冰蓄冷空调在高峰谷负荷差地区应用的经济性

第x卷第x期电力系统及其自动化学报Vol.xNo.x200x年x月ProceedingsoftheCSU-EPSAx.200x冰蓄冷空调在高峰谷负荷差地区应用的经济性丁庆1，段绍辉1，王执中2，孙冠男2，王金晖2，王勇2（1．深圳供电局有限公司，深圳518000；2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津市300384）摘要：冰蓄冷空调采用冰作为储能介质，使用大型空调机组在供电低谷期制冰蓄冷，在供电高峰期释冷以满足冷负荷需求，对电网起到削峰填谷的效果。本文以深圳地区作为对象，针对当地的电价政策进行调研，通过对商用办公建筑的冷负荷需求预测数据分析，完成冰蓄冷空调的典型设备方案和造价确定，基于不同的运行策略、年用电量预测和电价政策，完成投资收益及经济性指标计算。通过研究，冰蓄冷技术在深圳应用可以产生良好的经济效益，大规模推广后，其削峰填谷的效果将对深圳电网的健康运行和有序发展起到良好作用。关键词：冰蓄冷空调；电价政策；运行策略；削峰填谷中图分类号：TM711；TM732文献标志码：A（或B）文章编号：EconomyofIce-storageAir-conditionUsedintheAreawithPeak-valleyDifferenceDINGQing1,DUANShaohui1,WANGZhizhong2,SUNGuannan2,WANGJinhui2,WANGYong2(1.ShenzhenPowerSupplyBureauCo.,Ltd，Shenzhen518000，China；2.TianjinTiandaQiushiElectricPowerHighTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin300384,China)Abstract：Ice-storageair-conditioncanbepeakloadshiftinginthegridthroughicemakinginlowsupplyandchillinginpeaksupplyusedbyLargeairconditioningunitwithusingtheiceasastoragemedium．AstheShenzhentobeatypicalarea，thepaperanalyzethecoolingloaddemandforecastdataofcommercialofficebuildings，anddesigntheice-storageair-conditionoftypicalequipmentplanandthecostaccordingtothelocalelectricitypricepolicyresearch，andaswellanalyzethesysteminvestmentincomeandeconomicindicatorsbasedontheannualelectricityconsumptionforecastandcostestimates．TheanalysesresultsshowthatShenzhenareahasalreadyacceptedgoodeconomicbenefitbyusingtheice-storagetechnology．Ifthesaidtechnologygetsalargescale，thepeakloadshiftingeffectwillplayagoodroletothehealthoperationandorderlydevelopmentofthepowergridinShenzhen．Keywords：ice-storageair-condition；electricitychargespolicy；operatingstrategy；peakloadshifting1引言冰蓄冷空调技术是上世纪八十年代发展起来的一项技术，通过采用冰作为储能介质，使大型空调机组在用电低谷期储存能量，并在电网的供电高峰期供应冷负荷，从而降低楼宇夏季用电高峰的负荷峰值，使电网移峰运行，并通过用电峰谷差价产生一定收益。近年来，我国南方的广东等地夏季空调负荷不断增加（据相关统计分析，空调负荷可达部分城市最高用电负荷的30%以上），负荷密度及最大负荷水平逐年增大，夏季负荷高峰期频频出现拉闸限电的情况，陈健等学者以广州电网为研究对象，进行了详尽的负荷分析[1]。针对此情况，部分学者对通过储能设备削峰填谷[2]和相应的峰谷电价[3]进行了研究。随着城市峰谷电价差距进一步增大、配变容量电价的产生已经为冰蓄冷投入应用创造了机会。空调系统的能效比（COP，CoefficientOfPerformance）根据运行效率有所波动，目前大型中央空调系统的平均COP约在4.9左右，冰蓄冷空调在4.0以上，虽然能效比略低于中央空调系统，但作为可控负载，冰蓄冷空调的削峰填谷作用第x卷第x期电力系统及其自动化学报Vol.xNo.x2012年x月ProceedingsoftheCSU-EPSAx.200x和其经济性不容忽视。该技术的实际应用和统一管理将能对相关地区的电网运行产生良好的移峰作用，同时也为使用户产生一定的经济效益。目前，对冰蓄冷技术的研究主要结合办公建筑的能耗分析和空调系统能耗指标分析等成果[4-5]，对减少碳排放、移峰填谷及运行费用分析等方面展开[6-7]，对于实际的特定地区是否适用冰蓄冷技术及其推广效果尚未进行论证。本文考虑到低纬度地区对空调需求程度较高，同时结合高峰谷差对电价所产生的影响，选取中国南方的广东省深圳市为例进行分析。基于深圳地区的电价政策并结合典型商用办公楼的DeST软件冷负荷预测数据[8]，对冰蓄冷技术的典型工程应用和运行情况进行经济性进行研究，对该技术在深圳的工程应用、项目推广的可行性和效果进行讨论和分析。2电价政策概述截止2012年，深圳电网针对不到2000平方公里的供电范围，供电量700亿千瓦时、最高负荷1360万千瓦、供电户数260万户，呈现出鲜明的城市电网高负荷密度、高负荷峰谷差特点。此外，深圳夏季气候炎热，空调负荷占相当大的比重。2010年深圳电网的年最大峰谷差达到5209MW，日负荷曲线呈现出峰谷明显的三峰态势。不但具有高峰谷电价差，同时紧张的用地情况也制约了变电设备的建设，产生了变压器容量电价。根据变压器容量的不同，101至3000kVA，按变压器容量24元/kVA·月的价格收取容量电费，3001kVA及以上，按最大需量44元/kW·月的价格收取容量电费；蓄冷空调用电谷期电价按0.2788元/千瓦时执行；一般商业及其他性质负荷的峰谷电价则按下表进行计费。表1深圳市电价价目表Tab.1Thepriceofelectricityinshenzhen用电量电度电价（元/kWh）峰平谷250kWh及以下1.08970.87090.4661250kWh以上1.06970.85090.4461其中峰期为9:00-12:00,14:00-16:00,19:00-21:00；谷期为23:00-7:00；其余为电价平价期，为7:00-9:00,12:00-14:00,16:00-19:00,21:00-23:00。在多种电价因素共同影响下，冰蓄冷在深圳的应用效果将更具优势。考虑到一般商用负荷大小适中，因此选择用电量250kWh以上，装机容量101~3000kVA进行分析。3应用场景分析3.1冷负荷量需求预测以深圳办公类商业建筑作为研究对象，选用DeST-c版本（应用于商业建筑的商建版本）进行建筑负荷模拟研究。针对一般办公楼的典型情况，通过CAD对已知信息采用实际参数，对建筑描述、室外气象数据、室内热扰量以及室内要求温湿度进行设定，通过软件模拟计算该建筑物全年逐时基础室温、空调系统负荷等的变化情况，并对本应用场景下的冷负荷需求量进行确定。以供应冷负荷场地约2000㎡的商用办公楼作为研究对象，根据软件的仿真结果，全年各月份工作日、非工作日及高峰的典型日需冷量如下表所示。表22000m2典型办公楼需求计算表Tab.2Thedatainthe2000m2typicalofficebuilding月份典型工作日总冷量（kWh）典型非工作日总冷量（kWh）典型高峰日总冷量（kWh）一月56.260272.6二月20.030414.08三月249.890865.36四月377.45.47821.03五月991.3514.641204.91六月785.3417.241318.29七月932.4227.41564.33八月1267.8625.591447.48九月1004.2818.951310.97十月739.8813.621157.15十一月371.9410.41853.17十二月63.630.02325.06以一年中出现最大冷负荷需求的7月份为例，其典型工作日和高峰日的冷负荷曲线如下图所示。图17月典型冷负荷曲线图第x卷第x期电力系统及其自动化学报Vol.xNo.x2012年x月ProceedingsoftheCSU-EPSAx.200x3Fig.1TypicalcoolingloadcurveofJuly冷负荷的负荷峰值为188.18kW，日最大需冷量1564.33kWh，均出现于7月份。3.2冰蓄冷设备运行方式选取冰蓄冷系统的运行策略主要包括全量蓄冰策略和部分蓄冰策略。在仅考虑峰谷电价的政策时，采用全量蓄冰策略后，将系统将高峰期的冷负荷需求完全转移至低谷期，制冷机组在高峰期不运行。如采用全量蓄冰策略作为典型的冰蓄冷运行方式，根据全量蓄冰要求，夜间23:00-7:00的谷期进行蓄冷，白天7:00-21:00释冷，在冷负荷需求的高峰期通过电空调补足。其运行的不同状态如下图所示。图2全量蓄冰运行策略示意图Fig.2Fullamountoficestorageoperatingstrategyschematically如采用部分蓄冰的方式，同样在夜间进行蓄冰以享受优惠的电价政策，白天通过冷机在电价平价期的启动对冷负荷进行供应。这样夜间所制的冰将专门满足出现高峰电价时的冷负荷需求，减少高峰电价出现时的系统用电电量。图3部分蓄冰运行策略示意图Fig.3Partoficestorageoperatingstrategyschematically3.3冰蓄冷典型配置方案在不计入冷负荷需求高峰时段的电空调和冷机补充供冷情况下，年度制冷量约17.97万kWh，最大冷负荷188.18kW。根据以上的冰蓄冷的制冷需求量和运行方式的约束，按冰蓄冷的COP取值为4.0，制冷效率83.1%，进行仿真分析，推荐选取蓄冰量900kWh的蓄冰桶进行蓄冷，并配置100kW制冷机组及相应的水泵、冷却塔、板式换热器等设备。具体设备清单及初装造价费用见表3所示。表3典型设备清单及造价Tab.3Thecostlistofthetypicalequipment序号设备名称数量单价（万元）合价（万元）1双工况制冷机组110102蓄冰桶112123乙二醇循环水泵21.12.24双工况冷却水泵21.12.25双工况冷却塔13.23.26乙二醇板式换热器1337板换冷冻水泵21.12.28合计34.8按一般施工费取费标准进行计费，施工费用为设备费用的15%，约5.22万元。设备初装造价合计为40.02万元。4经济性分析4.1主要经济指标计算全量制冷方式白天运行在释冷状态，可减少电负荷70kW；部分制冷方式因选择电价更低的方式，此时针对电网系统是负荷峰值，但与用户的负荷峰值不能完全对应，仅能减少电负荷约30kW。另统计冰蓄冷空调在全量制冷方式中，根据峰谷电价的小时数考虑制冷耗电，则峰期和平期各占总耗电量的50%。根据容量电费和冰蓄冷用电电费的情况，按照不同时段的电费进行计算，完成对冰蓄冷空调的经济性分析。边界条件和计算公式分别如下：q=17.97kWh万；=0P电，-=70P冰全量kW，-=30P冰部分kW；=4.0COP冰，=83.1%冰；=4.9COP电，=71.4%电；第x卷第x期电力系统及其自动化学报Vol.x