上海某工業園區冰蓄冷空調系統控制及策略研究

楊林

摘 要：結合上海某工業園區空調系統的設計與施工，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、基載機供冷模式及免費供冷等數種運行策略。區域性部分負荷冰蓄冷能源中心是一種既安全又高效的供能方式，與全負荷冰蓄冷制冷模式相比，可減少大量初期投資，又能適應不同的運行工況；與常規空調制冷模式相比較，不但能平衡電網的峰谷差，還有明顯的運行經濟性。

關鍵詞：冰蓄冷；能源中心；運行策略

中圖分類號：TU201? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）02-0112-03

0 引言

在建筑運行能耗中，空調制冷占比巨大。在夏季用電高峰時，由于各公用建筑的空調系統在白天的大量使用，電量在白天遠遠大于夜間的使用量，加重了電網用電峰谷的供需矛盾，造成了夜間發電站處于低消運轉，導致了能源上的巨大浪費。

基于冰蓄冷供冷系統特點，可通過調節來平衡電網峰谷差。在夜晚電價低谷階段，采用冷凍機蓄冰模式，通過乙二醇溶液冰點較低的特性將冷量儲存到蓄冰槽內。在白天負荷與電價處于高峰時，便可以將蓄冰槽內的冰凍冷量進行釋放，以此彌補電網用電峰谷的壓力，降低企業營運用電費用。

1工程概況

該工業園區位于上海市閔行區，總建筑面積17.3萬m2，其中地上11.5萬m2，地下5.8萬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。

地上建筑性質為廠房及配套服務用房，地下為設備用房、員工餐廳及車庫。由于該園區分三期開發，占地面積大，單體建筑多，不同類型入住公司的空調使用情況復雜。因此，提供安全、可靠、穩定的能源中心控制方案是本項目空調工程的首要任務。

2能源中心蓄能方案

本項目采用集中冷熱源系統，除服務于本期項目外，同時預留冷負荷于后期建設的地塊。冷源采用外融冰式部分負荷冰蓄冷系統，即夜晚低谷電價階段機組滿負荷制冰，白天融冰和機組運行以滿足總冷負荷。項目選用2臺1875RT型離心式雙工況機組，設計蓄冰裝置總容量為20 000 RTH，蓄冰槽內選用單臺蓄冰量380 RTH，共52臺鋼制蓄冰盤管。考慮到入住用戶的數據中心、實驗室或其他類型設備在夜間22：00后的使用，另設2臺75RT型夜間運行基載主機冷水機組，冷水機組及蓄冰槽安置于地下室的能源中心內。冷卻塔置于通風良好的高層屋頂上。

制冷工況時雙工況主機供回水溫度為6.5/11.5℃，再經過蓄冰盤管溫度降為3.5℃，經過板換在用戶側提供5/13℃的冷凍水。一次側冷凍水采用26%的乙二醇溶液，雙工況冷凍機組在制冰運行模式下，供回水溫度為-2.5/-5.6 ℃。該園區內同時考慮到換季期及冬季個別特殊區域仍需供冷，設免費冷源板換供冷，可減少主機的能耗。

該園區項目夏季計算逐時最大冷負荷12 393 kW（3523RT），單位建筑面積冷負荷指標107.8 W/m2。該項目能源中心由于同時服務二期地塊，因此部分夏季冷負荷預留后期地塊為13 168 kW。能源中心總承擔冷負荷為25 561 kW，使用系數0.85，管道的熱量損失2%。冷源按照22 161 kW，共6300RT設置（表1）。按各用戶類型24 h負荷曲線疊加，設計日峰值負荷為6 300 RT。

3能源中心運行策略

3.1 能源中心控制系統的基本目標

具有以下5個：①系統能夠及時響應用戶末端負荷的變化。②控制區域能源系統中所有設備，使之能夠滿足區域內各用戶的額外負荷需求，實現能源中心的供冷與末端用戶的實際需求量的匹配。③在滿足末端負荷的前提下，通過自動控制措施，保證供冷質量穩定。④提高能源中心、管網輸送系統、各用戶末端系統的運行能效。⑤以最低的運行成本為控制目標，充分的利用谷段的冰蓄冷，并實現系統的能效最大化，運行成本最低。

3.2 運行策略的原則

依據設計日24h逐時負荷比例為100%、75%、50%、25%負荷進行初步的運行策略排布（注：參照冷水機組IPLV值確定的統計方法，其負荷比例關系需在實際運行項目統計數據中需不斷進行調整）。

運行策略安排原則：運行費用最少，融冰優先，基載次之，隨后雙工況。由于冷水機組（即使不變頻）IPLV值較高，在預估冷卻水溫度低于32℃時，可優先安排部分荷載運行。

運行策略是否最優，需經過幾年的實際運行費用測算確定。在測算、尋優過程中，甄別影響系統效率各種因素，控制邏輯按照運行策略編寫程序，并在實際運行中不斷進行學習調整，直至最優為止。

4能源中心系統運行分析

能源中心外融冰蓄冷供冷系統，依據負荷的不同，共計有6種工況模式轉換。各工況控制模式轉換外融冰矢量圖如圖1所示。能源中心運行策略表如表2所示。

4.1 夜間雙工況蓄冰模式

電價谷段時間段，即22：00～6：00，2臺雙工況機組全部進入蓄冰模式，雙工況冷凍機組在制冰運行模式下，供回水（乙二醇溶液）溫度為-2.5/-5.6 ℃。機組滿負荷運行，通過低溫的乙二醇溶液將蓄冰槽內的水制成冰水狀態。乙二醇溶液在制冷機和蓄冰槽循環溫度為-2.5/-5.6 ℃，蓄冰槽的水結成冰。隨著蓄冰量的增加和時間的推移，當任何一組蓄冰盤管蓄冰厚度達到設計值時，冰層厚度傳感器發出信號，該組乙二醇管路電動閥關閉，避免盤管完全凍結，雙工況機組自動降載運行直至停止蓄冰工況運行。

4.2 單融冰供冷模式

當該工作日空調系統總負荷小于蓄冰槽的總融冰供冷量。根據優化控制原則，為減少運行電費，各機組白天電價峰段時間段停機，除蓄冰槽泵組正常運行外，冷卻塔及各泵組均停止運行，僅依靠蓄冰槽單融冰模式提供冷源。該時期的冷負荷由蓄冰槽單獨提供，電網的移峰填谷的作用得以完全體現。

4.3 融冰+基載機供冷模式

夜間或谷電電價時段，或負荷略大于蓄冰槽的總融冰供冷量時（設計日負荷大于20 000 RTH時），在蓄冰池融冰基礎模式下，乙二醇泵組停止運行，蓄冰槽泵組及基載泵組正常運行。基載主機在自動模式下先啟動1臺，并根據負荷降載運行。當負荷在375～750 RT時，2臺啟動，根據負荷降載運行。

4.4 融冰+基載機+雙工況供冷模式

制冷季的高峰期時，依據負荷，夜間單融冰供冷模式100%蓄冰，日間高峰時段少開或部分負荷開機，盡量采用融冰制冷。制冷優先次序為融冰、基載、雙工況（與運行策略應一致）。該模式下需要準確地控制出水溫度，利用分配水泵入口處的2個回水調節閥與冰池入口管路上的調節閥同步動作，以出水溫度2～2.5℃為控制目標。乙二醇泵依據蓄冰工況阻力及空調工況阻力設置2個不同的頻率，變頻運行。運行時與壓差傳感器同步變頻。

4.5 基載機供冷模式

夜間或谷電電價時，當負荷Q≤750 RT時，基載主機在自動模式下，確定啟動臺數，降載運行。當負荷Q≤150 RT時，基載冷機停止運行，自動切換到融冰供冷模式。

4.6 冷卻塔免費供冷模式

過度季依據客戶營運的需求，確定是否開啟該模式。當室外濕球溫度小于10℃，開啟相關水泵、板換、冷卻塔，各冷凍機組及蓄冰系統停止運行。夜間需依據室外氣象傳感器，確定是否開啟冷卻塔防凍模式。

5冰蓄冷群控系統的特點

控制系統根據負荷預測結果進行分析，結合控制算法，確定區域能源系統各運行工況的最佳組合方式，生成運行控制策略。根據系統溫度及壓力等參數，調整系統內不同執行機構（電動閥門以及變頻器）等及時動作，確保系統能夠及時跟隨空調負荷的變化，保證空調供冷品質，并以最可靠、穩定的方式運行，使整個系統達到最經濟的運行狀態，提高系統的管理效率和降低管理勞動強度。自動控制技術主要體現以下這5個主要方面。

5.1 負荷預判斷技術

空調負荷預測主要經過數年的正常運行后，通過分析以往實際運行數據，采用負荷預測平移法預測第二天負荷需求。基于負荷預測，實現提前編制運行控制策略，保障控制的準確性。

5.2 制冷主機能效優化群控技術

主機群控技術系統根據運行策略，確定最佳設備效率（冷機、冷卻塔和水泵等）組合方式，自動調節電動閥門及變頻器等執行機構，實現自動啟停控制。根據冷負荷情況適當地確定冷水機組的運行臺數，使冷量滿足負荷要求，即使系統工作效率達到最高，也不會發生冷水機組頻繁啟停。這對于保障機組安全節能的運行有重要意義。

本項目采用的雙工況離心式制冷機和基載機都具備較好的冷量調節手段，在冷卻水溫度不同時，控制機組在部分負荷下變頻運行，高效運轉。制冷機的群控目標為總體COP最高。

5.3 冷水輸送泵組變頻高效控制技術

供冷水輸送系統的主要輸送供冷水到各末端用戶。在本項目中，供冷水系統通常分為兩個環路：一次環路和二次環路。一次環路主要功能是冷水機組及蓄冰槽產生低溫供冷水。二次環路承擔將空調用冷水傳輸和分配到各末端用戶，即負荷側。合理的供冷水泵變流量控制可在保證系統末端供冷需求的前提下，降低水泵的能耗。

該園區中所含分散的建筑物較多，不同建筑物群之間的負荷相差較大，為保證供冷水系統能夠更好地滿足不同建筑群體的供冷需求，系統內所有空調末端的費用壓力都能滿足要求的前提下，采用輸送水泵變流量群控技術及水泵組高效控制技術降低輸送供冷水泵的運行能耗。

5.4 冷卻水溫度雙優化控制與乙二醇泵組變定點變頻控制

冷卻水控制系統是整個控制系統的重要組成部分，分冷卻供水溫度控制和冷卻供回水溫差控制。在滿足末端負荷需求的前提下，最優的冷卻水供回水溫度應使制冷機、冷卻塔風機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行，各模式下雙工況主機與水泵的開啟臺數不同，管路系統沿程阻力也不盡相同。能源中心根據實際運行策略數據，可預先確定數種工況下乙二醇水泵的運行頻率，此方法仍需在運行中進行微調，以達到最優效率。

5.5 冷卻塔水溫群控控制技術

為了最大限度地減少冷卻塔風機的開啟時間，發揮所有冷卻塔的冷卻能力，采用冷卻水泵對多臺冷卻塔的運行控制模式。

該園區雙工況冷機2臺對應6組（每組3個小塔）冷卻塔，當1臺機組開啟時，6組冷卻塔全部開啟，當冷卻塔出水回水溫度低于設定溫度=室外濕球溫度+3.5℃（趨近溫度設定），10 min后，冷卻塔的風機低速運行，同時風機臺數控制；當冷卻塔出水回水溫度高于設定溫度=室外濕球溫度+3.5℃（趨近溫度設定），10 min后，風機高速運行。

當冷卻水回水溫度低于設定溫度10 min后，6組冷卻塔已全部低速運行，此時關閉第1組冷卻塔風機，當供水溫度繼續降低，第2組冷卻塔的風機關停， 水溫繼續降低，可一組一組地關閉冷卻塔風機。

6結束語

與內融冰系統相比，外融冰系統運行更加地靈活并適合復雜的區域供冷環境，能明顯提高冰蓄冷系統的經濟性，因此該園區區域供冷選擇部分負荷外融冰系統。蓄冰槽和傳統的制冷機組并聯制冷模式，有利于根據負荷情況在融冰優先和主機優先切換。通過控制制冷機組的數量和融冰泵的可變流量，使負荷調節更靈活、更準確、更簡單。

本文根據該園區不同運行狀況，制定6種運行策略，以達到降低運行成本。通過群控系統優化自控技術，以充分發揮冰蓄冷空調系統節省運行費用的優勢。當然，能源中心仍需在運營過程中提供不同的定制化的優化調度策略，以適應不同類型客戶的運行需求。

參考文獻

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