相变材料蓄冷系统的经济性评价

摘要： 本文针对一种新型相变材料在蓄冷空调中应用的性进行了研究，并与冰蓄冷系统和常规空调系统进行了比较。分析结果表明：相变材料蓄冷空调系统运行费用最低，但初投资较高。如果相变蓄冷材料因批量生产而降低成本，则相变材料蓄冷空调技术将有着广泛的应用前景。

关键词： 相变材料 蓄冷 空调系统

 

1 前言

冰蓄冷系统具有技术成熟、性能稳定等优点，但需配置双工况机组，且多数系统要增加乙二醇溶液为载冷剂的中间换热装置，增加了系统的设计和控制难度。同时，冰蓄冷系统制冰充冷时由于蒸发温度比常规空调低8-10℃，冷机效率下降率达30%左右，是一种节费不节能的空调方式。相变材料式蓄冷系统则可直接利用常规主机，较大程度地提高制冷机的COP值。由于目前已开发出的可用于蓄冷空调系统的相变材料尚较少，价格也相对较贵，因而进行经济性分析是相变材料蓄冷技术推广应用的前提。

2 经济性分析模型的简化

本文采用的蓄冷介质为自行研制的一种相变材料。相变温度为8.2℃，相变潜热184kJ/kg。为便于比较，作如下假设：

（1）对于常规系统、冰蓄冷系统和相变材料系统三种方案，认为空气处理部分设备费用相同，系统初投资仅考虑冷源部分。

（2）相比较的冰蓄冷系统为应用较为广泛的冰球式系统，采用串联、主机优先的形式。

（3）相变材料蓄冷系统拟采用串联、主机下游的形式。

（4）下标0表示常规系统，1表示冰蓄冷系统，2表示相变材料蓄冷系统。

3 经济性分析数学模型

3.1 蓄冷系统主机容量的确定

当白天空调用制冷机容量恰好等于晚间蓄冷用制冷机容量,这时制冷机容量最小^[1]。此时设蓄冷率。即

（1）

当和时，制冷机容量分别按（2）和（3）式进行。

（2） （3）

式中:——制冷机组容量,； ——设计日总冷负荷,

——制冷机的空调运行时间,ｈ； ——制冷机的充冷运行时间,ｈ

——制冰机组容量变动系数

3.2 系统初投资

系统初投资由系统设备本身的费用、机房设备场地建筑物费用和电贴费（很多地区已取消电力增容费，故在此仅考虑电贴费）组成，即

（4）

——系统设备本身的费用 ； ——电贴费

——建筑物投资较常规系统的增加费用（机房设备场地）

3.2.1 设备费用的确定

设备费用按设备容量进行估算，即用各设备容量乘以相应的估算指标^[2]，并计入设备运杂费和安装调试费。蓄冷系统设备总费用为：

=++++++++ (5)

——制冷机初投资； ——蓄冷设备费用

——泵投资费用； ——冷却塔费用

——溶液及冷冻水管道费用； ——冷却水管道费用

——自控系统费用； ——电力设备费用

——板式热交换器费用

对于冰蓄冷系统

+ （6）

——负荷泵费用； ——制冷并充释冷综合泵费用；——冷却水泵费用

对于高温相变材料蓄冷系统，无需板式换热器和专门的负荷泵，但由于目前适用于空调系统的相变材料还较少，因而蓄冷介质费用高于冰蓄冷系统。蓄冷介质根据市场价按7000元/吨计，蓄冷槽采用现浇混凝土的形式，蓄冷器为金属板式。相变蓄冷装置及附属设备的造价按100元/kW.h计算。此时=0，且

+

高温相变材料蓄冷系统的供回水温度约为9/14℃，而冰蓄冷系统供回液温度约为3/11℃。前者的温差较后者大大减小，相应的泵和管道投资增加。

3.2.2 建筑物投资较常规系统的增加费用

（7）

——蓄冷负荷，； ——单位面积建筑造价 元/m² (拟取3000元/)

——单位蓄冷量增加设备用房面积 (冰蓄冷系统一般取0.0073 )

由于所采用的相变材料潜热为冰的55%，因此在蓄冷量相同的情况下，相变材料蓄冷系统蓄冷槽的体积约为冰蓄冷系统的1.8倍，设备房建筑物投资费用相应增加。

3.2.3 电贴费

(8)

——系统配电容量，； ——每千瓦装机容量电贴费

常规系统配电容量： （9）

蓄冷系统配电容量： （10）

其中： （11）

——设计日最大负荷； ——单位配电容量电力报装费用,元/

、、---系统、主机、辅机性能系数

3.3 运行费用

三类系统中认为运行管理费用相同。年运行费用为

=++ （12）

3.3.1 年基本电费

年基本电费一般按系统配电容量计

= （13）

——基本电价,元/(·月)

3.3.2 年运行电费

常规系统年运行电费：

(14)

——峰、平、谷时段电价,元/； ——年供冷天数

——分别为三段用电量

冰蓄冷系统年运行电费：

(15)

，——系统直供和充冷时的值（包括辅机）

对于相变材料蓄冷系统,认为系统直供和充冷时的值相等，则年运行电费为：

（16）

3.4 经济性评价指标

冰蓄冷系统和相变材料蓄冷系统相对于常规系统的静态投资回收期、 分别如式（17）和（18）。

（17）

（18）

4 分析实例

以某办公综合大楼为例，逐时负荷分配如表1。分别采用冰蓄冷和高温相变材料蓄冷两种方案与常规系统进行比较和分析。为便于比较，均采用40%的蓄冷率。蓄冷安排在夜间电价低谷时段。。电价结构如表2，基本参数如表3。

表1 大楼逐时负荷分布

时间	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	合计
负荷KW	2710	3669	5190	5550	5947	6268	6386	6644	6358	5641	54363

表2 分时电价表

电价分段	高峰期	低谷期
时 间	8:00-21:00	21:00—8:00
电费（元）	0.65	0.17

表3 有关计算参数

序号	项 目	参 数 值
1	制冷机空调工况时的COP值	4
2	制冷机制冰工况时的COP值	3
3	制冷机制冰工况时的容量变动系数k	0.68
4	基本电价	13（元/月.KW）
5	电贴费	400（元/KVA）
6	供冷天数	150（天）
7	主机直供时间	10（小时）
8	夜间蓄冷时间	9（小时）

表4 不同系统的初投资及运行费用比较

系 统	主机容量	主机 费用	蓄冷设备费用	供电设备费用	冷却塔费用	自控系统费用	管道	全 套 泵	换 热 器	建筑 增加 费用	电 贴 费	系统 总初 投资	年基本电费	年运行电费	年运行总费用
高温蓄冷	3262	251.12	676.40	91.34	30.53	24.47	124.13	19.57	0	85.72	46.60	1321.07	17.79	119.28	137.07
冰 蓄 冷	3553	312.66	401.20	99.48	33.26	31.98	96.41	24.77	109.63	47.63	61.52	1218.54	23.99	123.93	147.92
常规系统	6644	511.59	0	186.03	62.19	33.22	96.34	30.32	0	0	92.92	1012.61	36.24	165.54	201.98

5 分析结果与讨论

从主要设备的初投资可以看出：在三种系统形式中，高温相变材料蓄冷系统初投资最高，其次为冰蓄冷系统，常规系统初投资最低。这是由于高温相变材料蓄冷技术目前还处于实验和研究阶段，蓄冷介质费用相对较高所致。其次，由于目前已研制和开发出的用于空调系统的蓄冷介质其相变潜热大多低于冰的潜热，致使蓄冷槽占地面积增加，设备房的建筑费用相应增加。再者，由于采用相变材料蓄冷系统，使冷冻水出口温度提高，从而降低供回水温差，增加了冷冻水管道和泵的初投资。

从对运行费用的分析可以看出，高温相变材料蓄冷系统的运行费用最低，其次为冰蓄冷系统，最高为常规系统。冰蓄冷系统比常规系统初投资增20.3%，年运行费用节约率为26.8%,静态投资回收期为3.8年；相变材料蓄冷系统初投资较常规系统增加33.3%，年运行费用节约率为32.1%万元，静态投资回收期为5.3年。

6 结论

从以上分析可以看出，尽管在目前的条件下，对于新建系统,相变材料蓄冷系统的初投资和回收年限均高于冰蓄冷系统，但在改造项目中，由于可直接利用原有主机，因此具有较大优势。同时，由于充冷期间蒸发温度同常规系统，因而主机和系统运行效率较冰蓄冷系统有较大提高，从而减小了耗电量和电厂污染物的排放，具有较好的经济和环保效益。随着新型相变材料的进一步开发和高温蓄冷技术的进一步完善，在解决好蓄冷介质稳定性并批量生产的前提下，其市场价格将大幅度降低，系统初投资也将相应减小甚至低于冰蓄冷和常规系统。因而高温相变材料蓄冷系统将以其系统简单、节费节能等优点而有着广泛的应用前景。

1. 胡明若，余国和，顾安忠. 蓄冷率与冰蓄冷空调经济性诸因素的关系.上海理工大学学报2002，24（2）

2. 严德隆，张维君. 空调蓄冷应用技术. 北京：建筑出版社，1997，5

3. 何立群，葛新石，丁立行等.空调系统中冰蓄冷与高温相变材料蓄冷的经济性比较.中国技术大学学报，1997，27（1）