冰蓄冷系統(tǒng)運行模式設(shè)計探討

余志煒

摘 要：文章旨在討論如何在峰谷電價的約束下，在已有冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計方案上，實現(xiàn)對冰蓄冷系統(tǒng)的最優(yōu)控制。通過具體的實際案例，首先結(jié)合一般情況下的冰蓄冷系統(tǒng)的工作模式，得出實際案例的最優(yōu)運行模式設(shè)計方案，并以此為基礎(chǔ)對冰蓄冷系統(tǒng)運行模式設(shè)計進行經(jīng)驗性總結(jié)。

關(guān)鍵詞：冰蓄冷；節(jié)能；運行模式；最優(yōu)控制；峰谷電價

中圖分類號：TU831.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0019-03

進入21世紀以來，國家在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時也發(fā)現(xiàn)資源是制約經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素。國家在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》（以下簡稱十一五規(guī)劃綱要）中單列第六篇（建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會）進行指導(dǎo)。在第22章第六節(jié)提出“完善重點行業(yè)能耗和水耗準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)、主要用能產(chǎn)品和建筑物能效標(biāo)準(zhǔn)、重點行業(yè)節(jié)能設(shè)計規(guī)范和取水定額標(biāo)準(zhǔn)”。各地方政府在推進節(jié)能工作中，都有采用階梯電價和峰谷電價來引導(dǎo)社會經(jīng)濟活動合理的分配和使用資源。

作為節(jié)能重點工程之一的建筑節(jié)能領(lǐng)域，建筑物日常能耗中，無疑空調(diào)能耗是占據(jù)首位的。建筑物空調(diào)冷量主要是通過電能轉(zhuǎn)換而來，也就是說空調(diào)能耗同時也反映在建筑物的用電能耗上。為了節(jié)約能耗，除了采用相應(yīng)的節(jié)能設(shè)備、產(chǎn)品外，采用自動化的技術(shù)對設(shè)備的日常運行進行精確的監(jiān)視和控制，避免人為操作帶來的多余損耗也是十分必要的。

針對當(dāng)前的電價政策，給冰蓄冷技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展帶來了廣闊的空間。冰蓄冷技術(shù)的最大優(yōu)勢就是通過削峰填谷、平衡電力負荷，從而節(jié)省電費，這就涉及到如何精確的控制設(shè)備在合適的時間段運行。本文重點討論如何在電價的約束下，進行冰蓄冷系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

1 冰蓄冷系統(tǒng)的工作模式設(shè)計

一般的冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計的工作模式有五種，即：

①制冰模式。

②制冰同時供冷模式。

③冷機供冷模式。

④融冰供冷模式。

⑤冷機與融冰同時供冷模式。

但在實際項目中還要考慮冷機配置的不同情況，同時供冷模式時是融冰優(yōu)先還是冷機供冷優(yōu)先的不同情況等。

下面以筆者實施的項目為例具體分析一個冰蓄冷系統(tǒng)的工作模式。

1.1 項目情況說明

某校新校區(qū)位占地面積223畝，地上總建筑面積占9.28萬m2，地下車庫面積1.522萬 m2，綠化面積51 960 m2。校內(nèi)設(shè)有教研樓、綜合樓、圖書館、學(xué)生宿舍（賓館）、食堂（餐廳）、文體館、后勤服務(wù)樓等。

1.2 制冷系統(tǒng)設(shè)計說明

某校新校區(qū)采用集中空調(diào)系統(tǒng)，集中空調(diào)系統(tǒng)的冷源由冷凍機房提供，熱源設(shè)在輔助用房旁的鍋爐房內(nèi)。冷凍機房設(shè)計日尖峰冷負荷6 210 kW，系統(tǒng)按冰蓄冷空調(diào)部分蓄冰形式設(shè)計。雙工況螺桿主機和蓄冰盤管為串聯(lián)方式，主機位于盤管上游，末端采用大溫差低溫供水。

冷凍機房設(shè)有3組蓄冰槽，設(shè)計總蓄冰量為4 600 RTH。系統(tǒng)配備空調(diào)工況制冷容量為424 RT、制冰工況為276 RT的雙工況螺桿冷水機組2臺，制冷容量為430 RT的常規(guī)工況螺桿冷水機組1臺。制冷系統(tǒng)概覽界面，如圖1所示。

冷凍水系統(tǒng)采用二級設(shè)計，其中一次側(cè)有三臺乙二醇泵；二次側(cè)有六臺冷凍泵，并設(shè)計了變頻控制。冷凍水二次泵系統(tǒng)界面，如圖2所示。

冷卻水系統(tǒng)設(shè)計有三臺冷卻塔和三臺冷卻泵，每個冷卻塔有二個可獨立控制的風(fēng)機。冷卻水系統(tǒng)界面，如圖3所示。

1.3 冰蓄冷系統(tǒng)工作模式設(shè)計

根據(jù)以上制冷系統(tǒng)的設(shè)計，筆者根據(jù)項目實際情況在五個常規(guī)工作模式的基礎(chǔ)上進行了模式擴展設(shè)計，具體如下。

1.3.1 制冰模式

此模式?jīng)]有擴展。

1.3.2 制冰同時供冷模式

此模式擴展為二種，即：①雙工況主機制冰+基載機供冷模式；②雙工況主機制冰同時供冷+基載機供冷模式。

1.3.3 冷機供冷模式

此模式擴展為二種，即：①基載機供冷模式；②基載機供冷+雙工況主機供冷模式。

1.3.4 融冰供冷模式

此模式?jīng)]有擴展。

1.3.5 冷機與融冰同時供冷模式

此模式擴展為二種，即：①融冰+雙工況機供冷模式；②融冰+雙工況機供冷+基載機供冷模式

擴展后的工作模式共八種，擴展并不是簡單的邏輯組合，必須考慮經(jīng)濟性。比如在第五種常規(guī)模式擴展時，就沒有考慮融冰+基載機供冷模式，這是因為基載機冷量和雙工況機冷量差不多，且考慮到未來模式切換的方便。具體情況在后面章節(jié)進行分析。系統(tǒng)工作模式界面，如圖4所示。

2 冰蓄冷系統(tǒng)工作模式切換設(shè)計

在設(shè)計好系統(tǒng)工作模式后，接下來還需要考慮各工作模式在不同電價時段的運行，以及模式切換順序。

2.1 當(dāng)?shù)仉妰r分段情況

筆者找到當(dāng)?shù)匚飪r部門對相關(guān)電價的政策，如圖5所示。

從圖5可以看出六時段分時電價時段劃分如下：

時段一：高峰時段8：00-11：00；

時段二：低谷時段11：00-13：00；

時段三：高峰時段13：00-19：00；

時段四：尖峰時段19：00-21：00；

時段五：高峰時段21：00-22：00；

時段六：低谷時段22：00-次日8：00。

2.2 利用峰谷電價差，合理安排運行模式

根據(jù)以上六個時段的劃分情況，有以下情況需要考慮：

①時段六，是冷量需求最低的時候，利用低谷電價蓄冰，需要供冷時考慮到先用正在蓄冰的雙工況機，再用基載機。

②時段一、三、四、五，是冷量需求最高的時候，采用融冰供冷，然后按負荷情況再使用冷機供冷，同時留20 min用于時段模式切換；雖然時段四和時段三、五的電價不一樣，但考慮到時段四的時候冷量需要已經(jīng)下降，融冰基本就可以滿足要求了，所以不單列出去考慮。

③時段二，是低谷電價，用冷機供冷，節(jié)約使用蓄冰量。

④在用冷機供冷時，先用雙工況機還是基載機，必須考慮泵的使用情況。如果正在運行的是乙二醇泵，則先用雙工況機，否則先用基載機。

2.3 確定各時段的運行模式

結(jié)合分時電價、各時段冷量需求情況、以及最經(jīng)濟的模式切換方式，最終確定各時段運行模式如下：

①時段22：00-8：00（定時切換）。

制冰模式（Vi6常開狀態(tài)）→雙工況機制冰模式+基載機供冷（后啟動）→基載機供冷+雙工況機制冰同時供冷模式（制冰完成后轉(zhuǎn)基載機供冷）

②時段8：00-10：40（定時切換）。

單融冰供冷模式←→融冰+雙工況機供冷模式←→融冰+雙工況機供冷+基載機供冷模式

③時段11：00-13：00（定時切換）。

基載機供冷模式→（模式切換）基載機供冷+雙工況機供冷模式→融冰+雙工況機供冷+基載機供冷模式

④時段13：20-22：00（定時切換）。

單融冰供冷模式←→融冰+雙工況機供冷模式→融冰+雙工況機供冷+基載機供冷模式→（當(dāng)蓄冰量為零時）切換至基載機供冷模式→基載機供冷+雙工況機供冷模式。

以上各時段運行模式中提到的“定時切換”是指在各時段內(nèi)的各工作模式，可以根據(jù)一年中不同季節(jié)，預(yù)先判定冷量需求情況，設(shè)定好時間表進行工作模式的切換。

還有一個問題需要澄清，即前文說要精確控制，為什么在定時切換的時候，是預(yù)先判定而不是實時判定呢？因為整個冰蓄冷系統(tǒng)在模式切換的時候，會啟動和停止冷水主機、水泵、冷卻塔風(fēng)機等大型設(shè)備，為了避免頻繁開關(guān)設(shè)備而導(dǎo)致設(shè)備損壞，啟動、停止、再啟動設(shè)備必須有時間間隔，本項目設(shè)定為20 min。所以無法做到實時切換，只能在累積一定運行經(jīng)驗后進行定時切換。

該項目由于前期考慮充分，運行模式設(shè)計合理，在3個月的試運行期間，除設(shè)定溫度、時間等一些參數(shù)有調(diào)整外，系統(tǒng)各模式運行正常。最終項目達到了設(shè)計的節(jié)能效果，并順利通過了驗收。

3 結(jié) 語

從實際項目中筆者總結(jié)出了冰蓄冷系統(tǒng)運行模式設(shè)計的如下經(jīng)驗：

①設(shè)備選型應(yīng)符合系統(tǒng)設(shè)計的特點，并且設(shè)備本身應(yīng)有可變負荷運行的節(jié)能能力，這才能體現(xiàn)模式設(shè)計的作用。

②運行模式不能太多，太理想化，應(yīng)從實際出發(fā)來設(shè)計，在每個時段的運行模式中，各個控制模式的選擇和切換順序十分重要，以保證控制模式的順利過渡。設(shè)備的頻繁啟停勢必耗能。

③控制模式的參數(shù)設(shè)定應(yīng)充分考慮設(shè)備自身的能力，不可設(shè)的過大或過小。控制策略需針對系統(tǒng)負荷的變化及時調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)，同時還應(yīng)結(jié)合設(shè)備的特點充分挖掘設(shè)備的節(jié)能潛力。控制系統(tǒng)的反應(yīng)過度或遲緩，勢必會增加能耗。

④所有預(yù)先做的模型設(shè)計、參數(shù)設(shè)定都要在系統(tǒng)實際運行過程中接受檢驗且優(yōu)化。

參考文獻：

[1] 楊培瑩，章學(xué)來，呂磊磊，葉金.某學(xué)術(shù)交流中心冰蓄冷空調(diào)工程經(jīng)濟性分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008，（3）.