基于負(fù)荷模擬的某綜合體育館冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行控制策略

馮華晟，黃超，劉正揚，謝厚旻，姚國濤

（中國建筑第八工程局有限公司）

1 引言

國內(nèi)早期體育場館建設(shè)時主要關(guān)注賽時的使用，對賽后再利用缺乏全生命周期的設(shè)計考慮，容易造成資源閑置和浪費[1]。由于賽時賽后運營內(nèi)容差別較大，體育場館的上座率和活動頻次差別也較大，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計工況和實際運行工況差別較大[2-3]，因此，在建設(shè)階段預(yù)測今后的運營狀況，并根據(jù)運營需求制定相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)運行策略非常必要。

綜合性體育場館大多屬于高大空間的公共建筑，冷負(fù)荷指標(biāo)達(dá)到230W/㎡～580W/㎡[4-5]，能耗費用占場館年運營收入的45.41%[6]，且同時具有瞬時人流大、峰值負(fù)荷高、部分負(fù)荷占比大的特點。冰蓄冷系統(tǒng)削峰填谷、運行費用低的優(yōu)勢恰好契合此類項目[7]。但由于冰蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對自控的要求也更高，如果其運行策略或控制方法選擇不當(dāng)，則無法發(fā)揮移峰填谷的優(yōu)勢[8-9]。

2 項目及空調(diào)系統(tǒng)簡介

2.1 建筑功能信息

杭州奧體中心體育游泳館項目包含體育館、游泳館和配套商業(yè)三種業(yè)態(tài)，其中體育館總建筑面積74357㎡，地上五層，地下局部兩層，建筑高度45m，總座席數(shù)達(dá)到17348個。游泳館總建筑面積53959㎡，地上三層，地下局部兩層，建筑高度35m，總座席數(shù)6484個。配套商業(yè)總建筑面積83734㎡，地上一層、地下一層。該項目建成后將作為2022年亞運會的主場館，承擔(dān)亞運會各項賽事。亞運會結(jié)束后會引入社會資源，打造成為一個集賽事、演出、文藝活動多種功能于一體的綜合性體育場館和商業(yè)中心。設(shè)計院在最初設(shè)計時，空調(diào)設(shè)計參數(shù)按照體育場館及亞運賽事標(biāo)準(zhǔn)選取，但在賽后運營期內(nèi)大型賽事活動頻率較低，需根據(jù)日常運營活動功能進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測和計算，本項目賽時和賽后的活動詳見表1。

表1 各業(yè)態(tài)賽時及賽后活動對比表

2.2 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)簡介

體育館設(shè)計總冷負(fù)荷19389kW，總熱負(fù)荷10616kW，冷凍水供回水溫度：4.5/14.5℃，熱水供回水溫度：60/50℃?？照{(diào)冷源采用串聯(lián)式冰蓄冷雙工況制冷系統(tǒng)，集中冷站內(nèi)設(shè)蓄冰裝置1座，蓄冰量103750kW·h（29500Rth）。4臺離心式雙工況冷水機組，制冰工況制冷量10540kW，制冷工況制冷量16880kW；4臺變頻乙二醇冷凍水泵；6臺變頻冷凍水泵；6臺變頻冷卻水泵。鍋爐房內(nèi)設(shè)5臺燃?xì)鉄崴仩t，總供熱能力17500kW。另外，由于項目緊鄰錢塘江和七甲河，單獨設(shè)置江水源熱泵系統(tǒng)，給運營期時商業(yè)內(nèi)部電影院提供獨立冷熱源，2臺螺桿式水源熱泵機組，總制冷量1400kW，總制熱量1340kW，另設(shè)3臺變頻江水源冷凍水泵。建筑平面圖及冷熱源分布詳見圖1。

圖1 建筑平面圖及冷熱源分布

3 全年空調(diào)逐時負(fù)荷模擬計算

3.1 能耗模擬軟件

本項目利用Carrier E20-HAP以及Energyplus能耗模擬軟件，把系統(tǒng)中包含的體育館、游泳館及商業(yè)三塊區(qū)域分別進(jìn)行冷負(fù)荷模擬計算及綜合分析，主要借助其強大的氣象資料數(shù)據(jù)庫和氣象模擬計算功能，進(jìn)行8760h的負(fù)荷估算。Energyplus基于動態(tài)負(fù)荷理論，對包括建筑物及相關(guān)的供熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備能耗情況進(jìn)行模擬分析。主要利用其負(fù)荷模塊分析模擬建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其與室外環(huán)境和室內(nèi)負(fù)荷之間的影響。利用系統(tǒng)模塊和設(shè)備模塊，驗證和分析各項運行策略對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。

3.2 建筑模型及邊界條件

建筑模型主要包括體育館、游泳館及商業(yè)空調(diào)區(qū)區(qū)域，通過輸入建筑物所在地理位置、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)、建筑物內(nèi)部人員、照明、電氣等內(nèi)部負(fù)荷以及HVAC設(shè)備和系統(tǒng)等邊界條件，在軟件中創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型。邊界條件的設(shè)定對于負(fù)荷模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

①建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的選取盡量和實際相匹配，詳見表2。

表2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

②室內(nèi)設(shè)計參數(shù)選取盡可能按照功能空間細(xì)分，并區(qū)分賽時和賽后不同活動功能對于室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的需求。

③運營期活動的頻率、活動類型等需和運營人員提前溝通確認(rèn)，盡可能貼合實際。本項目經(jīng)過和運營方多次溝通，確定體育游泳館在前5年運營期每年安排活動46場，活動類型和場次分布詳見表3。

表3 體育游泳館全年活動場次分布

④考慮不同場館、商業(yè)的營業(yè)時間、空調(diào)開啟時間、人數(shù)以及人員密度、照明及設(shè)備熱擾對負(fù)荷的影響。

3.3 全年空調(diào)逐時冷負(fù)荷模擬結(jié)果

對系統(tǒng)中包含的體育館、游泳館及商業(yè)區(qū)域分別進(jìn)行冷負(fù)荷模擬計算及綜合分析后，全年綜合空調(diào)逐時冷負(fù)荷曲線如圖2所示。原設(shè)計方案按照亞運會相關(guān)賽事要求設(shè)計，由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高、系統(tǒng)可靠性要求高，冷熱負(fù)荷指標(biāo)選取、主機設(shè)備選型相對冗余較大，而實際在后期運營中，空調(diào)系統(tǒng)峰值負(fù)荷21400kW（6091Rt）相比原設(shè)計賽事期下降30%。通過對負(fù)荷模擬結(jié)果分析可知，系統(tǒng)負(fù)荷率低于40%的時間占比接近90%，系統(tǒng)負(fù)荷率高于54%的僅有10天，系統(tǒng)在賽后運營期處于低負(fù)荷率下（見圖3）。

圖2 全年空調(diào)逐時冷負(fù)荷分布

圖3 供冷季負(fù)荷率分布圖

4 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行策略研究

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制要解決冷負(fù)荷在制冷機組和蓄冰裝置之間協(xié)調(diào)分配的問題，常見控制策略有制冷機組優(yōu)先控制、融冰優(yōu)先控制、定比例控制、優(yōu)化控制4種方式[10]。本項目在優(yōu)化控制策略的基礎(chǔ)上，制定了冷量分配策略的總體原則。

①可靠性原則。確保系統(tǒng)的制冷量大于控制日逐時冷負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。

②經(jīng)濟(jì)性原則。結(jié)合杭州當(dāng)?shù)胤骞入妰r分布，控制制冷機組和蓄冰裝置在各個時段的冷負(fù)荷分配，充分利用蓄冰裝置的冷量，減少電力高峰時段的用能。

③節(jié)能性原則。確保制冷機組始終運行在高效區(qū)，采用變頻水泵，盡量降低管路阻力。

④穩(wěn)定性原則。避免頻繁的開關(guān)機和模式切換，降低操作難度和頻率。

4.1 供冷模式類型

對于串聯(lián)式冰蓄冷雙工況制冷系統(tǒng)，共有兩種運行模式：單融冰供冷模式和聯(lián)合供冷模式。單融冰供冷模式下，雙工況主機不啟動，環(huán)路被旁通，直接通過蓄冰槽融冰向空調(diào)系統(tǒng)末端進(jìn)行供冷。啟動該模式的觸發(fā)條件為：①小時冷負(fù)荷≤最大融冰速率（按12%計，即3540Rt），此時靜態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)按照最大融冰速率進(jìn)行融冰；②日負(fù)荷不超過最大有效蓄冰量103751kW·h（29500Rt·h），聯(lián)合供冷模式下，雙工況制冷機串聯(lián)接入系統(tǒng)中，冷凍水回水先經(jīng)過雙工況制冷機降至額定出水溫度后，再經(jīng)過蓄冰槽進(jìn)一步降至設(shè)計供水溫度后，向空調(diào)系統(tǒng)末端進(jìn)行供冷。啟動該模式的觸發(fā)條件為：①小時冷負(fù)荷大于12540kW（3540Rt）；②日負(fù)荷高于最大有效蓄冰量103751kW·h（29500Rt·h）。同時，需注意串聯(lián)系統(tǒng)受雙工況冷機最大流量限制。

4.2 不同負(fù)荷率下，冷機與融冰供冷策略表

運用前述方法，本次研究在全年空調(diào)逐時負(fù)荷10%～100%范圍內(nèi)，尋找出單融冰供冷和聯(lián)合供冷的分界線，對于處于聯(lián)合供冷的空調(diào)負(fù)荷區(qū)間，進(jìn)一步分段研究冷機和融冰聯(lián)合供冷的策略，即冷機開機比例和融冰量的組合策略，用以指導(dǎo)冷源群控程序編制達(dá)到優(yōu)化運行的目的。具體結(jié)果詳見表4所示。

表4 分段負(fù)荷率下冰蓄冷系統(tǒng)運行策略總表

結(jié)合負(fù)荷結(jié)果與冷水機組性能分析得出，逐時負(fù)荷小于峰值負(fù)荷的42%時，采用單融冰供冷模式即可滿足使用要求；逐時負(fù)荷為峰值負(fù)荷的42%～60%時，應(yīng)開啟兩臺主機；逐時負(fù)荷為60%～86%時，應(yīng)開啟三臺主機；逐時負(fù)荷大于86%時，應(yīng)開啟四臺主機，可滿足各負(fù)荷區(qū)間段內(nèi)冷機負(fù)載率處于高COP值范圍。

5 結(jié)語

由于多功能綜合性體育場館賽時和賽后運營內(nèi)容差別較大，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)峰值負(fù)荷相比原設(shè)計賽事期下降30%。因此，運營單位需提前介入建設(shè)階段，根據(jù)運營需求制定空調(diào)系統(tǒng)運行策略。其次，體育場館項目間歇性供能特點顯著，系統(tǒng)負(fù)荷率<40%的運行時間接近90%，冰蓄冷系統(tǒng)可以很好發(fā)揮削峰填谷的優(yōu)勢，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。再次，當(dāng)逐時負(fù)荷小于峰值負(fù)荷的42%時，可采用單融冰供冷模式，其余時間采用聯(lián)合供冷模式。由冷機群控系統(tǒng)預(yù)測負(fù)荷大小自動匹配開機臺數(shù)，可確保冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能。