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关于空气调节系统中蓄冷装置经济效益的研究摘要：这篇论文在一种新型相变材料（PCM）的基础上，对空气调节系统的冷藏蓄冷装置的经济效益进行了分析研究，并与常规传统的蓄冷装置进行了比较。研究结果表明，当初期投资相对比较高的时候，PCM能源储存系统的操作成本是最低的。如果大规模生产能够导致存储介质成本降低的话，那么在空气调节的应用中PCM能源存储技术将会大有前途。关键词：PCM;冷藏;空气调节系统;经济效益1.介绍在传统的蓄冷装置中，制冰过程所需大量乙二醇机组以及大多数系统所需的换热器都导致了系统本身设计和控制出现错误。此外，当装置运行需要更长的操作时间和额外的能量消耗时，较低的蒸发温度也导致了蓄冷系统操作效率的急速下降。标准机组可以用在PCM蓄冷装置中，它能提高机组的COP值（共同运作效率）以及系统的操作效率。然而，PCM蓄冷装置的存储介质的价格通常比一般制冷系统的存储介质的价格高很多，因此关于上述的经济分析变得尤为必要。这篇文章中讨论到的PCM是一种发展与实际生产的新型材料，它具有大约184千焦每千克的溶解热，其相变温度为8.2摄氏度。为了便于比较，我们事先进行了如下假设：对于PCM系统，制冷系统和传统的一般系统，假设它们的空气处理单元的资本投入都相同，并且不计入总成本。这里用来做比较的制冷系统是一种蓄冷球系统，优先设置为系列或者机组。能量回冲过程被安排在非峰值阶段进行。下脚标0表示传统的一般系统，下脚标1表示制冷系统，下脚标2表示PCM蓄冷系统。2.数学模型在制冷系统中，当机组的日间工作容量需要和夜间工作容量相同时，机组的设计尺寸可以达到最小，然后存储率XZ可以按下式计算：Q(1-XZ)/D=QXZ/(Nk)XZ=1-D/(D+kN)（1-1）如果XXZ，那么机组的容量可以用下式表达：R=(1-x)Q/D（1-2）如果XXZ，那么机组的容量可以计算为：R=Qx/kN（1-3）上式中：X：储存率；R：机组的容量，单位kW;Q:设计日内的总冷符合，单位kWh;D:直接操作时间，单位h;N：充电时间，单位h;k:机组用以制冷的尺寸变异系数。根据以上假设，系统的初级投资可以被简化为：M=FD+FH+FE（1-4）上式中：M：系统的初期投资；FD：设备的耗资；FH：与传统系统相比建设系统多出的额外耗资；FE：能量供应所需的耗资。每个设备的耗资都与其自身的容量有关。受到各自的期望预测耗资，加上产品的运输和储藏耗资以及每项设备的获取耗资的影响，每台设备的容量变得极为复杂。整个系统所有涉及到以及消耗到的设备可以由下式计算：FD=fRE+fI+fP+fT+fFP+fCP+fC+fE+fHE（1-5）上式中：FD设备总耗资；f每台设备的耗资；RE机组；I蓄冷设备；P泵；T冷却塔；FP冰水管道；CP冷水管道；C控制系统；E电力设备；HE换热器。在蓄冷系统中，泵的消耗量为：fP=fL+fZ+fPC（1-6）上式中：L泵负荷；Z直接操作，充电和放电储存所用的综合泵系统；PC冷却泵。在PCM蓄冷系统中，换热器和特殊的负荷泵一般是不需要的，因此，fHE=0，fP=fZ+fPC。然而，用于蓄冷系统装置中的PCM一般都价格昂贵，导致其成本远远高于制冷系统。根据市场价格来看，非二手的PCM材料价格为7000元一吨。储存箱和PCM的储存容器平板都是由金属材料制成。随着PCM储存设备系统变得比制冷系统的更为简单，PCM的存储设备及其辅助设备的价格也变得比较低。PCM蓄冷系统的供水/出水温度大约在9/14摄氏度，相比之下传统制冷系统的供水/出水温度大约在3/11摄氏度。供水温度差远远小于出水温度差，所以相应的泵和水管的消耗也随之增长。与传统系统相比，多出来的建设费用可用下式算：FH=Q1Fmh（1-7）上式中：Q1一个设计日的存储负荷，单位kWh;F每增加出一存储容量而多出的建设面积，大约为0.0073/kWh;mh每平方米所需的建设费用（3000元每平方米）。新型PCM材料的潜热仅仅是冰的55。在其他参数都相同的情况下，其储存箱的容积大约是传统制冷系统储存箱容积的1.8倍，由此引起了额外建设面积的高耗资。FH2=1.8FH1=1.8Q1Fmh(1-8)电源提供系统的相应消耗可由下式计算：FE=QEmb(1-9)上式中：QE：系统提供能源的容量，单位kW;mb：电源提供耗资率，单位元/kW。传统系统的能量提供能力计算：QE0=qmax/COPX(1-10)制冷系统的能源提供能力计算；QE1=QE2=R/COPX(1-11)1/COPX=1/COPM+1/COPA(1-12)上式中：qmax一个设计日内的负荷峰值；COPX系统工作的共同效率；COPM机组工作的共同效率；COPA辅助设备工作的共同效率。年度操作耗资F由年度管理耗资FM，年度需求耗资FG和年度消费耗资FW组成。在这三种类型的系统中，我们假设其年度管理耗资都是相同的，F=FM+FG+FW(1-13)年度需求投资可用下式计算：FG=12QEg(1-14)上式中g需求耗资，元/（kW每月）传统系统的年度消费耗资：FW0=DAY(HQH+MQM+LQL)/COPX0(1-15)上式中：H,M,L峰值，平均值和最低值的电率，元/kWh；DAY提供冷源的总天数；QH/COPX0，QM/COPX0，QL/COPX0：峰值，平均值和最低值时的能源使用。制冷系统的年度消费耗资可由以下式子计算：FW1=(HQDH+MQDM+LQDL)/COPXD+(HQIH+MQIM+LQIL)/COPXIDAY(1-16)COPXD,COPXI系统直接操作和储存电力的COP;对PCM系统来说，直接操作与电力储备的COP值是相同的，因此年度消费耗资可以表达为下式：FW2=(HQDH+MQDM+LQDL)/COP+(HQIH+MQIM+LQIL)/COPDAY(1-17)当系统的初期总投资和年度操作耗资获取了之后，下一个周期的效益回收将会变得极为简单。制冷系统的效益回收值和PCM蓄冷系统的效益回收值分别由下两式表示：N1=(M1-M0)/(F0-F1)(1-18)N2=(M2-M0)/(F0-F2)(1-19)2.分析案例拿一栋办公大楼来举例，负荷分配表如下表1所示，为了方便进行比较，我们假设制冷系统的存储率和PCM系统的存储率是相等的（都是40）。电量消耗率如表2所示，其他的计算变量在表3中给出。表2-1.负荷分配表表2-2.随时间变化的电量消耗率峰值非峰值时间80021002100800电率（元/kWh）0.650.17表2-3.相关计算量NO名称数值1机组的直接操作COP42机组的制冷COP33制冷机组的尺寸变化系数（k）0.684所需耗资（g）13(元/每月kW)5能源提供耗资率（mb）400(元/kVA)6制冷天数（DAY）150（天）7直接操作时间（D）10（小时）8存储充电时间（N）9（小时）4.结果与讨论从主要设备的初始总消耗可以看出，在这三种不同类型的系统中，PCM蓄冷系统是价格最昂贵最耗资源的，紧接着第二耗资源的是制冷系统，最节省成本的是传统的系统。原因如下：首先，在目前看来，PCM蓄冷技术还在实验改进中并且处在研究状态，而且市场上几乎很难有合适的可用的材料可以用来在空气调节设备中高效地储存能量，由此导致了其投入成本非常高；其次，一些为空气调节系统应用所发展出来的PCM通常具有的潜热比水的潜热还要低，这就导致需要更大的储存箱和建设面积。同时研究结果也表明PCM蓄冷时间8910111213141516共计负荷（kW）27103669519055505947626863866644635848722系统的操作耗资是最少的，其次是制冷系统，消耗值最高的是传统的系统。和传统的系统相比，制冷系统的初始耗资增加了20.3，操作耗资减少了26.8，效益回收周期大约为3.8年。PCM蓄冷系统的初始耗资增加了33.3，操作耗资减少了32.1，其效益回收周期大约为5.3年。5.结论在现有的经济环境下，PCM蓄冷系统的初始投资比新型结构的制冷系统的初始投资要高一点，且其效益回收周期也比新型结构的制冷系统的效益回收周期要长得多。另一方面，PCM蓄冷系统在现有设备及其翻新方面具有显著优点并且可以不借助传统机组而应用在存储设备中，且其初始
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