某冰蓄冷空調(diào)機(jī)房的優(yōu)化控制與節(jié)能運(yùn)行方案

黃琴 朱友才

1江蘇揚(yáng)州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校

2江蘇揚(yáng)安集團(tuán)有限公司

冰蓄冷就是利用冰的相變潛熱進(jìn)行冷量的儲(chǔ)存。單就冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，本身并沒(méi)有節(jié)電特性，但是它的蓄冷性能，可以對(duì)電力進(jìn)行“削峰填谷”，這樣便有效解決了電網(wǎng)的調(diào)配，可以減少新建電廠的規(guī)模和幅度，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的功效。即使設(shè)計(jì)合理的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其初投資也比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高。若能夠最大規(guī)模的節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，就能夠縮短使用者的投資回收期，這對(duì)進(jìn)一步推廣冰蓄冷空調(diào)的應(yīng)用有積極的作用。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制運(yùn)行是降低運(yùn)行費(fèi)用的有效手段和保證。本文主要以濟(jì)南恒隆廣場(chǎng)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)房部分為研究對(duì)象，在預(yù)測(cè)空調(diào)負(fù)荷基礎(chǔ)上確定冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)工作模式，提出將節(jié)能運(yùn)行方案與負(fù)荷變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)相結(jié)合的優(yōu)化控制策略。

1 工程概況和設(shè)備配置

濟(jì)南恒隆廣場(chǎng)集百貨商店、超級(jí)市場(chǎng)、娛樂(lè)場(chǎng)所等功能為一體，地下兩層、地上七層，冷水機(jī)房位于地下一層，商業(yè)面積17萬(wàn)m2。夏季設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷9540RT，商場(chǎng)營(yíng)業(yè)時(shí)間為09:00～23:00，低谷電時(shí)段為21:00～07:00。

本工程冷凍機(jī)房冷源采用常規(guī)空調(diào)加冰蓄冷系統(tǒng)，設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備配置表

2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的控制策略

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)分為全量冰蓄冷和分量冰蓄冷兩種，為了節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的初投資以及配電容量，絕大部分冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)都采用了分量蓄冰的設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)日空調(diào)負(fù)荷由蓄冰槽和制冷主機(jī)共同分擔(dān)冷負(fù)荷。分量蓄冰系統(tǒng)按照分配制冷機(jī)的直接供冷和蓄冰設(shè)備的融冰釋冷量的不同組合又可派生出幾種不同的控制策略，具體見(jiàn)圖1。

圖1 冰蓄冷系統(tǒng)控制策略分類示意圖

一個(gè)運(yùn)行良好的控制策略應(yīng)該滿足三個(gè)基本約束：冷源系統(tǒng)必須能滿足第二天建筑物空調(diào)用冷的需求；要保證在可能還需要用冰的時(shí)段冰槽中所蓄存的冰量不要提前用完；在供冷結(jié)束時(shí)不能有冰量剩余[1]。顯然融冰優(yōu)先、主機(jī)優(yōu)先和固定比例的控制策略都不可能同時(shí)滿足以上三個(gè)約束條件，只有具有未來(lái)時(shí)刻建筑物逐時(shí)負(fù)荷預(yù)測(cè)功能的優(yōu)化控制系統(tǒng)才能做到使冷源系統(tǒng)滿足上述約束條件。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的實(shí)質(zhì)是確定由主機(jī)直接供冷和融冰供冷的合理組合搭配，以便滿足逐時(shí)供冷的要求，同時(shí)使得日運(yùn)行費(fèi)用最低。

3 負(fù)荷預(yù)測(cè)的原理和軟件

負(fù)荷預(yù)測(cè)主要通過(guò)分析以往實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)、概率、矩陣等方法來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)負(fù)荷，它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型，預(yù)測(cè)不需要考慮諸如新風(fēng)負(fù)荷、日照負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷等基本穩(wěn)定的內(nèi)部因素，只需考慮如最高氣溫、最低氣溫等外部因素就能達(dá)到很好的預(yù)測(cè)效果。

本工程采用杭州華電華源環(huán)境工程有限公司的FUZZY負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件。它的負(fù)荷預(yù)測(cè)采用統(tǒng)計(jì)模型和模糊理論，直接分析以往的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)今后的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。統(tǒng)計(jì)模型的具體方法是采集以往的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出這些運(yùn)行數(shù)據(jù)的規(guī)律與變化趨勢(shì)，再根據(jù)預(yù)測(cè)日的天氣等對(duì)負(fù)荷影響較大的因素進(jìn)行修正，得出預(yù)測(cè)日的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。模糊理論主要針對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的不穩(wěn)定因素所導(dǎo)致的錯(cuò)誤采集數(shù)據(jù)，或者根本不具有代表性，不能反應(yīng)負(fù)荷變化的真實(shí)規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊過(guò)濾，模糊處理，使預(yù)測(cè)結(jié)果更能反映實(shí)際規(guī)律，預(yù)測(cè)更穩(wěn)定。

該軟件不僅應(yīng)用方便，更能對(duì)預(yù)測(cè)的負(fù)荷計(jì)算出它的相對(duì)誤差，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖2是負(fù)荷預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)界面。

圖2 負(fù)荷預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)界面

4 優(yōu)化控制模型

優(yōu)化控制軟件根據(jù)以往的負(fù)荷情況、運(yùn)行情況、次日的氣候情況預(yù)測(cè)出次日的負(fù)荷，并根據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷及系統(tǒng)約束條件，對(duì)次日的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化，輸出次日各時(shí)刻的運(yùn)行工況，包括制冷機(jī)的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)、乙二醇的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)以及主機(jī)的設(shè)定（運(yùn)行工況及溫度設(shè)定）。圖3為軟件根據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷自動(dòng)生成優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)表。

圖3 優(yōu)化控制參數(shù)表

5 根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制模型得出的冰蓄冷運(yùn)行模式

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，冰蓄冷系統(tǒng)供冷能力有限，主要還是以大容量離心式冷水機(jī)組制冷來(lái)滿足商場(chǎng)末端空調(diào)負(fù)荷。對(duì)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行模式相對(duì)簡(jiǎn)單。冰蓄冷運(yùn)行模式是負(fù)荷預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制軟件通過(guò)自控系統(tǒng)對(duì)管路上電動(dòng)閥開(kāi)閉，形成不同的回路，從而實(shí)現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)在不同工況下工作運(yùn)行。

1）蓄冰工況。在電力低谷電價(jià)時(shí)段（21:00～次日07:00），開(kāi)啟三臺(tái)雙工況螺桿冷水機(jī)組，在制冰工況下運(yùn)行，蒸發(fā)器出口溫度設(shè)定為-6.5℃，冷凝器進(jìn)出口溫度30℃/34℃。圖4為冰蓄冷系統(tǒng)圖，8小時(shí)低谷電時(shí)段雙工況冷水機(jī)組全力運(yùn)行制冰量，制冰結(jié)束有如下三個(gè)判斷依據(jù)：一是冰槽液位傳感器指示已儲(chǔ)存額定冰量；二是控制系統(tǒng)的時(shí)間程序指示為非儲(chǔ)冰時(shí)間；三是蓄冰槽出口溫度小于-5℃。其中一個(gè)條件滿足時(shí)，系統(tǒng)即判斷制冰結(jié)束，停止制冰工況。

圖4 冰蓄冷系統(tǒng)圖

2）雙工況機(jī)組單供冷工況。當(dāng)空調(diào)融冰供冷無(wú)法滿足或冰量不足時(shí)，需要開(kāi)啟冷水機(jī)組時(shí)應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟基載供冷。倘若由于負(fù)荷較小為防止離心機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，可以開(kāi)啟雙工況螺桿式冷水機(jī)組進(jìn)行供冷。但它在空調(diào)工況下運(yùn)行，蒸發(fā)器出口溫度設(shè)定為3.5℃，冷凝器進(jìn)出口溫度32℃/37℃。

3）融冰供冷。在用電高峰時(shí)段，盡量使用融冰供冷，并且要根據(jù)全天用冰量的情況，合理地安排供冷時(shí)段的用冰量，確保全天的冰量用盡，這樣才能最大限度節(jié)省運(yùn)行成本。乙二醇溶液和冷凍水在板換進(jìn)行熱交換時(shí)，根據(jù)板換冷凍水出口的溫度調(diào)節(jié)乙二醇泵的頻率，保證冷凍水的供水溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)溫度7℃。

4）主機(jī)供冷與融冰供冷聯(lián)合工況。當(dāng)末端負(fù)荷較大時(shí)，如達(dá)到設(shè)計(jì)日供冷尖峰負(fù)荷，所有的離心式冷水機(jī)組開(kāi)啟還滿足不了末端供冷的需求，需投入冰蓄冷聯(lián)合供冷。聯(lián)合供冷在該工況運(yùn)行時(shí)控制系統(tǒng)執(zhí)行臺(tái)數(shù)控制，主機(jī)和相應(yīng)的水泵及板換均按照主機(jī)系統(tǒng)的加載或減載來(lái)自動(dòng)地啟停。

6 本工程冰蓄冷空調(diào)的節(jié)能運(yùn)行方案

1）為了確保最優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)最節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，整個(gè)冰蓄冷空調(diào)工程的計(jì)量系統(tǒng)配備如下：一是末端負(fù)荷計(jì)量，設(shè)流量傳感器和溫度傳感器，分別進(jìn)行流量控制、供回水溫度控制和冷量控制。二是蓄冰計(jì)量，設(shè)冰量傳感器對(duì)蓄冰量計(jì)算。三是融冰計(jì)量，控制融冰量大小，實(shí)現(xiàn)融冰優(yōu)先模式，合理安排用冰量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

2）離心式冷水機(jī)組七臺(tái)中有三臺(tái)設(shè)有變頻啟動(dòng)，乙二醇泵和二次冷凍水泵采用變頻技術(shù)。

3）尤其是在冷負(fù)荷比較低的過(guò)渡季節(jié)，采用冷卻塔免費(fèi)冷源，通過(guò)板式換熱器進(jìn)行換熱，提供溫度合適的冷凍水，滿足商場(chǎng)內(nèi)區(qū)供冷需要。

4）冰蓄冷技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)于空調(diào)處于小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，能充分改善供冷安全性和可靠性，避免了大容量離心冷水機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于小負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行喘振現(xiàn)象，減少耗能，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

5）對(duì)冷水機(jī)組和泵組的群控，輪換，進(jìn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)大溫差小流量節(jié)能運(yùn)行。根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)，合理安排冷水機(jī)組開(kāi)啟時(shí)段，在用電高峰時(shí)段，盡可能融冰來(lái)滿足末端供冷要求，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

7 結(jié)語(yǔ)

冰蓄冷空調(diào)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵還是在優(yōu)化控制上，根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件得出的優(yōu)化控制模型來(lái)采取相應(yīng)的運(yùn)行模式。優(yōu)化控制策略和變頻技術(shù)、計(jì)量器三者聯(lián)合使用，這樣才能最大限度地節(jié)約冰蓄冷空調(diào)工程的運(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)工程運(yùn)行一年來(lái)反饋的數(shù)據(jù)來(lái)看，本工程比常規(guī)的冰蓄冷空調(diào)節(jié)省了約25%的運(yùn)行費(fèi)。希望本文能起到拋磚引玉的作用，在更廣的范圍內(nèi)對(duì)冰蓄冷空調(diào)工程綜合經(jīng)濟(jì)性能作出分析和評(píng)價(jià)，進(jìn)一步探討一些值得推廣的冰蓄冷工程的節(jié)能運(yùn)行措施，共同促進(jìn)冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展。

[1]李元旦.建筑物空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法及冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化控制研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2002