慈 超 沈致和 胡玉坤

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某冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制及經(jīng)濟性研究

慈 超 沈致和 胡玉坤

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 合肥 230009）

冰蓄冷是移峰填谷，平衡電網(wǎng)負荷的重要技術(shù)。從冰蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化控制出發(fā)，分析了目前常用的三種控制策略即冷機優(yōu)先，蓄冰優(yōu)先和優(yōu)化控制在實際工程應(yīng)用中的優(yōu)缺。結(jié)合了機組優(yōu)先控制策略和冷水機組逐臺啟動策略的優(yōu)點，提出了一種新的優(yōu)化控制策略；并以一實際工程為例，分析了在不同負荷下具體運行策略。運用靜態(tài)經(jīng)濟分析法對冰蓄冷系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)進行經(jīng)濟分析，論證了該冰蓄冷系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟性。

冰蓄冷；優(yōu)化控制；常規(guī)空調(diào)；能耗；經(jīng)濟分析

0 引言

冰蓄冷空調(diào)是平衡用電負荷，解決電力供應(yīng)不足的有效途徑。該系統(tǒng)以其“移峰填谷”和“節(jié)省運行費用”的優(yōu)勢獲得了電力部門和用戶的青睞，得到了廣泛的運用。對于冰蓄冷系統(tǒng)而言，合理控制冰蓄冷設(shè)備在谷段電價時間的蓄冰量，以及在峰段和平段電價時間的融冰速度是決定冰蓄冷系統(tǒng)運行費用的關(guān)鍵因素。冰蓄冷優(yōu)化控制的核心問題就是合理安排和分配峰段及平段電價時間內(nèi)制冷機組直接供冷和蓄冰裝置融冰供冷之間的比例，以最經(jīng)濟的方式滿足空調(diào)負荷的要求。常規(guī)的控制方式有三種制冷機優(yōu)先、蓄冰優(yōu)先和優(yōu)化控制[1]。但冷機優(yōu)先無法發(fā)揮冰蓄冷系統(tǒng)“轉(zhuǎn)移負荷”能力；蓄冰優(yōu)先會導(dǎo)致制冷機組長時間處于低負荷狀態(tài)不經(jīng)濟合理；優(yōu)化控制需要建立控制模型，求解復(fù)雜而且在工程中很難實現(xiàn)。本文將工程中常用的冷機優(yōu)先策略和冷水機組逐臺啟動法相結(jié)合，提出一種優(yōu)化和控制冰蓄冷系統(tǒng)的策略，并和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)比較分析，證實其經(jīng)濟性和可行性。

1 冰蓄冷優(yōu)化控制策略

冰蓄冷優(yōu)化控制的目的是節(jié)約運行費用。冰蓄冷系統(tǒng)控制的核心是合理安排和分配峰段及平段電價時間內(nèi)制冷機機組直接供冷和蓄冷裝置融冰供冷之間的比例。假設(shè)夜間蓄冰量固定，從客觀上考慮，白天就應(yīng)該在滿足建筑物空調(diào)負荷需求的基礎(chǔ)上，盡可能地少開制冷機組，同時將制冷機組的開啟時間盡可能安排在平價電費時段。但是，考慮到制冷機組在不同負荷率下的能效比是不同的，如果在低負荷率下，制冷機組工作在平價電時段獲得單位冷量所實際支出的費用也可能高于在高峰電價時段獲得同樣冷量的費用，所以在平價時段開啟多臺制冷機組進行供冷時需要考慮到機組的實際運行費用。為正確地衡量各時段制冷機組輸出冷量所付出的代價，定義單位冷量實際價格[5]這一概念。單位冷量實際價格為每獲得1kW冷量實際支付的費用。根據(jù)制冷機組廠商提供的產(chǎn)品樣本和設(shè)備選型，計算得到一套制冷設(shè)備（制冷機組，冷卻塔，冷凍水泵，冷卻水泵各一臺）在機組負荷率為100%、75%、50%、25%的能耗值，再利用MATLAB進行曲線擬合得到不同負荷率下制冷設(shè)備的能耗函數(shù)：

式中，表示制冷機組的冷量輸出，kW；表示制冷機組在此負荷率下的功率，kW。因而，某時段的單位冷量實際價格：

（2）

式中：表示制冷機組的冷量輸出，kW；表示此時的電價，元/度；表示制冷機組在特定時段、特定負荷率下的單位冷量實際價格， 元/kW。

按公式（2）繪制出單套制冷設(shè)備在不同時段，制冷機組在不同負荷率下的單位冷量實際價格比值曲線圖，如圖1所示。

圖1 不同時段單位冷量實際價格與基準價格比較

將制冷機組工作于高峰電價時段、滿載運行狀態(tài)下的單位冷量實際價格作為基準價格。認為當(dāng)單位冷量實際價格高于基準價格時，利用制冷機組供冷是不合適的，應(yīng)盡可能利用融冰提供這部分冷負荷；當(dāng)單位冷量實際價格低于基準價格時，利用制冷機組供冷是合適的。

由圖1可以看出，在高峰時段顯然應(yīng)盡可能融冰供冷，不足部分由制冷機組承擔(dān)。按照這種思想，通過逐時空調(diào)負荷預(yù)測，便可確定24小時高峰時刻制冷機組的逐時啟動臺數(shù)。

對于平價電費時段，存在一個分界負荷率。當(dāng)制冷機組的負荷率高于分界負荷率時，單位冷量實際價格低于基準價格；當(dāng)制冷機組的負荷率低于分界負荷率時，單位冷量實際價格高于基準價格。此分界負荷率可通過求解方程（3）中的output獲得。

平價時段制冷機組的逐時啟動臺數(shù)可按如下方法確定：對于某一時段，逐臺增加制冷機組的啟動臺數(shù)，在擬定啟動制冷機組和蓄冰設(shè)備之間采用機組優(yōu)先供冷控制策略，計算由制冷機組輸出冷量的單位冷量實際價格。如果價格低于基準價格，還有可用空閑制冷機組，則繼續(xù)增加啟動臺數(shù)。直至當(dāng)起動臺，其單位冷量實際價格低于基準價格，而當(dāng)起動+1臺時，其單位冷量實際價格高于基準價格或已無可用空閑機組，則此時段的制冷機組啟動臺數(shù)即為。通過這種方法，即可確定在平價時段制冷機組的逐時啟動臺數(shù)。

另外，如果考慮在任意時段制冷機組啟動臺數(shù)一定，那么增加制冷機組的負荷率可以降低制冷機組供冷的單位冷量實際價格，因此，對于某一時段已決定啟動的制冷機組與蓄冰設(shè)備之間采用機組優(yōu)先控制策略，這樣可以保證在可能的條件下制冷機組輸出冷量的實際價格均低于或等于基準價格，以盡可能做到節(jié)約運行費用。

以上這種控制策略實際是基于制冷機組逐時啟動臺數(shù)的機組優(yōu)先控制方式，通過動態(tài)合理地確定逐時啟動臺數(shù)，把傳統(tǒng)冰蓄冷優(yōu)化控制中精確確定各時刻制冷機冷量輸出的思想轉(zhuǎn)化為確定制冷機逐時啟動臺數(shù)，大大簡化了數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)難度。是優(yōu)化冰蓄冷系統(tǒng)日運行費用的一種控制策略，下面以一實際工程為例，進行分析。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本文以某醫(yī)院病房樓為研究對象。此病房樓總建筑面積約為24395m2，地上12層，地下一層，高度為49.95m，總空調(diào)面積17400m2。該建筑夏季空調(diào)最大冷負荷2430kW，設(shè)計日全天總冷負荷為31797kWh，空調(diào)供冷季負荷總和為2188008kWh，供冷季按112天計算。該系統(tǒng)采用常用的主機位于上游的串聯(lián)蓄冷形式，制冷主機空調(diào)運行時間按14h計算。由于該建筑夜間逐時負荷超過350kWh，需設(shè)一臺基載冷水機組，擬定全天24小時運行。運用DeST模擬軟件對該建筑進行冷耗模擬，得到設(shè)計日的逐時負荷見表1。

表1 設(shè)計日逐時冷負荷

2.2 冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)備選型

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)制冷機組的容量的確定與機組的運行模式有關(guān)。本文討論的是基于冷機優(yōu)先的運行模式；同時根據(jù)本建筑負荷的特點，夜間存在一定的負荷需設(shè)一臺基載機組，基載機組的容量一般按夜間最大逐時負荷選擇。而一般為了充分利用基載的投資，在主機優(yōu)先運行策略下，要求基載機組全天運行。所以在計算該雙工況機組和蓄冰裝置容量時要減去基載機的逐時制冷量，計算公式如下：

（1）制冷機名義制冷量[2]：

（2）蓄冰裝置有效容量[2]：

（5）

式中，為設(shè)計日的總負荷，kW；q為逐時基載負荷，kW；為白天制冷機在空調(diào)工況下的運行小時數(shù)，h；為夜間制冷機在蓄冷工況下的運行小時數(shù)，h；為制冷機蓄冷時制冷能力的變化率即實際制冷量與標定制冷量的比值；q為制冷機空調(diào)工況下的制冷量，kW；Q為蓄冷裝置有效容量，kWh。

2.3 冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計

本工程按冰蓄冷空調(diào)分量蓄冰模式設(shè)計，經(jīng)計算最終確定配備三臺空調(diào)工況制冷量400kW，制冰工況制冷量280kW的雙工況螺桿機組；同時配置一臺容量為500kW的基載螺桿制冷機組。蓄冰裝置采用蓄冰盤管系統(tǒng)，蓄冷量7560kWh，蓄冰率為23.8％。選用一臺換熱量為2500kW的板式換熱器，板式換熱器將蓄冰系統(tǒng)的冰水混合物和空調(diào)系統(tǒng)冷凍水回路隔離，板式換熱器冷凍水側(cè)進/出口溫度為12℃/7℃，冰水混合物側(cè)進出口溫度1.5℃/8.5℃。冰蓄冷機房主要設(shè)備配置見表2。

表2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備

3 典型負荷的運行策略

本工程的冰蓄冷空調(diào)按制冷機組逐時啟動臺數(shù)的機組優(yōu)先控制方式運行。當(dāng)日負荷較小，小于等于最大融冰供冷量時，該樓的全天空調(diào)負荷由融冰供冷基本可以滿足，不開啟制冷機組。當(dāng)日負荷大于最大融冰供冷量時，在白天供冷分2個時段：高峰時段、平價時段。在高峰時段，系統(tǒng)將依據(jù)實際的冷負荷需求，優(yōu)先使用融冰供冷來滿足負荷要求，不足部分由制冷機組承擔(dān)；但在平價時段，優(yōu)先使用制冷機組來供冷，不足部分由融冰供冷提供。但在擬定制冷機臺數(shù)時，需要計算制冷機輸出冷量的實際價格，考慮制冷機組的負荷率，保證輸出冷量的實際價格小于或等于基準價格，依據(jù)這一原則確定制冷機組的開啟臺數(shù)。本文將供冷季的負荷分成4種典型負荷，結(jié)合峰谷電價和逐時啟動臺數(shù)的機組優(yōu)先控制原則，得到了典型負荷的運行模式，見圖2、3、4、5。典型負荷空調(diào)工況機組開啟策略見表3。

表3 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行策略

圖3 100％負荷運行策略

圖4 75％負荷運行策略

圖5 50％負荷運行策略

圖6 25％負荷運行策略

4 經(jīng)濟分析

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價有很多評價方法和評價指標。本文擬采用靜態(tài)經(jīng)濟評價方法分析冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，以投資回收期為評價指標。投資回收期定義式為：

式中：Δ為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加初投資，元；Δ為蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運行費節(jié)省量，元；I為蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資，元；I常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資，元；P為蓄冷空調(diào)系統(tǒng)全年運行總費用，元；P為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)全年運行總費用，元。

靜態(tài)經(jīng)濟評價方法使用最為直觀與方便，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在投資回收期以后，其每年節(jié)省的費用即為用戶所獲得的經(jīng)濟效益。一般認為回收期小于5年的是經(jīng)濟可行的。

4.1 初投資

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資費用主要在于與制冷設(shè)備有關(guān)的設(shè)備如：制冷主機，各種泵，冷卻塔，蓄冰設(shè)備等費用。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備見表4。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備初投資概算見表5、6。

表4 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備

表5 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資

表6 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資

續(xù)表6 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資

4.2 運行費用與投資回收期

本項目的空調(diào)供冷時間從6月1號到9月20號，為112天。根據(jù)負荷模擬結(jié)果，統(tǒng)計達到100%設(shè)計日負荷的時間約為14天，總負荷達到設(shè)計日負荷75%的時間約36天，總負荷達到設(shè)計日負荷50%時間46天，總負荷達到設(shè)計日負荷25%時間16天。結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r政策（表8）和運行耗電量可以得到2種空調(diào)系統(tǒng)的供冷季運行總費用，見表7。

表7 冰蓄冷空調(diào)與常規(guī)空調(diào)運行電費比較

表8 峰谷電價

經(jīng)計算可知，該項目冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備初投資費用比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資增加了約38.8萬元，而每年的運行總費用比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省了約15.1萬，可得該項目的投資回收期=2.7年。

5 結(jié)論

在冰蓄冷優(yōu)化控制方法中，傳統(tǒng)的主機優(yōu)先或者融冰優(yōu)先都不能使冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)達到最優(yōu)狀態(tài)，而追求理論上的最優(yōu)控制在實踐中又很難實現(xiàn)。本文提出的逐時啟動臺數(shù)的機組優(yōu)先控制方式，通過合理確定逐時制冷機組的啟動臺數(shù)，解決了傳統(tǒng)機組優(yōu)先控制策略無法發(fā)揮系統(tǒng)負荷轉(zhuǎn)移能力的缺點，又確保了機組高效率運行的優(yōu)點，是一種較為可行的，更接近最優(yōu)控制的控制模型。

本文以投資回收期為評價標準，將該冰蓄冷空調(diào)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)進行經(jīng)濟分析，得到冰蓄冷空調(diào)投資回收期為2.7年，驗證了該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的控制方式比較節(jié)省費用，具有不錯的經(jīng)濟效益。

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Study on Economic Analysis and Optimization Control to Ice Storage Air-conditioning System

Ci Chao Shen Zhihe Hu Yukun

( School of Civil and Hydraulic Engineering Hefei University of Technology, Hefei, 230009 )

Ice storage is an important technology of peak clipping and channel filling and grid load balancing. This paper started with optimization control to ice storage air-conditioning system, then analyzed the advantages and disadvantages of the current three common control strategies that was cold priority, ice priority and optimization control in practical application. This paper banded merit of two kinds of control strategies that was cold priority and one by one chiller starting, put a new optimization control strategy; Analyzed the hourly operational strategy under the different cooling load based on an example project. Economic analysis was made for the ice storage air–conditioning system and the conventional air conditioning system by using static economy method. Economic effectiveness of the ice storage air-conditioning system an was demonstrated.

Ice storage; Optimization control; Conventional air conditioning system; Energy consumption; Economic analysis

1671-6612（2017）02-204-06

TU831.6

B

慈 超（1990-），男，在讀研究生，E-mail：cc969136483@163.com

沈致和（1963-），男，教授，碩士生導(dǎo)師

2015-12-18