一天氣新風(fēng)負(fù)荷（本文的新風(fēng)負(fù)荷概念與傳統(tǒng)概念不盡相同）可表示為
（10）
式中q為新風(fēng)負(fù)荷，kJ；G為風(fēng)量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/ m3；h為比焓kJ/kg。下標(biāo)d表示一天內(nèi)，in表示進(jìn)風(fēng)，out表示排風(fēng)，h，a，l分別表示電價(jià)的高峰期，平峰期和低谷期。
本文取q1=0即qd= qd + qa ，即不考慮機(jī)組在夜間電價(jià)低谷期對新風(fēng)處理的情況。
當(dāng)Q>qd時(shí)，q ex= Q - q d，q ex , h= Q - q h ，q sh , h= 0，q sh , a= 0；
當(dāng)Q>qh且Q < q d時(shí)，q ex= 0，q ex , h= Q - q h> ，q sh , h= 0，q sh , a= q d - Q；
當(dāng)Qh，qex= 0，q ex , h= 0 ，q sh , h= q h - Q，q sh , a= q a ；
貯能機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用：
M r =[（Q -q ex）·P1 + q sh , h·P h + q sh , a·P a ]/（3600·COP） （11）
常規(guī)機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用：
M0r =（qh·P h + q a·P a）/（3600·COP） （12）
第j天節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用：yj= M0r - M r
一年中，節(jié)省的總運(yùn)行費(fèi)用為
以上各式中，Q為蓄冷量，kJ；P為電價(jià)，元/（kW·h）；COP為制冷系數(shù)；y為每天節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用，元，下標(biāo)ex表示過量，sh表示不足。
4 最佳蓄冷量與運(yùn)行方案的選擇
相變貯能新風(fēng)機(jī)組在夜間電價(jià)低谷期蓄冷，白天對新風(fēng)放冷，以降低機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用。對相變蓄冷新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，需要考慮機(jī)組每天的蓄冷量和運(yùn)行方案，而它們之間是相互聯(lián)系、相互影響的，需綜合考慮。
4．1 運(yùn)行方案的選擇
運(yùn)行方案是否合理，是影響貯能新風(fēng)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效果的重要因素。貯能空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行一般分兩種：全負(fù)荷貯能和部分負(fù)荷貯能。全負(fù)荷貯能方式雖然運(yùn)行費(fèi)用低，但設(shè)備投資高，并且貯能裝置占地面積大；部分負(fù)荷貯能方式全天所需冷量部分由制冷面提供，所需制冷機(jī)容量和貯能系統(tǒng)的容量均較小，但節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用相對全負(fù)荷方式要少。
根據(jù)圖2電價(jià)情況，本文采用下述運(yùn)行方案：①保證被處理空氣的出口溫度為24℃；②對全負(fù)荷貯能方式，夜間蓄冷是為了滿足全天的新風(fēng)負(fù)荷；對部分負(fù)荷貯能方式，夜間蓄冷則主要是為了滿足電價(jià)高峰期的新風(fēng)負(fù)荷，如果對選擇的日蓄冷量，在電價(jià)高峰期有冷量過量時(shí)，認(rèn)為過量部分可以轉(zhuǎn)移到電價(jià)平峰期，在高峰期和平峰期冷量不足時(shí)，由制冷機(jī)提供不足的冷量。為實(shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)行方案，需要對相變貯能換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并采用合理的運(yùn)行控制手段。
圖2 北京地區(qū)電價(jià)結(jié)構(gòu)
4.2蓄冷量的選擇
選擇最佳蓄冷量本質(zhì)是使蓄冷量與新負(fù)荷相匹配，并力求保證空氣處理效果和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。新風(fēng)機(jī)組需要的蓄冷量與運(yùn)行方案和室外氣象參數(shù)有關(guān)。一天中，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間越長,室外新風(fēng)溫度越高，新風(fēng)量越大，需要的蓄冷量越大。因?yàn)橐荒曛袡C(jī)組運(yùn)行期間，室外空氣溫度變化幅度較大，則在一定的運(yùn)行方案下，每天的新風(fēng)負(fù)荷不同，并且一年中日新風(fēng)負(fù)荷的最大值和最小值相關(guān)很大，這給蓄冷量的確定帶來了很大困難。蓄冷量選擇得小，所需的貯能設(shè)備容量和設(shè)備投資小，相變材料利用率高，并且因?yàn)橐归g貯存的能量大部分可補(bǔ)充在電價(jià)高峰期，相應(yīng)的性能價(jià)格比較高，但是，因?yàn)橐归g貯能量小，白天仍有相對較多的冷量需要制冷機(jī)提供，運(yùn)行費(fèi)用相對較高；蓄冷量選擇得大，所需貯能設(shè)備容量和設(shè)備投資大，并且因?yàn)橐归g貯存的能量很可能補(bǔ)充在電價(jià)高峰期后仍有剩余，要轉(zhuǎn)移到電價(jià)平峰期，甚至?xí)挂徊糠中罾淞坑貌簧?，所以相?yīng)的性能價(jià)格比和相變材料的利用率較低，但是，因?yàn)橐归g貯能量大，白天需要制冷機(jī)提供的能量少，運(yùn)行費(fèi)用相對較低。
為了清楚表達(dá)蓄冷量和運(yùn)行方案與系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系，本文提出了以下幾個(gè)概念：
相變材料利用率 
(13)
空氣處理效果的滿意率
?。?4）
運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率
?。?5）
其中全負(fù)荷蓄冷時(shí)q sh = q sh , h + q sh , a , ,q = q d；部分負(fù)荷蓄冷時(shí)q sh = q sh , h，q = q h
這里z1是白天利用的蓄冷量占全部夜間蓄冷量的比值；z2是指白天利用的蓄冷量與當(dāng)天新風(fēng)負(fù)荷（全負(fù)荷方式下為白天高峰期和平峰期總新風(fēng)負(fù)荷，部分負(fù)荷方式下為白天高峰期的負(fù)荷）的比率，它還間接表明了白天仍需制冷機(jī)提供的冷量；z是所節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用占常規(guī)機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用的比例，它表明了貯能機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省情況。本來在部分負(fù)荷蓄冷時(shí)，應(yīng)有q ex = q ex , h，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)難免會(huì)有一部分過量蓄冷量轉(zhuǎn)移到平峰期，所以這里仍取q ex。
可以看出z1，z2和z是相變貯能新風(fēng)機(jī)組經(jīng)濟(jì)分析的重要指標(biāo)。這些指標(biāo)結(jié)合系統(tǒng)節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用和臨界初投資，有助于確定系統(tǒng)的最佳蓄冷量和合理的運(yùn)行方案。在全負(fù)荷蓄冷時(shí)，因?yàn)榘滋熘评錂C(jī)不工作，可根據(jù)空氣處理要求得到z2，求出相應(yīng)的最佳蓄冷量；在部分負(fù)荷蓄冷時(shí)，因?yàn)榘滋熘评錂C(jī)仍可提供不足的冷量，故可綜合考慮各z指標(biāo)和節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用來選擇最佳蓄冷量。
5 算例
這里以風(fēng)量為3000m3/h的新風(fēng)機(jī)組為例，取北京地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)為室外工況，室外氣象參數(shù)由文獻(xiàn)[2]得到，按照前文所述的運(yùn)行方案，研究在不同蓄冷量下機(jī)組的臨界初投資和指標(biāo)z1，z2和z。機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為5月15日～9月10日計(jì)算。
從圖3、圖4可以看出：①隨蓄冷量增大，每年能節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用和允許的臨界附加初投資逐漸增加，但增加的速率越來截止慢；②蓄冷量從200MJ增加到300MJ時(shí)，每年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用僅由485元增加到535元。后者是因?yàn)樾罾淞枯^小時(shí)，夜間的蓄冷量主要轉(zhuǎn)移到電價(jià)高峰期，材料利用率較高，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，但隨蓄冷量增大，越來截止多的蓄冷量轉(zhuǎn)移到平峰期，甚至用不上，材料利用率越來越低，經(jīng)濟(jì)性減弱。但蓄冷量太小會(huì)導(dǎo)致處理空氣的效果很差。
圖3 不同蓄冷量每年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用 圖4 不同蓄冷量的臨界附加初投資n為回收期
圖5～8曲線描述了選擇不同蓄冷量時(shí)，在全蓄冷方式和部分蓄冷方式下各月份的z指標(biāo)即z1，z2和z?？梢钥闯觯瑥?月到9月，z1的規(guī)律是"兩頭小，中間大"，而z2和z的規(guī)律是"兩頭大，中間小"（部分負(fù)荷方式下，因新風(fēng)負(fù)荷小，z2已達(dá)到100%），這是由于此間隨室外工況變化，新風(fēng)負(fù)荷從小變大再變小的規(guī)律引起的。
圖5 蓄冷量為100MJ時(shí)的z指標(biāo)（全負(fù)荷） 圖6 蓄冷量為300MJ時(shí)的z指標(biāo)（全負(fù)荷）
圖7 蓄冷量為100MJ時(shí)的z指標(biāo)（部分負(fù)荷） 圖8 蓄冷量為200MJ時(shí)的z指標(biāo)（部分負(fù)荷）
圖9、圖10描述了在全負(fù)荷蓄冷方式和部分負(fù)荷蓄冷方式下，蓄冷量與年平均z指標(biāo)的關(guān)系?？梢愿鶕?jù)用戶要求的空氣處理不滿意率，由圖中的z2指標(biāo)確定最佳蓄冷量。 如果不滿意率取4%（即全年運(yùn)行期有5天的不保證率），則z2=96%。全負(fù)荷蓄冷方式下，對應(yīng)的最佳蓄冷量為250MJ，但此是時(shí)的相變材料利用率僅為61%，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率為63%，此時(shí)每年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用為510元；在部分負(fù)荷蓄冷方式下，z2=96%對應(yīng)的最佳蓄冷量為30MJ，此時(shí)的相變材料利用率為97%，但可看出此時(shí)z的增長幅度較大，所以可以適當(dāng)增大蓄冷量，將部分蓄冷量轉(zhuǎn)移到平峰期利用，可以看到當(dāng)蓄冷量為200MJ時(shí)，空氣處理滿意率達(dá)到100%，相變材料利用率為71%，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率為60%，與全負(fù)荷蓄冷方式相比，材料節(jié)省了20%，但運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率基本沒有減小，而此時(shí)所需的制冷機(jī)的容量也比全負(fù)荷蓄冷方式減小了，所以從運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)分析角度看，采用部分蓄冷方式經(jīng)濟(jì)合理。
圖9 不同蓄冷量的年平均z指標(biāo)（全負(fù)荷蓄冷） 圖10 不同蓄冷量的年平均z指標(biāo)（部分負(fù)荷蓄冷）
日最佳蓄冷量取200MJ時(shí)，由圖3曲線可見，年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用485元；由圖4曲線，以回收期年數(shù)分別為5a和10a時(shí)允許的臨界附加初投資分別為2100元和4023元，即采用相變材料新風(fēng)機(jī)組后附加設(shè)備的成本可以比節(jié)省的電力增容費(fèi)、制冷機(jī)組成本和表冷器成本之和分別多出2100元和4023元，生產(chǎn)廠商可藉此值及有關(guān)成本的概算數(shù)據(jù)判斷是否應(yīng)該投資。
以本文3000m3/h的機(jī)組為例，按前文的設(shè)計(jì)工況，則相變貯能換熱器的傳熱速率約為11kW，取制冷機(jī)COP=3，則可削減的制冷機(jī)組容量和電力報(bào)裝容量分別為11 kW和3.7 kW。若以850元/ kW估算制冷機(jī)組成本，按北京地區(qū)的價(jià)格，以5700元/kVA計(jì)算電力增容費(fèi)，而省卻的表冷器估算為6000元，本機(jī)組比常規(guī)空調(diào)多用的占地費(fèi)用設(shè)為7500元，則從初投資角度允許相變貯能換熱器的成本為28940元，此時(shí)的初投資與常規(guī)系統(tǒng)相同；若回收期取5a，則從運(yùn)行費(fèi)用角度允許的臨界附加初投資為2100元，即5a內(nèi)相變貯能新風(fēng)機(jī)組比常規(guī)機(jī)組能節(jié)約2100元現(xiàn)值；所以從總投資角度允許相變貯能換熱器的總成本為31040元。經(jīng)初步計(jì)算，相變貯能換熱器的管道和加工費(fèi)用估算為8500元，需要相變材料約1500kg，可以判斷當(dāng)相變材料價(jià)格低于15元/kg時(shí)才應(yīng)該投資生產(chǎn)。
6 結(jié)束語
本文介紹了一種綜合考慮相變材料利用率、空氣處理的滿意率和運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率而確定相變材料貯能式新風(fēng)機(jī)組的最佳期日蓄冷量和運(yùn)行方案的方法，提出臨界附加初投資的概念。以3000 m3/h的新風(fēng)機(jī)組為例，根據(jù)逐時(shí)的室外氣象參數(shù)對系統(tǒng)作了運(yùn)行費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)分析而確定了機(jī)組的最佳日蓄冷量和運(yùn)行方案，并計(jì)算了回收期為5 a和10 a時(shí)所允許的臨界附加初投資。該方法有及有關(guān)結(jié)論為廠家提供了投資判據(jù)。