冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)高效調(diào)控運(yùn)行案例研究

王廷偉 劉建波 夏小平

南方電網(wǎng)綜合能源股份有限公司

冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控較為復(fù)雜，許多學(xué)者注重傳熱過程、蓄放控制及系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性，并做了大量理論性研究與探討[1]，仍存在與實(shí)際聯(lián)系不緊密等不足之處。本文依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，長期跟蹤分析運(yùn)行模式是否處于高效區(qū)間，給出增加費(fèi)用節(jié)約空間；同時(shí)，提出系統(tǒng)高效運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)，并初步建立冰槽蓄放過程評價(jià)指標(biāo)體系，更好服務(wù)于冰蓄冷項(xiàng)目高效運(yùn)營。

1 項(xiàng)目基本情況

本項(xiàng)目為科研辦公樓宇，中央空調(diào)采用冰蓄冷系統(tǒng)，利用夜間電網(wǎng)低谷電價(jià)運(yùn)行雙工況冷水機(jī)組制冷，以冰的形式儲(chǔ)存于蓄冰槽，在白天用電高峰時(shí)將冰融化提供建筑空調(diào)用冷，提高供電一次能源利用效率，降低空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用和提高空調(diào)品質(zhì)，系統(tǒng)采用國內(nèi)主流、主機(jī)效率高、控制簡單可靠的主機(jī)上游+冰槽下游的串聯(lián)系統(tǒng)（圖1）。

圖1 項(xiàng)目冰蓄冷系統(tǒng)系統(tǒng)圖

空調(diào)系統(tǒng)選用4 臺(tái)900RT 雙工況冷水機(jī)組，2 臺(tái)300RT 基載冷水機(jī)組，設(shè)計(jì)尖峰負(fù)荷6300RT，總蓄冰量約20600RT，提供13～15 萬m2建筑面積建筑用冷。

2 影響高效調(diào)控運(yùn)行的關(guān)鍵因素

項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)取自2019 年5-10 月，當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)時(shí)段：谷段，0:00-8:00；平段，8:00-14:00、17:00-19:00、22:00-24:00；峰段，14:00-17:00、19:00-22:00。

針對冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，提出冰槽利用率（α）、殘冷率（β）以及峰平段放冷比（γ）分析影響蓄冰槽高效調(diào)控運(yùn)行因素。定義如下。

式中：Qs為實(shí)際蓄冷量，RTh；Qe為額定蓄冷量，RTh；Qc為殘余冷量，RTh；Qg為峰段放冷量，RTh；Qp為平段放冷量，RTh。

2.1 冰槽利用率

冰蓄冷系統(tǒng)冰槽蓄冷量設(shè)計(jì)峰值20600RTh，然而隨著地區(qū)氣候變化，特別冬季低用冷需求導(dǎo)致蓄冷量降低，本項(xiàng)目選取時(shí)間屬于高用冷需求，蓄冷量可全部放完，蓄冷量則越多越好。

圖2 所示為項(xiàng)目2019 年8:00 時(shí)蓄冷終了時(shí)刻冰槽蓄冷量，發(fā)現(xiàn)部分時(shí)期蓄冷量并未達(dá)到設(shè)計(jì)值20600RTh，若按照蓄冷量設(shè)計(jì)值偏差10%測算，至少有27 天蓄冷量低于設(shè)計(jì)值90%，甚至最低不足17000RTh，則全年冰槽利用率約85.3%。

圖2 蓄冰槽8:00 時(shí)刻終了蓄冷量

2.2 冰槽殘冷率

項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)未考慮冰槽冷量未放完的殘余冷量，實(shí)際上殘余冷量是無法避免的，但是應(yīng)盡可能降低其占比，將會(huì)導(dǎo)致節(jié)能效益被夸大。

圖3 所示為項(xiàng)目2019 年0:00 時(shí)蓄冰槽殘余冷量，從全年數(shù)據(jù)分布看，殘冷量維持在1800RTh 左右，殘冷率約10%。從各月數(shù)據(jù)分布看，8 月份殘冷量最高，接近2000RTh。5 月與10 月殘冷量最低，約1500RTh。綜上所述，僅部分時(shí)期日殘冷量達(dá)到4000RTh，殘冷率整體分布較為平均。

圖3 冰槽0:00 時(shí)殘冷量與殘冷率

2.3 峰平段放冷比

項(xiàng)目冰蓄冷系統(tǒng)放冷過程，存在三種運(yùn)行模式，包括蓄冰槽單獨(dú)放冷，冷水機(jī)組單獨(dú)放冷以及兩者聯(lián)合放冷。不管何種方式，最理想情況高峰時(shí)段末端供冷則全部由蓄冷量覆蓋。

圖4 所示為項(xiàng)目2019 年峰段與平段放冷量情況，正常情況下橫坐標(biāo)兩端峰段放冷量占比較大，中間占比相對較低，然而6 月份前后及8 月份峰段占比偏低，存在放冷異常。從全年峰段放冷量看，峰段放冷量占比68.6%，峰平段放冷比為2.18。

表1 所示為5-10 月峰段放冷量占比，9 月份最高為78%，峰平段放冷比3.55，7 月及8 月份低于70%，放冷比不足2.33。若6-8 月份峰段放冷量提升至相同水平，高峰時(shí)段放冷量增加16.6 萬RTh，效益相應(yīng)提升5.45%。

表1 項(xiàng)目高峰放冷量占總放冷量比例

3 改進(jìn)措施與效果分析

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)依賴峰谷電價(jià)政策，低谷電價(jià)蓄冷，峰平段電價(jià)放冷，系統(tǒng)建成后，盡可能把蓄冰槽蓄滿、用盡，且盡可能覆蓋高峰電價(jià)時(shí)段，因而做好以這幾點(diǎn)將成為冰蓄冷系統(tǒng)高效調(diào)控運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.1 提升冰槽利用率

提升冰槽利用率是容易保證的，確保8 小時(shí)蓄冰時(shí)間即可，冰槽就能達(dá)到設(shè)計(jì)蓄冷量。由前面分析可知，5-10 月本項(xiàng)目冰槽利用率僅85.3%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值98.1%，具備實(shí)施價(jià)值。

如圖5 所示項(xiàng)目供冷量與蓄冷量，每日供冷量遠(yuǎn)大于蓄冷量，蓄冷量可全部被利用，冰槽利用率將提升至98.6%，相應(yīng)增加蓄冷量50.4 萬RTh；若全部用于平段放冷，效益相應(yīng)提升8.3%；若全部用于峰段放冷，效益則相應(yīng)提升15.6%，節(jié)約效果明顯。

圖5 項(xiàng)目供冷量與蓄冷量情況

3.2 加強(qiáng)項(xiàng)目用冷量預(yù)測

5 月份工作日與節(jié)假日逐時(shí)供冷量差距較大，詳見圖6、7，對于第一個(gè)高峰電價(jià)時(shí)段（14:00-16:00），工作日集中在2000～3000RTh，節(jié)假日則集中在1000～2000RTh，各時(shí)段用冷量基本一致；對于第二個(gè)電價(jià)高峰時(shí)段（19:00～21:00），隨著項(xiàng)目冷負(fù)荷降低，工作日集中分布0～2000RTh，而節(jié)假日集中分布0～1500RTh。

圖6 工作日逐時(shí)供冷量分布區(qū)間

圖7 節(jié)假日逐時(shí)供冷量分布區(qū)間

因此，若項(xiàng)目辦公人員與面積變化不大，以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)亦變化較小，能夠相對精確判斷項(xiàng)目用冷量分布區(qū)間，進(jìn)而對冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)控。

表2 項(xiàng)目各月工作日逐時(shí)供冷量分布（單位：kRTh）

國內(nèi)外關(guān)于空調(diào)負(fù)荷預(yù)測研究已較為普遍，采用包括遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、離散規(guī)劃數(shù)學(xué)模型等[2]，后期將據(jù)此開展應(yīng)用分析。

4 結(jié)論

1）針對冰槽蓄放過程，提出三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，評價(jià)實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量。其中，蓄冷槽利用率低于設(shè)計(jì)值，保證每日最大蓄冷量，效益最大可提升15.6%。

2）結(jié)合蓄放過程質(zhì)量評價(jià)，且加強(qiáng)項(xiàng)目用冷量預(yù)測，可對系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)施高效調(diào)控，優(yōu)化冰槽殘冷率和峰平段放冷比，實(shí)現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)效益最大化。