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壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)供冷性能提升
作者：李文慧1 焦勇涵2 郭歌3 李佳俊2 鄧建強(qiáng)2
單位：1. 國網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院；2. 西安交通大學(xué)；3. 國網(wǎng)陜西省電力有限公司
引用：李文慧, 焦勇涵, 郭歌, 等. 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)供冷性能提升[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(9): 2833-2841.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0214
摘 要 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)冷熱電三聯(lián)輸出。若應(yīng)用壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)代替制冷設(shè)備供冷，則可利用抵扣的制冷設(shè)備投資抵消一部分儲(chǔ)能系統(tǒng)投資，從而縮短儲(chǔ)能系統(tǒng)回收周期。另外，錯(cuò)峰用電可減少夏季大規(guī)模供冷設(shè)備對(duì)峰電資源的消耗。本工作構(gòu)建了氣罐容積5000 m3，氣罐貯存壓力范圍4.6～10.0 MPa的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)產(chǎn)出的冷量通過引射器產(chǎn)出冷氣的方式供給用戶，模擬了系統(tǒng)充釋能過程以獲得系統(tǒng)的能量產(chǎn)出特性。以供冷季節(jié)產(chǎn)冷最大化，非供冷季節(jié)產(chǎn)電最大化為主目標(biāo)，分析確定了系統(tǒng)關(guān)鍵配置以及運(yùn)行參數(shù)。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)在供冷季節(jié)的最大產(chǎn)冷量為36.96 GJ，可為190戶供冷。與以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)的壓縮空氣儲(chǔ)能三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的供冷能力提升287.76%。調(diào)控預(yù)熱熱水流量可以改變系統(tǒng)能量產(chǎn)出比例，以使系統(tǒng)匹配用戶多變的能量需求。若運(yùn)行在最大供冷工況下，本系統(tǒng)回收周期為12.39年。本工作構(gòu)建的系統(tǒng)旨在為絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在制冷方面的應(yīng)用提供一條新的思路，為夏季大規(guī)模供冷提供新的方法。
關(guān)鍵詞 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能；三聯(lián)產(chǎn)；引射器；冷氣供應(yīng)
在能源緊缺、石油價(jià)格上漲等諸多能源安全問題下，可再生能源為現(xiàn)代社會(huì)提供了能源解決方案。儲(chǔ)能技術(shù)是可再生能源配套技術(shù)，其分類包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能等，其中壓縮空氣儲(chǔ)能是和抽水蓄能并列的大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能效率高、生命周期長、儲(chǔ)/釋放容量大、投資成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)比較成熟且已商業(yè)化。
隨著技術(shù)發(fā)展，提出了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(adiabatic compressed air energy storage，A-CAES)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、等壓壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等多種壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能具有冷熱電三聯(lián)產(chǎn)的能量輸出特性，其冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)效率，同時(shí)還能解決用戶冷熱電動(dòng)態(tài)負(fù)載問題。Li等以系統(tǒng)效率最大化為目標(biāo)對(duì)A-CAES系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及部件選型，通過調(diào)控進(jìn)入膨脹機(jī)的空氣流量和進(jìn)口溫度壓力，使膨脹機(jī)產(chǎn)出冷氣，其系統(tǒng)效率高于天然氣驅(qū)動(dòng)的三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。Liu等人對(duì)A-CAES系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，將高壓膨脹機(jī)后的氣體中蘊(yùn)含的熱量存入蓄熱器用來預(yù)熱儲(chǔ)罐出口的空氣，釋熱后的空氣進(jìn)入氣動(dòng)馬達(dá)，提升系統(tǒng)?效率的同時(shí)可利用氣動(dòng)馬達(dá)輸出冷氣。Cao等通過構(gòu)建壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，調(diào)研用戶的負(fù)荷特性，將系統(tǒng)的輸出特性與用戶負(fù)荷特性加以匹配，以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，得到了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同季節(jié)下的運(yùn)行參數(shù)。
絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)主要用于蓄能，已有研究聚焦于將CAES和其他制冷系統(tǒng)耦合起來開展探究。Jiang等提出一種壓縮空氣儲(chǔ)能與混合制冷結(jié)構(gòu)耦合的系統(tǒng)，混合制冷結(jié)構(gòu)包括LiBr吸收式冷水機(jī)組和壓縮式制冷機(jī)，該耦合系統(tǒng)的性能與壓縮空氣儲(chǔ)能冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，年總成本節(jié)約率和CO2減排率分別提高5.97%和7.46%，綜合性能優(yōu)于CAES系統(tǒng)，特別在制冷輸出方面有突出優(yōu)勢(shì)。蔡悠然等以Huntorf電站為原型，對(duì)CAES系統(tǒng)與溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)進(jìn)行?分析，結(jié)果表明，耦合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換率以及?效率較CAES系統(tǒng)高。Razmi等構(gòu)建了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與有機(jī)朗肯循環(huán)、混合壓縮-吸收制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)，耦合后的系統(tǒng)較CAES系統(tǒng)效率增加了13.15%。但此類耦合系統(tǒng)存在的突出問題在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、運(yùn)行調(diào)控難度大、維護(hù)維修工作量大。
綜合現(xiàn)有研究，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)研究中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)主要是最大限度地提高蓄能效率和經(jīng)濟(jì)效益，并未突出供冷能力。如果住宅小區(qū)設(shè)計(jì)的A-CAES系統(tǒng)能夠獨(dú)立提供冷量，替換用戶獨(dú)立的制冷設(shè)備，有兩個(gè)明顯效益：①不用投資另外的空調(diào)設(shè)備，可以抵消儲(chǔ)能系統(tǒng)總投資；②減少夏季大量制冷設(shè)備造成的高峰用電。在本工作中，我們構(gòu)建了一個(gè)供冷季節(jié)主要提供冷量和其他季節(jié)主要提供電力的A-CAES系統(tǒng)，并開展?jié)M足最大制冷輸出的系統(tǒng)性能研究。
1 系統(tǒng)描述
本工作所研究的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)由多級(jí)離心式壓縮機(jī)組、多級(jí)膨脹機(jī)組、熱交換器、儲(chǔ)罐和節(jié)流閥組成。在儲(chǔ)氣罐前后都設(shè)置節(jié)流閥，壓縮階段節(jié)流閥前壓力設(shè)置為10 MPa，膨脹階段節(jié)流閥后壓力設(shè)置為4.5 MPa。壓縮部分總的壓縮比為98.69，設(shè)置壓縮機(jī)級(jí)數(shù)為4級(jí)，壓縮機(jī)單極額定壓比為3.15，額定質(zhì)量流量為10 kg/s。膨脹部分總的膨脹比為44.41，膨脹機(jī)額定質(zhì)量流量為10 kg/s，系統(tǒng)以定壓運(yùn)行模式運(yùn)行。系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)如下：氣罐容積為5000 m3，氣罐貯存壓力為4.6～10 MPa。
考慮到研究目標(biāo)為獲得壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大制冷量，一般壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)冷量的產(chǎn)出方式為：在膨脹機(jī)后布置吸冷換熱器，利用環(huán)境溫度的水作為換熱工質(zhì)吸收膨脹機(jī)后冷空氣中的冷量，再通過輸送冷凍水的方式將冷量供給用戶。但是該種用冷方式在系統(tǒng)端以及用戶端均存在較大的換熱溫差，冷量損失較大。因此通過在第二級(jí)膨脹機(jī)后設(shè)置引射器，將膨脹機(jī)出口的低溫空氣經(jīng)由引射器調(diào)整到合適的溫度壓力后供給用戶。采用這樣的方式，最大程度避免了水和空氣換熱過程中的能量損失，充分利用了系統(tǒng)產(chǎn)出的冷量?？諝饨?jīng)過節(jié)流閥后溫度最多降低10 ℃，將儲(chǔ)罐放氣過程中罐內(nèi)剩余空氣膨脹引起的降溫效應(yīng)加以考慮，節(jié)流閥后空氣的平均溫度為12 ℃。若設(shè)置冷凍水循環(huán)收集節(jié)流閥后空氣中的冷量，產(chǎn)出的冷凍水溫度較高，品質(zhì)低，可利用冷量少，在實(shí)際過程中甚至無法利用冷凍水循環(huán)提取空氣中的冷量。因此節(jié)流閥后空氣中的冷量不作收集利用。節(jié)流閥后預(yù)熱換熱器的作用是在供冷季節(jié)通過調(diào)整預(yù)熱熱水流量的大小來調(diào)整系統(tǒng)的能量輸出比例。在供冷季節(jié)膨脹機(jī)級(jí)間不進(jìn)行換熱。根據(jù)總膨脹比分配確定膨脹機(jī)級(jí)數(shù)為2級(jí)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1，系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)見表1。
圖1 供冷工況下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
表1 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表
需要說明的是，圖1為系統(tǒng)在供冷季節(jié)供冷工況下對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在非供冷季節(jié)，無需引射器產(chǎn)冷，因此利用膨脹機(jī)回收引射器入口預(yù)留的驅(qū)動(dòng)壓力。因此在非供冷季節(jié)，膨脹機(jī)組總級(jí)數(shù)為3級(jí)，同時(shí)在級(jí)間均設(shè)置預(yù)熱換熱器來預(yù)熱膨脹機(jī)進(jìn)口空氣以使產(chǎn)電量最大化。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)以及選型時(shí)均按照非供冷季節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置，只是在供冷季節(jié)引射器工作，最后一級(jí)膨脹機(jī)以及膨脹機(jī)級(jí)間換熱器不工作。
2 建模及模型驗(yàn)證
2.1 壓縮機(jī)模型
壓縮機(jī)消耗電能，其功耗計(jì)算式如下：
本工作參考了Zhang等采用的估算離心壓縮機(jī)和軸流壓縮機(jī)非設(shè)計(jì)工況的計(jì)算式，以修正非設(shè)計(jì)工況下壓縮機(jī)的運(yùn)行結(jié)果。非設(shè)計(jì)工況下壓縮機(jī)性能計(jì)算式如下所示。
壓縮機(jī)絕熱效率被定義為
2.2 膨脹機(jī)模型
考慮到膨脹機(jī)可能在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，本工作使用了Xu等提出的膨脹機(jī)特征圖用于擬合模型，非設(shè)計(jì)工況修正計(jì)算式如下。
膨脹機(jī)輸出功率計(jì)算式如下。
2.3 換熱器模型
所有換熱器均為逆流換熱器，采用ε-NTU法建模。根據(jù)能量平衡，換熱量以及換熱效率計(jì)算式如下。
其中，NTU為傳熱單元數(shù)，c是等壓比熱容，ε為換熱器的效率。Qmax是使出水口溫度達(dá)到壓縮空氣入口溫度或壓縮空氣出口溫度達(dá)到進(jìn)水溫度的最大換熱能。壓縮空氣通過換熱器的壓降設(shè)為0.02 MPa。熱水儲(chǔ)罐中一部分熱水被用于膨脹機(jī)前氣體的預(yù)熱，另一部分熱水對(duì)外供給用戶。
2.4 氣體儲(chǔ)罐模型
采用質(zhì)量和能量方程建立了儲(chǔ)罐的動(dòng)力學(xué)模型，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體質(zhì)量和內(nèi)能變化計(jì)算式如下：
式中，Ken,st為儲(chǔ)罐和環(huán)境的傳熱系數(shù)，Ast為儲(chǔ)罐和環(huán)境換熱的表面積，Tst與Ten為儲(chǔ)罐溫度和環(huán)境溫度。
2.5 節(jié)流閥模型
空氣流經(jīng)節(jié)流閥過程視為等焓過程，式中hin和hout為進(jìn)出節(jié)流閥的空氣焓值。
2.6 引射器模型
在引射器模型中，主動(dòng)流為膨脹機(jī)后的冷空氣，引射流為環(huán)境溫度壓力的空氣，引射器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，使用了Cao等構(gòu)建的引射器模型，引射器引射比定義為引射流量與主動(dòng)流量的比：
圖2 引射器結(jié)構(gòu)示意圖
主動(dòng)流在噴嘴內(nèi)流動(dòng)方程：
其中，up,1，hp,1,is是噴嘴出口處速度和比等熵焓，hp是一次流體比焓。
引射器吸氣室流動(dòng)方程：
其中，us,1是引射流在界面1-1的速度，hs是引射流的比焓，hs,1,is是引射流等熵膨脹后在1-1界面的比焓。
引射器混合段流動(dòng)方程：
引射器擴(kuò)壓段流動(dòng)方程：忽略引射器進(jìn)出口動(dòng)能影響，根據(jù)能量守恒，可得
2.7 經(jīng)濟(jì)性模型
該系統(tǒng)成本分兩部分：壓縮機(jī)耗電電費(fèi)和系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備成本。收益則來自三部分：膨脹機(jī)產(chǎn)電的電費(fèi)，壓縮階段產(chǎn)熱的熱量價(jià)值以及膨脹階段產(chǎn)冷的冷量價(jià)值。我國南方地區(qū)每年需要供冷天數(shù)大約為150天，通常指從農(nóng)歷5月1日至9月30日的部分。其余215天被認(rèn)為是非供冷季節(jié)。系統(tǒng)非供冷季節(jié)總利潤計(jì)算式為
值得注意的是，被用于釋能階段預(yù)熱膨脹機(jī)前空氣的熱量不計(jì)入收益，供給用戶的熱量才計(jì)入收益，非供冷季節(jié)冷量不計(jì)入收益。式中Qheat為壓縮階段收集的熱量，Qpreheat為被用來預(yù)熱膨脹機(jī)前氣體的熱量，Cpeak為峰值電價(jià)，Cvalley為谷值電價(jià)，Cheat為熱量價(jià)格，具體價(jià)格如表2所示。
表2 熱電價(jià)格
上述計(jì)算式說明了在非供冷季節(jié)系統(tǒng)收益的計(jì)算方法。在供冷季節(jié)，熱、電收益與非供冷季節(jié)時(shí)相同，供冷季節(jié)系統(tǒng)收益計(jì)算方法如式(29)所示。
其中，Ccold_air為冷氣供冷時(shí)每戶每小時(shí)需要繳納的供冷費(fèi)用，num為冷氣所能供給的用戶數(shù)，t為單戶單日供冷時(shí)長，單戶供冷時(shí)長與系統(tǒng)釋能時(shí)間相同。Ccold_air與num的計(jì)算方法為：假設(shè)單戶的面積為100 m2，參照家用中央空調(diào)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)每小時(shí)的供氣量，本系統(tǒng)供應(yīng)相同氣量，利用本系統(tǒng)輸出的總氣量除以單戶供應(yīng)氣量得到系統(tǒng)能夠供應(yīng)的用戶數(shù)num。根據(jù)家用中央空調(diào)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的每小時(shí)耗電量與電價(jià)，可得到單戶每小時(shí)供冷收費(fèi)價(jià)格。計(jì)算得到單戶每小時(shí)收費(fèi)3.5元。
因此，系統(tǒng)的年收益(ATP)計(jì)算式如下：
設(shè)備總成本(TIC)計(jì)算式如下：
IC為系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的成本，成本計(jì)算式見表3。TICcold為家用中央空調(diào)系統(tǒng)的總投資，可利用單戶中央空調(diào)系統(tǒng)的投資與系統(tǒng)供冷戶數(shù)相乘得到，根據(jù)單戶面積對(duì)家用中央空調(diào)多聯(lián)機(jī)選型得到單戶中央空調(diào)系統(tǒng)投資為30000元。由于本設(shè)計(jì)中不再需要投資中央空調(diào)設(shè)備，因此在設(shè)備總成本中扣除了中央空調(diào)的費(fèi)用。
表3 系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用計(jì)算式
最終給出系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期(SPP)計(jì)算式如下：
3 分析和討論
3.1 系統(tǒng)性能分析
釋能階段膨脹機(jī)組的配置以及運(yùn)行參數(shù)都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的能量產(chǎn)出造成影響。本系統(tǒng)膨脹機(jī)組的配置為膨脹機(jī)與引射器的耦合結(jié)構(gòu)，膨脹機(jī)組的調(diào)控參數(shù)為預(yù)熱熱水流量，預(yù)熱熱水為吸收了壓縮熱的熱水，其溫度為143 ℃。
引射器的主動(dòng)流需要具有一定的壓力才能驅(qū)動(dòng)引射器正常工作。在本系統(tǒng)中，空氣在經(jīng)過兩級(jí)膨脹機(jī)后進(jìn)入引射器，引射器入口壓力即膨脹機(jī)末級(jí)出口壓力。因此，為了確定引射器的最佳入口壓力，本研究通過設(shè)置不同的引射器的入口壓力來分析系統(tǒng)的性能變化，如圖3所示。模擬結(jié)果表明，引射器的入口壓力最小設(shè)置為0.4 MPa才能保證引射器具有引射能力。隨著引射器入口壓力從0.4 MPa增加到0.6 MPa，系統(tǒng)的冷量和電量產(chǎn)出逐漸減小，熱量產(chǎn)出不變，因?yàn)橄到y(tǒng)不消耗熱水，熱水全部對(duì)外供給。電量產(chǎn)出和冷量產(chǎn)出變化是因?yàn)獒屇懿糠值目偱蛎洷仁且粋€(gè)恒定值，隨著引射器的入口壓力的設(shè)定值升高，導(dǎo)致前兩級(jí)膨脹機(jī)的膨脹比降低，進(jìn)而導(dǎo)致了總產(chǎn)電功率下降，系統(tǒng)的釋能時(shí)間變化幅度較小，因此總產(chǎn)電量減少。膨脹機(jī)膨脹比的降低也會(huì)導(dǎo)致第二級(jí)膨脹機(jī)出口的空氣溫度升高。在引射器的入口壓力和溫度升高的前提下，冷氣總輸出量降低，使得總冷量產(chǎn)出下降。因此，引射器的入口壓力設(shè)置為0.4 MPa?？梢缘贸鼋Y(jié)論，只需預(yù)留能使引射器正常工作的驅(qū)動(dòng)壓力，即可產(chǎn)出最多量的冷氣。
圖3 系統(tǒng)能量產(chǎn)出隨引射器入口壓力變化
通過調(diào)控節(jié)流閥后預(yù)熱換熱器的預(yù)熱熱水流量，可以調(diào)控系統(tǒng)在供冷季節(jié)的能量產(chǎn)出比例，以滿足用戶不同環(huán)境下的動(dòng)態(tài)負(fù)荷。圖4顯示了預(yù)熱熱水流量對(duì)系統(tǒng)能量產(chǎn)出的影響。當(dāng)預(yù)熱熱水流量從0增加到3 kg/s時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)電量從31.33 GJ增加到47.85 GJ，產(chǎn)熱量從167.27 GJ減小到123.45 GJ，產(chǎn)冷量從36.96 GJ減小到20.20 GJ。電量產(chǎn)出增加是因?yàn)殡S著預(yù)熱熱水流量的增加，膨脹機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)熱更充分，使得膨脹機(jī)前后氣體的焓差增大。熱量產(chǎn)出減小是因?yàn)闊崴偭恳欢?，系統(tǒng)內(nèi)利用的熱水量越多，對(duì)外的供熱水量減少。冷量產(chǎn)出減小是因?yàn)殡S著預(yù)熱熱水流量的增加，第二級(jí)膨脹機(jī)出口的空氣溫度升高，壓力不變，使得系統(tǒng)產(chǎn)出的冷氣量減小。值得注意的是，當(dāng)預(yù)熱熱水流量達(dá)到3 kg/s時(shí)，膨脹機(jī)組進(jìn)氣溫度已接近熱水溫度，熱水的預(yù)熱能力達(dá)到極限，繼續(xù)增加預(yù)熱熱水流量，膨脹機(jī)組進(jìn)口空氣溫度也不會(huì)再上升。
圖4 系統(tǒng)能量產(chǎn)出隨預(yù)熱熱水流量變化
圖5顯示的是隨著預(yù)熱熱水流量的增加，第一級(jí)和第二級(jí)膨脹機(jī)出口空氣溫度的變化。從圖中可以看出，在預(yù)熱熱水流量達(dá)到2.0 kg/s之前，第一級(jí)膨脹機(jī)出口溫度小于17 ℃，若在第一級(jí)膨脹機(jī)后添加引射器，則第一級(jí)膨脹機(jī)后也具有冷氣輸出能力。但模擬結(jié)果表明，在最大供冷工況下，即預(yù)熱換熱器中的預(yù)熱熱水流量為0，設(shè)置第一級(jí)以及第二級(jí)引射器的進(jìn)口流量各為總流量的一半，此時(shí)系統(tǒng)的總冷量產(chǎn)出為31.61 GJ，電量產(chǎn)出為25.99 GJ，熱量產(chǎn)出為167.27 GJ。相較于只在第二級(jí)膨脹機(jī)出口添加引射器的單引射器系統(tǒng)的冷量產(chǎn)出減少14.50%，電量產(chǎn)出減少17.04%。冷量減少的原因?yàn)榈谝患?jí)膨脹機(jī)出口的壓力、溫度均較第二級(jí)膨脹機(jī)出口高，模擬結(jié)果表明兩級(jí)引射器產(chǎn)出的總冷氣量小于單級(jí)引射器配置所能產(chǎn)出的冷氣量。電量產(chǎn)出減少的原因?yàn)榈诙?jí)膨脹機(jī)空氣流量減少，導(dǎo)致膨脹機(jī)組內(nèi)空氣膨脹輸出的總功減少。綜上所述，單級(jí)引射器配置更為合理。
圖5 第一、二級(jí)膨脹機(jī)出口空氣溫度隨預(yù)熱熱水流量變化
綜上所述，在供冷季節(jié)，系統(tǒng)的最大產(chǎn)冷量為36.96 GJ，最大冷氣產(chǎn)出量為135.42 kg/s，可供冷8.23 h。參考Cao等提出的用戶模型，假設(shè)單戶面積為100 m3，兩室一廳的戶型結(jié)構(gòu)。依照家用中央空調(diào)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的供氣規(guī)模，室內(nèi)分別供應(yīng)冷氣1100、470、530 m3/h，單戶總冷氣供應(yīng)量為2100 m3/h，由此計(jì)算得到本文系統(tǒng)產(chǎn)出冷氣可供給190戶用戶。值得注意的是，文獻(xiàn)[9]中系統(tǒng)在最大供冷工況下，每個(gè)工作周期可產(chǎn)出冷凍水總質(zhì)量為194400 kg，冷凍水溫度5 ℃，文獻(xiàn)[9]表明冷凍水中蘊(yùn)含冷量23.5 GJ。但是若考慮系統(tǒng)端以及用戶端的水-空氣換熱器中的換熱溫差，且不收集節(jié)流閥后冷氣中的冷量，文獻(xiàn)[9]中系統(tǒng)產(chǎn)出的冷凍水中的冷量實(shí)際利用值只有約為10 GJ，可供冷49戶用戶。相比之下，本研究中建立的系統(tǒng)的供冷能力顯著提高，供冷戶數(shù)增加了287.76%。
在非供冷季節(jié)，三個(gè)預(yù)熱換熱器均通入熱水，調(diào)整預(yù)熱熱水流量至三級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)口空氣均預(yù)熱充分，以使系統(tǒng)產(chǎn)電最大。系統(tǒng)的冷量產(chǎn)出為0，熱量產(chǎn)出為68.79 GJ，電量產(chǎn)出為82.84 GJ。
3.2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
傳統(tǒng)居住區(qū)的熱、冷、電力負(fù)荷由燃煤鍋爐、空調(diào)和電網(wǎng)提供。本研究中居民小區(qū)由居住區(qū)以及改進(jìn)后的A-CAES系統(tǒng)組成，居民冷負(fù)荷由系統(tǒng)產(chǎn)出的冷氣來提供，電負(fù)荷由系統(tǒng)產(chǎn)電以及電網(wǎng)提供，熱負(fù)荷由系統(tǒng)產(chǎn)出熱水以及鍋爐共同提供。同時(shí)，系統(tǒng)的釋能時(shí)間設(shè)置在峰值電價(jià)期間，意味著系統(tǒng)產(chǎn)出的冷氣在峰值電價(jià)時(shí)間段內(nèi)供應(yīng)。
在非供冷季節(jié)最大產(chǎn)電工況下，系統(tǒng)的單日收益為4824.02元。在供冷季節(jié)最大產(chǎn)冷工況下，系統(tǒng)的單日收益為1569.58元，總年收益為1272601.35元。雖然最大產(chǎn)冷工況的單日收益不及最大產(chǎn)電工況下的單日收益，但是供冷能力得到大幅提升的系統(tǒng)可以滿足用戶大部分時(shí)間的供冷需求，一定程度上避免了大規(guī)模供冷設(shè)備同時(shí)啟用造成的電網(wǎng)用電峰值，同時(shí)利用供冷設(shè)備的投資抵扣一部分儲(chǔ)能系統(tǒng)投資，縮短了儲(chǔ)能系統(tǒng)回收周期。
調(diào)整預(yù)熱熱水流量可以調(diào)整系統(tǒng)的能量產(chǎn)出比例，以使系統(tǒng)應(yīng)對(duì)用戶多變的能量負(fù)荷。同時(shí)，調(diào)整預(yù)熱熱水流量也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性造成影響。隨著預(yù)熱熱水的增加，系統(tǒng)的年收益變化如圖6所示。當(dāng)預(yù)熱熱水流量為0.5 kg/s時(shí)，系統(tǒng)的年收益稍有增加，靜態(tài)回收周期稍有減小，但是系統(tǒng)的供冷量小幅減小。再繼續(xù)增加預(yù)熱熱水流量，年收益大幅減小，回收周期大幅提高。系統(tǒng)的一次投資為1.58千萬元，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性模型中靜態(tài)回收周期計(jì)算方法，考慮供冷設(shè)備抵扣的費(fèi)用，在設(shè)置系統(tǒng)在供冷季節(jié)運(yùn)行在最大產(chǎn)冷工況下，系統(tǒng)的回收周期為12.39年。系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，需結(jié)合供冷季節(jié)用戶的實(shí)際能量負(fù)荷來調(diào)控預(yù)熱熱水流量，以均衡產(chǎn)冷量以及回收周期。系統(tǒng)的年收益以及系統(tǒng)回收周期隨預(yù)熱熱水流量變化如圖6所示，系統(tǒng)的一次投資如表4所示。
圖6 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性隨預(yù)熱熱水流量變化
表4 系統(tǒng)各部件成本
4 分析和討論
本工作構(gòu)建了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真模型，模擬系統(tǒng)充釋能過程，以供冷季節(jié)供冷最大化，非供冷季節(jié)供電最大化為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的釋能過程配置和運(yùn)行參數(shù)加以探究，得出如下結(jié)論。
（1）探究了膨脹機(jī)級(jí)末設(shè)置單組引射器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及級(jí)間抽氣注入引射器的雙組引射器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制冷能力，結(jié)果表明，單組引射器結(jié)構(gòu)的制冷以及產(chǎn)電能力均優(yōu)于雙組引射器結(jié)構(gòu)。
（2）本工作采用的引射器輸出冷氣供冷方式相比于冷凍水供冷方式避免了換熱溫差，無冷量損失，更能充分利用系統(tǒng)產(chǎn)冷。在供冷季節(jié)最大產(chǎn)冷工況下，系統(tǒng)最大產(chǎn)冷量為36.96 GJ，系統(tǒng)產(chǎn)出冷氣可供給190戶用戶使用，較經(jīng)濟(jì)效益最大化的壓縮空氣儲(chǔ)能冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供冷戶數(shù)提升287.76%。
（3）在非供冷季節(jié)，調(diào)控預(yù)熱熱水流量使得電量產(chǎn)出最大化。在供冷季節(jié)，調(diào)控預(yù)熱換熱器內(nèi)預(yù)熱熱水流量可以調(diào)控系統(tǒng)的冷熱電產(chǎn)出比例，以滿足變化的用戶負(fù)荷。在預(yù)熱熱水流量為0時(shí)，供冷量最大，但此工況下算得的年總收益不是最大。
符號(hào)說明
符號(hào) —— 符號(hào)說明
W —— 功率，W
p —— 壓力，Pa
m —— 流量，kg/s
h —— 比焓，J/kg
T —— 溫度，℃
n —— 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min
M —— 質(zhì)量，kg
U —— 內(nèi)能，J
Q —— 熱流量，kJ/s
Cp —— 定壓比熱容，J/(kg·K)
K —— 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)
s —— 比熵，J/(kg·K)
u —— 速度，m/s
num —— 供冷戶數(shù)
t —— 供冷時(shí)間，h
希臘字母
π —— 壓比
η —— 效率
ε —— 換熱器的換熱效率
μ —— 引射系數(shù)
下標(biāo)
c —— 壓縮機(jī)
e —— 膨脹機(jī)
st —— 儲(chǔ)罐
hx —— 換熱器
in —— 入口
out —— 出口
0 —— 額定工作狀態(tài)
is —— 等熵
a —— 空氣
en —— 環(huán)境
w —— 水
mix —— 混合后的水
p —— 主動(dòng)流
s —— 引射流
nozz —— 噴嘴
su —— 吸收室
mixing —— 混合室
diff —— 擴(kuò)壓管
1, 2, 3
圖4中1-1, 2-2, 3-3截面
peak —— 峰值
valley —— 谷值
heat —— 壓縮熱
cool —— 冷量
preheat —— 預(yù)熱
cold_air —— 冷空氣
