計(jì)階段投資回收期縮短6.8%.設(shè)計(jì)之初的運(yùn)行費(fèi)用估算約為53.8 萬(wàn)元(如表2所示)，而實(shí)際平均年運(yùn)行費(fèi)用約為51.8 萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用下降3.7%.這與北京市發(fā)改委對(duì)峰谷電價(jià)及時(shí)段進(jìn)行政策調(diào)整有關(guān)，如圖7所示.從圖中可以看出，在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行五年間，谷電電價(jià)基本保持不變，平電電價(jià)有小幅度上漲，高峰電價(jià)和尖峰電價(jià)漲幅明顯.

圖7 北京市峰谷電價(jià)變化趨勢(shì)圖Fig.7 Variation trend of Beijing peak and valley electricity prices

評(píng)價(jià)峰谷電價(jià)對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要影響是看兩者差價(jià)的絕對(duì)值[13].通過(guò)對(duì)比可知，尖峰電價(jià)由蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jià)由1.1 元/kWh，到2017年的1.41 元/kWh；而低谷電價(jià)在運(yùn)行期間基本維持在0.35 元/kWh的水平.這使得峰谷電價(jià)差值由設(shè)計(jì)時(shí)期的0.85 元/kWh，上升到1.17 元/kWh，峰谷電價(jià)差價(jià)的絕對(duì)值增加37.6%，這對(duì)提升冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有顯著影響.

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際年節(jié)省費(fèi)用比設(shè)計(jì)階段增加了7.6%，這與北京市發(fā)改委于2011年7月1日起，將16:00-17:00由平電時(shí)段調(diào)整為尖峰電時(shí)段，20:00至21:00由尖峰時(shí)段調(diào)整為高峰時(shí)段有關(guān)[14].調(diào)整前后的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)日分時(shí)段電費(fèi)分布見(jiàn)圖8.對(duì)比可以看出16:00-17:00時(shí)段冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)有明顯上升，增長(zhǎng)約350 元.峰谷電時(shí)段政策調(diào)整后，根據(jù)單時(shí)段所用電量，計(jì)算常規(guī)空調(diào)設(shè)備設(shè)計(jì)日16:0-17:00時(shí)段運(yùn)行費(fèi)用增加約650元.相比常規(guī)空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用增長(zhǎng)量，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)日16:00-17:00時(shí)段節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約300 元，體現(xiàn)了冰蓄冷系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)在峰谷電價(jià)時(shí)段政策合理調(diào)整后的優(yōu)勢(shì).因此，建議北京市電力相關(guān)部門可以進(jìn)一步考慮將上午和下午辦公的部分平電時(shí)段適當(dāng)調(diào)整為尖峰電時(shí)段或者高峰電時(shí)段，這樣不僅可以進(jìn)一步節(jié)省冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)用戶的運(yùn)行費(fèi)用，也可以讓更多的用戶考慮應(yīng)用冰蓄冷空調(diào)技術(shù).

對(duì)于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)而言，不同地區(qū)制定的峰谷電價(jià)和峰谷時(shí)段等政策對(duì)運(yùn)行費(fèi)用和投資回收期等經(jīng)濟(jì)性因素有直接影響，以江蘇省峰谷電價(jià)及分時(shí)政策為例，由于江蘇省的峰谷電分時(shí)政策與北京市有很大區(qū)別，江蘇省峰谷電分時(shí)只分為平電時(shí)段(8:00-24:00)和低谷電時(shí)段(00:0-8:00)，江蘇省2013-2017年平電電價(jià)基本維持在0.85元/kWh，低谷電電價(jià)0.37元/kWh，根據(jù)江蘇省峰谷電價(jià)政策對(duì)該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析.冰蓄冷空調(diào)負(fù)荷平衡運(yùn)行策略不變，假設(shè)系統(tǒng)各負(fù)荷日耗電量均不變.具體冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表5，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表6.通過(guò)對(duì)比，在江蘇省峰谷電價(jià)政策下，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用要低于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，因而該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)工程方案不能在江蘇地區(qū)執(zhí)行.在現(xiàn)有峰谷電政策不變化的情況下，若江蘇地區(qū)采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)需要更改相應(yīng)的負(fù)荷平衡策略.可見(jiàn)，相同冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)方案在不同的峰谷電相關(guān)政策下，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有很大區(qū)別.所以，不同地區(qū)峰谷電相關(guān)政策性因素也是影響冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵.

圖8 冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)日全天電費(fèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)日運(yùn)行費(fèi)用(江蘇省)

表6 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用(江蘇省)Tab.6 Design and operation cost of conventional air conditioning system (Jiangsu Province)

3.4 運(yùn)行策略影響分析

運(yùn)行人員合理調(diào)整運(yùn)行策略是提升冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一.由文中圖2和圖4可見(jiàn)，在北京市電價(jià)時(shí)段政策調(diào)整前，在16:00-17:00平電時(shí)段，負(fù)荷由基載供冷、主機(jī)供冷和冰槽供冷三部分承擔(dān).從圖2可以看出，設(shè)計(jì)日計(jì)算運(yùn)行負(fù)荷時(shí)基載供冷和主機(jī)供冷承擔(dān)該時(shí)段負(fù)荷的70%.從圖4中可以看出，50%設(shè)計(jì)日運(yùn)行負(fù)荷時(shí)基載供冷承擔(dān)供冷負(fù)荷的55%.峰谷電時(shí)段政策調(diào)整后，運(yùn)行人員可根據(jù)具體電價(jià)時(shí)段政策的變化更改運(yùn)行策略，在16:0-17:00時(shí)段以開(kāi)啟冰槽供冷自控模式為主，減少或關(guān)閉基載和主機(jī)供冷模式.充分利用冰槽供冷承擔(dān)該時(shí)段全部負(fù)荷，利用冰槽夜間的谷電電價(jià)完成此時(shí)段的供冷任務(wù)，從而減少基載冷機(jī)和雙工況機(jī)組(主機(jī))在該時(shí)段大約60%的尖峰電費(fèi).以設(shè)計(jì)日負(fù)荷為例，根據(jù)峰谷電時(shí)段政策調(diào)整運(yùn)行策略，該時(shí)段可節(jié)省冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用約200元(占單日運(yùn)行費(fèi)用3%)，相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，該時(shí)段可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約500元.

嚴(yán)格規(guī)范冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行人員操作流程也是降低運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵.在50%設(shè)計(jì)日負(fù)荷時(shí)的下班時(shí)間(如圖4)，隨著供冷負(fù)荷需求量的下降，應(yīng)充分提升融冰工況的利用率，避免過(guò)早開(kāi)起基載機(jī)組.然而很多運(yùn)行人員為節(jié)省夜間蓄冰時(shí)段前(夜間23:00)開(kāi)啟基載機(jī)組的操作流程，選擇過(guò)早開(kāi)啟基載機(jī)組，使得屬于融冰工況單獨(dú)承擔(dān)冷負(fù)荷的下班時(shí)段，變成基載供冷和融冰工況共同承擔(dān)，導(dǎo)致基載機(jī)組及水泵運(yùn)行費(fèi)用增加，設(shè)備損耗增加.根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)，單日過(guò)早開(kāi)啟基載機(jī)組(如下午六點(diǎn)開(kāi)啟基載)，導(dǎo)致系統(tǒng)單日運(yùn)行費(fèi)用上升約20%.同樣，在25%設(shè)計(jì)日負(fù)荷時(shí)期(如圖5)，應(yīng)充分利用系統(tǒng)雙工況機(jī)組制冰+制冷工況的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，夜間蓄冰只需開(kāi)啟雙工況機(jī)組及配套水泵設(shè)備方可完成工作.此時(shí)如果運(yùn)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(duì)于基載冷機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行而言，不僅經(jīng)濟(jì)性較差，還增加了基載冷凍、冷卻水泵的運(yùn)行費(fèi)用，而水泵的能耗約占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的20%以上[15].所以，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該不合理操作導(dǎo)致系統(tǒng)單日運(yùn)行費(fèi)用上升約10%.因此，運(yùn)行人員合理規(guī)范的運(yùn)行策略也是影響冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(diào)系統(tǒng)是建筑能源的主要消耗[16].通過(guò)建設(shè)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，可以提高現(xiàn)有電網(wǎng)負(fù)荷率和運(yùn)行效率，從而降低供電煤耗，使電力部門實(shí)現(xiàn)減排.根據(jù)所研究地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷率與供電煤耗之間的定量關(guān)系，得到冰蓄冷系統(tǒng)單位蓄冷量的碳減排量是0.686 kg/kWh[17]，該辦公建筑空調(diào)季總蓄冷量為987 953 kWh，可知該辦公建筑冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)每年可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)CO2減排約677.7 t.因此，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)境效益與社會(huì)效益同樣顯著，具有很好的應(yīng)用前景.政府及相關(guān)職能部門應(yīng)積極采取相關(guān)激勵(lì)政策，推廣冰蓄冷技術(shù)的應(yīng)用.

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)測(cè)記錄與分析，說(shuō)明在相應(yīng)的峰谷電價(jià)差和相關(guān)政策的推動(dòng)支持下，結(jié)合合理的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行策略，北京地區(qū)辦公場(chǎng)所應(yīng)用冰蓄冷系統(tǒng)可以獲得很好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境、社會(huì)效益.本例對(duì)具有類似空調(diào)冷負(fù)荷特性(利用夜間無(wú)冷負(fù)荷或低冷負(fù)荷時(shí)段的谷價(jià)電力來(lái)進(jìn)行蓄冷，以保證在白天峰電價(jià)時(shí)段的釋冷)的辦公建筑場(chǎng)所應(yīng)用冰蓄冷空調(diào)技術(shù)具有一定的參考和借鑒意義.通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)節(jié)能設(shè)備的政策性財(cái)政補(bǔ)貼是影響冰蓄冷技術(shù)推廣應(yīng)用的重要影響因素，對(duì)于本工程而言，當(dāng)政府補(bǔ)貼對(duì)初投資優(yōu)惠減免3%時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行投資回收期縮短10.9%.

(2)峰谷電價(jià)差及峰谷電價(jià)執(zhí)行時(shí)間段等政策性因素是影響冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最重要的因素.對(duì)于本工程而言，政策調(diào)整峰谷電價(jià)差絕對(duì)值增加37.6%，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行投資回收期縮減6.8%.

(3)在不同地區(qū)的峰谷電相關(guān)政策性因素下，相同的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略，以北京和江蘇地區(qū)為例進(jìn)行對(duì)比，得出的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果完全不同，可見(jiàn)不同地區(qū)采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)需要嚴(yán)格根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆骞入娤嚓P(guān)政策等因素進(jìn)行蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析.

(4)運(yùn)行人員規(guī)范冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際操作步驟，適時(shí)根據(jù)天氣負(fù)荷情況對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行更改，可以有效降低全天運(yùn)行費(fèi)用，是縮減設(shè)備投資回收期以及保證系統(tǒng)良好經(jīng)濟(jì)性的重要因素.