新能源背景下儲能空調系統(tǒng)建設策略研究

張 寧

（遼寧建筑職業(yè)學院，遼寧 遼陽 111000）

隨著節(jié)能減排政策的推行，作為高用電終端的空調系統(tǒng)在參與電力調峰方面快速推進，已經實現了多種基于能量存儲及電能釋放的電網峰谷差干預策略。儲能技術可解決能量供給與需求在時間和強度上的不匹配問題，在新能源背景下，如何降低空調能耗以及合理利用可再生能源實現場所溫度調節(jié)成為新的研究熱點。本文主要從相變儲能和虛擬儲能兩個技術方面來分析空調系統(tǒng)的儲能及應用，介紹新能源背景下空調系統(tǒng)如何高效利用新能源，從而達到節(jié)能減排的目的。

1 空調領域相變儲能技術

隨著能耗問題的日益突出，空調系統(tǒng)的新型節(jié)能技術成為解決能源危機及達成可持續(xù)發(fā)展的可行手段。相變儲能材料是一種儲熱介質，可以在減小熱交換器體積的情況下維持相變過程中的恒溫狀態(tài)，通過物理上的熱能吸收和釋放來達到儲能的目的?；谶@一特性，相變材料可以被應用于空調系統(tǒng)的儲能設計，配合新能源技術使空調系統(tǒng)更具環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢。

相變儲能材料的特點是能夠受溫度的影響而改變物理狀態(tài)，當物理狀態(tài)發(fā)生改變時會伴隨著熱量的吸收和釋放，根據能量守恒定律，可以將能量看作是被儲存在了相變儲能材料中。目前被廣泛使用的相變材料品類眾多，可以分為無機相變儲能材料、有機相變儲能材料和共晶相變儲能材料三種。相變過程是一種等溫或接近等溫的過程，會產生大量的熱量吸引或釋放在空調領域中，相變儲能技術主要應用于地板采暖、儲熱換熱器和儲能水箱。

1.1 相變儲能采暖技術

將相變儲能采暖技術應用于地板采暖中，可以節(jié)約大量的能源，其儲能原理是相變材料儲存熱能，當需要的時候再將熱量釋放出來，在這一過程中不會消耗能源也不會造成排放污染。由于儲能過程是可調節(jié)的，所以這一類地板采暖技術能夠根據外部環(huán)境的溫度實現智能化調節(jié)，相比持續(xù)性的化學能源供熱具有高效節(jié)能的優(yōu)勢。在新能源廣泛應用的背景下，相變儲能技術可以和光伏發(fā)電技術相結合，通過將波動較大的光伏發(fā)電以熱能的形式儲能，然后再將相變材料中的熱量釋放出來，實現光伏發(fā)電削峰填谷的效果。根據數據監(jiān)測顯示，輸出相同的能量，相變材料系統(tǒng)所消耗的電量只有40%。

除了能源高利用率方面的優(yōu)勢之外，相變儲能地板還會減輕冷輻射對人體的危害，在冬天時相變儲能地暖系統(tǒng)可以溫和地改變室內溫度，防止室內溫度呈階梯狀變化。由于相變儲能地暖屬于非燃燒取暖的形式，所以不會造成環(huán)境污染，讓室內更加清爽整潔。系統(tǒng)的熱源主要來自于電加熱和熱水線圈，并且充分利用可再生能源和電力峰谷差價，所以能夠有效提高能源的利用率，減少因采暖而產生的電費壓力。

1.2 相變儲能換熱器

換熱器主要是使用相變儲能材料進行水熱交換，以此來為冬季供暖或夏季制冷，三套管結構的儲能換熱器可以實現熱量的同時儲存與排放，并且可以作為太陽能的儲能裝置，充分利用光照充足天氣的太陽能，改善太陽能供熱不穩(wěn)定的缺點。相變儲能換熱器的基本原理是利用相變材料的物理狀態(tài)變化原理來完成儲能，儲能裝置的使用對節(jié)省電能有著非常大的幫助。

1.3 相變材料儲能水箱

將相變儲能材料與太陽能相結合，能夠有效降低能耗。在建筑領域中，應用最為廣泛的新能源為太陽能，這是因為太陽能相較于其他可再生能源來說獲取更加穩(wěn)定，光伏設備的成本更低，受地域影響更小。不過太陽能和其他可再生能源一樣，有著不穩(wěn)定的限制因素，所以將光伏能源進行儲能是解決這一問題的最有效途徑。太陽能加熱與制冷系統(tǒng)可以分為主動式和被動式兩種，不管是哪種方式其最終目的都是利用相變材料完成能量的儲存與釋放。比如在主動式太陽能房的設計中，相變儲能材料用于相變儲能裝置，當陽光較強時，相變儲能裝置將太陽能產生的熱量儲能起來，當夜晚或者沒有陽光時，將這些熱能釋放出來用以取暖，以此達到高效利用太陽能以及降低建筑內電能消耗的目的。相變儲能材料的使用不僅減輕了空調系統(tǒng)對于環(huán)境的污染，還可以有效降低能耗，特別是在暖通空調領域，相變材料的應用尤為廣泛。

1.4 相變儲能自然冷卻系統(tǒng)

在風冷空調領域，儲能技術的應用主要解決能量供給與需求的不匹配問題，相變材料的優(yōu)點在前文中已經做出了較為詳細的說明，將相變材料與通風系統(tǒng)相結合，可以在建筑領域實現室內室外溫差的單向平衡，夜間將室外空氣的冷量儲存，白天將所儲存的冷量釋放，解除夏季室內溫度調節(jié)對空調系統(tǒng)的過度依賴。相變材料在物理狀態(tài)發(fā)生改變時，可以儲存或釋放熱能，在主動式儲能系統(tǒng)中，可以對相變材料的物理狀態(tài)加以干預。普通的儲冷方式主要是使用冷凝液，首先是將熱能轉化為冷量，然后將冷凝液和蒸發(fā)液存儲于容器中，在溫度降至蒸發(fā)液和冷凝液相變溫度時，即可達到冷量存儲的效果。除此之外，也可以采用熱泵的方式將熱量轉換為冷量，然后再將冷量存儲。不管是哪種存儲方式，都可以實現冷量的調控。由于冷量儲存之后，其釋放是可調控的，所以可以將其應用于自然冷卻系統(tǒng)，通過緩慢釋放冷量來減少電能的消耗。

2 虛擬儲能空調系統(tǒng)

在中央空調系統(tǒng)中，制冷環(huán)節(jié)所消耗的電能最大，由于空調是持續(xù)制冷并將冷氣吹入建筑物中的，所以這一過程所消耗的電量十分巨大。在具有儲能介質的中央空調系統(tǒng)中，空調通過消耗電能來制冷，然后將冷能儲存起來，以此來實現電能消耗的轉移。如果能夠設計一套儲能系統(tǒng)來實現電能消耗的轉移，則可極大降低電能消耗。

2.1 虛擬儲能充放電系統(tǒng)

系統(tǒng)需有啟停制冷主機來完成調控，在到達額定工作狀態(tài)之后，可以實現虛擬儲能元件的充放電。為延長設備的使用壽命，主機系統(tǒng)不宜過于頻繁地進行啟停操作，需設置一個合理的次數閾值。在制冷的過程中，冷凍水的溫度越低消耗的電能越大，為了達到更加節(jié)能的目的，需要對制冷主機的冷凍水出水溫度進行適當地調節(jié)。通過調節(jié)出水溫度來靈活控制充放電功率，也避免過于頻繁地啟停。

2.2 虛擬儲能削峰策略

采用虛擬儲能群組的中央空調可以實現電能的削峰填谷，制冷空調使用的高峰期為炎熱的夏季，由于用電高峰的存在，想要提升電網穩(wěn)定性，促進電網高效率運用，需要使用儲能裝置來進行供電削峰。在虛擬儲能技術下，中央空調可以利用虛擬儲能群組完成電能的儲存，然后在高峰期將儲存的電能釋放出來。參與削峰需要考慮用戶的舒適度，如果以用戶舒適度為代價來強制削峰，勢必會影響用戶參與削峰的積極性，所以利用虛擬儲能調峰的目標應具有計劃性和合理性，通過科學構建模型并利用函數計算出最佳方案。

3 新能源儲能空調系統(tǒng)

新能源背景下的儲能空調系統(tǒng)是將太陽能、風能或班克斯能源轉化為電能并加以儲存、釋放和分配的新型系統(tǒng)，在現有技術水平下，電能的儲能大多借助于可充電電池，如鋰電池等來實現。系統(tǒng)的工作原理十分簡單，首先是新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生電能，由可充電電池將電能儲存起來。然后可充電電池平衡釋放電量為空調系統(tǒng)供電，使空調系統(tǒng)正常運行。在這一過程中，儲能系統(tǒng)起到的最主要作用是將供電平穩(wěn)化，解決新能源發(fā)電波動大、受環(huán)境影響大的問題。更加復雜的儲能空調系統(tǒng)可以實現充放電的智能調節(jié)，在智能化調節(jié)模式下，中央空調會維持一個相對平衡的運行狀態(tài)，為建筑持續(xù)制冷。由于新能源發(fā)電的不確定性，新能源儲能空調系統(tǒng)仍然需要連接常規(guī)電源，當發(fā)電量和儲存電量都不能滿足需求時，空調系統(tǒng)會調用傳統(tǒng)電力供電，保證居民的舒適度。新能源儲能方式主要有化學儲能、電磁儲能、熱能儲能和動能儲能四種方式，其中化學儲能更加簡單、高效且安全，相較于其他三種儲能方式更加適用于儲能式空調系統(tǒng)，也是目前最為流行的儲能空調建設方案。