基于相变蓄冷技术的建筑空调系统负荷柔性改造方案探究

摘要：相变材料作为一种新型储能材料，将其应用于空调系统可以实现控制环境温度或储存冷量的作用，还有利于提高建筑制冷电负荷调控能力。研究建筑空调系统冷却水侧耦合相变蓄能改造方案表明，在70 000 m2的办公建筑中央空调系统冷却水侧配置20～40 m3体积的相变蓄冷罐，可通过降低制冷机组入口冷却水温度，实现削减空调系统3%电负荷30～60 min。

关键词：相变蓄冷技术;相变材料；调峰;柔性分析实现“双碳”目标，中国必须实施能源转型战略，建设新型能源体系。未来，大比例新能源接入电网，供给侧和需求侧的同步互动是解决风光新能源消纳的关键。

夏季，城市建筑空调负荷在电力消耗中的比重越来越大，加剧了电力调度与电力紧张局面。商业及办公类公共建筑集中制冷机房一般占据建筑能耗的30%～50%。若能增加建筑制冷负荷调控区间，在空调制冷高峰时主动调控负荷，平滑建筑电力需求，便能助力风光新能源消纳。随着新能源、人工智能等技术进一步发展，在未来的新型零碳电力系统中，建筑将从简单的电力消费者转化为发电、蓄电、调节和消费四位一体的重要角色，挖掘和提升建筑负荷的调节能力对于电网大比例风光新能源消纳起到巨大支撑作用。

相变蓄冷技术可以增加建筑空调系统的负荷调节能力。目前，冰作为一种最常规的储冷介质，相变温度为0 ℃，低于常规空调系统中冷冻水7～12 ℃的温度工况。因制冷机组蒸发温度过低，需配置双工况制冷机且机组蓄冷工况运行效率降低［1］。城市土地价格高昂，为降低建筑成本，大部分建筑机房布置紧凑，进行冰蓄冷或水蓄冷改造受到较多限制。以相变材料作为储冷介质，可降低建筑蓄冷改造难度，提高制冷系统运行效率。本部分将重点探究建筑空调系统应用相变蓄冷技术后的制冷机组用电负荷变化情况。

1相变储能材料及相变蓄冷技术

相变材料（PCM）是指能够在外界条件变化时发生相变的材料。它的基本原理是利用材料的物态变化吸收或释放热量。当相变材料在吸收热量时，温度升高，状态由固态变为液态;而当材料释放热量时，温度降低，状态由液态变为固态［2］。

相变蓄冷技术是利用相变材料（PCM）在物态变化过程中提供的潜热并加以储存和利用的技术。通过将相变蓄冷材料与中央空调系统结合，将晚上低谷电转化为冷量储存起来，在白天尖峰负荷时释放冷量，转移用电负荷，结合分时阶梯电价策略能降低建筑制冷成本与能耗［3］。相对于电化学储能，相变蓄冷技术可以直接存储冷能，具有安全性高、循环稳定性好的优点。

2中央空调蓄冷相变材料的选择条件及分类因相变材料能量密度高且温度可控，与冰蓄冷系统相比，此时制冷机运行效率更高。蓄冷和正常制冷过程均可以利用同一制冷机组，在运行能效和改造投资上均具有优势。采用该方式进行蓄冷的空调系统可避免水蓄冷储罐体积大和冰蓄冷机组运行效率低的问题。

目前研究及应用最为广泛的相变材料是固液相变材料。根据化学成分，固液相变材料可分为无机相变储冷材料、有机相变储冷材料和共晶相变储冷材料。空调相变蓄冷材料应具有相变潜热高、体积变化小、导热系数高、化学稳定性高、无腐蚀、无毒、难燃、过冷度低、价格低、供应充足等优良性能。

无机类相变材料中的水合盐材料因储能密度高、相变温度固定、价格低廉、来源广泛，现用于空调蓄冷的熔点在5～10 ℃范围内的相变材料，多数由十水硫酸钠添加其他控制熔点的盐类组成［4］。

有机类相变材料主要包括石蜡、酯酸类、高分子化合物等。单一有机相变材料的相变温度普遍较高，在蓄热领域应用更广泛。为得到相变温度合适、潜热值高、性能稳定的蓄冷材料，通常会将几种材料混合制成复合相变材料以融合各材料的优点，弥补单一材料的不足。目前，已有公司开发出应用于制冷等场景的相变材料。

3建筑空调系统情况

某集团总部大厦位于北京市朝阳区，总建筑面积73 000 m2，其中地上建筑面积56 000 m2。大厦采用中央空调系统，地下制冷机房现有2台离心式冷水机组和1台螺杆冷水机组。离心式冷水机组额定制冷量3 516 kW，电功率626 kW，螺杆式冷水机组额定制冷量1 044 kW，电功率212 kW。

该大厦每年5月1日至9月30日为夏季制冷季，每天机组运行约12 h，夏季最高峰时期运行2台离心机，其余时间基本只运行1台离心机组，大厦平均需求冷负荷约4 200 kW，离心式冷水机组夏季典型工况数据所示：冷冻水进水温度：11.48 ℃，冷冻水出水温度：8.32 ℃，冷却水进水温度：28.4 ℃，冷却水出水温度：32.2 ℃，循环水流量：793.4 m3/h，驱动电功率：506.7 kW。

4中央空调系统负荷可调负荷柔性分析

4.1空调系统相变蓄冷改造方案

制冷机组是由压缩机、冷凝器、节流部件、蒸发器组成。如图1所示，建筑制冷系统主要分成冷冻水与冷却水两套循环系统，制冷机组通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送到蒸发器中对冷冻水降温，经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量，冷却循环水升温后将热量带到冷却塔向大气环境散热。

制冷机组供回水温度一般为7～12 ℃，冷却塔进出口水温一般为30～37 ℃。由于制冷机组绝大部分布置在建筑地下室，空间有限，因此在冷冻水侧开展蓄冷条件不容易满足。而建筑中央空调系统中冷却塔一般设置在建筑楼顶或地面，因此在冷却水侧开展蓄冷改造相对来说更容易找到场地布置蓄能罐。根据冷却水温度、夏季北京环境温度情况，相变材料温度在20～30 ℃可能较好，储能释能循环比较容易建立。选择20～25 ℃相变温度的相变材料，相变潜热约140 kJ/kg。

在冷却水侧耦合相变储能罐，可以在夏季高峰时降低制冷机冷却水入口温度，保持冷机在高效区间运行，提高制冷机组的COP，进而降低制冷机组电负荷。

4.2计算分析

根据经验，制冷机组随着冷凝温度的升高，制冷系数也随着下降，冷凝温度每升高1 ℃，机组效率大约下降3.2％［5］。

该建筑夏季平均冷负荷大约4 200 kW，典型工况下冷机COP约5.81，则空调系统通过冷却塔平均对大气环境排热约4 922.9 kW。基于大气环境温度不变，相变蓄冷单元需要从循环冷却水中持续吸收冷却热负荷约1 316 kW，即将冷却水水温从28.4 ℃降低到27.4 ℃，制冷机COP值从5.8提高到6.0，冷水机组电功率由722.9 kW下降到700.0 kW，降低约3.2%。

考虑相变蓄冷释冷过程效率85%，以冷却水温度降低1 ℃为目标，不同的蓄冷储罐体积下对应的蓄冷量及降低3%负荷运行时长计算如下表1所示。

因此，可以根据建筑富余空间，设置至少20～40 m3的相变蓄冷罐，尖峰时刻可以消减3%的电负荷需求0.5～1.0 h。

5结论

根据分析，相变蓄冷技术应用于空调系统冷却水侧可以降低建筑空调蓄冷改造难度，还可利用环境冷量增加建筑柔性可控负荷。

相变蓄冷材料可选择相变温度20～30 ℃，在建筑空调系统冷却水侧设置20～40 m3的相变蓄冷罐。蓄冷单元与空调原有制冷系统耦合运行，可以实现消减3%的冷机尖峰电负荷30～60 min。

参考文献：

［1］李沐，李亚溪，李传常.相变储冷技术及其在空调系统中的应用［J］.储能科学与技术，2023，12（1）：181197.

［2］周文凯，王赛羽.相变储能材料在新能源领域的应用［J］.化学工程，2024，50（2）：9193.

［3］汤磊，曾德森，凌子夜，等.相变蓄冷材料及系统应用研究进展［J］.化工进展，2023，42（8）.43224339.

［4］杨晋，殷勇高.徐笑锋.空调蓄冷用相变材料的研究进展［J］.制冷学报，2022，43（3）：3744..

［5］郑慧明，邹磊，徐祯祥.论蒸发温度和冷凝温度对制冷效率的影响［J］.空调技术，2013，34（2）：3235.

作者简介：沈永兵，男，江苏南京人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：余热利用及新能源利用技术。