热能储存如何降低K-12学校的成本并应对不断上涨的能源价格

应用热能储存有助于最大化K-12学校市场的效率并降低运营成本。

热能储存解决方案为设施所有者带来显著的运营节省和能源返还激励。图片来源：Matern Professional Engineering

热储存洞见

• 当通过优化现有系统节省成本达到极限时，热能储存可能为学区带来可观的财务意外之财，因为他们将大部分电力需求转移到非高峰时段，这一策略得到了公用事业的支持和认可。

• 在冷水系统中添加冰罐可以在通过负载转移策略为建筑降温的同时节省开支，同时也成为连接先进暖通空调方法的桥梁，后者利用热电池消除燃烧的碳氢化合物供暖。

在公立K-12学校中，维持运营标准并降低运营成本的持续压力绝非普遍现象。然而，当仅仅因为有人提出削减成本的建议而引发社会反弹时，K-12垂直市场却独树一帜。削减任何形式的教育经费几乎肯定伴随着一项挑战，同时要克服家长、教师、工会领导甚至学生的抵制。

对于希望节省开支的学区来说，专注于预算中与传统教育考虑不直接交集的领域是合理的。虽然学区差异很大，但美国几乎每个学区有一个共同点：它们拥有并运营的建筑物，这些建筑需要显著的运营成本。降低这些成本对各方来说都是双赢。学区开支更少，而教育服务的利益相关者则可以放心，因为教科书、电脑、体育和教师薪资的资金不受影响。

运营成本考虑

在考虑学校建筑或校园的运营成本时，电力是主要驱动力，而设计用于供暖、通风和空调（HVAC）的系统通常是最大的个人用电量者。在温暖和/或潮湿的气候中，用于冷却学校建筑内空气的能量尤其显著，通常占总用电量的25%。

自20世纪80年代末基于微处理器的暖通空调控制系统和90年代末网络化建筑自动化系统出现以来，建筑运营商开始转向先进的系统优化策略。这些方法基于编程和配置，确保暖通空调设备尽可能高效地运行，并尽可能少地用电。虽然这种方法有效，但存在根本性的局限。

即使是最优化和最高效的系统，也必须能够应对建筑最坏情况下的制冷负载，并在这些条件下达到最大运行能力。对于学校来说，这段高负载期几乎总是在夏季的下午中段。这种动态对许多学区来说带来了固有的成本负担，因为其与为学校供电的公用事业的高峰运营时间窗口协调一致。这导致了高额的开销费用。

任何审查过住宅电费账单的人都习惯于按千瓦时计费，以及发电所用燃料的费用。结合基线客户费用，这构成了一份典型的月度账单。对于商业客户来说，通常还有第四个组成部分——需求。除了对所用能源和燃料的收费外，商业建筑通常还根据公用事业指定的高峰时段内，在滚动的15分钟内，按最高瞬时耗电量（千瓦）收取固定费用。

通过热储存调整峰值功率周期

由于学校建筑在这些时间窗口内承受高峰制冷负载，其峰值功耗主要由其联合的暖通空调系统全功率运行驱动。对于占用面积超过10万平方英尺的大型校园，这可能意味着每月需支付数万美元的费用，因为这些场地通常依赖冷水冷却系统。虽然冷水制暖通空调系统通常是许多建筑类型的理想解决方案，但当需求费用较高时，冷水机的能耗可能成为劣势。

然而，使用冷水机提供了一种设计选项，是其他传统暖通空调方法所没有的。理论上，如果暖通空调系统中最耗能的运行点能从高峰时段转移到非高峰时段，建筑运营商就能完全避免需求费。热存储使这一理论成为现实。

虽然在深夜和清晨上课以避免需求费对K-12学校来说不现实，但调整其暖通空调系统的峰值需求占用量是现实的。通过选择并安装能够将水冷却至冰点以下的冷水机，可以采用一种称为冰储存的策略。与其在白天直接使用冷水机冷却建筑，冷水机可以被编程为在服务公用事业的非高峰时段，通常是夜间，在非工作时间运行。

节约成本的好处

舒适冷却配置的冷却器通常产生的水量在42°F到45°F之间，而配置为热储存的冷却器产生的水温低于30°F。 这些水随后通过一系列热储罐供水，每个储罐内都包含独立的内部水库。当水流通过水箱时，水圈内的水会结冰。在冷却水循环中加入乙二醇或防冻液，以确保冷却水循环中的水保持足够低以冻结罐内的水，同时保持液态以允许系统流动。

这些储罐经过高度保温，使冰能够长时间保持固态。这一过程被称为“给储罐充能”。冷却器充满后，消耗的能量会储存在罐内，供次日使用。编译 陈讲运

在建筑物使用期间，同样的水循环被泵送进水箱，通过融化前一晚产生的冰块将能量回流，从而排出水箱。这样可以将该回路冷却到所需的工作温度以实现舒适冷却，从而将水泵送到建筑负载。在这种配置下，冷却器在高峰运行时保持关闭状态。虽然需求费仍然存在，但现在仅由将水泵送至水箱并输送到建筑负载所需的能量驱动。冷水机仍然关闭，意味着其所有负载都转移到了非高峰时段。

这种设计方法的成本效益可以通过考虑佛罗里达州一所高中校园的运营方式来展示，该校引入了热能储存解决方案。当地公用事业费率包括每千瓦14.20美元的需求费。通过通过冰块储存转移788吨峰值冷却容量，冷却机的1000千瓦峰值需求也转移到了非高峰时段。这在夏季冷气旺季每月节省了14,200美元（见图2）。

图2：展示了将该中央能源厂运营的最大能源需求从公用事业供应商的高峰时段调整到非高峰时段所带来的月度成本收益。图片来源：Matern Professional Engineering

在考虑此类设计的投资回报时，关键是大多数公用事业公司欢迎非高峰时段需求的转变，甚至许多公司会直接向采用此策略的客户提供返还。根据建筑类型和安装的储水容量，这些返还通常覆盖建设和采购成本差额的50%到100%。在这种情况下，学区获得了一次性562,632美元的返还——足以完全抵消冰储存系统相较于传统冷水机组的额外初始成本（见图3）。

图3：这张信息图展示了案例研究中高中实施的热能储存解决方案实现的能量回扣。图片来源：Matern Professional Engineering

需要注意的是，直接冷水储存代替冰罐也是一种可行的热储存策略，公用事业公司通常不会区分两者。

然而，直接储存大量冷水需要大量空间来容纳数百万加仑水的储水罐，这在K-12应用中通常不可行。初期建设成本也高出冰储存几个数量级，使直接储存成为大学、主题公园或工业应用等大型校园的可行方案，这些应用使用冷水进行过程冷却，而非舒适冷却。

热存储作为一线解决方案

在降低运营成本的同时，现在为暖通空调系统添加冰储罐，可能有助于其应对持续挑战的未来保障。虽然最初是为了转移冷却负载而发明，下一代先进环保暖通空调系统将采用冰罐技术来促进供暖。随着消除碳氢化合物燃料供暖的推动，暖通空调制造商正在开发采用经典水冷冷水冷机作为供暖源的解决方案。

与其使用冷却塔将冷却器产生的热量排入大气，不如直接利用这些能量为建筑供暖。冷却器现在作为加热器，系统中冷水一侧可以连接到冰储罐。系统通过制造冰块来加热空间。热泵随后可以融化冰块来冷却空间。在这种配置下，曾经的冰罐现在变成了热电池。随着成本节约、能源效率和绿色建筑理念的应用成为建筑运营商的核心，工程师必须开始将热储存视为一线解决方案，而非小众应用。

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