空調(diào)冷站系統(tǒng)優(yōu)化控制方法研究

空調(diào)冷站系統(tǒng)優(yōu)化控制方法研究

李爽

(開利空調(diào)冷凍研發(fā)管理(上海)有限公司，上海201206)

摘要：本文以提高空調(diào)冷站系統(tǒng)運(yùn)行能效為目的，分析和總結(jié)當(dāng)前冷站系統(tǒng)優(yōu)化控制方法的難點(diǎn)和不足，提出基于冷站系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行特性曲線和建筑熱負(fù)荷特點(diǎn)來動態(tài)地優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)定值，并以系統(tǒng)設(shè)定值來控制冷站相關(guān)設(shè)備的優(yōu)化控制方法。以某冷站為例分析優(yōu)化控制策略應(yīng)用前后系統(tǒng)的節(jié)能量，研究結(jié)果表明：通過應(yīng)用優(yōu)化控制策略，冷站系統(tǒng)全年節(jié)省運(yùn)行能耗17%，冷站系統(tǒng)綜合能效(含冷機(jī)、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔)提高18%，冷站系統(tǒng)能效明顯提高。

關(guān)鍵詞：冷站系統(tǒng)；優(yōu)化控制；設(shè)定值；系統(tǒng)能效；冷機(jī)

中圖分類號：TU831.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0477-04

Abstract：In order to improve the operation efficiency of chiller plant, this paper analyzes and summarizes current difficulty and shortage of chiller plant control, and proposes the method of system set points dynamic optimization based on characteristic curves of chiller plant main equipment and characteristic of building load, and main equipment of chiller plant are controlled by optimized system set points. Taking one chiller plant as example,energy saving of before and after retrofit by optimized control logic application is analyzed.The study result showed that: annual energy saving achieved 17%, and comprehensive energy efficiency (including chillers, chilled water pumps, condenser water pumps and cooling towers) increased by 18%. It can be obtained that energy efficiency of chiller plant is improved obviously by optimized control logic application.

收稿日期2015-01-21修訂稿日期2015-03-16

作者簡介：李爽(1981～),女，博士，工程師，研究方向?yàn)榭照{(diào)冷站系統(tǒng)優(yōu)化控制。

Research on Optimized Control Method for Chiller Plant SystemLI Shuang

(Carrier Air-conditioning & Refrigeration R&D Management (Shanghai) CO.,LTD.,Shanghai 210206,China)

Key words：chiller plant system; optimized control; set point; system efficiency; chiller

0引言

隨著建筑節(jié)能目標(biāo)的提高，越來越多的人們開始研究建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造方案，對于大型公共建筑，冷站系統(tǒng)(冷機(jī)、冷卻泵、冷凍泵及冷卻塔等)的運(yùn)行能耗約占整個暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的60%[1]，因此，冷站系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行對于實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)起到非常重要的作用。對于既有建筑的冷站系統(tǒng)，僅需要增加少部分控制設(shè)備投資，或?qū)τ谧钥赜布O(shè)備配備較完善的冷站，無需增加費(fèi)用即可通過優(yōu)化控制策略的應(yīng)用來優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀況，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。對于新建建筑的冷站系統(tǒng)，更應(yīng)在前期設(shè)計(jì)上結(jié)合項(xiàng)目需要考慮優(yōu)化控制策略的應(yīng)用，使得冷站系統(tǒng)從投入運(yùn)行就具有較好的運(yùn)行能效，避免二次改造的投入。

目前，冷站系統(tǒng)優(yōu)化控制方法多種多樣，很多設(shè)備廠家也在研發(fā)集成變頻控制和優(yōu)化設(shè)定點(diǎn)的功能，但很多控制功能在現(xiàn)場應(yīng)用時難以合理銜接，甚至有些很好的設(shè)備優(yōu)化控制功能無處應(yīng)用。本文基于工程實(shí)踐總結(jié)目前冷站系統(tǒng)優(yōu)化控制存在的問題如下:

(1)冷站控制系統(tǒng)相關(guān)的控制參數(shù)常年不變

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)系統(tǒng)全年在50%負(fù)荷以下運(yùn)行的時間超過70%[2]。長時間處于部分負(fù)荷工況，使得冷站系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力，特別是對于應(yīng)用變頻設(shè)備(變頻泵、變頻風(fēng)扇等)的冷站系統(tǒng)，應(yīng)充分發(fā)揮耗電設(shè)備在部分負(fù)荷時的節(jié)能潛力，這就要求系統(tǒng)控制策略能動態(tài)地反應(yīng)建筑負(fù)荷的變化規(guī)律，而不是保持相關(guān)控制參數(shù)常年不變。如不管建筑類型和供水溫度要求常年保持冷凍出水溫度7℃不變[3]，以及水系統(tǒng)末端壓差設(shè)定值常年保持不變[4]。

(2)逐個優(yōu)化單個設(shè)備運(yùn)行能效

冷站各設(shè)備優(yōu)化控制銜接不上，單體設(shè)備能效高、控制先進(jìn)，但冷站系統(tǒng)整體沒有實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的運(yùn)行表現(xiàn)[5]，究其原因沒有從系統(tǒng)層面提出高效運(yùn)行的解決方案以及沒有充分給予先進(jìn)設(shè)備發(fā)揮能力的機(jī)會，而僅局限于設(shè)備個體的控制，使得實(shí)際運(yùn)行中這個設(shè)備運(yùn)行能效提高，那個設(shè)備運(yùn)行能效降低， 冷站綜合能效表現(xiàn)不佳。

(3)優(yōu)化模型復(fù)雜、計(jì)算工作量過大

目前，基于冷站各設(shè)備運(yùn)行特性來全局尋優(yōu)[6]和模糊控制方法[7]較為先進(jìn)，也受到行業(yè)人士的更多關(guān)注和推崇，但由于建筑負(fù)荷動態(tài)變化和用戶需求的多樣性使得全局優(yōu)化計(jì)算工作量過大[8]，且計(jì)算模型有待驗(yàn)證，同時對自控系統(tǒng)配置要求更高，初投資增加，維護(hù)工作量加大。

綜上所述，高效的設(shè)備不等于高效的系統(tǒng)，冷站系統(tǒng)優(yōu)化控制應(yīng)立足于系統(tǒng)高度，優(yōu)化計(jì)算模型既不能太過復(fù)雜，也不能過于簡化，應(yīng)基于建筑負(fù)荷特性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)合理簡化優(yōu)化計(jì)算方法，在保證節(jié)能效果的前提下降低系統(tǒng)配置要求和減少計(jì)算工作量，便于維護(hù)。

1冷站系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

如何使得高效設(shè)備充分發(fā)揮其能力，將冷站群控的繁瑣優(yōu)化控制模型逐步簡化、層層解耦，從而節(jié)省了需進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算配置的相關(guān)軟件和硬件資源。

首先應(yīng)從系統(tǒng)層面出發(fā)，結(jié)合建筑負(fù)荷特性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)確定冷站系統(tǒng)層面的幾個重要設(shè)定點(diǎn)(冷水出水溫度、冷卻回水溫度、末端用戶壓差)，而不同的設(shè)定點(diǎn)為冷站相關(guān)設(shè)備提供明確的控制方向，冷站的相關(guān)設(shè)備接受系統(tǒng)層面的設(shè)定值并作為自身“努力”的方向。如冷凍水出水設(shè)定值決定著冷機(jī)的負(fù)載并為冷機(jī)的加卸載提供方向，冷卻水回水溫度設(shè)定值為冷卻塔風(fēng)扇的控制指明方向，末端用戶壓差設(shè)定值為水泵變頻控制指明方向。如確定上述系統(tǒng)級別設(shè)定點(diǎn)的變化趨勢，那么冷站相關(guān)設(shè)備自身的控制方向和規(guī)律則明確。

1.1　冷凍水出水溫度設(shè)定值

通過重置冷凍出水溫度設(shè)定值可實(shí)現(xiàn)冷凍水出水溫度的調(diào)節(jié)，冷凍出水溫度設(shè)定值的大小決定著冷機(jī)的負(fù)載，同一建筑負(fù)荷下，設(shè)定值越高，冷機(jī)的負(fù)載減小，冷機(jī)電耗越低，如圖1所示，因此，部分負(fù)荷時應(yīng)合理提高冷凍出水溫度設(shè)定值有利于節(jié)約冷機(jī)的運(yùn)行能耗。

此外，冷凍水出水溫度設(shè)定值還關(guān)系著多臺冷機(jī)的加卸載控制。本文總結(jié)兩種冷機(jī)特性曲線，如圖2所示，冷機(jī)1的能效COP隨著負(fù)載增加而增加，當(dāng)多臺冷機(jī)(本文以4臺為例)同時運(yùn)行時應(yīng)盡量使得開啟的冷機(jī)接近滿負(fù)荷運(yùn)行。如當(dāng)前冷凍出水溫度持續(xù)某時間段高于設(shè)定值，且當(dāng)前運(yùn)行冷機(jī)接近滿載時，需增加1臺機(jī)。對于能效隨著負(fù)載率增加的冷機(jī)而言，可采用冷凍出水溫度及其設(shè)定值來進(jìn)行加卸載控制，如圖3(a)所示。如圖2所示，冷機(jī)2的能效COP最大值點(diǎn)處于部分負(fù)荷60%附近，與冷機(jī)1不同，對于同一建筑負(fù)荷，開啟3臺冷機(jī)60%負(fù)載運(yùn)行，還是開啟2臺冷機(jī)90%運(yùn)行呢？單從冷機(jī)能耗角度出發(fā)，顯然，開啟3臺冷機(jī)60%負(fù)載的能耗要低于開啟2臺冷機(jī)90%負(fù)載的能耗，但還需綜合考慮到多開1臺冷機(jī)將增加的外圍設(shè)備能耗，所以多臺該種冷機(jī)的加卸載控制不宜采用冷凍出水溫度來控制，如多開1臺冷機(jī)節(jié)約的能耗大于其外圍設(shè)備增加的能耗，可按照如圖3(b)所示的方法來控制冷機(jī)的加卸載。

圖1　冷凍出水溫度優(yōu)化對冷機(jī)COP的影響

圖2　單臺冷機(jī)運(yùn)行特性曲線

1.2　冷卻水回水溫度設(shè)定值

目前，冷卻水回水溫度設(shè)定值的給定方法有幾種，如圖4所示，常年為某固定值或常年保持冷卻水進(jìn)出水溫差恒定不變，顯然該兩種方法不能充分發(fā)揮冷卻塔能力。應(yīng)隨著負(fù)荷和季節(jié)的變化來重置冷卻水回水溫度設(shè)定值，為冷卻塔風(fēng)扇變頻控制指明方向。特別當(dāng)處于過渡季時，適當(dāng)提高冷卻塔風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可降低冷卻水進(jìn)水溫度，從而降低冷機(jī)能耗，有數(shù)據(jù)表明：冷卻水進(jìn)水溫度降低1℃，冷機(jī)能效增加2%~3%[9]。冷卻水進(jìn)水溫度設(shè)定值的大小應(yīng)結(jié)合冷卻塔在不同室外氣象參數(shù)條件下的性能曲線，通過特性曲線可得出某室外氣象參數(shù)條件下冷卻水進(jìn)水溫度的最優(yōu)值，如圖4中優(yōu)化回水溫度，該種方法可充分發(fā)揮冷卻塔的能力。

圖5分析了應(yīng)用三種冷卻水進(jìn)水溫度控制方法時冷機(jī)和冷卻塔的總能耗。盡管部分負(fù)荷時提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來降低冷卻水回水溫度增加了風(fēng)扇能耗，但此方法帶來的冷機(jī)節(jié)能效果更明顯，冷機(jī)和冷卻塔總體能耗最低。

圖3　多臺冷機(jī)加卸載運(yùn)行特性曲線

圖4　冷卻回水溫度調(diào)節(jié)

1.3　末端用戶壓差設(shè)定值

對于變流量水系統(tǒng)來說，定壓差控制是目前通用的做法，即給定某恒定的壓差設(shè)定值，變頻泵基于該壓差設(shè)定值來調(diào)節(jié)自身頻率。定壓差控制使得部分負(fù)荷時過多的壓降浪費(fèi)在調(diào)節(jié)設(shè)備上，因此，當(dāng)供冷需求明顯減少時，降低壓差設(shè)定值可帶來更多的節(jié)能量。

基于末端供冷需求實(shí)時重置壓差設(shè)定值，并聯(lián)的多臺冷凍泵將以該設(shè)定值為方向，應(yīng)用PID方法來調(diào)節(jié)自身頻率。如圖6所示，如S1為設(shè)計(jì)工況時管路特性曲線，S2和S3均為部分負(fù)荷時管路特性曲線，n1、n2、n3為水泵頻率特性曲線，當(dāng)處于部分負(fù)荷S2時，壓差設(shè)定值較設(shè)計(jì)工況可降低20%，與傳統(tǒng)的定壓差控制相比，水泵頻率更低，節(jié)省了浪費(fèi)在調(diào)節(jié)設(shè)備上的壓降，從而進(jìn)一步節(jié)約水泵能耗。

圖5　冷卻回水溫度調(diào)節(jié)與冷卻塔和冷機(jī)總能耗關(guān)系

圖6　水泵優(yōu)化控制示意圖

2案例分析

2.1　項(xiàng)目介紹

下文以上海地區(qū)某建筑冷站系統(tǒng)為例，本項(xiàng)目空調(diào)面積55000 m2，地下2層含洗浴、娛樂、車庫及設(shè)備用房等，地上16層含酒店、辦公、娛樂、多功能廳等，冷站系統(tǒng)的主要設(shè)備如表1所示。

表1冷站主要設(shè)備

序號設(shè)備規(guī)格數(shù)量備注1離心式冷水機(jī)2278kW(650RT),N=450kW,COP=5.14-2冷凍泵440m3/h,36m,70kW5四用一備3冷卻泵550m3/h,30m,70kW5四用一備4冷卻塔550m3/h,7.5×2kW5四用一備

2.2　節(jié)能量分析

本項(xiàng)目改造前僅冷凍泵采用定壓差控制，改造過程主要應(yīng)用了冷凍水出水溫度優(yōu)化控制、水泵變壓差控制、冷卻塔風(fēng)扇變頻控制?；诒卷?xiàng)目全年的負(fù)荷特性曲線，并結(jié)合冷機(jī)、水泵和冷卻塔的特性曲線，計(jì)算得出優(yōu)化控制邏輯應(yīng)用前后冷站全年的節(jié)能量，如表2所示。冷機(jī)節(jié)能量較小主要取決于冷機(jī)自身的運(yùn)行能效，外圍設(shè)備(冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔)節(jié)能量較大。由圖7所示，改造前后外圍設(shè)備運(yùn)行能耗所占比例明顯減小，如需要進(jìn)一步節(jié)能，可在此基礎(chǔ)上提高冷機(jī)自身的運(yùn)行能效，如通過冷機(jī)的變頻改造，但冷機(jī)變頻改造的投入費(fèi)用較高，需結(jié)合具體需要和長期運(yùn)行能耗來綜合決定。本項(xiàng)目改造后，冷站全年節(jié)省運(yùn)行能耗17%，冷站綜合能效(kW/Ton,含冷機(jī)、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔)提高18%。

表2改造前后冷站主要設(shè)備年運(yùn)行能耗

主要設(shè)備冷機(jī)/MW·h冷凍泵/MW·h冷卻泵/MW·h冷卻塔/MW·h總計(jì)/MW·h冷站綜合能效/kW·Ton-1改造前2014.9422.9422.9181.13041.91.1改造后1966.2248.7194.7117.02526.60.9節(jié)能量2.4%41.2%54.0%35.4%16.9%18.2%

圖7　控制系統(tǒng)節(jié)能改造前后耗電比例

參考冷站系統(tǒng)綜合能效評價標(biāo)準(zhǔn)[10]：當(dāng)系統(tǒng)綜合能效大于1.0 kW/Ton時，冷站系統(tǒng)處于需要改進(jìn)階段；當(dāng)系統(tǒng)綜合能效處于0.85 kW/Ton和1.0 kW/Ton之間時，冷站系統(tǒng)處于合理階段。本項(xiàng)目改造前系統(tǒng)綜合能效為1.08 kW/Ton，改造后系統(tǒng)綜合能效為0.9 kW/Ton，系統(tǒng)綜合能效由需要改進(jìn)階段提高至合理階段。綜上所述，對于空調(diào)冷站系統(tǒng)，通過應(yīng)用合理的優(yōu)化控制邏輯可獲得較大的節(jié)能量。

3結(jié)論

本文以空調(diào)冷站系統(tǒng)為研究對象，總結(jié)現(xiàn)有冷站系統(tǒng)控制方法的難點(diǎn)和不足，給出適用的解決方法?；诶湔局饕芎脑O(shè)備的運(yùn)行曲線特性和建筑負(fù)荷特性給出冷站系統(tǒng)相關(guān)設(shè)定點(diǎn)，各能耗設(shè)備基于該設(shè)定點(diǎn)來優(yōu)化運(yùn)行。以某冷站系統(tǒng)為例，通過優(yōu)化控制邏輯的應(yīng)用，冷站系統(tǒng)全年節(jié)省運(yùn)行能耗達(dá)17%，冷站綜合能效(kW/Ton,含冷機(jī)、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔)提高18%?？梢姡ㄟ^優(yōu)化控制邏輯的應(yīng)用使得冷站系統(tǒng)能效明顯提高，同時提升冷站設(shè)備的綜合管理水平，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。如條件允許，除了優(yōu)化控制邏輯應(yīng)用外，還可對冷站的核心設(shè)備冷機(jī)進(jìn)行變頻改造，從而進(jìn)一步降低冷站系統(tǒng)能耗。

參考文獻(xiàn)

[1]費(fèi)駿韜，陳星鶯，徐石明，等.基于舒適度的單體建筑電力負(fù)荷卸載協(xié)調(diào)分配[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015，31(3)：117-123.

[2]朱明杰.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[3]高養(yǎng)田.空調(diào)變流量水系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展[J].暖通空調(diào),2009,39(1):92-94.

[4]舒海文.熱泵區(qū)域供熱(冷)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化與評價[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

[5]Crowther,H.,J.Furlong.Optimizing Chillers and Towers[J].ASHRAE Journal,2004,46(7):34-40.

[6]YU F W,CHAN K T.Environment Performance and Economic Analysis of All-variable Speed Chiller Systems with Load-based Speed Control[J].Applied Thermal Engineering.2009,29(9):1721-1729.

[7]閆軍威.區(qū)域供冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行與控制方法研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[8]JIANG Xiao-qiang,LONG Wei-ding,LI Min. Optimum Control Strategy for All-variable Speed Chiller Plant[J].Journal of Central South University of Technology.2011(18):573-579.

[9]陳汝東,岳孝方.制冷技術(shù)與應(yīng)用[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2006.

[10]Hugh Crowther,James Furlong.Optimizing Chillers & Towers[J].ASHRAE Journal,2004,46(7):34-40.