區(qū)域能源站優(yōu)化設(shè)計方案全年能耗分析與對比

章乾，徐朝陽，毛世權(quán)，楊禹，耿安然

（國家電投珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，珠海，519031）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、綜合建筑群的興起，區(qū)域供冷的需求日益增長，與傳統(tǒng)單體供冷相比，采用區(qū)域供冷不僅能節(jié)約能源消耗、提升建筑品質(zhì)與形象、改善城市空間環(huán)境，還能有助于緩解城市電網(wǎng)壓力，助力政府實現(xiàn)資源配置優(yōu)化、節(jié)能減排，合理降低同時使用系數(shù)，大幅度降低空調(diào)設(shè)備的備用余量，節(jié)省投資［1-6］。

然而區(qū)域供冷空調(diào)設(shè)備繁多、系統(tǒng)形式多種多樣，不同的設(shè)備選型、控制策略都會影響系統(tǒng)運行的整體能效和節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性等問題。研究不同控制策略下區(qū)域能源站中央空調(diào)系統(tǒng)能效對系統(tǒng)運行具有指導(dǎo)作用，因此，本文將基于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型優(yōu)化和控制策略優(yōu)化對區(qū)域供冷系統(tǒng)進(jìn)行全年逐時能耗仿真，分析不同方案下的空調(diào)系統(tǒng)能效、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

2 工程概況

本工程是位于廣東某能源站區(qū)域供冷項目，負(fù)責(zé)某十字門中央商務(wù)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(wù)公寓、大劇場等。設(shè)計日尖峰冷負(fù)荷為20,200 RT，采用冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)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。

基于由清華大學(xué)開發(fā)的建筑負(fù)荷模擬軟件DeST以及設(shè)計院提供的原始建筑CAD圖進(jìn)行建筑末端負(fù)荷預(yù)測，空調(diào)冷負(fù)荷計算結(jié)果如下：設(shè)計日總冷負(fù)荷為222269RT?h，空調(diào)最大冷負(fù)荷為20200 Rt，當(dāng)機(jī)組運行蓄冰工況時，每小時最大蓄冰量為7200 RT?h，設(shè)計日全天蓄冰7h，蓄冰冷量為50400 Rt?h，蓄冷率為23%。設(shè)計日濕球溫度及空調(diào)逐時冷負(fù)荷見圖1。本文計算冰蓄冷系統(tǒng)運行電費涉及到的大工業(yè)用電峰谷電價表如表1所示。

表1 大工業(yè)用電峰谷電價表（20kV）

圖1 設(shè)計日逐時冷負(fù)荷

3 仿真方案及運行控制策略

3.1 仿真方案

區(qū)域能源站供冷運行能效的評估，需要計算統(tǒng)計機(jī)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(jī)組制備的冷量與能耗之比［16-18］，EERs是指機(jī)組制備的冷量與冷機(jī)、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(fēng)機(jī)設(shè)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(shè)備如下表2所示。

表2 冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備一覽表

圖2（a）是在冷凍水出水溫度為3 ℃，冷卻水進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)組和永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機(jī)組性能曲線圖

3.2 控制方案

系統(tǒng)設(shè)備具體的控制方案如表3所示。

表3 系統(tǒng)不同控制方案

冰蓄冷系統(tǒng)采用常規(guī)控制策略時，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(fù)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(jī)進(jìn)行供冷。

冰蓄冷系統(tǒng)采用優(yōu)化控制策略下空調(diào)設(shè)計日與空調(diào)非設(shè)計日冷量分配情況如圖3（a-d）所示。夜間谷價時刻蓄冰制冷，白天供冷時，在保證滿足全天各時刻冷負(fù)荷前提下，提前規(guī)劃好各時刻蓄冰量，將其用于峰電時刻供冷，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(jī)進(jìn)行供冷。

圖3 冷量分配情況

圖3（a）所示是空調(diào)設(shè)計日情況下供冷冷量分配情況，圖中有兩個明顯的負(fù)荷波峰時段，一個是9點～11點，一個是16點～18點。全天負(fù)荷峰值時刻在17點，為20200RT。夜間23點～5點谷價蓄冰制冷，白天6點～22點結(jié)合全天冷負(fù)荷情況，在滿足冷負(fù)荷情況下優(yōu)先在峰價時刻采用融冰優(yōu)先策略，不足時再開機(jī)雙工況機(jī)組制冷的策略。這里基載機(jī)組全天開啟，用于夜間小負(fù)荷或白天制冷。圖3（b～d）是空調(diào)非設(shè)計日情況下供冷冷量分配情況，其策略與空調(diào)設(shè)計日情況一致。

4 仿真結(jié)果

4.1 空調(diào)設(shè)計日與非設(shè)計日情況

圖4為空調(diào)設(shè)計日與非設(shè)計日機(jī)組能效情況，設(shè)計日的機(jī)組能效較為平穩(wěn)，說明機(jī)組運行穩(wěn)定，受負(fù)荷影響較小，受室外濕球溫度影響較大。非設(shè)計日基載機(jī)組、雙工況機(jī)組能效在全天波動較大，這說明機(jī)組的能效COP不僅僅受室外濕球溫度影響，還與由于峰谷電價冷量分配不同導(dǎo)致的不同負(fù)荷率有關(guān)。

圖4 空調(diào)設(shè)計日與非設(shè)計日機(jī)組能效情況

由表4計算可知，從系統(tǒng)能效上看，方案一、二、三3種方案在制冷負(fù)荷比為75%的非設(shè)計日的系統(tǒng)能效都是最高的，分別為3.32、4.05和4.59；方案三相對于方案一的系統(tǒng)節(jié)能率隨著制冷負(fù)荷比的降低而增加，分別為24.1%、27.6、28.1%和29.1%。

表4 系統(tǒng)不同控制方案冰蓄冷系統(tǒng)空調(diào)設(shè)計日與非設(shè)計日能耗仿真結(jié)果

從經(jīng)濟(jì)性上看，在不同的制冷負(fù)荷比下，方案三的系統(tǒng)運行總電費相對于其它兩種方案最低，并且隨著隨著制冷負(fù)荷比的降低而降低，分別 為0.1322元/m2、0.0836元/m2、0.0468元/m2、0.0197元/m2。

4.2 全年情況

由表5可知，方案一的系統(tǒng)能效最低，為3.2；方案三的系統(tǒng)能效最高，為4.5；方案一的系統(tǒng)運行費用最高，為21.9元/m2；方案三的系統(tǒng)運行費用最低，為15.9元/m2。

表5 系統(tǒng)不同控制方案冰蓄冷系統(tǒng)空調(diào)全年能耗仿真結(jié)果

從系統(tǒng)能效上看，方案二相對于方案一的節(jié)能性體現(xiàn)在變頻主機(jī)，方案二相對于方案一機(jī)組節(jié)能25.5%；方案三相對于方案二的節(jié)能性體現(xiàn)在優(yōu)化控制策略，方案三相對于方案二系統(tǒng)節(jié)能28.1%。

從經(jīng)濟(jì)性上看，方案二相對于方案一的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在變頻主機(jī)，方案二相對于方案一機(jī)組節(jié)費25.7 %，方案三相對于方案二的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在優(yōu)化控制策略，方案三相對于方案二系統(tǒng)節(jié)費12.6 %。

5 結(jié)論

本文結(jié)合不同設(shè)備選型以及控制策略，制定了三種不同空調(diào)系統(tǒng)方案，并通過全年逐時仿真對其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，逐月結(jié)論如下：

（1）變頻主機(jī)相對于定頻主機(jī)在能耗方面節(jié)能25.5%，從經(jīng)濟(jì)性上看，變頻主機(jī)相對于定頻主機(jī)節(jié)費25.7%。

（2）從控制策略上考慮，采用優(yōu)化控制的空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)控制節(jié)能12.6 %，對應(yīng)的節(jié)費12.6 %。

（3）經(jīng)過設(shè)備優(yōu)化、系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化，可使空調(diào)系統(tǒng)能效從3.2提升到4.5，系統(tǒng)能效提升39.1%；可使空調(diào)系統(tǒng)總耗電量從40.0 kWh/m2降到28.7kWh/m2，能耗降低28.1%；可使系統(tǒng)運行總電費從21.9元/m2降到15.9元/m2，其節(jié)費率為27.5%。