區(qū)域能源站運行優(yōu)化策略探討分析

吳鵬良，黃飛強，徐為中，邱實，祁渭巖，符小貴

（國家電投珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，珠海，519031）

1 引言

區(qū)域供冷就是在一個建筑群設置集中的制冷站制備空調(diào)冷凍水，再通過循環(huán)水管道系統(tǒng)，向各座建筑提供空調(diào)冷量［1-5］。一般建筑面積規(guī)模在50萬平方米以上，這樣各座建筑內(nèi)不必單獨設置空調(diào)冷源，從而避免到處設置冷卻塔。由于不同建筑功能的空調(diào)負荷峰值出現(xiàn)時刻不盡相同，因此采用區(qū)域供冷就可使制冷機裝機容量小于分散設置冷機時的總裝機容量，從而減少空調(diào)設備初投資［6-15］。

然而大型區(qū)域供冷能源站的空調(diào)設備復雜，不同的控制策略會導致不同的能耗運行，對此，通過研究不同運行控制策略下的全年能耗運行情況，可以得到空調(diào)系統(tǒng)運行的最佳經(jīng)濟性策略，這對提升大型區(qū)域供冷能源站的節(jié)能率和經(jīng)濟性很有意義。

2 工程概況及建筑負荷

2.1 工程概況

本工程是位于珠海橫琴CBD核心區(qū)的某橫琴能源站區(qū)域供冷項目，負責橫琴十字門中央商務區(qū)的集中供冷，總供冷建筑面積995,853m2，建筑場所包括普通寫字樓、高檔辦公樓、酒店、商場、商務公寓、大劇場等。設計日尖峰冷負荷為20,200 Rt，采用冰蓄冷系統(tǒng)進行供冷，蓄冰形式采用冰盤管外融冰方式，并對能源站實施集中管理與控制，采用優(yōu)化控制策略減少電網(wǎng)峰谷差異，實現(xiàn)電力“移峰填谷”，有效減少能源站實際用電支出。

2.2 建筑負荷

空調(diào)冷負荷計算結(jié)果如下：設計日總冷負荷為222269RT?h，空調(diào)最大冷負荷為20200Rt，當機組運行蓄冰工況時，每小時最大蓄冰量為7200 RT?h，設計日全天蓄冰7h，蓄冰冷量為50400 Rt?h，蓄冷率為23%。設計日濕球溫度及空調(diào)逐時冷負荷見圖1。

表1 珠海市大工業(yè)用電峰谷電價表（20kV）

圖1 設計日逐時冷負荷

3 冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)仿真方案及運行控制策略

3.1 仿真方案

橫琴能源站區(qū)域供冷運行能效的評估，需要計算統(tǒng)計機組運行性能系數(shù)（COP），系統(tǒng)耗電量以及系統(tǒng)綜合能效比（EERs）等參數(shù)。其中，COP是指機組制備的冷量與能耗之比［16-18］，EERs是指機組制備的冷量與冷機、基載水泵、乙二醇泵、融冰下游泵、冷凍二級泵、冷卻水泵、冷卻塔風機設備耗電量和之比［19-21］。本項目的冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)主要設備如下表2所示。

表2 冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)主要設備一覽表

圖2（a）是在冷凍水出水溫度為3℃，冷卻水進水溫度分別為15℃，18 ℃，20 ℃，23℃，26℃，29℃和32℃的永磁同步變頻離心式冷水機組全工況性能曲線圖。圖2（b）是在冷凍水出水溫度為6 ℃，冷卻水進水溫度分別為15℃，18℃，20 ℃，23℃，26℃，29℃和32 ℃的永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機組制冷工況的全工況性能曲線圖。圖2（c）是在冷凍水出水溫度為-5.6 ℃，冷卻水進水溫度分別為15℃，18℃，20℃，23℃，26 ℃和29℃的永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機組蓄冰工況的全工況性能曲線圖。

圖2 永磁同步變頻離心式冷水機組和永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機組性能曲線圖

3.2 運行控制策略

本項目的冰蓄冷系統(tǒng)較復雜，不同的系統(tǒng)運行策略會有不同的系統(tǒng)耗電量及電費。為了對比不同運行策略下的系統(tǒng)能耗及經(jīng)濟性情況，本文采用主機優(yōu)先、融冰優(yōu)先、優(yōu)化控制三種不同的控制策略對該冰蓄冷系統(tǒng)的能耗及經(jīng)濟性問題進行對比討論。

（1）主機優(yōu)先策略

夜間蓄冷，白天供冷采用主機優(yōu)先策略，確保主機處于滿負荷運行，不足時由蓄冰槽融冰釋冷補充。

（2）融冰優(yōu)先策略

夜間蓄冷，白天供冷采用融冰優(yōu)先策略，優(yōu)先使用蓄冰槽融冰釋冷，并且在保證滿足冷負荷前提下盡量平均各時刻的融冰量，充分利用完畢蓄冷后采用主機進行供冷。

（3）優(yōu)化控制策略

夜間蓄冷，白天供冷采用優(yōu)化優(yōu)先策略，根據(jù)負荷預測情況進行蓄冷；白天供冷時，在保證滿足冷負荷前提下提前計劃好將蓄冷量用于峰電時供冷，減小白天峰電供冷的電費支出，充分利用完畢蓄冷后采用主機進行供冷。

3.3 空調(diào)設計日與非設計日情況

冰蓄冷系統(tǒng)采用優(yōu)化控制策略下空調(diào)設計日與空調(diào)非設計日冷量分配情況如圖3（a-d）所示。

圖3 冷量分配情況

4 仿真結(jié)果

4.1 空調(diào)設計日與非設計日情況

由表3-1、3-2、3-3可知，在設計日滿負荷（100%）情況下，主機優(yōu)先、融冰優(yōu)先、優(yōu)化控制三種方案的冰蓄冷系統(tǒng)的能耗及總電費相同。在非設計日部分負荷下，同一負荷率下主機優(yōu)先策略的機組平均COP和系統(tǒng)平均EERs最高，融冰優(yōu)先策略的次之，優(yōu)化控制策略的能效最低；同一負荷率下主機優(yōu)先策略的機組運行電費和系統(tǒng)運行總電費最高，融冰優(yōu)先策略的次之，優(yōu)化控制策略的電費最少。

表3-1 主機優(yōu)先控制策略冰蓄冷系統(tǒng)能耗仿真結(jié)果

表3-2 融冰優(yōu)先控制策略冰蓄冷系統(tǒng)能耗仿真結(jié)果

表3-3 優(yōu)化控制控制策略冰蓄冷系統(tǒng)能耗仿真結(jié)果

采用主機優(yōu)先控制策略的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)最節(jié)能，但運行電費最高；采用優(yōu)化控制策略的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)最不節(jié)能，但節(jié)費。在非設計日部分負荷下，負荷越小，主機優(yōu)先策略相對于優(yōu)化控制策略的節(jié)能性越好，優(yōu)化控制策略相對于主機優(yōu)先策略越節(jié)費、越經(jīng)濟。

4.2 全年情況

由表4可知，從節(jié)能性上看，采用融冰優(yōu)先、優(yōu)化控制策略的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)耗電量相差不大，采用主機優(yōu)先的冰蓄冷系統(tǒng)最節(jié)能，系統(tǒng)總耗電量為23928293 kW?h，相對于優(yōu)化控制策略節(jié)能16.4%。從經(jīng)濟性上看，采用融冰優(yōu)先、優(yōu)化控制策略的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運行電費相差不大，采用主機優(yōu)先策略的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性最差，全年系統(tǒng)運行總電費為20.3元/m2，采用優(yōu)化控制策略的冰蓄冷系統(tǒng)最節(jié)費，全年系統(tǒng)運行總電費為15.9元/m2，相對于主機優(yōu)先策略節(jié)費21.6 %。這也說明采用考慮“峰谷電價”策略的冰蓄冷系統(tǒng)較普通中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)費不節(jié)能的特點。

5 結(jié)論

（1）在設計日滿負荷（100 %）情況下，主機優(yōu)先、融冰優(yōu)先、優(yōu)化控制三種方案的冰蓄冷系統(tǒng)的能耗及總電費相同。這說明在滿負荷情況下，冰蓄冷系統(tǒng)相對于常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)無法體現(xiàn)出優(yōu)勢，冰蓄冷系統(tǒng)主要在部分負荷下體現(xiàn)出節(jié)費優(yōu)勢。

（2）從全年仿真情況來看，雖然采用主機優(yōu)先策略的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性最差，但最節(jié)能；采用優(yōu)化控制策略的冰蓄冷系統(tǒng)雖最耗電，但是經(jīng)濟性最好，這是由于優(yōu)化控制策略在滿足逐時負荷前提下，結(jié)合了優(yōu)先在電價峰值時融冰的優(yōu)勢，使得系統(tǒng)運行電費最低，完美的體現(xiàn)出了冰蓄冷系統(tǒng)的節(jié)費優(yōu)勢，全年系統(tǒng)運行總電費為15.9元/m2，相對于主機優(yōu)先策略節(jié)費21.6 %。