黃琴 朱友才

1江蘇揚州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校

2江蘇揚安集團有限公司

冰蓄冷就是利用冰的相變潛熱進行冷量的儲存。單就冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)來說，本身并沒有節(jié)電特性，但是它的蓄冷性能，可以對電力進行“削峰填谷”，這樣便有效解決了電網(wǎng)的調(diào)配，可以減少新建電廠的規(guī)模和幅度，達到節(jié)能和環(huán)保的功效。即使設(shè)計合理的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其初投資也比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高。若能夠最大規(guī)模的節(jié)約運行費用，就能夠縮短使用者的投資回收期，這對進一步推廣冰蓄冷空調(diào)的應(yīng)用有積極的作用。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制運行是降低運行費用的有效手段和保證。本文主要以濟南恒隆廣場冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的機房部分為研究對象，在預(yù)測空調(diào)負(fù)荷基礎(chǔ)上確定冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)工作模式，提出將節(jié)能運行方案與負(fù)荷變化趨勢預(yù)測相結(jié)合的優(yōu)化控制策略。

1 工程概況和設(shè)備配置

濟南恒隆廣場集百貨商店、超級市場、娛樂場所等功能為一體，地下兩層、地上七層，冷水機房位于地下一層，商業(yè)面積17萬m2。夏季設(shè)計日冷負(fù)荷9540RT，商場營業(yè)時間為09:00～23:00，低谷電時段為21:00～07:00。

本工程冷凍機房冷源采用常規(guī)空調(diào)加冰蓄冷系統(tǒng)，設(shè)備配置見表1。

表1 設(shè)備配置表

2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的控制策略

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)分為全量冰蓄冷和分量冰蓄冷兩種，為了節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的初投資以及配電容量，絕大部分冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)都采用了分量蓄冰的設(shè)計，即設(shè)計日空調(diào)負(fù)荷由蓄冰槽和制冷主機共同分擔(dān)冷負(fù)荷。分量蓄冰系統(tǒng)按照分配制冷機的直接供冷和蓄冰設(shè)備的融冰釋冷量的不同組合又可派生出幾種不同的控制策略，具體見圖1。

圖1 冰蓄冷系統(tǒng)控制策略分類示意圖

一個運行良好的控制策略應(yīng)該滿足三個基本約束：冷源系統(tǒng)必須能滿足第二天建筑物空調(diào)用冷的需求；要保證在可能還需要用冰的時段冰槽中所蓄存的冰量不要提前用完；在供冷結(jié)束時不能有冰量剩余[1]。顯然融冰優(yōu)先、主機優(yōu)先和固定比例的控制策略都不可能同時滿足以上三個約束條件，只有具有未來時刻建筑物逐時負(fù)荷預(yù)測功能的優(yōu)化控制系統(tǒng)才能做到使冷源系統(tǒng)滿足上述約束條件。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的實質(zhì)是確定由主機直接供冷和融冰供冷的合理組合搭配，以便滿足逐時供冷的要求，同時使得日運行費用最低。

3 負(fù)荷預(yù)測的原理和軟件

負(fù)荷預(yù)測主要通過分析以往實際運行數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計、概率、矩陣等方法來預(yù)測未來負(fù)荷，它是一個統(tǒng)計模型，預(yù)測不需要考慮諸如新風(fēng)負(fù)荷、日照負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷等基本穩(wěn)定的內(nèi)部因素，只需考慮如最高氣溫、最低氣溫等外部因素就能達到很好的預(yù)測效果。

本工程采用杭州華電華源環(huán)境工程有限公司的FUZZY負(fù)荷預(yù)測軟件。它的負(fù)荷預(yù)測采用統(tǒng)計模型和模糊理論，直接分析以往的運行數(shù)據(jù)來對今后的負(fù)荷進行預(yù)測。統(tǒng)計模型的具體方法是采集以往的運行數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找出這些運行數(shù)據(jù)的規(guī)律與變化趨勢，再根據(jù)預(yù)測日的天氣等對負(fù)荷影響較大的因素進行修正，得出預(yù)測日的預(yù)測數(shù)據(jù)。模糊理論主要針對實際運行中的不穩(wěn)定因素所導(dǎo)致的錯誤采集數(shù)據(jù)，或者根本不具有代表性，不能反應(yīng)負(fù)荷變化的真實規(guī)律的數(shù)據(jù)進行模糊過濾，模糊處理，使預(yù)測結(jié)果更能反映實際規(guī)律，預(yù)測更穩(wěn)定。

該軟件不僅應(yīng)用方便，更能對預(yù)測的負(fù)荷計算出它的相對誤差，并對預(yù)測結(jié)果進行評價。圖2是負(fù)荷預(yù)測評價界面。

圖2 負(fù)荷預(yù)測評價界面

4 優(yōu)化控制模型

優(yōu)化控制軟件根據(jù)以往的負(fù)荷情況、運行情況、次日的氣候情況預(yù)測出次日的負(fù)荷，并根據(jù)預(yù)測負(fù)荷及系統(tǒng)約束條件，對次日的運行方案進行優(yōu)化，輸出次日各時刻的運行工況，包括制冷機的開啟臺數(shù)、乙二醇的開啟臺數(shù)以及主機的設(shè)定（運行工況及溫度設(shè)定）。圖3為軟件根據(jù)預(yù)測負(fù)荷自動生成優(yōu)化運行參數(shù)表。

圖3 優(yōu)化控制參數(shù)表

5 根據(jù)負(fù)荷預(yù)測和優(yōu)化控制模型得出的冰蓄冷運行模式

根據(jù)本項目特點，冰蓄冷系統(tǒng)供冷能力有限，主要還是以大容量離心式冷水機組制冷來滿足商場末端空調(diào)負(fù)荷。對于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)來說，運行模式相對簡單。冰蓄冷運行模式是負(fù)荷預(yù)測和優(yōu)化控制軟件通過自控系統(tǒng)對管路上電動閥開閉，形成不同的回路，從而實現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)在不同工況下工作運行。

1）蓄冰工況。在電力低谷電價時段（21:00～次日07:00），開啟三臺雙工況螺桿冷水機組，在制冰工況下運行，蒸發(fā)器出口溫度設(shè)定為-6.5℃，冷凝器進出口溫度30℃/34℃。圖4為冰蓄冷系統(tǒng)圖，8小時低谷電時段雙工況冷水機組全力運行制冰量，制冰結(jié)束有如下三個判斷依據(jù)：一是冰槽液位傳感器指示已儲存額定冰量；二是控制系統(tǒng)的時間程序指示為非儲冰時間；三是蓄冰槽出口溫度小于-5℃。其中一個條件滿足時，系統(tǒng)即判斷制冰結(jié)束，停止制冰工況。

圖4 冰蓄冷系統(tǒng)圖

2）雙工況機組單供冷工況。當(dāng)空調(diào)融冰供冷無法滿足或冰量不足時，需要開啟冷水機組時應(yīng)優(yōu)先開啟基載供冷。倘若由于負(fù)荷較小為防止離心機出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，可以開啟雙工況螺桿式冷水機組進行供冷。但它在空調(diào)工況下運行，蒸發(fā)器出口溫度設(shè)定為3.5℃，冷凝器進出口溫度32℃/37℃。

3）融冰供冷。在用電高峰時段，盡量使用融冰供冷，并且要根據(jù)全天用冰量的情況，合理地安排供冷時段的用冰量，確保全天的冰量用盡，這樣才能最大限度節(jié)省運行成本。乙二醇溶液和冷凍水在板換進行熱交換時，根據(jù)板換冷凍水出口的溫度調(diào)節(jié)乙二醇泵的頻率，保證冷凍水的供水溫度穩(wěn)定在設(shè)計溫度7℃。

4）主機供冷與融冰供冷聯(lián)合工況。當(dāng)末端負(fù)荷較大時，如達到設(shè)計日供冷尖峰負(fù)荷，所有的離心式冷水機組開啟還滿足不了末端供冷的需求，需投入冰蓄冷聯(lián)合供冷。聯(lián)合供冷在該工況運行時控制系統(tǒng)執(zhí)行臺數(shù)控制，主機和相應(yīng)的水泵及板換均按照主機系統(tǒng)的加載或減載來自動地啟停。

6 本工程冰蓄冷空調(diào)的節(jié)能運行方案

1）為了確保最優(yōu)化控制系統(tǒng)運行時最節(jié)省運行費用，整個冰蓄冷空調(diào)工程的計量系統(tǒng)配備如下：一是末端負(fù)荷計量，設(shè)流量傳感器和溫度傳感器，分別進行流量控制、供回水溫度控制和冷量控制。二是蓄冰計量，設(shè)冰量傳感器對蓄冰量計算。三是融冰計量，控制融冰量大小，實現(xiàn)融冰優(yōu)先模式，合理安排用冰量，節(jié)省運行費用。

2）離心式冷水機組七臺中有三臺設(shè)有變頻啟動，乙二醇泵和二次冷凍水泵采用變頻技術(shù)。

3）尤其是在冷負(fù)荷比較低的過渡季節(jié)，采用冷卻塔免費冷源，通過板式換熱器進行換熱，提供溫度合適的冷凍水，滿足商場內(nèi)區(qū)供冷需要。

4）冰蓄冷技術(shù)的運用，對于空調(diào)處于小負(fù)荷運行時，能充分改善供冷安全性和可靠性，避免了大容量離心冷水機組長時間處于小負(fù)荷區(qū)間運行喘振現(xiàn)象，減少耗能，延長設(shè)備使用壽命。

5）對冷水機組和泵組的群控，輪換，進行臺數(shù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)大溫差小流量節(jié)能運行。根據(jù)負(fù)荷特點，合理安排冷水機組開啟時段，在用電高峰時段，盡可能融冰來滿足末端供冷要求，節(jié)省運行費用。

7 結(jié)語

冰蓄冷空調(diào)節(jié)能運行的關(guān)鍵還是在優(yōu)化控制上，根據(jù)負(fù)荷預(yù)測軟件得出的優(yōu)化控制模型來采取相應(yīng)的運行模式。優(yōu)化控制策略和變頻技術(shù)、計量器三者聯(lián)合使用，這樣才能最大限度地節(jié)約冰蓄冷空調(diào)工程的運行費用。根據(jù)工程運行一年來反饋的數(shù)據(jù)來看，本工程比常規(guī)的冰蓄冷空調(diào)節(jié)省了約25%的運行費。希望本文能起到拋磚引玉的作用，在更廣的范圍內(nèi)對冰蓄冷空調(diào)工程綜合經(jīng)濟性能作出分析和評價，進一步探討一些值得推廣的冰蓄冷工程的節(jié)能運行措施，共同促進冰蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展。

[1]李元旦.建筑物空調(diào)負(fù)荷預(yù)測方法及冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行優(yōu)化控制研究[D].上海:同濟大學(xué),2002