多主机制冷机房变流量解耦控制策略研究①

蒋小强，李 敏，林小闹

·低温与制冷·

多主机制冷机房变流量解耦控制策略研究①

蒋小强，李 敏，林小闹

在单主机制冷机房变流量解耦控制策略基础上，探讨了多主机制冷机房的变流量解耦控制策略。在考虑冷水机组COP值同时是冷负荷及冷却水进水温度的函数基础上，通过比较不同冷负荷分配策略对制冷机房能耗的影响，得到了在大多数负荷区间，采用均匀分配总冷负荷的策略最为节能。这说明，前期关于单主机制冷机房变流量变温差控制方式可推广至多主机制冷机房变流量控制。

变流量;制冷机房;控制策略

文献［1］报道了基于变流量变温差控制策略、单台机组组成的制冷机房在冷负荷和冷却水进水温度变化情况下冷冻水流量和冷却水流量的控制。但在实际应用中，无论是中型制冷系统还是大型制冷系统，主机往往有两台以上，三台或四台的制冷机房也较为常见。本文将分析解耦控制策略推广至多台机组的大型制冷机房。

1 单主机制冷机房变流量解耦策略

根据文献［1］和［2］，对于单台主机组成的制冷机房，在某时刻冷负荷a和冷却水进水温度b已知时，该时刻下基于总能效最大的冷冻水流量和冷却水流量解耦公式为:

式中，a、b、c和d分别代表冷负荷率、冷却水进水温度、冷却水流量和冷冻水流量。式(1）的节能性已经在文献［1］中得到验证，通过对全年能耗进行模拟，其节能潜力相对定流量系统可节能23.27%。

2 多主机制冷机房变流量解耦策略

2.1 多主机制冷机房变流量解耦思路

式(1）用于描述单台制冷机房的变流量解耦控制，前提条件是得知某时刻下的冷负荷 (率）。对于单台主机制冷机房而言，主机负荷即为系统总负荷;但对于多台主机制冷机房而言，某台主机负荷仅为系统总负荷的一部分，那么总负荷如何分配，最为合理节能?此问题需要先进行分析。

当前，对于多台主机的制冷机房，常见的负荷分配及控制策略主要有以下几种方式 (假设各台主机、水泵型号、性能参数完全一致）:

方案一:等量分配负荷。无论负荷多少，所有机组共同、平均承担冷负荷，各主机等容量运行;

方案二:不等量分配负荷。首先开启一台冷水机组，使其冷量由小到大调节满足实际负荷变化，直至出力不够，再开启另一台;此时，再出现两种方案:

(1）各主机均匀分配负荷;

(2）一台满负荷运行，另一台负责负荷余量。

当两台主机不能满足负荷需求时，再开启第三台制冷主机，依次类推。

除了以上，有没有更合理的负荷分配方法?下节进行简单分析。

2.2 COP值静态变化下的冷负荷分配策略

在目前众多关于冷负荷分配研究文献中，总假设制冷主机COP值仅与负荷率有关，而忽略其他参数变化对COP值的影响，因而可认为COP值是静态变化的。

当COP值仅随负荷率变化而变化时，冷负荷的分配常见方式有:方案二 (1） (当系统冷负荷小于50%时，由主机承担全部负荷;当系统负荷大于50%时，主、从机各负担一半）和方案二(2）(当系统负荷小于50%时，由主机负担全部负荷;当系统负荷大于50%时，主机全负荷运行，从机补充不足的负荷）。除了此两种运行方式外，有无更为节能的分配方式，本节将通过把所有制冷主机看为一个整体出发，如果能找到一种分配方式使该整体的能效比始终最大，显然该分配方式将最为节能。

下面以两台相同容量并联运行的螺杆式冷水机组为例，通过分析两台主机的总“COP”值，来找到最为节能的负荷分配方式，并与分配方式方案二 (1）和方案二 (2）进行能耗比较，并得出优化的冷负荷分配方案。

2.2.1 研究对象

研究对象参考某文献的研究模型，设建筑物总冷负荷为800 kW。该空调系统总运行时间为2 284 h［3］，空调负荷率分布如表1所示。选择2台相同规格的某厂生产的螺杆式冷水机组并联运行，每台机组冷量为409 kW，其部分负荷性能参数见表2。该冷水机组冷量可卸载到 90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%和20%。为便于分析，近似认为系统负荷即为机组所承担的负荷。

表1 某建筑物夏季空调负荷率分布Table 1 Cooling load distribution of a building in summer

表2 某螺杆冷水机部分负荷性能参数Table 2 Part load performance parameters of a screw chiller

2.2.2 常见运行方案的主机运行能耗

根据表1和表2计算可得:方案二 (1）冷水机组全年运行总能耗为127 081 kW·h;方案二(2）冷水机组全年运行总能耗为145 375 kW·h。由此看出，冷水机组在不同运行方案下所需的能耗也不同。

事实上，冷水机组的运行方案还有很多种。例如，当系统总冷负荷小于50%时，由2台机组共同承担。在众多运行方案中，如何找到最节能的运行方式呢?每台机组都有一个最佳性能工作区，体现冷水机组工作性能的参数是COP。如果对冷水机组的输出冷量及输出功率即整个冷水机组的“总COP”进行分析，使整个系统均在较高的总COP下工作，那么该运行方案势必将是节能的运行方案。

两台冷水机组始终均衡分担冷负荷的控制方式(方案一）的总COP即为单台机组COP，见表1。当主冷水机组承担全部负荷，冷量不够时再启动从冷水机组承担剩余负荷的运行方式［方案二 (2）］的总COP，见表3。

表3 两台冷水机组按主、从机承担冷负荷情况下的总COPTable 3 Total COP of two chillers by themaster and slave to bear the cooling load

根据表2及表3所示系统不同负荷比下相应的系统总COP，绘制的冷水机组总COP曲线见图1。

图1 冷水机组不同运行方案下的总COP值变化图Fig.1 COP value of chiller under different operating program

2.2.3 运行方案的优化

根据COP值越高越节能的原则，由图1可知，当系统总冷负荷小于38%时，应采用方案二 (2），即主冷水机组承担全部负荷;当总冷负荷大于38%时，应采用方案一，即两台冷水机组平均分担系统负荷。

为便于计算冷水机组的全年运行能耗，以系统总冷负荷的40%为切换点，对运行方案四 (当系统总冷负荷小于40%时，由主机独自承担负荷;当系统负荷大于等于40% 时，由2台机组均分负荷）进行计算，得出冷水机组全年运行总能耗为111 315 kW·h，与常见运行方案二 (1）和方案二 (2）相比，分别节能12%和23%［4］。

显然，对该制冷机房而言，将运行方案一和运行方案二有机结合，才能实现制冷机房主机群的COP值最高。关于这部分内容已经发表在文献［4］上。

2.3 COP值动态变化下的冷负荷分配策略

2.3.1 能耗计算模型

前文的分析以及当前相关文献，对冷负荷分配策略进行研究的前提条件是:制冷主机的COP值仅与负荷率相关。而实际上COP值将不仅与负荷率有关，与冷却水进水温度也有关，即它同时是冷却水流量和冷冻水流量的动态函数。因而有必要针对冷负荷的分配方式进一步分析。

COP值随其它参数的动态变化规律 (以某螺杆式冷水机组为例，见式 (2）［2］:

设制冷机房冷水机组的台数为N(每台主机的型号及性能参数完全一样），可假设整个制冷机房由N个子系统组成，子系统能耗包括制冷主机能耗、为该台制冷主机提供冷却水的冷却水泵能耗、为该制冷主机提供冷冻水的冷冻水泵能耗。为了简化分析，假设水泵能耗仅与总流量及扬程有关，而与水泵台数无关，即当水流量确定后，无论是采用三台水泵，还是四台水泵，其总水泵能耗均不变。

在上述假设前提下，某工况下的制冷机房总能耗W总为［2］:

进入任何一台冷水机组的冷却水进水温度是一样的，但各冷水机组承担的冷负荷不一样，进入的冷却水流量和冷冻水流量不一样，因而每台主机消耗的能量也不一样。

据前文分析，对于文中选定的螺杆式冷水机组而言，给定冷负荷和冷却水进水温度的情况下，使子系统能耗最小的冷却水流量和冷冻水流量为［1］:

将式 (4）代入式 (3），则式 (3） 可变为 (5）:

假设在某工况下，系统冷负荷总量为 Qev，总。显然，系统总负荷等于各子系统冷负荷之和:

其中，Qev，r是冷水机组的额定制冷量，kW。

显然，在系统冷负荷为Qev，r、冷却水进水温度为b的工况下，制冷机房最为节能的负荷分配将根据式 (5）和 (6）决定。不同的分配方案，必然将导致不同的制冷机房能耗［5］。

2.3.2 实例分析

仍以两台冷水机组组成的制冷机房为例，设该制冷机房设计负荷为2800 kW。采用两台制冷量为1406.8 kW的螺杆式水冷冷水机组提供冷量。上海地区某建筑物某日逐时冷负荷和冷却水进水温度变化情况如表4。

为表述方便，规定三种冷负荷分配方案如下:

方案一:两台主机均匀分配总负荷;

方案二 ［即方案二 (1）］:当系统冷负荷小于50%时，由主机1承担全部负荷;当系统负荷大于50%时，主机1和主机2各负担一半;

方案三［即方案二 (2）］:当系统负荷小于50%时，由主机负担全部负荷;当系统负荷大于50%时，主机1全负荷运行，主机2补充不足的负荷。

根据上述规定和表3的工况条件可以确定不同冷负荷分配方案下的冷水机组负荷状况，见表5。

表4 某日逐时总冷负荷及逐时冷却水进水温度Table 4 Total cooling load and cooling water inlet temperature hourly at one day

由表5可以看出，单台冷水机组承担的冷负荷与分配方案有很大的关系，在系统冷负荷保持不变的情况下，不同的冷负荷分配方案势必消耗不同的能量。通过计算，在方案一～三这三种分配方案下，该系统日能耗分别为8638.4 kW·h、8710.8 kW·h和10 991.5 kW·h。显然，最为耗能的冷负荷分配方式是方案三，而方案一和方案二的能耗较为接近。分析不同时刻 (即不同冷负荷、不同冷却水进水温度）下的能效比，可以得出优化的运行方案。

根据图2～4所示不同冷负荷分配方案下的系统逐时能效值可以发现，除了当系统冷负荷低于30%之外，采用两台制冷主机均匀分配系统总冷负荷时的工作效率最高，系统运行最为节能;当系统冷负荷低于30%时，采用单台主机供冷要比两台主机供冷节能，这是因为在低负荷下制冷主机工作效率相对急剧下降［6］。

分析结果与冷水机组COP值静态变化下结果基本一致，只是在采用两台主机均匀分配负荷的转换点更低，这是因为，一方面:当系统处于低负荷时，冷却水进水温度也处于较低温度下，此时，负荷变化对制冷主机的影响力变弱;另外一方面，由于结合两个因素对制冷主机的COP值影响，在低负荷下制冷主机的能耗和冷负荷匹配度较好而具有较高的能效值，因而，当系统冷负荷处于30%以上时，单台制冷主机组成的子系统具有较高的工作效率。上述结论不难推广至三台以上冷水机组组成的制冷机房。

表5 不同负荷分配方案下的冷水机组运行状况Table 5 Load distribution scheme under the chiller operating conditions

图2 分配方案一下的系统逐时能效比Fig.2 Hourly EER under distribution scheme one

既然冷负荷在绝大多数区间内均匀分配最为节能，那么对于多台主机的大型制冷机房可近似拆分多个等冷负荷、等冷却水流量和等冷冻水流量的子系统。每个子系统均可采用式 (1）变流量解耦控制策略对冷却水和冷冻水变流量问题进行优化［7］。

图3 分配方案二下的系统逐时能效比Fig.3 Hourly EER under distribution scheme two

图4 分配方案三下的系统逐时能效比Fig.4 Hourly EER under distribution scheme three

综上所述，基于单台机组的系统得出的解耦控制策略容易推广至多台机组组成的大型制冷系统。

3 结 论

本文在前期关于单主机制冷机房变流量解耦控制策略等工作的基础上，分析了多主机制冷机房冷冻水变流量和冷却水变流量的解耦控制策略。结果表明，在考虑冷水机组COP值同时是冷负荷及冷却水进水温度的函数基础上，通过比较不同冷负荷分配策略对制冷机房能耗的影响可以得到:在大多数负荷区间，采用均匀分配总冷负荷的策略最为节能;这说明前文对单台设备组成的制冷机房变流量变温差控制方式容易推广至多台设备组成的大型制冷机房。

［1］JIANG Xiao-qiang，LONG Wei-ding，LIMin.Optimization control strategy for all-variable speed chilled water plant［J］.Journal of Central South University of Technology，2011，18(2）:573-579.

［2］蒋小强，龙惟定，王民.空调水系统变流量的运行特性［J］.流体机械，2010，38(3）:71-75.

［3］施灵.多台冷水机组空调系统的优化控制［J］.暖通空调，2005，35(5）:79-81.

［4］蒋小强，龙惟定.部分负荷下冷水机组运行方案的优化［J］.制冷与空调，2009，9(3）:96-98.

［5］SHUI Yuan，GRABON Michel.Optimizing energy consumption of a water-loop variable-speed heat pump system［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31(5）: 894-901.

［6］YU FW，CHAN K T.Optimum load sharing strategy for multiple-chiller systems serving air-conditioned buildings［J］.Building and Environment，2007，42(4）:1581-1593.

［7］蒋小强.大型制冷机房变冷冻水和变冷却水流量解耦控制策略研究［D］.上海:同济大学，2010.

(广东海洋大学工程学院，广东湛江524025）

Variable Flow Decoupling Control Strategy of M ulti-Host Chiller Plant

JIANG Xiaoqiang，LIMin，LIN Xiaonao

(School of Engineer，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524025，China）

According to the variable water flow decoupling control strategy of single host chiller plant，the control strategy formulti-host chiller plantwere studied in this paper.Consider the COP value of chiller is a function about the cooling load and inlet cooling water temperature，by comparing the energy consumption of chiller plant under different cooling load allocation strategy.Results shows evenly distribute cooling load was themostenergy-saving strategy atmajority load range.This indicates that the variable water flow decoupling control based on single host chiller plant can be extended up to the host chiller plant system.

variable flow;chiller plant;control strategy

TB657.2

A

1007-7804(2012）04-0008-06

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.04.002

2012-07-09

广东海洋大学科研启动基金项目 (E11122）

蒋小强，男，博士，讲师，主要从事制冷空调节能技术的研究。