上海某工業(yè)園區(qū)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制及策略研究

楊林

摘 要：結(jié)合上海某工業(yè)園區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工，研究在制冷季不同情況下，制定雙工況蓄冰模式、單融冰供冷模式、融冰+基載供冷模式、融冰+基載+雙工況供冷模式、基載機(jī)供冷模式及免費(fèi)供冷等數(shù)種運(yùn)行策略。區(qū)域性部分負(fù)荷冰蓄冷能源中心是一種既安全又高效的供能方式，與全負(fù)荷冰蓄冷制冷模式相比，可減少大量初期投資，又能適應(yīng)不同的運(yùn)行工況；與常規(guī)空調(diào)制冷模式相比較，不但能平衡電網(wǎng)的峰谷差，還有明顯的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：冰蓄冷；能源中心；運(yùn)行策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TU201? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）02-0112-03

0 引言

在建筑運(yùn)行能耗中，空調(diào)制冷占比巨大。在夏季用電高峰時(shí)，由于各公用建筑的空調(diào)系統(tǒng)在白天的大量使用，電量在白天遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夜間的使用量，加重了電網(wǎng)用電峰谷的供需矛盾，造成了夜間發(fā)電站處于低消運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了能源上的巨大浪費(fèi)。

基于冰蓄冷供冷系統(tǒng)特點(diǎn)，可通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)平衡電網(wǎng)峰谷差。在夜晚電價(jià)低谷階段，采用冷凍機(jī)蓄冰模式，通過(guò)乙二醇溶液冰點(diǎn)較低的特性將冷量?jī)?chǔ)存到蓄冰槽內(nèi)。在白天負(fù)荷與電價(jià)處于高峰時(shí)，便可以將蓄冰槽內(nèi)的冰凍冷量進(jìn)行釋放，以此彌補(bǔ)電網(wǎng)用電峰谷的壓力，降低企業(yè)營(yíng)運(yùn)用電費(fèi)用。

1工程概況

該工業(yè)園區(qū)位于上海市閔行區(qū)，總建筑面積17.3萬(wàn)m2，其中地上11.5萬(wàn)m2，地下5.8萬(wàn)m2，地塊包含2棟11層的高層建筑及6棟5層的多層建筑，建筑高度為59.95 m。

地上建筑性質(zhì)為廠(chǎng)房及配套服務(wù)用房，地下為設(shè)備用房、員工餐廳及車(chē)庫(kù)。由于該園區(qū)分三期開(kāi)發(fā)，占地面積大，單體建筑多，不同類(lèi)型入住公司的空調(diào)使用情況復(fù)雜。因此，提供安全、可靠、穩(wěn)定的能源中心控制方案是本項(xiàng)目空調(diào)工程的首要任務(wù)。

2能源中心蓄能方案

本項(xiàng)目采用集中冷熱源系統(tǒng)，除服務(wù)于本期項(xiàng)目外，同時(shí)預(yù)留冷負(fù)荷于后期建設(shè)的地塊。冷源采用外融冰式部分負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)，即夜晚低谷電價(jià)階段機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷制冰，白天融冰和機(jī)組運(yùn)行以滿(mǎn)足總冷負(fù)荷。項(xiàng)目選用2臺(tái)1875RT型離心式雙工況機(jī)組，設(shè)計(jì)蓄冰裝置總?cè)萘繛?0 000 RTH，蓄冰槽內(nèi)選用單臺(tái)蓄冰量380 RTH，共52臺(tái)鋼制蓄冰盤(pán)管?？紤]到入住用戶(hù)的數(shù)據(jù)中心、實(shí)驗(yàn)室或其他類(lèi)型設(shè)備在夜間22：00后的使用，另設(shè)2臺(tái)75RT型夜間運(yùn)行基載主機(jī)冷水機(jī)組，冷水機(jī)組及蓄冰槽安置于地下室的能源中心內(nèi)。冷卻塔置于通風(fēng)良好的高層屋頂上。

制冷工況時(shí)雙工況主機(jī)供回水溫度為6.5/11.5℃，再經(jīng)過(guò)蓄冰盤(pán)管溫度降為3.5℃，經(jīng)過(guò)板換在用戶(hù)側(cè)提供5/13℃的冷凍水。一次側(cè)冷凍水采用26%的乙二醇溶液，雙工況冷凍機(jī)組在制冰運(yùn)行模式下，供回水溫度為-2.5/-5.6 ℃。該園區(qū)內(nèi)同時(shí)考慮到換季期及冬季個(gè)別特殊區(qū)域仍需供冷，設(shè)免費(fèi)冷源板換供冷，可減少主機(jī)的能耗。

該園區(qū)項(xiàng)目夏季計(jì)算逐時(shí)最大冷負(fù)荷12 393 kW（3523RT），單位建筑面積冷負(fù)荷指標(biāo)107.8 W/m2。該項(xiàng)目能源中心由于同時(shí)服務(wù)二期地塊，因此部分夏季冷負(fù)荷預(yù)留后期地塊為13 168 kW。能源中心總承擔(dān)冷負(fù)荷為25 561 kW，使用系數(shù)0.85，管道的熱量損失2%。冷源按照22 161 kW，共6300RT設(shè)置（表1）。按各用戶(hù)類(lèi)型24 h負(fù)荷曲線(xiàn)疊加，設(shè)計(jì)日峰值負(fù)荷為6 300 RT。

3能源中心運(yùn)行策略

3.1 能源中心控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)

具有以下5個(gè)：①系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)用戶(hù)末端負(fù)荷的變化。②控制區(qū)域能源系統(tǒng)中所有設(shè)備，使之能夠滿(mǎn)足區(qū)域內(nèi)各用戶(hù)的額外負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)能源中心的供冷與末端用戶(hù)的實(shí)際需求量的匹配。③在滿(mǎn)足末端負(fù)荷的前提下，通過(guò)自動(dòng)控制措施，保證供冷質(zhì)量穩(wěn)定。④提高能源中心、管網(wǎng)輸送系統(tǒng)、各用戶(hù)末端系統(tǒng)的運(yùn)行能效。⑤以最低的運(yùn)行成本為控制目標(biāo)，充分的利用谷段的冰蓄冷，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能效最大化，運(yùn)行成本最低。

3.2 運(yùn)行策略的原則

依據(jù)設(shè)計(jì)日24h逐時(shí)負(fù)荷比例為100%、75%、50%、25%負(fù)荷進(jìn)行初步的運(yùn)行策略排布（注：參照冷水機(jī)組IPLV值確定的統(tǒng)計(jì)方法，其負(fù)荷比例關(guān)系需在實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中需不斷進(jìn)行調(diào)整）。

運(yùn)行策略安排原則：運(yùn)行費(fèi)用最少，融冰優(yōu)先，基載次之，隨后雙工況。由于冷水機(jī)組（即使不變頻）IPLV值較高，在預(yù)估冷卻水溫度低于32℃時(shí)，可優(yōu)先安排部分荷載運(yùn)行。

運(yùn)行策略是否最優(yōu)，需經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用測(cè)算確定。在測(cè)算、尋優(yōu)過(guò)程中，甄別影響系統(tǒng)效率各種因素，控制邏輯按照運(yùn)行策略編寫(xiě)程序，并在實(shí)際運(yùn)行中不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)調(diào)整，直至最優(yōu)為止。

4能源中心系統(tǒng)運(yùn)行分析

能源中心外融冰蓄冷供冷系統(tǒng)，依據(jù)負(fù)荷的不同，共計(jì)有6種工況模式轉(zhuǎn)換。各工況控制模式轉(zhuǎn)換外融冰矢量圖如圖1所示。能源中心運(yùn)行策略表如表2所示。

4.1 夜間雙工況蓄冰模式

電價(jià)谷段時(shí)間段，即22：00～6：00，2臺(tái)雙工況機(jī)組全部進(jìn)入蓄冰模式，雙工況冷凍機(jī)組在制冰運(yùn)行模式下，供回水（乙二醇溶液）溫度為-2.5/-5.6 ℃。機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，通過(guò)低溫的乙二醇溶液將蓄冰槽內(nèi)的水制成冰水狀態(tài)。乙二醇溶液在制冷機(jī)和蓄冰槽循環(huán)溫度為-2.5/-5.6 ℃，蓄冰槽的水結(jié)成冰。隨著蓄冰量的增加和時(shí)間的推移，當(dāng)任何一組蓄冰盤(pán)管蓄冰厚度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，冰層厚度傳感器發(fā)出信號(hào)，該組乙二醇管路電動(dòng)閥關(guān)閉，避免盤(pán)管完全凍結(jié)，雙工況機(jī)組自動(dòng)降載運(yùn)行直至停止蓄冰工況運(yùn)行。

4.2 單融冰供冷模式

當(dāng)該工作日空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷小于蓄冰槽的總?cè)诒├淞?。根?jù)優(yōu)化控制原則，為減少運(yùn)行電費(fèi)，各機(jī)組白天電價(jià)峰段時(shí)間段停機(jī)，除蓄冰槽泵組正常運(yùn)行外，冷卻塔及各泵組均停止運(yùn)行，僅依靠蓄冰槽單融冰模式提供冷源。該時(shí)期的冷負(fù)荷由蓄冰槽單獨(dú)提供，電網(wǎng)的移峰填谷的作用得以完全體現(xiàn)。

4.3 融冰+基載機(jī)供冷模式

夜間或谷電電價(jià)時(shí)段，或負(fù)荷略大于蓄冰槽的總?cè)诒├淞繒r(shí)（設(shè)計(jì)日負(fù)荷大于20 000 RTH時(shí)），在蓄冰池融冰基礎(chǔ)模式下，乙二醇泵組停止運(yùn)行，蓄冰槽泵組及基載泵組正常運(yùn)行。基載主機(jī)在自動(dòng)模式下先啟動(dòng)1臺(tái)，并根據(jù)負(fù)荷降載運(yùn)行。當(dāng)負(fù)荷在375～750 RT時(shí)，2臺(tái)啟動(dòng)，根據(jù)負(fù)荷降載運(yùn)行。

4.4 融冰+基載機(jī)+雙工況供冷模式

制冷季的高峰期時(shí)，依據(jù)負(fù)荷，夜間單融冰供冷模式100%蓄冰，日間高峰時(shí)段少開(kāi)或部分負(fù)荷開(kāi)機(jī)，盡量采用融冰制冷。制冷優(yōu)先次序?yàn)槿诒?、基載、雙工況（與運(yùn)行策略應(yīng)一致）。該模式下需要準(zhǔn)確地控制出水溫度，利用分配水泵入口處的2個(gè)回水調(diào)節(jié)閥與冰池入口管路上的調(diào)節(jié)閥同步動(dòng)作，以出水溫度2～2.5℃為控制目標(biāo)。乙二醇泵依據(jù)蓄冰工況阻力及空調(diào)工況阻力設(shè)置2個(gè)不同的頻率，變頻運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)與壓差傳感器同步變頻。

4.5 基載機(jī)供冷模式

夜間或谷電電價(jià)時(shí)，當(dāng)負(fù)荷Q≤750 RT時(shí)，基載主機(jī)在自動(dòng)模式下，確定啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，降載運(yùn)行。當(dāng)負(fù)荷Q≤150 RT時(shí)，基載冷機(jī)停止運(yùn)行，自動(dòng)切換到融冰供冷模式。

4.6 冷卻塔免費(fèi)供冷模式

過(guò)度季依據(jù)客戶(hù)營(yíng)運(yùn)的需求，確定是否開(kāi)啟該模式。當(dāng)室外濕球溫度小于10℃，開(kāi)啟相關(guān)水泵、板換、冷卻塔，各冷凍機(jī)組及蓄冰系統(tǒng)停止運(yùn)行。夜間需依據(jù)室外氣象傳感器，確定是否開(kāi)啟冷卻塔防凍模式。

5冰蓄冷群控系統(tǒng)的特點(diǎn)

控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合控制算法，確定區(qū)域能源系統(tǒng)各運(yùn)行工況的最佳組合方式，生成運(yùn)行控制策略。根據(jù)系統(tǒng)溫度及壓力等參數(shù)，調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)閥門(mén)以及變頻器）等及時(shí)動(dòng)作，確保系統(tǒng)能夠及時(shí)跟隨空調(diào)負(fù)荷的變化，保證空調(diào)供冷品質(zhì)，并以最可靠、穩(wěn)定的方式運(yùn)行，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的管理效率和降低管理勞動(dòng)強(qiáng)度。自動(dòng)控制技術(shù)主要體現(xiàn)以下這5個(gè)主要方面。

5.1 負(fù)荷預(yù)判斷技術(shù)

空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)主要經(jīng)過(guò)數(shù)年的正常運(yùn)行后，通過(guò)分析以往實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用負(fù)荷預(yù)測(cè)平移法預(yù)測(cè)第二天負(fù)荷需求?；谪?fù)荷預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)提前編制運(yùn)行控制策略，保障控制的準(zhǔn)確性。

5.2 制冷主機(jī)能效優(yōu)化群控技術(shù)

主機(jī)群控技術(shù)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行策略，確定最佳設(shè)備效率（冷機(jī)、冷卻塔和水泵等）組合方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門(mén)及變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟?？刂啤８鶕?jù)冷負(fù)荷情況適當(dāng)?shù)卮_定冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使冷量滿(mǎn)足負(fù)荷要求，即使系統(tǒng)工作效率達(dá)到最高，也不會(huì)發(fā)生冷水機(jī)組頻繁啟停。這對(duì)于保障機(jī)組安全節(jié)能的運(yùn)行有重要意義。

本項(xiàng)目采用的雙工況離心式制冷機(jī)和基載機(jī)都具備較好的冷量調(diào)節(jié)手段，在冷卻水溫度不同時(shí)，控制機(jī)組在部分負(fù)荷下變頻運(yùn)行，高效運(yùn)轉(zhuǎn)。制冷機(jī)的群控目標(biāo)為總體COP最高。

5.3 冷水輸送泵組變頻高效控制技術(shù)

供冷水輸送系統(tǒng)的主要輸送供冷水到各末端用戶(hù)。在本項(xiàng)目中，供冷水系統(tǒng)通常分為兩個(gè)環(huán)路：一次環(huán)路和二次環(huán)路。一次環(huán)路主要功能是冷水機(jī)組及蓄冰槽產(chǎn)生低溫供冷水。二次環(huán)路承擔(dān)將空調(diào)用冷水傳輸和分配到各末端用戶(hù)，即負(fù)荷側(cè)。合理的供冷水泵變流量控制可在保證系統(tǒng)末端供冷需求的前提下，降低水泵的能耗。

該園區(qū)中所含分散的建筑物較多，不同建筑物群之間的負(fù)荷相差較大，為保證供冷水系統(tǒng)能夠更好地滿(mǎn)足不同建筑群體的供冷需求，系統(tǒng)內(nèi)所有空調(diào)末端的費(fèi)用壓力都能滿(mǎn)足要求的前提下，采用輸送水泵變流量群控技術(shù)及水泵組高效控制技術(shù)降低輸送供冷水泵的運(yùn)行能耗。

5.4 冷卻水溫度雙優(yōu)化控制與乙二醇泵組變定點(diǎn)變頻控制

冷卻水控制系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，分冷卻供水溫度控制和冷卻供回水溫差控制。在滿(mǎn)足末端負(fù)荷需求的前提下，最優(yōu)的冷卻水供回水溫度應(yīng)使制冷機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)和冷卻水泵的總功耗最小。

乙二醇水泵在制冷與蓄冰工況下運(yùn)行，各模式下雙工況主機(jī)與水泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)不同，管路系統(tǒng)沿程阻力也不盡相同。能源中心根據(jù)實(shí)際運(yùn)行策略數(shù)據(jù)，可預(yù)先確定數(shù)種工況下乙二醇水泵的運(yùn)行頻率，此方法仍需在運(yùn)行中進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最優(yōu)效率。

5.5 冷卻塔水溫群控控制技術(shù)

為了最大限度地減少冷卻塔風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟時(shí)間，發(fā)揮所有冷卻塔的冷卻能力，采用冷卻水泵對(duì)多臺(tái)冷卻塔的運(yùn)行控制模式。

該園區(qū)雙工況冷機(jī)2臺(tái)對(duì)應(yīng)6組（每組3個(gè)小塔）冷卻塔，當(dāng)1臺(tái)機(jī)組開(kāi)啟時(shí)，6組冷卻塔全部開(kāi)啟，當(dāng)冷卻塔出水回水溫度低于設(shè)定溫度=室外濕球溫度+3.5℃（趨近溫度設(shè)定），10 min后，冷卻塔的風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，同時(shí)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)控制；當(dāng)冷卻塔出水回水溫度高于設(shè)定溫度=室外濕球溫度+3.5℃（趨近溫度設(shè)定），10 min后，風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行。

當(dāng)冷卻水回水溫度低于設(shè)定溫度10 min后，6組冷卻塔已全部低速運(yùn)行，此時(shí)關(guān)閉第1組冷卻塔風(fēng)機(jī)，當(dāng)供水溫度繼續(xù)降低，第2組冷卻塔的風(fēng)機(jī)關(guān)停， 水溫繼續(xù)降低，可一組一組地關(guān)閉冷卻塔風(fēng)機(jī)。

6結(jié)束語(yǔ)

與內(nèi)融冰系統(tǒng)相比，外融冰系統(tǒng)運(yùn)行更加地靈活并適合復(fù)雜的區(qū)域供冷環(huán)境，能明顯提高冰蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，因此該園區(qū)區(qū)域供冷選擇部分負(fù)荷外融冰系統(tǒng)。蓄冰槽和傳統(tǒng)的制冷機(jī)組并聯(lián)制冷模式，有利于根據(jù)負(fù)荷情況在融冰優(yōu)先和主機(jī)優(yōu)先切換。通過(guò)控制制冷機(jī)組的數(shù)量和融冰泵的可變流量，使負(fù)荷調(diào)節(jié)更靈活、更準(zhǔn)確、更簡(jiǎn)單。

本文根據(jù)該園區(qū)不同運(yùn)行狀況，制定6種運(yùn)行策略，以達(dá)到降低運(yùn)行成本。通過(guò)群控系統(tǒng)優(yōu)化自控技術(shù)，以充分發(fā)揮冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，能源中心仍需在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中提供不同的定制化的優(yōu)化調(diào)度策略，以適應(yīng)不同類(lèi)型客戶(hù)的運(yùn)行需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳霈，管曉晨，楊玉，等.冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度研究[J].節(jié)能，2021，40（11）：60-64.

[2] 徐騰飛，潘俊.能源中心冰蓄冷供冷系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與分析[J].建筑節(jié)能（中英文），2021，49（6）：79-82.