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摘要：本文針對一種新型相變材料在蓄冷空調中應用的經濟性進行了研究，并與冰蓄冷系統和常規空調系統進行了比較。分析結果表明：相變材料蓄冷空調系統運行費用最低，但初投資較高。如果相變蓄冷材料因批量生產而降低成本，則相變材料蓄冷空調技術將有著廣泛的應用前景。

關鍵詞：相變材料蓄冷空調系統

1前言

冰蓄冷系統具有技術成熟、性能穩定等優點，但需配置雙工況機組，且多數系統要增加乙二醇溶液為載冷劑的中間換熱裝置，增加了系統的設計和控制難度。同時，冰蓄冷系統制冰充冷時由于蒸發溫度比常規空調低8-10℃，冷機效率下降率達30%左右，是一種節費不節能的空調方式。相變材料式蓄冷系統則可直接利用常規主機，較大程度地提高制冷機的COP值。由于目前已開發出的可用于蓄冷空調系統的相變材料尚較少，價格也相對較貴，因而進行經濟性分析是相變材料蓄冷技術推廣應用的前提。

2經濟性分析模型的簡化

本文采用的蓄冷介質為自行研制的一種相變材料。相變溫度為8.2℃，相變潛熱184kJ/kg。為便于比較，作如下假設：

（1）對于常規系統、冰蓄冷系統和相變材料系統三種方案，認為空氣處理部分設備費用相同，系統初投資僅考慮冷源部分。

（2）相比較的冰蓄冷系統為應用較為廣泛的冰球式系統，采用串聯、主機優先的形式。

（3）相變材料蓄冷系統擬采用串聯、主機下游的形式。

（4）下標0表示常規系統，1表示冰蓄冷系統，2表示相變材料蓄冷系統。

3經濟性分析數學模型

3.1蓄冷系統主機容量的確定

當白天空調用制冷機容量恰好等于晚間蓄冷用制冷機容量,這時制冷機容量最小[1]。此時設蓄冷率。即

（1）

當和時，制冷機容量分別按（2）和（3）式進行計算。

（2）（3）

式中:——制冷機組容量,；——設計日總冷負荷,

——制冷機的空調運行時間,h；——制冷機的充冷運行時間,h

——制冰機組容量變動系數

3.2系統初投資

系統初投資由系統設備本身的費用、機房設備場地建筑物費用和電貼費（很多地區已取消電力增容費，故在此僅考慮電貼費）組成，即

（4）

——系統設備本身的費用；——電貼費

——建筑物投資較常規系統的增加費用（機房設備場地）

3.2.1設備費用的確定

設備費用按設備容量進行估算，即用各設備容量乘以相應的估算指標[2]，并計入設備運雜費和安裝調試費。蓄冷系統設備總費用為：

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

——制冷機初投資；——蓄冷設備費用

——泵投資費用；——冷卻塔費用

——溶液及冷凍水管道費用；——冷卻水管道費用

——自控系統費用；——電力設備費用

——板式熱交換器費用

對于冰蓄冷系統

+（6）

——負荷泵費用；——制冷并充釋冷綜合泵費用；——冷卻水泵費用

對于高溫相變材料蓄冷系統，無需板式換熱器和專門的負荷泵，但由于目前適用于空調系統的相變材料還較少，因而蓄冷介質費用高于冰蓄冷系統。蓄冷介質根據市場價按7000元/噸計，蓄冷槽采用現澆混凝土的形式，蓄冷器為金屬板式。相變蓄冷裝置及附屬設備的造價按100元/kW.h計算。此時=0，且

+

高溫相變材料蓄冷系統的供回水溫度約為9/14℃，而冰蓄冷系統供回液溫度約為3/11℃。前者的溫差較后者大大減小，相應的泵和管道投資增加。

3.2.2建筑物投資較常規系統的增加費用

（7）

——蓄冷負荷，；——單位面積建筑造價元/m2(擬取3000元/)

——單位蓄冷量增加設備用房面積(冰蓄冷系統一般取0.0073)

由于所采用的相變材料潛熱為冰的55%，因此在蓄冷量相同的情況下，相變材料蓄冷系統蓄冷槽的體積約為冰蓄冷系統的1.8倍，設備房建筑物投資費用相應增加。

3.2.3電貼費

(8)

——系統配電容量，；——每千瓦裝機容量電貼費

常規系統配電容量：（9）

蓄冷系統配電容量：（10）

其中：（11）

——設計日最大負荷；——單位配電容量電力報裝費用,元/

、、---系統、主機、輔機性能系數

3.3運行費用

三類系統中認為運行管理費用相同。年運行費用為

=++（12）

3.3.1年基本電費

年基本電費一般按系統配電容量計

=（13）

——基本電價,元/(·月)

3.3.2年運行電費

常規系統年運行電費：

(14)

——峰、平、谷時段電價,元/；——年供冷天數

——分別為三段用電量

冰蓄冷系統年運行電費：

(15)

，——系統直供和充冷時的值（包括輔機）

對于相變材料蓄冷系統,認為系統直供和充冷時的值相等，則年運行電費為：

（16）

3.4經濟性評價指標

冰蓄冷系統和相變材料蓄冷系統相對于常規系統的靜態投資回收期、分別如式（17）和（18）。

（17）

（18）

4分析實例

以某辦公綜合大樓為例，逐時負荷分配如表1。分別采用冰蓄冷和高溫相變材料蓄冷兩種方案與常規系統進行比較和分析。為便于比較，均采用40%的蓄冷率。蓄冷安排在夜間電價低谷時段。。電價結構如表2，基本計算參數如表3。

表1大樓逐時負荷分布時間

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

合計

負荷KW

2710

3669

5190

5550

5947

6268

6386

6644

6358

5641

54363

表2分時電價表電價分段

高峰期

低谷期

時間

8:00-21:00

21:00—8:00

電費（元）

0.65

0.17

表3有關計算參數序號

項目

參數值

1

制冷機空調工況時的COP值

4

2

制冷機制冰工況時的COP值

3

3

制冷機制冰工況時的容量變動系數k

0.68

4

基本電價

13（元/月.KW）

5

電貼費

400（元/KVA）

6

供冷天數

150（天）

7

主機直供時間

10（小時）

8

夜間蓄冷時間

9（小時）

表4不同系統的初投資及運行費用比較系

統

主機容量

主機

費用

蓄冷設備費用

供電設備費用

冷卻塔費用

自控系統費用

管道

全

套

泵

換

熱

器

建筑

增加

費用

電

貼

費

系統

總初

投資

年基本電費

年運行電費

年運行總費用

高溫蓄冷

3262

251.12

676.40

91.34

30.53

24.47

124.13

19.57

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

常規系統

6644

511.59

186.03

62.19

33.22

96.34

30.32

92.92

1012.61

36.24

165.54

201.98

5分析結果與討論

從主要設備的初投資可以看出：在三種系統形式中，高溫相變材料蓄冷系統初投資最高，其次為冰蓄冷系統，常規系統初投資最低。這是由于高溫相變材料蓄冷技術目前還處于實驗和研究階段，蓄冷介質費用相對較高所致。其次，由于目前已研制和開發出的用于空調系統的蓄冷介質其相變潛熱大多低于冰的潛熱，致使蓄冷槽占地面積增加，設備房的建筑費用相應增加。再者，由于采用相變材料蓄冷系統，使冷凍水出口溫度提高，從而降低供回水溫差，增加了冷凍水管道和泵的初投資。

從對運行費用的分析可以看出，高溫相變材料蓄冷系統的運行費用最低，其次為冰蓄冷系統，最高為常規系統。冰蓄冷系統比常規系統初投資增20.3%，年運行費用節約率為26.8%,靜態投資回收期為3.8年；相變材料蓄冷系統初投資較常規系統增加33.3%，年運行費用節約率為32.1%萬元，靜態投資回收期為5.3年。

6結論

從以上分析可以看出，盡管在目前的經濟條件下，對于新建系統,相變材料蓄冷系統的初投資和回收年限均高于冰蓄冷系統，但在改造項目中，由于可直接利用原有主機，因此具有較大優勢。同時，由于充冷期間蒸發溫度同常規系統，因而主機和系統運行效率較冰蓄冷系統有較大提高，從而減小了耗電量和電廠污染物的排放，具有較好的經濟和環保效益。隨著新型相變材料的進一步開發和高溫蓄冷技術的進一步完善，在解決好蓄冷介質穩定性并批量生產的前提下，其市場價格將大幅度降低，系統初投資也將相應減小甚至低于冰蓄冷和常規系統。因而高溫相變材料蓄冷系統將以其系統簡單、節費節能等優點而有著廣泛的應用前景。

參考文獻

1.胡明若，余國和，顧安忠.蓄冷率與冰蓄冷空調經濟性諸因素的關系.上海理工大學學報2002，24（2）

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