基于負荷模擬的某綜合體育館冰蓄冷空調系統運行控制策略

馮華晟，黃超，劉正揚，謝厚旻，姚國濤

（中國建筑第八工程局有限公司）

1 引言

國內早期體育場館建設時主要關注賽時的使用，對賽后再利用缺乏全生命周期的設計考慮，容易造成資源閑置和浪費[1]。由于賽時賽后運營內容差別較大，體育場館的上座率和活動頻次差別也較大，導致空調系統的設計工況和實際運行工況差別較大[2-3]，因此，在建設階段預測今后的運營狀況，并根據運營需求制定相應的空調系統運行策略非常必要。

綜合性體育場館大多屬于高大空間的公共建筑，冷負荷指標達到230W/㎡～580W/㎡[4-5]，能耗費用占場館年運營收入的45.41%[6]，且同時具有瞬時人流大、峰值負荷高、部分負荷占比大的特點。冰蓄冷系統削峰填谷、運行費用低的優勢恰好契合此類項目[7]。但由于冰蓄冷系統比常規空調系統結構復雜，對自控的要求也更高，如果其運行策略或控制方法選擇不當，則無法發揮移峰填谷的優勢[8-9]。

2 項目及空調系統簡介

2.1 建筑功能信息

杭州奧體中心體育游泳館項目包含體育館、游泳館和配套商業三種業態，其中體育館總建筑面積74357㎡，地上五層，地下局部兩層，建筑高度45m，總座席數達到17348個。游泳館總建筑面積53959㎡，地上三層，地下局部兩層，建筑高度35m，總座席數6484個。配套商業總建筑面積83734㎡，地上一層、地下一層。該項目建成后將作為2022年亞運會的主場館，承擔亞運會各項賽事。亞運會結束后會引入社會資源，打造成為一個集賽事、演出、文藝活動多種功能于一體的綜合性體育場館和商業中心。設計院在最初設計時，空調設計參數按照體育場館及亞運賽事標準選取，但在賽后運營期內大型賽事活動頻率較低，需根據日常運營活動功能進行負荷預測和計算，本項目賽時和賽后的活動詳見表1。

表1 各業態賽時及賽后活動對比表

2.2 空調冷熱源系統簡介

體育館設計總冷負荷19389kW，總熱負荷10616kW，冷凍水供回水溫度：4.5/14.5℃，熱水供回水溫度：60/50℃。空調冷源采用串聯式冰蓄冷雙工況制冷系統，集中冷站內設蓄冰裝置1座，蓄冰量103750kW·h（29500Rth）。4臺離心式雙工況冷水機組，制冰工況制冷量10540kW，制冷工況制冷量16880kW；4臺變頻乙二醇冷凍水泵；6臺變頻冷凍水泵；6臺變頻冷卻水泵。鍋爐房內設5臺燃氣熱水鍋爐，總供熱能力17500kW。另外，由于項目緊鄰錢塘江和七甲河，單獨設置江水源熱泵系統，給運營期時商業內部電影院提供獨立冷熱源，2臺螺桿式水源熱泵機組，總制冷量1400kW，總制熱量1340kW，另設3臺變頻江水源冷凍水泵。建筑平面圖及冷熱源分布詳見圖1。

圖1 建筑平面圖及冷熱源分布

3 全年空調逐時負荷模擬計算

3.1 能耗模擬軟件

本項目利用Carrier E20-HAP以及Energyplus能耗模擬軟件，把系統中包含的體育館、游泳館及商業三塊區域分別進行冷負荷模擬計算及綜合分析，主要借助其強大的氣象資料數據庫和氣象模擬計算功能，進行8760h的負荷估算。Energyplus基于動態負荷理論，對包括建筑物及相關的供熱、通風和空調系統設備能耗情況進行模擬分析。主要利用其負荷模塊分析模擬建筑外圍護結構及其與室外環境和室內負荷之間的影響。利用系統模塊和設備模塊，驗證和分析各項運行策略對空調系統能耗的影響。

3.2 建筑模型及邊界條件

建筑模型主要包括體育館、游泳館及商業空調區區域，通過輸入建筑物所在地理位置、圍護結構性能參數、建筑物內部人員、照明、電氣等內部負荷以及HVAC設備和系統等邊界條件，在軟件中創建數據模型。邊界條件的設定對于負荷模擬的準確性至關重要。

①建筑圍護結構熱工參數的選取盡量和實際相匹配，詳見表2。

表2 建筑圍護結構熱工參數

②室內設計參數選取盡可能按照功能空間細分，并區分賽時和賽后不同活動功能對于室內設計參數的需求。

③運營期活動的頻率、活動類型等需和運營人員提前溝通確認，盡可能貼合實際。本項目經過和運營方多次溝通，確定體育游泳館在前5年運營期每年安排活動46場，活動類型和場次分布詳見表3。

表3 體育游泳館全年活動場次分布

④考慮不同場館、商業的營業時間、空調開啟時間、人數以及人員密度、照明及設備熱擾對負荷的影響。

3.3 全年空調逐時冷負荷模擬結果

對系統中包含的體育館、游泳館及商業區域分別進行冷負荷模擬計算及綜合分析后，全年綜合空調逐時冷負荷曲線如圖2所示。原設計方案按照亞運會相關賽事要求設計，由于設計標準高、系統可靠性要求高，冷熱負荷指標選取、主機設備選型相對冗余較大，而實際在后期運營中，空調系統峰值負荷21400kW（6091Rt）相比原設計賽事期下降30%。通過對負荷模擬結果分析可知，系統負荷率低于40%的時間占比接近90%，系統負荷率高于54%的僅有10天，系統在賽后運營期處于低負荷率下（見圖3）。

圖2 全年空調逐時冷負荷分布

圖3 供冷季負荷率分布圖

4 冰蓄冷空調系統運行策略研究

冰蓄冷空調系統控制要解決冷負荷在制冷機組和蓄冰裝置之間協調分配的問題，常見控制策略有制冷機組優先控制、融冰優先控制、定比例控制、優化控制4種方式[10]。本項目在優化控制策略的基礎上，制定了冷量分配策略的總體原則。

①可靠性原則。確保系統的制冷量大于控制日逐時冷負荷預測結果。

②經濟性原則。結合杭州當地峰谷電價分布，控制制冷機組和蓄冰裝置在各個時段的冷負荷分配，充分利用蓄冰裝置的冷量，減少電力高峰時段的用能。

③節能性原則。確保制冷機組始終運行在高效區，采用變頻水泵，盡量降低管路阻力。

④穩定性原則。避免頻繁的開關機和模式切換，降低操作難度和頻率。

4.1 供冷模式類型

對于串聯式冰蓄冷雙工況制冷系統，共有兩種運行模式：單融冰供冷模式和聯合供冷模式。單融冰供冷模式下，雙工況主機不啟動，環路被旁通，直接通過蓄冰槽融冰向空調系統末端進行供冷。啟動該模式的觸發條件為：①小時冷負荷≤最大融冰速率（按12%計，即3540Rt），此時靜態冰蓄冷系統按照最大融冰速率進行融冰；②日負荷不超過最大有效蓄冰量103751kW·h（29500Rt·h），聯合供冷模式下，雙工況制冷機串聯接入系統中，冷凍水回水先經過雙工況制冷機降至額定出水溫度后，再經過蓄冰槽進一步降至設計供水溫度后，向空調系統末端進行供冷。啟動該模式的觸發條件為：①小時冷負荷大于12540kW（3540Rt）；②日負荷高于最大有效蓄冰量103751kW·h（29500Rt·h）。同時，需注意串聯系統受雙工況冷機最大流量限制。

4.2 不同負荷率下，冷機與融冰供冷策略表

運用前述方法，本次研究在全年空調逐時負荷10%～100%范圍內，尋找出單融冰供冷和聯合供冷的分界線，對于處于聯合供冷的空調負荷區間，進一步分段研究冷機和融冰聯合供冷的策略，即冷機開機比例和融冰量的組合策略，用以指導冷源群控程序編制達到優化運行的目的。具體結果詳見表4所示。

表4 分段負荷率下冰蓄冷系統運行策略總表

結合負荷結果與冷水機組性能分析得出，逐時負荷小于峰值負荷的42%時，采用單融冰供冷模式即可滿足使用要求；逐時負荷為峰值負荷的42%～60%時，應開啟兩臺主機；逐時負荷為60%～86%時，應開啟三臺主機；逐時負荷大于86%時，應開啟四臺主機，可滿足各負荷區間段內冷機負載率處于高COP值范圍。

5 結語

由于多功能綜合性體育場館賽時和賽后運營內容差別較大，導致空調系統峰值負荷相比原設計賽事期下降30%。因此，運營單位需提前介入建設階段，根據運營需求制定空調系統運行策略。其次，體育場館項目間歇性供能特點顯著，系統負荷率<40%的運行時間接近90%，冰蓄冷系統可以很好發揮削峰填谷的優勢，具有很好的經濟性。再次，當逐時負荷小于峰值負荷的42%時，可采用單融冰供冷模式，其余時間采用聯合供冷模式。由冷機群控系統預測負荷大小自動匹配開機臺數，可確保冰蓄冷空調系統高效節能。