冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)運行優(yōu)化與能耗分析

梁坤峰，任峴樂，賈雪迎，王林，阮春蕾，張林泉

（河南科技大學(xué)制冷與空調(diào)技術(shù)研究所，河南洛陽 471003）

冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)運行優(yōu)化與能耗分析

梁坤峰*，任峴樂，賈雪迎，王林，阮春蕾，張林泉

（河南科技大學(xué)制冷與空調(diào)技術(shù)研究所，河南洛陽 471003）

基于溫濕度獨立控制思路，提出了一種將冰蓄冷、毛細管輻射及地源耦合的冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)，以實現(xiàn)電力負荷“削峰填谷”、降低能耗和更好的熱舒適性。建立了冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)的運行優(yōu)化模型，以杭州地區(qū)某辦公樓為實例，進行了負荷計算、運行方案優(yōu)化以及能耗分析，結(jié)果表明冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，具有顯著的節(jié)電和節(jié)省運行費用優(yōu)勢。實際應(yīng)用中需綜合考慮蓄冰容量的限制以最終確定系統(tǒng)運行方案。

溫濕度獨立控制；冰蓄冷；輻射空調(diào)；運行優(yōu)化；能耗

0 引言

冰蓄冷利用水/冰相變潛熱蓄存能量，夜間用低谷廉價電制冰蓄冷，白天用電高峰融冰釋冷，滿足建筑物空調(diào)或生產(chǎn)工藝的用冷需求。用冷地區(qū)的峰谷電價差使其運行費用顯著減少，已成為區(qū)域供冷冷源選擇的有力競爭者[1-5]。而最近研究較多的頂板輻射和置換通風(fēng)相結(jié)合的輻射空調(diào)系統(tǒng)[6-8]，其基于溫濕度獨立控制思想與傳統(tǒng)的熱濕耦合處理空氣的空調(diào)相比，室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性、能耗、運行費用、吹風(fēng)感和噪聲等得以顯著改善。目前，從國內(nèi)外關(guān)于冰蓄冷和輻射空調(diào)的公開文獻看[9-12]，兩個系統(tǒng)基本都是互相獨立，很少有將兩種空調(diào)技術(shù)結(jié)合的研究。因此，開發(fā)一種冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)，既利用冰蓄冷空調(diào)的電力調(diào)峰潛力，又使輻射空調(diào)發(fā)揮其高舒適性、低能耗的特性，具有重要的研究價值和現(xiàn)實意義。

日本的中野幸夫等[13]研究了一種蓄冰和輻射供冷結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)供冷時取冰作為蓄冷介質(zhì)，從蓄冰槽中制取3 ℃～4 ℃的冷水供給空氣處理機組，機組產(chǎn)生的低溫低濕空氣送入安裝在房間頂板與吊頂上的金屬輻射板之間，并通過對流方式將輻射板冷卻，降溫后的輻射板則通過輻射方式帶走室內(nèi)熱負荷；冷空氣經(jīng)對流換熱后升溫，從窗側(cè)的吊頂末端送入房間，用于消除室內(nèi)全部余濕和部分余熱。但由于該系統(tǒng)送入輻射頂板的空氣溫度較低（10 ℃～11 ℃），易于在金屬輻射板表面結(jié)露，影響其使用壽命；此外，該系統(tǒng)中新風(fēng)實際上承擔(dān)了室內(nèi)全部負荷，其節(jié)能的特征并不顯著。為此，本文基于溫濕度獨立控制方法提出了一種新型冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)。

1 冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)

冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)是將冰蓄冷系統(tǒng)和毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合。首先，冰蓄冷系統(tǒng)可以在晚間電力低谷時間段利用雙工況機組進行蓄冰；而在白天電力高峰時段，再將冷量釋放出來制取冷凍水，來承擔(dān)新風(fēng)除濕所需冷量和一部分毛細管輻射供冷所需的冷量；獨立新風(fēng)系統(tǒng)采用置換通風(fēng)，使室內(nèi)能保持較高的空氣質(zhì)量；此外，系統(tǒng)還設(shè)置有地埋管構(gòu)成的土壤換熱器，利用地下土壤這一免費冷源來為毛細管輻射供冷提供主要的冷量。圖1為冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)原理圖，主要由三個子系統(tǒng)構(gòu)成：1）冰蓄冷系統(tǒng)；2）獨立全新風(fēng)除濕系統(tǒng)；3）毛細管輻射供冷系統(tǒng)。

冰蓄冷系統(tǒng)主要由雙工況機組、蓄冰槽和乙二醇泵，以及末端和下一級系統(tǒng)相連的板式換熱器組成，其中雙工況機組的冷凝側(cè)設(shè)有冷卻塔和熱回收裝置，熱回收裝置可以回收一部分冷凝熱來再熱冷凍除濕后的低溫新風(fēng)。系統(tǒng)采用主機上游串聯(lián)、主機優(yōu)先工作模式。這樣可使溫度較高的回水首先通過制冷機組，使機組保持較高的運行效率，節(jié)能性好。同時，可以降低蓄冰槽容量、減少初投資。工作時可以有四種運行模式，分別為：蓄冰模式、融冰供冷模式、制冷機單獨供冷和制冷機融冰聯(lián)合供冷模式。各模式下閥門及泵的開啟狀態(tài)，如表1所示。在非標準設(shè)計日內(nèi)，空調(diào)冷負荷的變化較大，需通過優(yōu)化控制蓄冰槽的有效融冰量以滿足冷負荷需求。因此，采用制冷機組優(yōu)先的策略，制冷機組滿負荷運行，投入的臺數(shù)及開啟時間則要由系統(tǒng)整體優(yōu)化控制方案來確定。融冰供冷量為總冷負荷與制冷機供冷量的差值，其供冷量隨逐時負荷和制冷機投入臺數(shù)的變化而變化。

圖1 冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)原理圖

表1 各工作模式下設(shè)備開啟表

室內(nèi)送風(fēng)方式采用置換通風(fēng)，即下送風(fēng)上排風(fēng)的方式。置換送風(fēng)有較高的舒適性，由于送風(fēng)速度較小，避免了傳統(tǒng)空調(diào)的風(fēng)感問題。雖然室內(nèi)經(jīng)排風(fēng)口排出的污濁氣體的溫度濕度有所升高，但對于室外空氣來說，其溫度還是比較低的，所以為避免直接排到室外導(dǎo)致冷量的浪費，可設(shè)置全熱回收裝置來回收這部分冷量，對新風(fēng)進行預(yù)處理。但由于新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)全部潛熱負荷和小部分顯熱負荷，房間的送風(fēng)量很小，為此新風(fēng)的含濕量應(yīng)處理到較小值，才能滿足室內(nèi)除濕要求。一般處理至低于室內(nèi)含濕量4 g/kg以上，由此帶來了新風(fēng)再熱所造成的能源浪費問題，可采取以下措施解決：一方面系統(tǒng)利用機組冷凝熱產(chǎn)生的熱水對新風(fēng)進行再熱升溫處理，機組停機時可以用電加熱來輔助加熱；另一方面在送入房間前的主風(fēng)道上設(shè)置一段室外空氣再熱風(fēng)道，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度控制進入再熱風(fēng)道的風(fēng)量從而調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度。圖2為新風(fēng)處理過程示意圖。由系統(tǒng)原理圖可知，在新風(fēng)處理過程中引入雙級全熱回收空氣處理機用于新、排風(fēng)的處理。新風(fēng)首先在一級熱回收裝置中回收室內(nèi)排風(fēng)的冷量，狀態(tài)由W變化到W'，由W'變化到W''的冷量則來自于混合空氣由C變化到O'所失去的冷量，新風(fēng)狀態(tài)由 W''經(jīng)過冷凍除濕變化到機器露點 L。隨后通過新、排風(fēng)的混合，新風(fēng)中引入室內(nèi)排風(fēng)，達到送風(fēng)狀態(tài)C。此時，為了實現(xiàn)室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點O，需從空氣狀態(tài)O'開始加熱，分別通過預(yù)冷新風(fēng)和引入機組冷凝熱的方法實現(xiàn)O'到O的狀態(tài)變化。該系統(tǒng)的空氣處理過程充分利用了室內(nèi)排風(fēng)和機組冷凝熱，有利于解決新風(fēng)預(yù)冷、再熱過程的輔助能耗問題。

輻射供冷系統(tǒng)主要由毛細管網(wǎng)輻射末端、分水器、集水器、高溫冷水泵、地埋管環(huán)路以及與上一級系統(tǒng)相連的板式換熱器組成，輔助設(shè)備主要有膨脹補水箱等。毛細管網(wǎng)輻射供冷系統(tǒng)是把毛細管網(wǎng)安裝在室內(nèi)頂棚上，以17 ℃～19 ℃的高溫冷水作為冷源，通過輻射方式進行換熱，輻射供冷僅影響室內(nèi)顯熱冷負荷。

圖2 空氣處理過程示意圖

2 運行優(yōu)化模型

冰蓄冷系統(tǒng)的運行方案需根據(jù)建筑逐時負荷特征和設(shè)備配置容量、機組臺數(shù)以及當?shù)胤骞入妰r情況等綜合設(shè)計分析，選取最優(yōu)的運行方案。本文分別以100%負荷、75%負荷、50%負荷和25%負荷為典型負荷，建立基于全天運行費用最低的優(yōu)化模型，以獲取該系統(tǒng)在不同負荷條件下的運行方案。計算模型如下：

設(shè)用戶k時刻的負荷為qk，其中制冷機負擔(dān)qrk，蓄冰罐負擔(dān)qik，制冷機的費用為R(qrk)，蓄冷罐的費用為I(qik)。全天的運行費M為：

優(yōu)化的約束是：

qrkmax為制冷機k時刻的最大制冷能力；qikmax為蓄冰罐k時刻的最大融冰供冷能力，由蓄冰罐Calmac 1190 A在回水溫度10 ℃、供水溫度6.7 ℃下的融冰曲線用最小二乘法擬合確定：

融冰供冷量：

其中：

x——已融冰供冷量，kW；

t——時刻，h；

y——各時刻的最大融冰供冷量，kW·h。

最終得：

由此，優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為取M的最小值：

約束條件：

ak為制冷機單位供冷負荷費用，等于(94/246)×Ek，Ek為平時電價。bk為冰罐負擔(dān)單位冷負荷的費用，等于(94/162)×E低谷，E低谷為低谷電價，杭州地區(qū)分時電價表如表2所示。

表2 杭州地區(qū)分時電價

3 基于工程實例的系統(tǒng)運行方案分析

基于杭州地區(qū)某辦公樓進行冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)運行方案分析。該工程地上6層，高25.1 m。建筑內(nèi)主要有辦公室、會所、值班室、接待大廳、開敞辦公室、餐廳和休息室等房間。工程位于杭州市，東經(jīng)120°26′、北緯30°10′，建筑面積6,800 m2，總空調(diào)面積為6,150 m2。要求能夠?qū)崿F(xiàn)夏季供冷并能滿足人體的舒適性及衛(wèi)生要求。室內(nèi)外主要設(shè)計參數(shù)為：夏季空調(diào)室外干球溫度為 35.70 ℃，相對濕度為80%；夏季室內(nèi)空氣溫度為26 ℃，相對濕度為 60%。假設(shè)該建筑為辦公室，空調(diào)供冷時間07:00～18:00，利用清華大學(xué)開發(fā)的建筑環(huán)境設(shè)計模擬分析軟件DeST (Designer’s SimulationToolkits)，計算得到設(shè)計日逐時負荷圖，如圖3所示。

圖3 設(shè)計日逐時負荷圖

通過上述模型計算得出了在 100%負荷、75%負荷、50%負荷和25%負荷情況下不同運行方案的日總蓄冰量和日運行費用，如表3所示。由表3可知在不同負荷日，當總蓄冰量越大時，日運行費用越小。由于本工程蓄冰量已定，可得出冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)在不同負荷下的運行策略。但由于所建立的模型是一個線性優(yōu)化模型，在實際求解冰蓄冷系統(tǒng)運行優(yōu)化問題方面，難以僅從模型中所獲得最低運行成本角度進行選取。

同時，文章還給出了典型負荷情況下，如100%負荷、75%負荷、50%負荷和 25%負荷，所優(yōu)化出的運行方案，如圖4所示。根據(jù)上述所建立的運行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，計算出冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)在不同負荷、不同主機開啟臺數(shù)情況下的日總蓄冰量及日運行費用。當日運行費用最少時，總蓄冰量最大，理論上此時運行策略最優(yōu)。但在本工程中蓄冰設(shè)備、蓄冰容量(2,592 kW)已定，使得在日負荷較大時，不能選取運行費用最少的運行策略。在冷負荷非常小時，控制策略充分發(fā)揮蓄冰罐的潛力，冷機完全不運行。在冷負荷較小時，控制策略在滿足用冷負荷的條件下，盡量利用蓄冰罐融冰來滿足用戶冷負荷需求。當冷負荷接近典型設(shè)計日負荷時，為了滿足用戶冷負荷的需求，必須控制各時刻的蓄冰罐的融冰量。

表3 不同負荷情況下日總蓄冰量和日運行費用

圖4 典型負荷運行策略圖

4 能耗分析

冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)配置如表4所示。對兩個系統(tǒng)的能耗進行對比，即計算年耗電量，需明確空調(diào)系統(tǒng)在不同負荷下的運行天數(shù)。故此，本文對空調(diào)系統(tǒng)的年運行情況進行必要的假設(shè)。

杭州市地處長江流域以南，夏季炎熱，供冷時間約從5月中旬至10月上旬，建筑全年的供冷時間約為140天，其中100%負荷日為30天，75%負荷日為40天，50%負荷日為45天，25%負荷日為25天。分別以100%負荷、75%負荷、50%負荷、25%負荷為基礎(chǔ)進行比較，得出夏季本系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)日運行能耗運行耗及整個供冷季節(jié)運行能耗，如表5所示。

表4 冰蓄冷輻射空調(diào)與常規(guī)空調(diào)主要設(shè)備表

表5 冰蓄冷輻射空調(diào)與常規(guī)空調(diào)耗電量及費用比較

由表5可知，冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)相對于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)具有明顯的節(jié)電優(yōu)勢，供冷季節(jié)的能耗僅為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的47.53%；在經(jīng)濟上的優(yōu)勢更加明顯，其在供冷季節(jié)的運行費僅為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的39.10%，整個供冷季節(jié)節(jié)省了17.65萬元的運行費。但需注意的是，冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)受制于城市峰谷電價差的影響，與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的用電時段及用電量顯著不同。

但是，冰蓄冷輻射空調(diào)的初投資比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)大，主要體現(xiàn)在蓄冷設(shè)備、毛細管網(wǎng)和毛細管網(wǎng)的安裝以及地埋管換熱器的制造費用上。如能合理設(shè)計冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)，那么影響該空調(diào)系統(tǒng)投資回收期的主要因素就是空調(diào)使用地域的峰谷電價差；從上面的分析可以看出不同的峰谷電價差對投資回收期的影響是非常顯著的，地方政府在其電價的審批上應(yīng)給予強有力的支持。

5 結(jié)論

1) 基于溫濕度獨立控制所提出的冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)，由冰蓄冷系統(tǒng)、獨立新風(fēng)除濕系統(tǒng)和毛細管輻射供冷系統(tǒng)三個子系統(tǒng)構(gòu)成；該系統(tǒng)將具有電力調(diào)峰能力的冰蓄冷系統(tǒng)和高舒適性、低能耗的輻射空調(diào)系統(tǒng)耦合，并利用地埋管為毛細管輻射供冷提供主要的高溫冷源。

2) 基于所建立的全天運行費用最低的優(yōu)化模型，獲取不同負荷條件下的系統(tǒng)運行方案；分別計算了不同負荷下的耗電量和運行費用，與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，文中所提出的冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)具有顯著的節(jié)電和省運行費用優(yōu)勢。

3) 在實際工程中采取的運行方案還需考慮蓄冰容量的大小，根據(jù)文中所建立的模型得出的日最少運行費用的運行方案并非實際運行方案，運行方案的具體選取還需考慮實際工程的蓄冰容量限制。

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Operation Optimization and Energy Consumption Analysis of Radiation Air Conditioning System with Ice Storage

LIANG Kun-feng*,REN Xian-le,JIA Xue-ying,WANG Lin,RUAN Chun-lei,ZHANG Lin-quan
(Institute of Refrigeration and Air Conditioning Technology,Henan University of Science and Technology,Luoyang,Henan 471003,China)

Based on the idea of temperature and humidity independent control,a radiation air conditioning system with ice storage was presented,which combined ice storage system,capillary radiation air conditioning,and ground-source heat exchanger;the new system may realize the power load peak load shifting,the reduction of energy consumption and good thermal comfort.Operation optimization model is established for the ice storage air conditioning system.Taking an office building in Hangzhou area as an example,the load calculation,operation strategy optimization and energy consumption analysis have been conducted.The results show that,the ice storage air conditioning system has the remarkable advantages for saving electricity and operation cost than the conventional air conditioning system.In the practical application,ice storage capacity constraints are considered in order to determine the system operation scheme.

Temperature and humidity independent control;Ice storage;Radiation air conditioning system;Operation optimization;Energy consumption

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.208

*梁坤峰（1975-），男，博士，副教授。研究方向：蓄能空調(diào)技術(shù)與低品位能源利用。聯(lián)系地址：河南省洛陽市西苑路48號86#，郵編：471003。聯(lián)系電話：13949230093。E-mail：liangkunf@163.com。

國家自然科學(xué)基金(U1304521)，河南省科技攻關(guān)項目(102102210162)