水蓄冷在能效电厂建设中的作用

李积高，张带娣，龙伟超

（佩尔优节能科技股份有限公司，北京 100089）

1 问题的提出

随着我国国民经济的高速发展，全国用电需求也持续增长，从2001年到2010年国民经济增长约2.86倍，而同期的全国总发电能力增长超过3倍（到2010年底，全国发电机组装机容量已达9.5亿kW），发电容量增长速度高于经济增长速度，但电力供应仍然紧张。主要原因在于电网供电负荷持续增长的同时，需求侧的日负荷峰谷差也在不断扩大，目前我国有些地区的峰谷差已经达到最大负荷的50%以上。发电能力的增加不能满足不断增长的高峰负荷的电力需求，成为电力供需的主要矛盾。一方面在用电低谷时段，部分发电设备闲置；另一方面在用电高峰时段，发电设备能力不足，因此仅依靠不断建设新的发电厂来解决社会经济发展电力供需矛盾是不可持续的，必须从各个方面考虑电网调峰问题。

解决电力供需矛盾的方法有2个，一是建设能效电厂，采用对需求侧进行综合管理的方式，开发、利用需方的资源，减少电力高峰时段的用电量；另一个是建设削峰电站（包括建设削峰火电站与削峰水电站）。本文将着重论述对空调电力用户进行综合管理，采用水蓄冷（热）方式将电网供电低谷时段的电能转移到电网供电高峰时段，减少空调用户在高峰时段的用电量。

2 削峰电站、能效电厂与空调水蓄冷（热）

2.1 削峰电站

2.1.1 削峰水电站

为了解决电力系统峰谷电问题而建设的蓄能水电站，到2004年为止，全世界共建设水蓄能电站317座，总容量12 207.881万kW，其中日本最多，达43座，2 368.28万kW；美国达37座，2001万kW；俄罗斯7座，1 228.3万kW。我国起步较晚，已经建设11座，572.7万kW。广东省在广州市从化区建设的2 400 MW削峰水电站于2000年全部建成，为平衡广东省电网的电力供应发挥了积极的作用。

从水蓄能的热力学原理可以看出，水蓄能系统在运行过程中通常并不节省用电量，只是改变了不同用电时段的用电量，实现了电网运行的移峰填谷，其节能的直接含义主要体现在相当于削峰电站的能效比。以削峰水电站为例：削峰水电站抽水工况效率大约0.85～0.90，发电工况效率大约为0.90～0.93，加上电网输送损失，综合效率大约为0.80左右。即消耗1 kWh的低谷电能，只能获得0.80 kWh的高峰电能。换言之，水蓄冷（热）空调系统削峰1 kWh的电能，相当于节省削峰水电站20%以上的电能。而建设与运行削峰水电站，需要占用大量的土地资源和消耗大量的人力、物力。

2.1.2 削峰火电站

削峰火电站的运行特点是频繁地开、停，而火电站的开启是需要消耗能源的。以燃煤电厂为例，一台12.5万kW发电机组启停调峰一次，需消耗20 tce；一台20万kW发电机组启停调峰一次，需消耗34.8 tce，造成很大的能源浪费与环境污染。

建设削峰火电站要考虑锅炉与发电设施启动快，效率高，一般采用燃气削峰电站。建设一座30万kW的削峰燃气轮机发电站的投资超过20亿元。然而燃气削峰电厂虽然启动较快，运行效率也较高，但与常规燃气发电厂相比，效率还是相对较低。

2.2 能效电厂

能效电厂（efficiency power plant，简称EPP）是一种虚拟电厂。国际能源界将实施电力需求侧管理，开发、调度需方资源所形成的能力，形象地命名为能效电厂，将减少的需求视同“虚拟电厂”提供的电量。能效电厂把各种节能措施、节能项目打包，通过实施一揽子节能计划，形成规模化的节电能力，减少电力用户的电力消耗需求，从而达到与新建、扩建电力供应系统相同目的。

能效电厂虽是虚拟电厂，但在满足电力需求和电网电力平衡工作中，却和供方（发、输、配、售电）能力有着同等的重要性，与建设一个常规电厂相比，能效电厂具有建设周期短、零排放、零污染、供电成本低、响应速度快等显著优势，是实施电力需求侧管理、实现节能减排的一种有效途径，是解决电力短缺和能源可持续利用问题的“好帮手”。

2.3 空调水蓄冷（热）

能效电厂是对电力需求侧实施管理形成的结果。空调水蓄冷（热）就是对用电的空调用户进行管理，将电网用电低谷时段的电能以冷（热）量的形式蓄存起来，在电网用电高峰时段将蓄存是冷（热）量释放出来，减少电网用电高峰时段的用电量，实现将用电低谷时段的电量，向用电高峰时段转移。

空调水蓄冷（热）既增加了低谷用电，减少了在电网用电低谷时段发电厂停止运行的数量，也减少了高峰用电，相当于减少了削峰电站的发电数量。空调用户将常规供冷（热）方式改造成水蓄冷（热）供冷（热）方式，其改造效果相当于建设了与水蓄冷（热）削峰量相同的能效电厂。水蓄冷（热）空调所形成的这种能效电厂，可称为“水蓄冷（热）空调能效电厂”。

3 空调水蓄冷（热）供冷（热）系统

3.1 水蓄冷（热）空调概述

水蓄冷（热）空调系统即是在常规空调系统的基础上，增加蓄冷（热）设备，在用电低谷时段（电费较低的时段）将空调系统的电能转化成冷（热）形式储存起来，在用电高峰时段（电费较高的时段）将储存的能量释放出来的热力过程。因此蓄冷（热）空调的意义从宏观上来讲，能平衡电网的负荷，充分发挥电厂的发电效率。从空调用户的角度来讲，能充分利用不同用电时段的电费差价，节省运行电费。

（1）常用水蓄冷空调系统的组成

常用的水蓄冷制冷系统由如下设备与装置组成：空调常规制冷系统（包含冷水机组、冷却塔、冷却水泵与冷冻水泵）；蓄冷水池；蓄冷水泵；板式换热器；放冷水泵。详见图1。

（2）常用水蓄冷空调系统的运行特点

从图1可以看到，常用水蓄冷空调系统的运行特点是工况转换灵活，该系统通过阀门的转换，可以完成如下5种运行模式。

·制冷机组单独供冷运行模式（与空调常规制冷系统运行相同）。

·制冷机组单独蓄冷运行模式。

·蓄冷设备单独放冷运行模式。

·制冷机组供冷与蓄冷设备放冷同时运行模式。

图1 常用水蓄冷空调的组成及流程图

·制冷机组蓄冷与蓄冷设备放冷同时运行模式。

（3）无板换水蓄冷空调系统的组成

无板换水蓄冷空调的组成及流程图如图2所示。无板换水蓄冷制冷系统由如下设备与装置组成：常规制冷系统（包含冷水机组、冷却塔、冷却水泵与冷冻水泵）；蓄冷水池；蓄冷水泵。

无板换水蓄冷空调的组成及流程图见图2。

图2 无板换水蓄冷空调的组成流程图

（4）无板换水蓄冷空调系统的特点

从图2可以看出，无板换水蓄冷空调系统取消了板式换热器。板式换热器是水蓄冷系统中用得比较多的设备，取消板式换热器可节省大量的设备费用。无板换水蓄冷空调系统适用条件如下：

·蓄冷水槽的液面高于空调末端的最高点（在大量的工业厂房空调用冷水与生产用冷水中使用）。

·在蓄冷水槽水位低于用冷末端设备的高度时，采用机械加压（此时加压泵相当于空调冷水系统的定压泵）方式向空调系统供冷。如果是对已有空调冷水系统的改造，应注意确保空调冷水系统的所有管道全部处于正压状态。

3.2 水蓄冷（热）空调系统提高电力削峰能力的途径

水蓄冷（热）空调系统提高电力削峰能力的途径主要有2条：一是尽可能增加蓄冷水槽的容积；二是提高蓄冷水槽的进出水温差。

（1）蓄冷水槽：蓄冷水槽总容积的大小，直接影响空调工程蓄冷量的大小，也决定了蓄冷系统削峰量的大小。以浦东国际机场二期工程为例：浦东国际机场二期工程新建航站楼面积40.5万㎡，加上旅客过夜用房与办公楼等建筑物，其空调总负荷24 400 kW。该工程建设蓄冷水槽的总容积（12 600×4）m3。浦东国际机场二期工程在100%负荷条件下，最大削峰量为20 170 kW，即相当于建设了2万kW的能效电厂。

（2）蓄冷温差：蓄冷水槽的蓄冷量与蓄冷温差成正比，温差越大，蓄冷量越多。但是蓄冷温差受到实际运行条件与运行费用的制约。蓄冷水槽的进水温度，取决于空调冷水系统的回收温度；蓄冷水槽的出水温度，取决于蓄冷制冷机组的出水温度。出水温度越低，蓄冷运行费用越高。为了减少运行费用，一般宜采用冷水机组串联方式蓄冷。如果生产性冷却用水进出水温差较大，也可采用冷水

机组三级串联蓄冷。

3.3 水蓄冷（热）空调系统减少能耗的途径

空调制冷过程耗电量最大的设备是冷水机组，水蓄冷也是如此。在外界条件相同的情况下（冷凝温度相同），影响冷水机组耗电量的主要因素是冷水机组的蒸发温度。蒸发温度越低，耗电量越大。提高蓄冷水槽的蓄冷能力的措施之一是增加蓄冷温差，也就是降低冷水机组的蒸发温度，这就引起了冷水机组的耗电量增加。为了提高冷水机组的蒸发温度，通常采用蓄冷冷水机组串联蓄冷。

（1）2台冷水机组串联蓄冷，可以减少每一级冷水机组的进、出口温差，2台冷水机组温差加起来，相应地提高了蓄冷水池的总的温差（也就是增加了蓄冷水池单位容积的蓄冷能力）。

（2）2台冷水机组串联蓄冷，可减少蓄冷电能的消耗。因为提高了第一级冷水机组的出水温度，从而提高了第一级冷水机组的蒸发温度。根据制冷工质的热力学特性，蒸发温度每提高1℃，工质F-22制冷能力提高3.371%，耗电减少0.8%左右；工质F-134a制冷能力提高3.881%，耗电减少1.0%左右。

冷水机组蓄冷制冷循环过程详见图3。

图3 串联连接制冷工质lgP-I图

从图3可以看到：

第 1 级冷水机组的制冷量L1为：L1=i3′-i2′；第 1级冷水机组的压缩功N1为：N1=i4′-i3′；

第2级冷水机组的制冷量L2为：L2=i3-i2；第2级冷水机组的压缩功N2为：N2=i4-i3。

第2级冷水机组的制冷量L2小于第1级冷水机组的制冷量L1，即蒸发温度低的冷水机组单位容积制冷量小于蒸发温度高的冷水机组单位容积制冷量。

第2级冷水机组的压缩功N2大于第1级冷水机组的压缩功N1，即蒸发温度低的冷水机组单位制冷量消耗的压缩功大于蒸发温度高的冷水机组单位制冷量消耗的压缩功。

3.4 水蓄冷（热）空调系统的实用性

水蓄冷（热）空调系统可广泛用于新建工程，也可广泛用于改、扩建工程。

（1）用于工程扩建：采用水蓄冷方式，可充分利用原有工程的制冷设备，不购置或少购置冷水机组，这样既可节省建设投资，也可节省运行费用。

（2）用于工程改造：可首先使用原工程的消防水池进行水蓄冷改造。所有的专用消防水池均可改造成蓄冷水池，一个500 m3的水池改造成蓄冷水池后，在空调用电中，一天可减少700～1 000 kW的高峰用电（蓄冷温差越大，削峰量越多）。

（3）用于新建工程：可以根据新建工程的不同要求，设计不同的水蓄冷系统（完全削峰、部分削峰水蓄冷系统与完全水蓄冷系统等），但不论采用哪一种水蓄冷系统，都能实现电网供电的不同程度的移峰填谷。

3.5 发挥水蓄冷（热）空调能效电厂在经济建设中的作用

空调工程采用水蓄冷（热）系统，可以实现移峰填谷，减少削峰电站的建设费用与减少对环境的污染，有很好的社会效益。根据建筑物的空调负荷估算，900～1 000万m2商场（或约1 200万～1 500万m2以写字楼为主的综合性公共建筑）的集中空调采用蓄冷（热）系统，相当于建设一座30万kW的削峰电站。而建设一座30万kW的燃气轮机发电站的投资为20多亿元，加上输电与变配电投资，共需投资约30亿元，并且削峰电厂的运行效率很低。

我国每年竣工的公共建筑4亿m2以上。如果有1/4的公共建筑建设蓄冷系统，实现这些建筑的完全削峰，这相当于建设了7座30万kW的削峰电站，其经济、社会与环境效益十分显著。

佩尔优节能科技股份有限公司曾经于2012年在天津滨海新区做过100万kW虚拟调峰电站项目论证，论证结论如下：

（1）仅依靠不断新建电厂来解决全国社会电力供需现状的矛盾是不可持续的，国家必须要考虑进行电网调峰。

（2）从供给侧解决电力供需矛盾，投资较高，且容易造成资源浪费与环境污染。

（3）用蓄能的方式从需求侧进行电网调峰，能起到均衡电网用电负荷、改善电网负载因素等积极作用，有利于国民经济持续健康发展。

（4）通过将100万kW的电力高峰负荷转移至低谷，直接节省100万kW发电、供电建设综合投资约100亿元。

（5）实现对100万kW低谷发电能力的有效利用，相当于每年减少140余万tce消耗、减少400余万t二氧化碳排放，具有显著的经济和环境效益。

[1]周伏秋，夏鑫.电力需求侧管理城市综合试点工作重点与财政激励政策[J].电力需求侧管理,2012（5）：1-3.