基于电力蓄冷蓄热技术的探讨

许培德

福建水利电力职业技术学院 福建 永安 366000

0 引言

最近几年来，随着我国经济不断发展和电力体制改革及电源建设步伐的加快，长期制约我国经济发展和人民生活水平提高的电力供应紧缺问题基本上得到缓解。但是，由于用电结构已经并将继续发生根本性的变化，尤其是中央空调的大范围使用，造成电网峰谷差日益增大，峰谷比不断下调，调峰能力不断下降。我国的峰谷比大约为10:0.7，美国的峰谷比为1:0.25，俄罗斯、日本、法国、英国和德国的峰谷比分别为：1:0.52、1:0.4、1:0.35、1:0.35和1:0.2，一般发展中国家的峰谷比是1:0.63，由此可见，我国用电结构面临的调峰任务和压力日益严峻。

为保证电网的安全、稳定、经济运行，发电侧应该采取调峰措施：水、火电机组调峰运行，建立抽水蓄能、燃气发电等调峰电厂。但发电侧调峰水平是有限的，而且是以牺牲机组寿命、能源利用率、高投资等为代价。因此，为了做到资源的合理配置，用电侧也必须采取调峰措施，进行削峰填谷。近年来我国电网政策上实行了峰谷电价差，峰谷电价差为3倍左右，并随着峰谷比不断下调，峰谷电价差将逐步拉开到5～7倍。

而电力蓄冷蓄热技术，就是利用低谷电力，通过水蓄冷、冰蓄冷和水蓄热等设备，来转移用电高峰负荷的一种新技术，它不但可以起到均衡负荷的作用，而且可以提高电网运行的经济性，同时增加了系统的备用容量，有利于电网的安全稳定运行。因此使用电力蓄冷蓄热技术对电网 “削峰填谷”起着非常重要的作用。同时，电力蓄冷蓄热技术已成为我国电网今后进行电力负荷需求侧管理、改善电力供需矛盾最主要的技术措施之一。

1 电力蓄冷蓄热技术的应用与发展现状

1.1 电力蓄冷蓄热技术在国外的发展与应用

20世纪80年代初，电力蓄冷蓄热技术已成为一项新兴技术，在国外科学家不断研发新产品，而且在国外已作为DSM的一项成熟、节能、环保技术，一般在大型商场、宾馆饭店、娱乐场所、金融大厦、商住楼、办公楼大楼、医院等场所应用具有显著效果。1998年底，日本拥有蓄冷空调系统4 500多家，美国已有4 000多家，我国台湾已投运600多家。

1.2 国内电力蓄冷蓄热技术的发展与应用

国内从90年代初，逐步引进和研制电力蓄冷蓄热技术，并取得一定的成果和经验，而且具备进一步推广应用的条件。1992年我国首先引进法国西亚特公司的全套电力蓄冷技术设备在深圳电子大厦启用。最近几年来，我国电力蓄冷蓄热技术发展迅速，到去年底，全国拥有20多个省市应用了电力蓄冷、蓄热技术，累计可转移高峰负荷80万千瓦，按照冰蓄冷空调和蓄热电锅炉平均移峰成本约1 500元／千瓦和900元／千瓦计算，这样共节省电力投资50多亿元。至今，我国已建成投产和正在施工的电力蓄冷蓄热项目拥有300多个，蓄能空调的部分技术和设备达到了国际先进技术水平。

目前峰谷电价政策的实施及其不断的完善和发展，将为我国电力蓄冷蓄热技术的发展和应用创造良好的外部经济环境，该技术在我国的应用范围将形成不断扩大的趋势，技术水平将不断的提高。

2 电力蓄冷蓄热技术

我们都知道“蓄”作为一种储存调节的方法，在社会各个领域有着极其重要的作用，诸如蓄水保丰、蓄粮备荒、蓄币致富、蓄才立国等。但是电力作为现代社会经济最重要的能源之一，却没能实现大容量储存。

国内的发电厂70%左右为燃煤火力发电，电量调节难度较高。由于人类固有的生活特性决定了夜间活动减少，电力需求降低。发电和需求的不平衡带来的直接危害就是发电效率低、电网不稳定。因此，国内外纷纷建造“抽水蓄能电站”，即在山顶上修建一个水库，夜间把水抽到山顶，白天放水发电。但这样工程耗资巨大、工期漫长，而且对生态有不确定影响，实属无奈之举。

而蓄冷蓄热技术则是在用户方间接实现电力储存的一种简单易行的措施。电力输送给用户后，有一部分是转化为热能使用的，如电制冷的空调、电加热设备等。这些设备的使用因生产时间、外界气温的变化也存在昼夜峰谷，因此可以通过热能储存的方法来平衡电网供需。

2.1 电力蓄冷技术及其主要特点

在电力负荷低谷时段采用电动制冷机组制冷，利用水的潜热（显热）以冰（低温水）的形式将冷量贮存起来，在用电高峰段将它释放，来部分或全部满足建筑物的空调或生产工艺需冷量，达到电网移峰填谷的目的。这种技术在空调领域里叫做冰（水）蓄冷空调技术。该技术的主要特点如下：

1）全部或部分转移了制冷机组的用电时间，达到了转移高锋负荷的目的。电厂和供配电设施的建设将慢慢减少，电力投资将逐步的减少、电厂运行效率将逐渐提高。

2）冰蓄冷空调系统的制冷设计容量和用电功率小于常规空调系统，用户配电容量将减少，一般可减少到30%～50%容量，这样也节省空调系统成本。

3）虽然这种技术增加了蓄冷装置及其辅助设备，初步投资一般比常规空调系统来的高。但是，将供电设施费用的节约也计入的话，根据每个地区的情况，这种投资也有可能跟常规空调系统一样。

4）根据国网公司的政策，我们充分利用电网峰谷分时电价差，这样空调系统的运用费用将比常规空调系统降低很多，分时电价差值愈大，其空调运行费用节省愈多，如果峰谷电价比≥3时，就可以节约电费30%～60%以上。

5）该技术可以提高空调蓄冷系统中制冷设备满负荷运行比例，使运行工况稳定，设备利用率也大大的提高；空调使用的灵活也会因利用蓄冷装置的使用而得到改善。

6）使用这种技术可以使空调冷冻水温度降到1～4℃，这样实现了大温差及低温送风空调，使得空调末端冷量输送系统的设备容量大大节省、材料投资和输送系统运行能耗也将降低。

2.2 电力蓄热技术及其主要特点

电力蓄热技术是指在电网低谷时段运行电加热设备对存放在蓄热罐中的蓄热介质进行加热，将电能转换成热能储存起来，在用电高峰期将其释放，以满足建筑物采暖或生活热水需热量的全部或者其中的一部分，从而达到电网削峰填谷的目的。按照蓄热量在采暖使用时提供的热量不同，这种蓄热模式可分为全量蓄热和分量蓄热。常用的电加热设备主要有电锅炉和热泵机组，蓄热介质有水、金属固体和其它相变蓄热材料。蓄热系统按蓄热介质划分，可分为水蓄热、相变材料蓄热和蒸汽蓄热，其中水蓄热又分为常温蓄热、高温蓄热。这里主要讨论电锅炉及其蓄热技术的主要特点：

1）制热设备的用电时间将全部或者部分被转移，电网较富裕的低谷电力得到了充分利用，这样使电力系统运行效率大大的提高。

2）蓄热系统的制热设备容量和用电功率小于非蓄热系统，这样用户侧配电容量可以减少，节约了电力投资成本。

3）虽然使用这种技术增加了蓄热装置及其辅助设备，使得投资成本比直热系统来的高，但是如果能发挥国网公司政策，充分利用电网峰谷分时电价差，这样蓄热系统的运用费用将比直热系统大大的降低，而且分时电价差值愈大，节约运行费用将愈多，当峰谷电价比≥3时，就可以节约电费30%～60%以上。

4）电力蓄热技术是一种无噪声、无污染、安全稳定、可靠性和自动化程度高的新技术，而这种技术的使用有利于保护环境，和减少管理环节。

2.3 电力蓄冷蓄热技术的适用范围

在全国范围内实施峰谷电价差比较明显的地区，如果具有下列条件之一，而且综合经济技术比较合理时，就可以采用电力蓄冷蓄热技术：

1）如果电力低谷时能使用闲置设备进行制冷、制热的，而且建筑物空调的冷、热负荷具有明显的不平衡，均可使用该技术。

2）当空调建筑面积>3000，而且使用空调时负荷的峰谷差>60%，常规空调系统的使用会造成装机容量过大，且空调系统长期运行于部分负荷下的，均可使用该技术。

3）电网高峰时段与空调使用高峰时段重合，且在电网低谷时段空调负荷小于电网高峰时段空调负荷的30%的。

4）有避峰限电要求或者必须装设应急冷热源的场所。

5）与上面各状况相同或者相似的，需要冷却或加热工业过程的，也可采用该技术。

3 电力蓄冷蓄热模式

除部分特殊的工业空调系统以外，商业建筑空调或普通工业建筑用空调一般没有全日使用，通常每天只有运行10小时左右，而且空调负荷逐日、逐时不平衡。如果不采用蓄冷系统，制冷机组的制冷量应满足瞬时最大负荷。当采用蓄冷蓄热系统时，一般有两种模式，主要是全量蓄冷（热）与分量蓄冷（热）。

3.1 全量蓄冷（热）模式

全量蓄冷模式主要是在电网高峰期时将空调所需要的负荷全部转移到电网低谷时段。如图1所示，是将制冷机组在低谷时段的制冷量（图中B部分）蓄存起来供给电网高峰时段使用，使得电网高峰时段可以停止运行制冷机组，图中A与B的面积相等，这样就达到了削峰填谷的目的。

图1 全量蓄冷负荷示意图

3.2 分量蓄冷（热）模式

图2为部分负荷蓄冷示意图。分量蓄冷（热）模式主要是指在电力高峰时段，让制冷机组继续运行，不足部分由低谷时段的蓄冷量来补充，这样就只有让部分负荷转移到低谷时段。图中，A的面积等于B与C之和且C=D。采用部分负荷蓄冷模式，相当于一个工作日的负荷被制冷机组均摊到全天来承担，因此这样容量最小，这方面的初投资将大大的节省。在现实工程中也普遍采用这种模式。

分量蓄冷系统的控制比全量蓄冷系统的控制较复杂，除了保证蓄冷工况与供冷工况之间的转换操作以及空调供水或回水温度控制以外，还要解决制冷主机和蓄冷装置之间的供冷负荷分配问题，如果这些系统控制的好使得利用蓄冷系统得到充分的利用，这就可以使得该系统运行费用大大的节省。正常用的控制策略主要有三种，即：制冷主机优先运行，蓄冷装置优先运行和优化控制。

图2 分量蓄冷负荷示意图

电力蓄冷蓄热技术应用于中央空调系统，我们选择使用该系统时应明确目标，如节省空调系统投资、提高中央空调使用灵活性、减少配电容量还是为电网实现移峰填谷最大可能地节省运行电费等。

4 电力蓄冷蓄热技术的优势与效益

随着能源问题的日益严峻，电力蓄冷蓄热技术的应用与发展给社会生产与生活现状带来了新的曙光。该技术与常规的供冷、供热方法相比所具有的优势以及所带来的多重效益，我们可以从社会效益和经济效益两方面来概述。

4.1 社会效益

电力蓄冷蓄热技术的应用与国家电网的政策是相辅相成的，因为蓄能技术具有相当可观的社会效益。蓄能技术能够转移高峰负荷，实现电网峰谷差的均衡，达到“削峰填谷”目的。同时可以使新建电厂投资逐步减少，提高现有发电设备和输变电设备的利用率，也可以减少环境污染和能源利用（特别是对于火力发电）引起的影响，使有限的不可再生资源得到充分利用，使生态平衡得到合理的调节。

4.2 经济效益

电力蓄冷蓄热技术在带来巨大的社会效益的同时，也产生了良好的经济效益，对于广大用户来说，良好的经济效益和良性的运行管理主要从以下几方面来体现：

1）平衡电网峰谷荷，提高发电效率，减缓电厂和供配电设施的建设，达到节能减排的效果。

2）制冷主机容量减少，减少空调系统电力增容费和供配电设施费。

3）利用电网峰谷荷电力差价，降低空调运行费用。 如：沿海地区夏季10kV工商业用电白天峰电为1.138元/kWh，夜间谷电为0.268元/kWh，差价达0.87元/kWh。

4）电锅炉及其蓄热技术无污染、无噪声、安全可靠且自动化程度高不需要专人管理。

5）冷冻水温度可降到1~4℃，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风输送系统的投资和能耗。

6）相对湿度较低，空调品质提高，可有效防止中央空调综合症。

7）具有应急冷〔热〕源，空调可靠性提高。

8）冷（热）量全年一对一配置，能量利用率高。

5 结束语

电力蓄冷蓄热技术是一项有利国家经济和社会发展，且代表电力应用发展方向的新技术，将为保护人类生存环境、优化电力资源配置、保证电网安全经济运行起到积极的作用。电力蓄冷蓄热技术在我国推广应用刚刚起步，但效益明显，具有巨大的发展潜力。该技术在我国已经进入实用化阶段，具备在全国大范围内推广应用的条件。应当出台相应政策、法规，大力推广应用电蓄能技术。在当前电能紧张的形势下，应选派市场开发人员前往高耗能大户大力推广此项技术，向客户介绍电力蓄冷蓄热技术的特点、原理、适用范围、技术分类、技术的优缺点以及使用此技术前后的负荷对比，宣传使用该技术的重要意义，使我国的电力蓄冷蓄热事业步入迅速发展的良性轨道。

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