多主機制冷機房變流量解耦控制策略研究①

蔣小強，李 敏，林小鬧

·低溫與制冷·

多主機制冷機房變流量解耦控制策略研究①

蔣小強，李 敏，林小鬧

在單主機制冷機房變流量解耦控制策略基礎(chǔ)上，探討了多主機制冷機房的變流量解耦控制策略。在考慮冷水機組COP值同時是冷負(fù)荷及冷卻水進(jìn)水溫度的函數(shù)基礎(chǔ)上，通過比較不同冷負(fù)荷分配策略對制冷機房能耗的影響，得到了在大多數(shù)負(fù)荷區(qū)間，采用均勻分配總冷負(fù)荷的策略最為節(jié)能。這說明，前期關(guān)于單主機制冷機房變流量變溫差控制方式可推廣至多主機制冷機房變流量控制。

變流量;制冷機房;控制策略

文獻(xiàn)［1］報道了基于變流量變溫差控制策略、單臺機組組成的制冷機房在冷負(fù)荷和冷卻水進(jìn)水溫度變化情況下冷凍水流量和冷卻水流量的控制。但在實際應(yīng)用中，無論是中型制冷系統(tǒng)還是大型制冷系統(tǒng)，主機往往有兩臺以上，三臺或四臺的制冷機房也較為常見。本文將分析解耦控制策略推廣至多臺機組的大型制冷機房。

1 單主機制冷機房變流量解耦策略

根據(jù)文獻(xiàn)［1］和［2］，對于單臺主機組成的制冷機房，在某時刻冷負(fù)荷a和冷卻水進(jìn)水溫度b已知時，該時刻下基于總能效最大的冷凍水流量和冷卻水流量解耦公式為:

式中，a、b、c和d分別代表冷負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度、冷卻水流量和冷凍水流量。式(1）的節(jié)能性已經(jīng)在文獻(xiàn)［1］中得到驗證，通過對全年能耗進(jìn)行模擬，其節(jié)能潛力相對定流量系統(tǒng)可節(jié)能23.27%。

2 多主機制冷機房變流量解耦策略

2.1 多主機制冷機房變流量解耦思路

式(1）用于描述單臺制冷機房的變流量解耦控制，前提條件是得知某時刻下的冷負(fù)荷 (率）。對于單臺主機制冷機房而言，主機負(fù)荷即為系統(tǒng)總負(fù)荷;但對于多臺主機制冷機房而言，某臺主機負(fù)荷僅為系統(tǒng)總負(fù)荷的一部分，那么總負(fù)荷如何分配，最為合理節(jié)能?此問題需要先進(jìn)行分析。

當(dāng)前，對于多臺主機的制冷機房，常見的負(fù)荷分配及控制策略主要有以下幾種方式 (假設(shè)各臺主機、水泵型號、性能參數(shù)完全一致）:

方案一:等量分配負(fù)荷。無論負(fù)荷多少，所有機組共同、平均承擔(dān)冷負(fù)荷，各主機等容量運行;

方案二:不等量分配負(fù)荷。首先開啟一臺冷水機組，使其冷量由小到大調(diào)節(jié)滿足實際負(fù)荷變化，直至出力不夠，再開啟另一臺;此時，再出現(xiàn)兩種方案:

(1）各主機均勻分配負(fù)荷;

(2）一臺滿負(fù)荷運行，另一臺負(fù)責(zé)負(fù)荷余量。

當(dāng)兩臺主機不能滿足負(fù)荷需求時，再開啟第三臺制冷主機，依次類推。

除了以上，有沒有更合理的負(fù)荷分配方法?下節(jié)進(jìn)行簡單分析。

2.2 COP值靜態(tài)變化下的冷負(fù)荷分配策略

在目前眾多關(guān)于冷負(fù)荷分配研究文獻(xiàn)中，總假設(shè)制冷主機COP值僅與負(fù)荷率有關(guān)，而忽略其他參數(shù)變化對COP值的影響，因而可認(rèn)為COP值是靜態(tài)變化的。

當(dāng)COP值僅隨負(fù)荷率變化而變化時，冷負(fù)荷的分配常見方式有:方案二 (1） (當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷小于50%時，由主機承擔(dān)全部負(fù)荷;當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷大于50%時，主、從機各負(fù)擔(dān)一半）和方案二(2）(當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷小于50%時，由主機負(fù)擔(dān)全部負(fù)荷;當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷大于50%時，主機全負(fù)荷運行，從機補充不足的負(fù)荷）。除了此兩種運行方式外，有無更為節(jié)能的分配方式，本節(jié)將通過把所有制冷主機看為一個整體出發(fā)，如果能找到一種分配方式使該整體的能效比始終最大，顯然該分配方式將最為節(jié)能。

下面以兩臺相同容量并聯(lián)運行的螺桿式冷水機組為例，通過分析兩臺主機的總“COP”值，來找到最為節(jié)能的負(fù)荷分配方式，并與分配方式方案二 (1）和方案二 (2）進(jìn)行能耗比較，并得出優(yōu)化的冷負(fù)荷分配方案。

2.2.1 研究對象

研究對象參考某文獻(xiàn)的研究模型，設(shè)建筑物總冷負(fù)荷為800 kW。該空調(diào)系統(tǒng)總運行時間為2 284 h［3］，空調(diào)負(fù)荷率分布如表1所示。選擇2臺相同規(guī)格的某廠生產(chǎn)的螺桿式冷水機組并聯(lián)運行，每臺機組冷量為409 kW，其部分負(fù)荷性能參數(shù)見表2。該冷水機組冷量可卸載到 90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%和20%。為便于分析，近似認(rèn)為系統(tǒng)負(fù)荷即為機組所承擔(dān)的負(fù)荷。

表1 某建筑物夏季空調(diào)負(fù)荷率分布Table 1 Cooling load distribution of a building in summer

表2 某螺桿冷水機部分負(fù)荷性能參數(shù)Table 2 Part load performance parameters of a screw chiller

2.2.2 常見運行方案的主機運行能耗

根據(jù)表1和表2計算可得:方案二 (1）冷水機組全年運行總能耗為127 081 kW·h;方案二(2）冷水機組全年運行總能耗為145 375 kW·h。由此看出，冷水機組在不同運行方案下所需的能耗也不同。

事實上，冷水機組的運行方案還有很多種。例如，當(dāng)系統(tǒng)總冷負(fù)荷小于50%時，由2臺機組共同承擔(dān)。在眾多運行方案中，如何找到最節(jié)能的運行方式呢?每臺機組都有一個最佳性能工作區(qū)，體現(xiàn)冷水機組工作性能的參數(shù)是COP。如果對冷水機組的輸出冷量及輸出功率即整個冷水機組的“總COP”進(jìn)行分析，使整個系統(tǒng)均在較高的總COP下工作，那么該運行方案勢必將是節(jié)能的運行方案。

兩臺冷水機組始終均衡分擔(dān)冷負(fù)荷的控制方式(方案一）的總COP即為單臺機組COP，見表1。當(dāng)主冷水機組承擔(dān)全部負(fù)荷，冷量不夠時再啟動從冷水機組承擔(dān)剩余負(fù)荷的運行方式［方案二 (2）］的總COP，見表3。

表3 兩臺冷水機組按主、從機承擔(dān)冷負(fù)荷情況下的總COPTable 3 Total COP of two chillers by themaster and slave to bear the cooling load

根據(jù)表2及表3所示系統(tǒng)不同負(fù)荷比下相應(yīng)的系統(tǒng)總COP，繪制的冷水機組總COP曲線見圖1。

圖1 冷水機組不同運行方案下的總COP值變化圖Fig.1 COP value of chiller under different operating program

2.2.3 運行方案的優(yōu)化

根據(jù)COP值越高越節(jié)能的原則，由圖1可知，當(dāng)系統(tǒng)總冷負(fù)荷小于38%時，應(yīng)采用方案二 (2），即主冷水機組承擔(dān)全部負(fù)荷;當(dāng)總冷負(fù)荷大于38%時，應(yīng)采用方案一，即兩臺冷水機組平均分擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷。

為便于計算冷水機組的全年運行能耗，以系統(tǒng)總冷負(fù)荷的40%為切換點，對運行方案四 (當(dāng)系統(tǒng)總冷負(fù)荷小于40%時，由主機獨自承擔(dān)負(fù)荷;當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷大于等于40% 時，由2臺機組均分負(fù)荷）進(jìn)行計算，得出冷水機組全年運行總能耗為111 315 kW·h，與常見運行方案二 (1）和方案二 (2）相比，分別節(jié)能12%和23%［4］。

顯然，對該制冷機房而言，將運行方案一和運行方案二有機結(jié)合，才能實現(xiàn)制冷機房主機群的COP值最高。關(guān)于這部分內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表在文獻(xiàn)［4］上。

2.3 COP值動態(tài)變化下的冷負(fù)荷分配策略

2.3.1 能耗計算模型

前文的分析以及當(dāng)前相關(guān)文獻(xiàn)，對冷負(fù)荷分配策略進(jìn)行研究的前提條件是:制冷主機的COP值僅與負(fù)荷率相關(guān)。而實際上COP值將不僅與負(fù)荷率有關(guān)，與冷卻水進(jìn)水溫度也有關(guān)，即它同時是冷卻水流量和冷凍水流量的動態(tài)函數(shù)。因而有必要針對冷負(fù)荷的分配方式進(jìn)一步分析。

COP值隨其它參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律 (以某螺桿式冷水機組為例，見式 (2）［2］:

設(shè)制冷機房冷水機組的臺數(shù)為N(每臺主機的型號及性能參數(shù)完全一樣），可假設(shè)整個制冷機房由N個子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)能耗包括制冷主機能耗、為該臺制冷主機提供冷卻水的冷卻水泵能耗、為該制冷主機提供冷凍水的冷凍水泵能耗。為了簡化分析，假設(shè)水泵能耗僅與總流量及揚程有關(guān)，而與水泵臺數(shù)無關(guān)，即當(dāng)水流量確定后，無論是采用三臺水泵，還是四臺水泵，其總水泵能耗均不變。

在上述假設(shè)前提下，某工況下的制冷機房總能耗W總為［2］:

進(jìn)入任何一臺冷水機組的冷卻水進(jìn)水溫度是一樣的，但各冷水機組承擔(dān)的冷負(fù)荷不一樣，進(jìn)入的冷卻水流量和冷凍水流量不一樣，因而每臺主機消耗的能量也不一樣。

據(jù)前文分析，對于文中選定的螺桿式冷水機組而言，給定冷負(fù)荷和冷卻水進(jìn)水溫度的情況下，使子系統(tǒng)能耗最小的冷卻水流量和冷凍水流量為［1］:

將式 (4）代入式 (3），則式 (3） 可變?yōu)?(5）:

假設(shè)在某工況下，系統(tǒng)冷負(fù)荷總量為 Qev，總。顯然，系統(tǒng)總負(fù)荷等于各子系統(tǒng)冷負(fù)荷之和:

其中，Qev，r是冷水機組的額定制冷量，kW。

顯然，在系統(tǒng)冷負(fù)荷為Qev，r、冷卻水進(jìn)水溫度為b的工況下，制冷機房最為節(jié)能的負(fù)荷分配將根據(jù)式 (5）和 (6）決定。不同的分配方案，必然將導(dǎo)致不同的制冷機房能耗［5］。

2.3.2 實例分析

仍以兩臺冷水機組組成的制冷機房為例，設(shè)該制冷機房設(shè)計負(fù)荷為2800 kW。采用兩臺制冷量為1406.8 kW的螺桿式水冷冷水機組提供冷量。上海地區(qū)某建筑物某日逐時冷負(fù)荷和冷卻水進(jìn)水溫度變化情況如表4。

為表述方便，規(guī)定三種冷負(fù)荷分配方案如下:

方案一:兩臺主機均勻分配總負(fù)荷;

方案二 ［即方案二 (1）］:當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷小于50%時，由主機1承擔(dān)全部負(fù)荷;當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷大于50%時，主機1和主機2各負(fù)擔(dān)一半;

方案三［即方案二 (2）］:當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷小于50%時，由主機負(fù)擔(dān)全部負(fù)荷;當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷大于50%時，主機1全負(fù)荷運行，主機2補充不足的負(fù)荷。

根據(jù)上述規(guī)定和表3的工況條件可以確定不同冷負(fù)荷分配方案下的冷水機組負(fù)荷狀況，見表5。

表4 某日逐時總冷負(fù)荷及逐時冷卻水進(jìn)水溫度Table 4 Total cooling load and cooling water inlet temperature hourly at one day

由表5可以看出，單臺冷水機組承擔(dān)的冷負(fù)荷與分配方案有很大的關(guān)系，在系統(tǒng)冷負(fù)荷保持不變的情況下，不同的冷負(fù)荷分配方案勢必消耗不同的能量。通過計算，在方案一～三這三種分配方案下，該系統(tǒng)日能耗分別為8638.4 kW·h、8710.8 kW·h和10 991.5 kW·h。顯然，最為耗能的冷負(fù)荷分配方式是方案三，而方案一和方案二的能耗較為接近。分析不同時刻 (即不同冷負(fù)荷、不同冷卻水進(jìn)水溫度）下的能效比，可以得出優(yōu)化的運行方案。

根據(jù)圖2～4所示不同冷負(fù)荷分配方案下的系統(tǒng)逐時能效值可以發(fā)現(xiàn)，除了當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷低于30%之外，采用兩臺制冷主機均勻分配系統(tǒng)總冷負(fù)荷時的工作效率最高，系統(tǒng)運行最為節(jié)能;當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷低于30%時，采用單臺主機供冷要比兩臺主機供冷節(jié)能，這是因為在低負(fù)荷下制冷主機工作效率相對急劇下降［6］。

分析結(jié)果與冷水機組COP值靜態(tài)變化下結(jié)果基本一致，只是在采用兩臺主機均勻分配負(fù)荷的轉(zhuǎn)換點更低，這是因為，一方面:當(dāng)系統(tǒng)處于低負(fù)荷時，冷卻水進(jìn)水溫度也處于較低溫度下，此時，負(fù)荷變化對制冷主機的影響力變?nèi)?另外一方面，由于結(jié)合兩個因素對制冷主機的COP值影響，在低負(fù)荷下制冷主機的能耗和冷負(fù)荷匹配度較好而具有較高的能效值，因而，當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷處于30%以上時，單臺制冷主機組成的子系統(tǒng)具有較高的工作效率。上述結(jié)論不難推廣至三臺以上冷水機組組成的制冷機房。

表5 不同負(fù)荷分配方案下的冷水機組運行狀況Table 5 Load distribution scheme under the chiller operating conditions

圖2 分配方案一下的系統(tǒng)逐時能效比Fig.2 Hourly EER under distribution scheme one

既然冷負(fù)荷在絕大多數(shù)區(qū)間內(nèi)均勻分配最為節(jié)能，那么對于多臺主機的大型制冷機房可近似拆分多個等冷負(fù)荷、等冷卻水流量和等冷凍水流量的子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)均可采用式 (1）變流量解耦控制策略對冷卻水和冷凍水變流量問題進(jìn)行優(yōu)化［7］。

圖3 分配方案二下的系統(tǒng)逐時能效比Fig.3 Hourly EER under distribution scheme two

圖4 分配方案三下的系統(tǒng)逐時能效比Fig.4 Hourly EER under distribution scheme three

綜上所述，基于單臺機組的系統(tǒng)得出的解耦控制策略容易推廣至多臺機組組成的大型制冷系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

本文在前期關(guān)于單主機制冷機房變流量解耦控制策略等工作的基礎(chǔ)上，分析了多主機制冷機房冷凍水變流量和冷卻水變流量的解耦控制策略。結(jié)果表明，在考慮冷水機組COP值同時是冷負(fù)荷及冷卻水進(jìn)水溫度的函數(shù)基礎(chǔ)上，通過比較不同冷負(fù)荷分配策略對制冷機房能耗的影響可以得到:在大多數(shù)負(fù)荷區(qū)間，采用均勻分配總冷負(fù)荷的策略最為節(jié)能;這說明前文對單臺設(shè)備組成的制冷機房變流量變溫差控制方式容易推廣至多臺設(shè)備組成的大型制冷機房。

［1］JIANG Xiao-qiang，LONG Wei-ding，LIMin.Optimization control strategy for all-variable speed chilled water plant［J］.Journal of Central South University of Technology，2011，18(2）:573-579.

［2］蔣小強，龍惟定，王民.空調(diào)水系統(tǒng)變流量的運行特性［J］.流體機械，2010，38(3）:71-75.

［3］施靈.多臺冷水機組空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制［J］.暖通空調(diào)，2005，35(5）:79-81.

［4］蔣小強，龍惟定.部分負(fù)荷下冷水機組運行方案的優(yōu)化［J］.制冷與空調(diào)，2009，9(3）:96-98.

［5］SHUI Yuan，GRABON Michel.Optimizing energy consumption of a water-loop variable-speed heat pump system［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31(5）: 894-901.

［6］YU FW，CHAN K T.Optimum load sharing strategy for multiple-chiller systems serving air-conditioned buildings［J］.Building and Environment，2007，42(4）:1581-1593.

［7］蔣小強.大型制冷機房變冷凍水和變冷卻水流量解耦控制策略研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2010.

(廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江524025）

Variable Flow Decoupling Control Strategy of M ulti-Host Chiller Plant

JIANG Xiaoqiang，LIMin，LIN Xiaonao

(School of Engineer，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524025，China）

According to the variable water flow decoupling control strategy of single host chiller plant，the control strategy formulti-host chiller plantwere studied in this paper.Consider the COP value of chiller is a function about the cooling load and inlet cooling water temperature，by comparing the energy consumption of chiller plant under different cooling load allocation strategy.Results shows evenly distribute cooling load was themostenergy-saving strategy atmajority load range.This indicates that the variable water flow decoupling control based on single host chiller plant can be extended up to the host chiller plant system.

variable flow;chiller plant;control strategy

TB657.2

A

1007-7804(2012）04-0008-06

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.04.002

2012-07-09

廣東海洋大學(xué)科研啟動基金項目 (E11122）

蔣小強，男，博士，講師，主要從事制冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究。