某動態冰蓄冷空調系統控制策略的優化(其他)

                      詹利軍 劉剛 甘長德 魏曙光

                      東華大學環境科學與工程學院

摘要：冰蓄冷空調系統控制策略有多種形式，又各有其優缺點。本文將制冷主機運行效率與冰蓄冷空調系統運行策略結合起來，通過計算制冷主機逐時COP值，找到一種更加適合冰蓄冷空調的運行策略，可以大幅節省運行費用和降低運行能耗，實現國家、電商、用戶的共利同贏。    

關鍵詞：冰蓄冷空調冰片滑落式制冷機效率優化控制經濟性

0  引言

    冰蓄冷空調技術是移峰填谷，平衡電網負荷的重要技術。然而，只有通過合理的優化蓄冷空調系統運行策略，才能真正發揮上述優勢。本文通過對東華大學松江校區冰片滑落式冰蓄冷系統的分析、計算，得到東華大學松江校區冰蓄冷空調系統的制冷主機逐時COP值，以用來指導對該蓄冷空調系統控制策略的優化，最后進行了整個供冷季的耗電量和電費計算，表明考慮制冷主機逐時效率的蓄冷空調控制策略能具有更大的節能空間，有效地降低供冷季的運行費用。

1  工程概況

  東華大學（松江）校區總建筑面積約8.6萬m2，總空調面積達5.2萬m²。中央空調系統采用冰蓄冷（蓄熱）系統方式（圖1），主要包括圖文信息中心、信息理學學院樓、人文外語學院樓、第二餐廳以及校行政辦公樓。夏季尖峰冷負荷為8790 kW，冬季尖峰熱負荷為3000 kW。分兩期投入使用，首期尖峰負荷為：6828 kW，熱負荷為1600 kW。二期尖峰負荷為：1960 kW，熱負荷為：1400 kW。一期裝機容量為5970 kW，二期裝機容量為2820 kW，總裝機容量為8790 kW。    

作為學校供冷，每天供冷時間為8:00-22:00，每周供冷五天。周六、周日時只有少量辦公室、閱覽室開放，可由機載主機直接供冷就可以滿足負荷要求。

2  制冷主機運行效率分析及對系統控制策略的優化

2.1設計日各時段的冷凝溫度

    夏季室外空氣濕球溫度日變化模型為：

取30.4℃，B0取1005.3kPa，B’取1013.25 k Pa，通過式(1)計算，計算結果列在表1中，濕球溫度一天變化如圖2。

    該工程選用的冷卻塔熱力性能曲線，由計算出的不同濕球溫度，可以查出冷卻塔的出水溫度，按照當前工程的實際經驗，水冷式制冷機組冷凝溫度比冷凝器出水溫度（冷卻塔出水溫度）高出3～5℃，本文取5℃，由此可得到制冷機冷凝溫度，結果見表2。

2.2設計日各時段的蒸發溫度

  該工程使用Mueller公司的制冷機組，蒸發溫度靠外平衡式熱力膨脹閥開度來進行調節。當外界負荷較大時，板式換熱器冷凍水出口溫度較高，所以蒸發板片進水溫度比較高，此時熱力膨脹閥調節加大開度，使得在節流閥處的壓降減小，由于冷凝壓力幾乎不變，故蒸發壓力必然升高，蒸發溫度相對比較高。反之，外界負荷較小時，蒸發溫度會相對較低。

    板式換熱器的一次冷凍水來自于蓄冰槽，冰槽內水溫恒定，約為1⁰C，冷凍水回路按定流量設計，設計流量為1148 m³/h，根據各個時段的負荷，可計算出冷凍水在板式換熱器的出口水溫。根據設備廠提供的電磁膨脹閥資料，電磁膨脹閥能自動調節開度，控制蒸發溫度，蒸發溫度比蒸發板片出口冷凍水溫度低約1.5℃，所以，可計算出蒸發板片的出口冷凍水溫度，然后再反推出蒸發溫度，將計算結果列在表1中。

2.3設計日各時段制冷機COP值

    圖3所示為制冷循環壓焓圖，制冷機的制冷性能系數公式如下：

    依據上述得到的各時段的冷凝溫度和蒸發溫度，通過飽和氟利昂R-22的蒸汽參數表及壓焓圖查出各個溫度所對應的焓值，根據式(2)得到各個時段的制冷機COP值。冷凝溫度和COP值的結果列于表2中。

    為了尋找影響冷水機組COP值的因素，現將設計日逐時負荷列在圖4。

    通過對比表2和圖4，可以發現：對于冷水機組而言，負荷率對其COP值影響很大。COP較低時段8:00-9:00和19:00-22:00分別對應冷負荷較小的時段。究其原因，是由于該時間段負荷較小時，冷凍水回水溫度相對較低，熱力膨脹閥會根據冷凍水回水溫度自動調節開度，從而導致冷水機組蒸發溫度較低，進而減小了冷水機組性能系數(COP)。

    同樣，非設計日時，由于學校的特殊性，8:00-9:00和19:00-22:00這兩個時間段內，圖書館、教室和餐廳等室內人員較少，當天冷負荷降低較多，此時若開啟冷水機組制冷，恰是冷水機組COP值較低的時段，造成能耗和經濟上的浪費，故應盡量避開。

2.4具體優化策略

    對于設計日負荷下，該優化策略和其他控制策略沒有很大的差別，運行時主機全部開啟在100%負荷率下運行，不足部分由蓄冰槽補充。

    然而，在整個供冷季，設計日負荷的天數只占大約10%，其它絕大部分的時間系統都在非設計日負荷的情況下工作。白天8:00-9:00和19:00-22:00時間段，不開啟制冷主機，完全由蓄冰槽通過融冰供冷。這樣就保證了制冷機不在其COP較低的時段運行。而9:00-19:00時段，若蓄冰槽剩余冷量Q_c大于該時段所需冷量Q _a，則不需開啟制冷主機，仍由蓄冰槽獨自供冷。反之，則根據差值大小依次開啟各螺桿制冷機組，

以保證每臺制冷主機運行時處于COP值較高時段。晚上22:00-6:00時間段，四臺機組均開啟制冰運行模式。

    例如，在70%設計日負荷下，對該考慮制冷主機COP的優化控制和主機優先控制的負荷分配進行比較，見圖5，則非設計日時，該優化控制策略的優勢便顯現出來了。

    對于當日負荷小于或等于30%設計日負荷的情況。由于設計該工程時蓄冰槽提供冷量占總冷量的30%，故可全天利用蓄冰槽供冷，關閉所有冷水機組。

3供冷季用電量及電費比較

本工程電價表見表3。

    整個供冷季按照6月1日到9月30日計算。其冷負荷分布頻數見圖6所示。主機優先供冷策略、蓄冷優先策略和結合制冷機效率的優化控制策略的電耗、電費在表4中列出。從列表中可以看到，采用了結合制冷機效率的優化運行控制方式后，整個供冷劑運行費用明顯下降，比主機優先策略降低了21.3%，比蓄冷優先策略降低了11.6%，充分體現了該運行策略下冰蓄冷系統的經濟效益。

4  結論

    1)通過以上分析可知，對東華大學松江校區所使用的冰蓄冷系統而言，采用考慮制冷機逐時效率來優化運行策略比制冷機優化和蓄冷優化策略更加合理，利用制冷機效率較高時段開啟主機制冷，而制冷機效率較低時采用蓄冰槽制冷，可以在用電量相當的情況下大幅度降低整個供冷季的運行費用。該蓄冷空調系統控制策略可以推廣到類似蓄冷空調系統中使用。

    2)雖然主機冷凝溫度和蒸發溫度二者都對制冷機的制冷效率有影響，但是蒸發溫度對COP值的影響相對冷凝溫度要大很多。而且冷凝溫度與當地濕球溫度有很大的關系，因此，對于在相同地點的制冷機組，想要改變其冷凝溫度是比較困難的。我們應當從蒸發溫度著手，來提高制冷主機的COP值。

    3)蓄冷空調已經越來越多地出現在中央空調系統的設計中，把制冷機逐時效率與蓄冷空調控制策略結合起來的選擇性開機運行策略不僅可以實現制冷機的高效運行，提高制冷機的高制冷效率，而且充分發揮蓄冷空調利用低谷電能、移峰填谷和提高電網安全運行優勢，達到高效節能和降低運行費用的目的。