一天氣新風(fēng)負荷（本文的新風(fēng)負荷概念與傳統(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表示進風(fēng)，out表示排風(fēng)，h，a，l分別表示電價的高峰期，平峰期和低谷期。
本文取q1=0即qd= qd + qa ，即不考慮機組在夜間電價低谷期對新風(fēng)處理的情況。
當(dāng)Q>qd時，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，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 ；
貯能機組運行費用：
M r =[（Q -q ex）·P1 + q sh , h·P h + q sh , a·P a ]/（3600·COP） （11）
常規(guī)機組運行費用：
M0r =（qh·P h + q a·P a）/（3600·COP） （12）
第j天節(jié)省的運行費用：yj= M0r - M r
一年中，節(jié)省的總運行費用為
以上各式中，Q為蓄冷量，kJ；P為電價，元/（kW·h）；COP為制冷系數(shù)；y為每天節(jié)省的運行費用，元，下標(biāo)ex表示過量，sh表示不足。
4 最佳蓄冷量與運行方案的選擇
相變貯能新風(fēng)機組在夜間電價低谷期蓄冷，白天對新風(fēng)放冷，以降低機組的運行費用。對相變蓄冷新風(fēng)機組進行經(jīng)濟分析，需要考慮機組每天的蓄冷量和運行方案，而它們之間是相互聯(lián)系、相互影響的，需綜合考慮。
4．1 運行方案的選擇
運行方案是否合理，是影響貯能新風(fēng)機組經(jīng)濟性和運行效果的重要因素。貯能空調(diào)系統(tǒng)的運行一般分兩種：全負荷貯能和部分負荷貯能。全負荷貯能方式雖然運行費用低，但設(shè)備投資高，并且貯能裝置占地面積大；部分負荷貯能方式全天所需冷量部分由制冷面提供，所需制冷機容量和貯能系統(tǒng)的容量均較小，但節(jié)省的運行費用相對全負荷方式要少。
根據(jù)圖2電價情況，本文采用下述運行方案：①保證被處理空氣的出口溫度為24℃；②對全負荷貯能方式，夜間蓄冷是為了滿足全天的新風(fēng)負荷；對部分負荷貯能方式，夜間蓄冷則主要是為了滿足電價高峰期的新風(fēng)負荷，如果對選擇的日蓄冷量，在電價高峰期有冷量過量時，認為過量部分可以轉(zhuǎn)移到電價平峰期，在高峰期和平峰期冷量不足時，由制冷機提供不足的冷量。為實現(xiàn)這樣的運行方案，需要對相變貯能換熱器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計并采用合理的運行控制手段。
圖2 北京地區(qū)電價結(jié)構(gòu)
4.2蓄冷量的選擇
選擇最佳蓄冷量本質(zhì)是使蓄冷量與新負荷相匹配，并力求保證空氣處理效果和系統(tǒng)的經(jīng)濟性。新風(fēng)機組需要的蓄冷量與運行方案和室外氣象參數(shù)有關(guān)。一天中，機組運行時間越長,室外新風(fēng)溫度越高，新風(fēng)量越大，需要的蓄冷量越大。因為一年中機組運行期間，室外空氣溫度變化幅度較大，則在一定的運行方案下，每天的新風(fēng)負荷不同，并且一年中日新風(fēng)負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，并且因為夜間貯存的能量大部分可補充在電價高峰期，相應(yīng)的性能價格比較高，但是，因為夜間貯能量小，白天仍有相對較多的冷量需要制冷機提供，運行費用相對較高；蓄冷量選擇得大，所需貯能設(shè)備容量和設(shè)備投資大，并且因為夜間貯存的能量很可能補充在電價高峰期后仍有剩余，要轉(zhuǎn)移到電價平峰期，甚至?xí)挂徊糠中罾淞坑貌簧?，所以相?yīng)的性能價格比和相變材料的利用率較低，但是，因為夜間貯能量大，白天需要制冷機提供的能量少，運行費用相對較低。
為了清楚表達蓄冷量和運行方案與系統(tǒng)性能和經(jīng)濟性的關(guān)系，本文提出了以下幾個概念：
相變材料利用率 
(13)
空氣處理效果的滿意率
?。?4）
運行費用節(jié)省率
（15）
其中全負荷蓄冷時q sh = q sh , h + q sh , a , ,q = q d；部分負荷蓄冷時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)負荷（全負荷方式下為白天高峰期和平峰期總新風(fēng)負荷，部分負荷方式下為白天高峰期的負荷）的比率，它還間接表明了白天仍需制冷機提供的冷量；z是所節(jié)省的運行費用占常規(guī)機組運行費用的比例，它表明了貯能機組運行費用的節(jié)省情況。本來在部分負荷蓄冷時，應(yīng)有q ex = q ex , h，但實際應(yīng)用時難免會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)機組經(jīng)濟分析的重要指標(biāo)。這些指標(biāo)結(jié)合系統(tǒng)節(jié)省的運行費用和臨界初投資，有助于確定系統(tǒng)的最佳蓄冷量和合理的運行方案。在全負荷蓄冷時，因為白天制冷機不工作，可根據(jù)空氣處理要求得到z2，求出相應(yīng)的最佳蓄冷量；在部分負荷蓄冷時，因為白天制冷機仍可提供不足的冷量，故可綜合考慮各z指標(biāo)和節(jié)省的運行費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[2]得到，按照前文所述的運行方案，研究在不同蓄冷量下機組的臨界初投資和指標(biāo)z1，z2和z。機組運行時間為5月15日～9月10日計算。
從圖3、圖4可以看出：①隨蓄冷量增大，每年能節(jié)省的運行費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，每年節(jié)省的運行費用僅由485元增加到535元。后者是因為蓄冷量較小時，夜間的蓄冷量主要轉(zhuǎn)移到電價高峰期，材料利用率較高，經(jīng)濟性強，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)濟性減弱。但蓄冷量太小會導(dǎo)致處理空氣的效果很差。
圖3 不同蓄冷量每年節(jié)省的運行費用 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，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?，從5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"（部分負荷方式下，因新風(fēng)負荷小，z2已達到100%），這是由于此間隨室外工況變化，新風(fēng)負荷從小變大再變小的規(guī)律引起的。
圖5 蓄冷量為100MJ時的z指標(biāo)（全負荷） 圖6 蓄冷量為300MJ時的z指標(biāo)（全負荷）
圖7 蓄冷量為100MJ時的z指標(biāo)（部分負荷） 圖8 蓄冷量為200MJ時的z指標(biāo)（部分負荷）
圖9、圖10描述了在全負荷蓄冷方式和部分負荷蓄冷方式下，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%（即全年運行期有5天的不保證率），則z2=96%。全負荷蓄冷方式下，對應(yīng)的最佳蓄冷量為250MJ，但此是時的相變材料利用率僅為61%，運行費用節(jié)省率為63%，此時每年節(jié)省的運行費用為510元；在部分負荷蓄冷方式下，z2=96%對應(yīng)的最佳蓄冷量為30MJ，此時的相變材料利用率為97%，但可看出此時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，空氣處理滿意率達到100%，相變材料利用率為71%，運行費用節(jié)省率為60%，與全負荷蓄冷方式相比，材料節(jié)省了20%，但運行費用節(jié)省率基本沒有減小，而此時所需的制冷機的容量也比全負荷蓄冷方式減小了，所以從運行費用經(jīng)濟分析角度看，采用部分蓄冷方式經(jīng)濟合理。
圖9 不同蓄冷量的年平均z指標(biāo)（全負荷蓄冷） 圖10 不同蓄冷量的年平均z指標(biāo)（部分負荷蓄冷）
日最佳蓄冷量取200MJ時，由圖3曲線可見，年節(jié)省運行費用485元；由圖4曲線，以回收期年數(shù)分別為5a和10a時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)機組后附加設(shè)備的成本可以比節(jié)省的電力增容費、制冷機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的機組為例，按前文的設(shè)計工況，則相變貯能換熱器的傳熱速率約為11kW，取制冷機COP=3，則可削減的制冷機組容量和電力報裝容量分別為11 kW和3.7 kW。若以850元/ kW估算制冷機組成本，按北京地區(qū)的價格，以5700元/kVA計算電力增容費，而省卻的表冷器估算為6000元，本機組比常規(guī)空調(diào)多用的占地費用設(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，此時的初投資與常規(guī)系統(tǒng)相同；若回收期取5a，則從運行費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)機組比常規(guī)機組能節(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)初步計算，相變貯能換熱器的管道和加工費用估算為8500元，需要相變材料約1500kg，可以判斷當(dāng)相變材料價格低于15元/kg時才應(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行費用節(jié)省率而確定相變材料貯能式新風(fēng)機組的最佳期日蓄冷量和運行方案的方法，提出臨界附加初投資的概念。以3000 m3/h的新風(fēng)機組為例，根據(jù)逐時的室外氣象參數(shù)對系統(tǒng)作了運行費用的經(jīng)濟分析而確定了機組的最佳日蓄冷量和運行方案，并計算了回收期為5 a和10 a時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)。