为什么要蓄冷蓄热？什么是蓄冷蓄热复叠耦合系统？
在2023年3月份于常州召开的第四届中国储热大会上，来自广州市城市规划勘测设计研究院建筑设计一所所长助理、能源研究中心副主任彭汉林就《蓄冷蓄热复叠耦合系统及其在区域能源中的应用》作主题演讲，并对蓄冷蓄热的背景及其必要性进行了介绍。
▲广州市城市规划勘测设计研究院建筑设计一所所长助理、能源研究中心副主任彭汉林
彭汉林表示，储热技术在区域能源的应用中有着巨大的开发空间。
蓄冷蓄热的背景
彭汉林指出，“双碳”目标是我国能源发展的巨大挑战和机遇，实现碳中和就必须推动能源转型，而推动能源转型最重要的是从以化石能源为基础的碳基电力转为可再生能源为基础的零碳电力，彭汉林认为，相应的终端用能电气化是能源转型的重要任务之一。
热泵契合终端用能电气化发展的需要，是电力高效转为热量的最佳途径。
他表示，常用的热泵制热效率基本上都可以达到3.0以上，无论是建筑领域，还是工业、农业和其他民用领域，在有合适的低位热源的条件下，使用热泵替代锅炉或者电热炉来提供热能，利用余热采集、区域供热网、蓄冷蓄热、大规模跨季节储热、长距离输热，为工业和建筑提供所需的各类热量，以满足建筑供暖、生活热水和各类工业生产过程的中低温热量需求，将大大减少整个国家化石燃料的消耗。
然而，随着可再生能源在电力结构中占比的上升，对电力系统带来了新的挑战。
风电和太阳能发电的随机性、间歇性与波动性对现有发电系统造成了巨大的结构性压力。大量的风能和太阳能接入系统将导致频繁的电力过剩和短缺。若新能源装机占比进一步上涨，电力供需不平衡的时期将有可能持续几天甚至几周，且在全球变暖的气候背景下，极端天气事件将使电力波动发生的频率更高。
“我们去年很多地方地方发生极端天气，出现了空调停机开不起来的现象。”
彭汉林表示，电力行业目前面临三大挑战：
（1）电力系统供需失衡：电力供应过剩、短缺的情况将在更长的时间维度上频繁发生；
（2）输配电模式的转变：由传统输配电模式向分布式、源网荷多远互动的模式转变，电网升级成本大幅上升；
（3）系统机械惯量旋转备用缺失：大部分可再生能源不具备传统发电机的机械惯量，使电网整体调频能力降低，进一步降低电网稳定性。
如下图所示，从广东电网从2006年~2015年典型日负荷变化的情况可以看出，无论冬季还是夏季，24小时内的波动都比较大。
为何要蓄冷蓄热？
为何要蓄冷蓄热？彭汉林解释“对于这个问题，我们来参会的专家都会有很专业的回答，但我在这里再补充一点。因为很多人会觉得储能储电靠蓄电池来蓄电是不是更直接？我从一些相关资料中也查到，我们目前全世界电池生产商，5年多电池产能，也仅能满足东京全市停电三天的电能。所以我们如果都靠电池储电，其实是很难想象的。此外，我们的电网也只能容纳15%的非稳定电源，风能、太阳能发出来电电网如果无法受，那将会造成更多得弃电。最重要的是，世界上没有那么多的钴和锂等材料，让我们制造那么多的蓄能电池。”
关于蓄电成本，彭汉林指出，目前，蓄电池蓄电的成本大概是1.5元/Wh，而冰蓄冷的成本则约为0.1元/Wh，低廉的多。他表示“我认为高效储能系统应该是品种对应、品位对应、温度对应、压力对应、梯级利用的。”
因此对于负荷侧储能来讲，供电负荷需求最好是蓄电，热负荷需求最好进行蓄热，冷负荷需求就进行蓄冷，减少转换损失。“冷和热是我们最主要的能源需求之一，所以我们要进行蓄冷蓄热。”
蓄冷蓄热复叠耦合系统
蓄冷蓄热复叠耦合系统采用双工况制冷机+高温水源热泵+冰蓄冷（或水蓄冷）+水蓄热（或相变蓄热）+冷凝热回收技术相结合，充分利用区域能源站内大规模夜间用电低谷制冰产生的低品位废热，复叠耦合，高效提升利用作城市集中供热的热源，并利用大温差水蓄热（显热蓄热）或相变蓄热技术增大储能量，进一步调峰填谷，平抑电力需求，降低区域供冷供热成本。
▲蓄冷蓄热复叠耦合系统
如上图所示，下面的单元是冰蓄冷的系统单元，上面的单元是水蓄热水源热泵系统，大型双工况主机冰蓄冷系统与高温水源热泵系统复叠耦合起来，在蓄冰的同时，可以同时回收冷凝余热，制备高温热水，并用蓄热水箱水蓄热，利用低谷电力冷热同蓄，实现调峰填谷和废热利用最大化的效果。同时，还能实现热量区域大温差高效输配的效果。蓄冰系统还可解耦独立运行。
▲蓄冷蓄热复叠耦合系统特点
一个实际案例分析
▋珠海能源站项目
该项目位于珠海，该能源站位于珠海市，主要服务周边约207万平方米建筑面积的商场、行政办公楼、商务办公楼、宾馆、数据机房、学校、新型产业园区等建筑。主要用于空调供冷及部分供暖，还有生活热水作为热源。
供冷参数：供水温度2.5℃，回水温度11.5℃，Δt=9.0℃；
供热参数：供水温度≥70℃，回水温度≥55℃，Δt≥15.0℃；
珠海能源站有专门的蓄冷电价，比正常的低谷电价更低一点，大概1.8毛一度电。
彭汉林介绍，该项目负的荷情况如上图，其中，空调冷负荷大约15万千瓦，全年供冷负荷为16358万kWh；空调热负荷为2931kW，全年空调供热负荷为67万kWh；生活热水热负荷为2138kW，全年生活热水负荷为872万kWh。
因为地处夏热冬暖地区，冷负荷很大，热负荷很小，能源站以供冷为主要功能，附带的供热，相当于搭配必须要供应的。从图上可以看出，冷负荷的波动较大。
1、设计热源方案：蓄冷蓄热复叠耦合系统
彭汉林的冷源设计方案是采用电制冷＋冰蓄冷供冷，采用9台制冷工况冷量2750RT，制冰工况冷量1800RT的双工况离心机+1台制冷量2000RT基载离心机组成，最大蓄冰冷量达到129600RT·h。
“我们主要进行热源方案的对比研究，我们的一个设计方案是采用前面介绍的蓄冷蓄热复叠耦合的系统，针对生活热水和供暖的需求，我们选用了2台1500kW+2台2150kW高温级热式水源热泵机组源侧接入制冷机组冷却水系统（夜间30/33.4℃）作为热源，级热式热泵机组制热EER=4.6，高效制热，同时降低冷却塔功耗。”
天面设5个340m³+3个390m³的储热水箱，站内和市政供热管网总容积约65m³，总蓄热量达到41465kW·h。
蓄冷蓄热复叠耦合的冷热复叠提升率：
2、对比热源方案：谷电电加热蓄热系统
彭汉林表示，其对比热源方案是利用低谷电价，直接用电加热的方式蓄热，他解释“按照我们暖通的规范规定，电加热只能利用低谷电价制热蓄热时才可以使用”
该方案采用2台1700kW的电热水锅炉作为生活热水的热源，一样设两个储热水箱，总蓄热量达到19000多kWh。
供暖热源装机4台电热水锅炉，4个蓄热水箱，蓄热量达到46000多kWh。
经过造价估算以及运行费用的模拟对比，包括电力碳排放的对比，碳排放年费的对比，碳排放按照去年交易价59元/t来算的。
▲热源系统全寿命周期主要成本对比分析
对比结果如上表，生活热水热源设计方案比对比方案节省耗电量6923MW·h/年，降低碳排放2595t/年，节省初投资约165万元，全寿命周期内总成本节省约161万元/年，经济性和节能减排的优势都比较显著。
设计供暖热源方案比对比方案节省耗电量664MW·h/a，降低碳排放249t/年，但造价比对比方案高约115万元，全寿命周期内总成本增加约1.8万元/年，可见设计方案比对比方案减少了耗电量，降低了碳排放，但全寿命周期成本略高。
通过以上对比，彭汉林总结：
（1）在同时供冷供热的区域综合能源项目中，采用蓄冷蓄热复叠耦合系统，既能提供大温差的低温冷冻水，又能提供大温差的高温热水；既减少用电量，又增加调峰填谷的能力；既节约初投资，又节省运行费用，有广阔的应用前景；
（2）对于南方地区，由于冬季供暖季节较短，年用热量较小，总能耗较小，投资回收期较长；
（3）在应用水源热泵系统或冷热回收系统时，尚应考虑冷热平衡、系统保障性问题，冷热不平衡时，应设备用设备；
（4）蓄能和释能过程会产生一定的能量损失，蓄能本身并不能减低能耗。因此，在设计供应期较短的蓄能方案时，不应一味提高蓄热量，应从节省全生命周期成本出发，评估经济性，采用减少装机量的部分蓄能或避峰运行的分量蓄能方案，节省初投资，兼顾节能减排，提高全生命周期的经济性。
设计院综合能源项目部分案例介绍
最后，彭汉林对其所在的广州市城市规划勘测设计研究院近几年做的部分综合能源项目进行了介绍。
▋珠海横琴综合智慧能源项目2#能源站
该项目总建筑面积约276万m²，总装机容量为26067RT蓄冰冷量为129600RTH，总供冷能力为40558RT。
▋珠海横琴综合智慧能源项目5#能源站
该项目总建筑面积约208万m²，总装机容量为28030RT，电制冷和蒸汽吸收式制冷各占50%，蓄冰冷量为72000RTh，蓄水冷量为9600RTh，总供冷能力为40873RT。
▋珠海横琴综合智慧能源项目6#能源站
该项目服务总建筑面积约205万m²，总装机容量为24104RT，蓄冰冷量为57600RTh，蓄水冷量为8640RTh，总供冷能力为35307RT。
▋珠海横琴综合智慧能源项目9#能源站
据彭汉林介绍，9号站能源站位于横琴新区东南部，为横琴口岸及综合交通枢纽区等核心建筑群供应冷、热水。服务面积约260.23万平方米，总装机容量为32500RT，蓄冰冷量为160000RTh，总供冷能力为53760RT。9号能源站将采用冰蓄冷技术对电网调峰填谷，采用海水源热泵系统，利用海水可再生能源制冷制热，取代冷却塔和锅炉，建成后将是国内最大的利用海水可再生能源供冷供热项目。
▋南沙明珠湾区3#能源站
广州南沙明珠湾区3号能源站位于南沙明珠湾区灵山岛尖，为附近区域办公楼、商业楼、地下商业空间等提供空调冷水。服务面积约89.34万平方米，总装机容量为10800RT，蓄冰冷量为52900RTh，总供冷能力为17300RT。
▋南沙明珠湾区4#能源站
广州南沙明珠湾区4号站能源站位于南沙明珠湾区横沥岛尖，为国际金融论坛会址、商贸办公楼、商业楼、文化酒店等提供空调冷水。服务面积约158万平方米，总装机容量为18500RT，蓄冰冷量为100800RTh，总供冷能力为31000RT。
▋知识城南方医院分布式能源站
据介绍，该项目服务总建筑面积约202389m²，制冷装机容量为3000RT，蓄水冷量为24000RTh，能源站采用电驱动水蓄冷系统+风冷热泵等供能系统，设计最大冷负荷13823kW（3930RT），设计最大热负荷5335kW，设计最大生活热水量258.24m3/d配置机组。
设置2台300KW燃气内燃机发电机组，发电后的烟气余热和缸套冷却水余热回收做生活热水热源使用。
