摘要：相變材料作為一種新型儲(chǔ)能材料，將其應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制環(huán)境溫度或儲(chǔ)存冷量的作用，還有利于提高建筑制冷電負(fù)荷調(diào)控能力。研究建筑空調(diào)系統(tǒng)冷卻水側(cè)耦合相變蓄能改造方案表明，在70 000 m2的辦公建筑中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水側(cè)配置20～40 m3體積的相變蓄冷罐，可通過降低制冷機(jī)組入口冷卻水溫度，實(shí)現(xiàn)削減空調(diào)系統(tǒng)3%電負(fù)荷30～60 min。

關(guān)鍵詞：相變蓄冷技術(shù);相變材料；調(diào)峰;柔性分析實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，中國必須實(shí)施能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，建設(shè)新型能源體系。未來，大比例新能源接入電網(wǎng)，供給側(cè)和需求側(cè)的同步互動(dòng)是解決風(fēng)光新能源消納的關(guān)鍵。

夏季，城市建筑空調(diào)負(fù)荷在電力消耗中的比重越來越大，加劇了電力調(diào)度與電力緊張局面。商業(yè)及辦公類公共建筑集中制冷機(jī)房一般占據(jù)建筑能耗的30%～50%。若能增加建筑制冷負(fù)荷調(diào)控區(qū)間，在空調(diào)制冷高峰時(shí)主動(dòng)調(diào)控負(fù)荷，平滑建筑電力需求，便能助力風(fēng)光新能源消納。隨著新能源、人工智能等技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，在未來的新型零碳電力系統(tǒng)中，建筑將從簡單的電力消費(fèi)者轉(zhuǎn)化為發(fā)電、蓄電、調(diào)節(jié)和消費(fèi)四位一體的重要角色，挖掘和提升建筑負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力對(duì)于電網(wǎng)大比例風(fēng)光新能源消納起到巨大支撐作用。

相變蓄冷技術(shù)可以增加建筑空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。目前，冰作為一種最常規(guī)的儲(chǔ)冷介質(zhì)，相變溫度為0 ℃，低于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水7～12 ℃的溫度工況。因制冷機(jī)組蒸發(fā)溫度過低，需配置雙工況制冷機(jī)且機(jī)組蓄冷工況運(yùn)行效率降低［1］。城市土地價(jià)格高昂，為降低建筑成本，大部分建筑機(jī)房布置緊湊，進(jìn)行冰蓄冷或水蓄冷改造受到較多限制。以相變材料作為儲(chǔ)冷介質(zhì)，可降低建筑蓄冷改造難度，提高制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率。本部分將重點(diǎn)探究建筑空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用相變蓄冷技術(shù)后的制冷機(jī)組用電負(fù)荷變化情況。

1相變儲(chǔ)能材料及相變蓄冷技術(shù)

相變材料（PCM）是指能夠在外界條件變化時(shí)發(fā)生相變的材料。它的基本原理是利用材料的物態(tài)變化吸收或釋放熱量。當(dāng)相變材料在吸收熱量時(shí)，溫度升高，狀態(tài)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài);而當(dāng)材料釋放熱量時(shí)，溫度降低，狀態(tài)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)［2］。

相變蓄冷技術(shù)是利用相變材料（PCM）在物態(tài)變化過程中提供的潛熱并加以儲(chǔ)存和利用的技術(shù)。通過將相變蓄冷材料與中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合，將晚上低谷電轉(zhuǎn)化為冷量儲(chǔ)存起來，在白天尖峰負(fù)荷時(shí)釋放冷量，轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷，結(jié)合分時(shí)階梯電價(jià)策略能降低建筑制冷成本與能耗［3］。相對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能，相變蓄冷技術(shù)可以直接存儲(chǔ)冷能，具有安全性高、循環(huán)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

2中央空調(diào)蓄冷相變材料的選擇條件及分類因相變材料能量密度高且溫度可控，與冰蓄冷系統(tǒng)相比，此時(shí)制冷機(jī)運(yùn)行效率更高。蓄冷和正常制冷過程均可以利用同一制冷機(jī)組，在運(yùn)行能效和改造投資上均具有優(yōu)勢(shì)。采用該方式進(jìn)行蓄冷的空調(diào)系統(tǒng)可避免水蓄冷儲(chǔ)罐體積大和冰蓄冷機(jī)組運(yùn)行效率低的問題。

目前研究及應(yīng)用最為廣泛的相變材料是固液相變材料。根據(jù)化學(xué)成分，固液相變材料可分為無機(jī)相變儲(chǔ)冷材料、有機(jī)相變儲(chǔ)冷材料和共晶相變儲(chǔ)冷材料?？照{(diào)相變蓄冷材料應(yīng)具有相變潛熱高、體積變化小、導(dǎo)熱系數(shù)高、化學(xué)穩(wěn)定性高、無腐蝕、無毒、難燃、過冷度低、價(jià)格低、供應(yīng)充足等優(yōu)良性能。

無機(jī)類相變材料中的水合鹽材料因儲(chǔ)能密度高、相變溫度固定、價(jià)格低廉、來源廣泛，現(xiàn)用于空調(diào)蓄冷的熔點(diǎn)在5～10 ℃范圍內(nèi)的相變材料，多數(shù)由十水硫酸鈉添加其他控制熔點(diǎn)的鹽類組成［4］。

有機(jī)類相變材料主要包括石蠟、酯酸類、高分子化合物等。單一有機(jī)相變材料的相變溫度普遍較高，在蓄熱領(lǐng)域應(yīng)用更廣泛。為得到相變溫度合適、潛熱值高、性能穩(wěn)定的蓄冷材料，通常會(huì)將幾種材料混合制成復(fù)合相變材料以融合各材料的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一材料的不足。目前，已有公司開發(fā)出應(yīng)用于制冷等場(chǎng)景的相變材料。

3建筑空調(diào)系統(tǒng)情況

某集團(tuán)總部大廈位于北京市朝陽區(qū)，總建筑面積73 000 m2，其中地上建筑面積56 000 m2。大廈采用中央空調(diào)系統(tǒng)，地下制冷機(jī)房現(xiàn)有2臺(tái)離心式冷水機(jī)組和1臺(tái)螺桿冷水機(jī)組。離心式冷水機(jī)組額定制冷量3 516 kW，電功率626 kW，螺桿式冷水機(jī)組額定制冷量1 044 kW，電功率212 kW。

該大廈每年5月1日至9月30日為夏季制冷季，每天機(jī)組運(yùn)行約12 h，夏季最高峰時(shí)期運(yùn)行2臺(tái)離心機(jī)，其余時(shí)間基本只運(yùn)行1臺(tái)離心機(jī)組，大廈平均需求冷負(fù)荷約4 200 kW，離心式冷水機(jī)組夏季典型工況數(shù)據(jù)所示：冷凍水進(jìn)水溫度：11.48 ℃，冷凍水出水溫度：8.32 ℃，冷卻水進(jìn)水溫度：28.4 ℃，冷卻水出水溫度：32.2 ℃，循環(huán)水流量：793.4 m3/h，驅(qū)動(dòng)電功率：506.7 kW。

4中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷可調(diào)負(fù)荷柔性分析

4.1空調(diào)系統(tǒng)相變蓄冷改造方案

制冷機(jī)組是由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器組成。如圖1所示，建筑制冷系統(tǒng)主要分成冷凍水與冷卻水兩套循環(huán)系統(tǒng)，制冷機(jī)組通過壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成液態(tài)后送到蒸發(fā)器中對(duì)冷凍水降溫，經(jīng)蒸發(fā)后的制冷劑在冷凝器中釋放出熱量，冷卻循環(huán)水升溫后將熱量帶到冷卻塔向大氣環(huán)境散熱。

制冷機(jī)組供回水溫度一般為7～12 ℃，冷卻塔進(jìn)出口水溫一般為30～37 ℃。由于制冷機(jī)組絕大部分布置在建筑地下室，空間有限，因此在冷凍水側(cè)開展蓄冷條件不容易滿足。而建筑中央空調(diào)系統(tǒng)中冷卻塔一般設(shè)置在建筑樓頂或地面，因此在冷卻水側(cè)開展蓄冷改造相對(duì)來說更容易找到場(chǎng)地布置蓄能罐。根據(jù)冷卻水溫度、夏季北京環(huán)境溫度情況，相變材料溫度在20～30 ℃可能較好，儲(chǔ)能釋能循環(huán)比較容易建立。選擇20～25 ℃相變溫度的相變材料，相變潛熱約140 kJ/kg。

在冷卻水側(cè)耦合相變儲(chǔ)能罐，可以在夏季高峰時(shí)降低制冷機(jī)冷卻水入口溫度，保持冷機(jī)在高效區(qū)間運(yùn)行，提高制冷機(jī)組的COP，進(jìn)而降低制冷機(jī)組電負(fù)荷。

4.2計(jì)算分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，制冷機(jī)組隨著冷凝溫度的升高，制冷系數(shù)也隨著下降，冷凝溫度每升高1 ℃，機(jī)組效率大約下降3.2％［5］。

該建筑夏季平均冷負(fù)荷大約4 200 kW，典型工況下冷機(jī)COP約5.81，則空調(diào)系統(tǒng)通過冷卻塔平均對(duì)大氣環(huán)境排熱約4 922.9 kW。基于大氣環(huán)境溫度不變，相變蓄冷單元需要從循環(huán)冷卻水中持續(xù)吸收冷卻熱負(fù)荷約1 316 kW，即將冷卻水水溫從28.4 ℃降低到27.4 ℃，制冷機(jī)COP值從5.8提高到6.0，冷水機(jī)組電功率由722.9 kW下降到700.0 kW，降低約3.2%。

考慮相變蓄冷釋冷過程效率85%，以冷卻水溫度降低1 ℃為目標(biāo)，不同的蓄冷儲(chǔ)罐體積下對(duì)應(yīng)的蓄冷量及降低3%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)長計(jì)算如下表1所示。

因此，可以根據(jù)建筑富余空間，設(shè)置至少20～40 m3的相變蓄冷罐，尖峰時(shí)刻可以消減3%的電負(fù)荷需求0.5～1.0 h。

5結(jié)論

根據(jù)分析，相變蓄冷技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)冷卻水側(cè)可以降低建筑空調(diào)蓄冷改造難度，還可利用環(huán)境冷量增加建筑柔性可控負(fù)荷。

相變蓄冷材料可選擇相變溫度20～30 ℃，在建筑空調(diào)系統(tǒng)冷卻水側(cè)設(shè)置20～40 m3的相變蓄冷罐。蓄冷單元與空調(diào)原有制冷系統(tǒng)耦合運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)消減3%的冷機(jī)尖峰電負(fù)荷30～60 min。

參考文獻(xiàn)：

［1］李沐，李亞溪，李傳常.相變儲(chǔ)冷技術(shù)及其在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2023，12（1）：181197.

［2］周文凱，王賽羽.相變儲(chǔ)能材料在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程，2024，50（2）：9193.

［3］湯磊，曾德森，凌子夜，等.相變蓄冷材料及系統(tǒng)應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2023，42（8）.43224339.

［4］楊晉，殷勇高.徐笑鋒.空調(diào)蓄冷用相變材料的研究進(jìn)展［J］.制冷學(xué)報(bào)，2022，43（3）：3744..

［5］鄭慧明，鄒磊，徐禎祥.論蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對(duì)制冷效率的影響［J］.空調(diào)技術(shù)，2013，34（2）：3235.

作者簡介：沈永兵，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：余熱利用及新能源利用技術(shù)。