冰蓄冷辐射空调系统运行优化与能耗分析

梁坤峰，任岘乐，贾雪迎，王林，阮春蕾，张林泉

（河南科技大学制冷与空调技术研究所，河南洛阳 471003）

冰蓄冷辐射空调系统运行优化与能耗分析

梁坤峰*，任岘乐，贾雪迎，王林，阮春蕾，张林泉

（河南科技大学制冷与空调技术研究所，河南洛阳 471003）

基于温湿度独立控制思路，提出了一种将冰蓄冷、毛细管辐射及地源耦合的冰蓄冷辐射空调系统，以实现电力负荷“削峰填谷”、降低能耗和更好的热舒适性。建立了冰蓄冷辐射空调系统的运行优化模型，以杭州地区某办公楼为实例，进行了负荷计算、运行方案优化以及能耗分析，结果表明冰蓄冷辐射空调系统与常规空调系统相比，具有显著的节电和节省运行费用优势。实际应用中需综合考虑蓄冰容量的限制以最终确定系统运行方案。

温湿度独立控制；冰蓄冷；辐射空调；运行优化；能耗

0 引言

冰蓄冷利用水/冰相变潜热蓄存能量，夜间用低谷廉价电制冰蓄冷，白天用电高峰融冰释冷，满足建筑物空调或生产工艺的用冷需求。用冷地区的峰谷电价差使其运行费用显著减少，已成为区域供冷冷源选择的有力竞争者[1-5]。而最近研究较多的顶板辐射和置换通风相结合的辐射空调系统[6-8]，其基于温湿度独立控制思想与传统的热湿耦合处理空气的空调相比，室内环境的热舒适性、能耗、运行费用、吹风感和噪声等得以显著改善。目前，从国内外关于冰蓄冷和辐射空调的公开文献看[9-12]，两个系统基本都是互相独立，很少有将两种空调技术结合的研究。因此，开发一种冰蓄冷辐射空调系统，既利用冰蓄冷空调的电力调峰潜力，又使辐射空调发挥其高舒适性、低能耗的特性，具有重要的研究价值和现实意义。

日本的中野幸夫等[13]研究了一种蓄冰和辐射供冷结合的空调系统，该系统供冷时取冰作为蓄冷介质，从蓄冰槽中制取3 ℃～4 ℃的冷水供给空气处理机组，机组产生的低温低湿空气送入安装在房间顶板与吊顶上的金属辐射板之间，并通过对流方式将辐射板冷却，降温后的辐射板则通过辐射方式带走室内热负荷；冷空气经对流换热后升温，从窗侧的吊顶末端送入房间，用于消除室内全部余湿和部分余热。但由于该系统送入辐射顶板的空气温度较低（10 ℃～11 ℃），易于在金属辐射板表面结露，影响其使用寿命；此外，该系统中新风实际上承担了室内全部负荷，其节能的特征并不显著。为此，本文基于温湿度独立控制方法提出了一种新型冰蓄冷辐射空调系统。

1 冰蓄冷辐射空调系统

冰蓄冷辐射空调系统是将冰蓄冷系统和毛细管辐射空调系统相结合。首先，冰蓄冷系统可以在晚间电力低谷时间段利用双工况机组进行蓄冰；而在白天电力高峰时段，再将冷量释放出来制取冷冻水，来承担新风除湿所需冷量和一部分毛细管辐射供冷所需的冷量；独立新风系统采用置换通风，使室内能保持较高的空气质量；此外，系统还设置有地埋管构成的土壤换热器，利用地下土壤这一免费冷源来为毛细管辐射供冷提供主要的冷量。图1为冰蓄冷辐射空调系统原理图，主要由三个子系统构成：1）冰蓄冷系统；2）独立全新风除湿系统；3）毛细管辐射供冷系统。

冰蓄冷系统主要由双工况机组、蓄冰槽和乙二醇泵，以及末端和下一级系统相连的板式换热器组成，其中双工况机组的冷凝侧设有冷却塔和热回收装置，热回收装置可以回收一部分冷凝热来再热冷冻除湿后的低温新风。系统采用主机上游串联、主机优先工作模式。这样可使温度较高的回水首先通过制冷机组，使机组保持较高的运行效率，节能性好。同时，可以降低蓄冰槽容量、减少初投资。工作时可以有四种运行模式，分别为：蓄冰模式、融冰供冷模式、制冷机单独供冷和制冷机融冰联合供冷模式。各模式下阀门及泵的开启状态，如表1所示。在非标准设计日内，空调冷负荷的变化较大，需通过优化控制蓄冰槽的有效融冰量以满足冷负荷需求。因此，采用制冷机组优先的策略，制冷机组满负荷运行，投入的台数及开启时间则要由系统整体优化控制方案来确定。融冰供冷量为总冷负荷与制冷机供冷量的差值，其供冷量随逐时负荷和制冷机投入台数的变化而变化。

图1 冰蓄冷辐射空调系统原理图

表1 各工作模式下设备开启表

室内送风方式采用置换通风，即下送风上排风的方式。置换送风有较高的舒适性，由于送风速度较小，避免了传统空调的风感问题。虽然室内经排风口排出的污浊气体的温度湿度有所升高，但对于室外空气来说，其温度还是比较低的，所以为避免直接排到室外导致冷量的浪费，可设置全热回收装置来回收这部分冷量，对新风进行预处理。但由于新风承担室内全部潜热负荷和小部分显热负荷，房间的送风量很小，为此新风的含湿量应处理到较小值，才能满足室内除湿要求。一般处理至低于室内含湿量4 g/kg以上，由此带来了新风再热所造成的能源浪费问题，可采取以下措施解决：一方面系统利用机组冷凝热产生的热水对新风进行再热升温处理，机组停机时可以用电加热来辅助加热；另一方面在送入房间前的主风道上设置一段室外空气再热风道，通过调节风门开度控制进入再热风道的风量从而调节送风温度。图2为新风处理过程示意图。由系统原理图可知，在新风处理过程中引入双级全热回收空气处理机用于新、排风的处理。新风首先在一级热回收装置中回收室内排风的冷量，状态由W变化到W'，由W'变化到W''的冷量则来自于混合空气由C变化到O'所失去的冷量，新风状态由 W''经过冷冻除湿变化到机器露点 L。随后通过新、排风的混合，新风中引入室内排风，达到送风状态C。此时，为了实现室内送风状态点O，需从空气状态O'开始加热，分别通过预冷新风和引入机组冷凝热的方法实现O'到O的状态变化。该系统的空气处理过程充分利用了室内排风和机组冷凝热，有利于解决新风预冷、再热过程的辅助能耗问题。

辐射供冷系统主要由毛细管网辐射末端、分水器、集水器、高温冷水泵、地埋管环路以及与上一级系统相连的板式换热器组成，辅助设备主要有膨胀补水箱等。毛细管网辐射供冷系统是把毛细管网安装在室内顶棚上，以17 ℃～19 ℃的高温冷水作为冷源，通过辐射方式进行换热，辐射供冷仅影响室内显热冷负荷。

图2 空气处理过程示意图

2 运行优化模型

冰蓄冷系统的运行方案需根据建筑逐时负荷特征和设备配置容量、机组台数以及当地峰谷电价情况等综合设计分析，选取最优的运行方案。本文分别以100%负荷、75%负荷、50%负荷和25%负荷为典型负荷，建立基于全天运行费用最低的优化模型，以获取该系统在不同负荷条件下的运行方案。计算模型如下：

设用户k时刻的负荷为qk，其中制冷机负担qrk，蓄冰罐负担qik，制冷机的费用为R(qrk)，蓄冷罐的费用为I(qik)。全天的运行费M为：

优化的约束是：

qrkmax为制冷机k时刻的最大制冷能力；qikmax为蓄冰罐k时刻的最大融冰供冷能力，由蓄冰罐Calmac 1190 A在回水温度10 ℃、供水温度6.7 ℃下的融冰曲线用最小二乘法拟合确定：

融冰供冷量：

其中：

x——已融冰供冷量，kW；

t——时刻，h；

y——各时刻的最大融冰供冷量，kW·h。

最终得：

由此，优化问题转化为取M的最小值：

约束条件：

ak为制冷机单位供冷负荷费用，等于(94/246)×Ek，Ek为平时电价。bk为冰罐负担单位冷负荷的费用，等于(94/162)×E低谷，E低谷为低谷电价，杭州地区分时电价表如表2所示。

表2 杭州地区分时电价

3 基于工程实例的系统运行方案分析

基于杭州地区某办公楼进行冰蓄冷辐射空调系统运行方案分析。该工程地上6层，高25.1 m。建筑内主要有办公室、会所、值班室、接待大厅、开敞办公室、餐厅和休息室等房间。工程位于杭州市，东经120°26′、北纬30°10′，建筑面积6,800 m2，总空调面积为6,150 m2。要求能够实现夏季供冷并能满足人体的舒适性及卫生要求。室内外主要设计参数为：夏季空调室外干球温度为 35.70 ℃，相对湿度为80%；夏季室内空气温度为26 ℃，相对湿度为 60%。假设该建筑为办公室，空调供冷时间07:00～18:00，利用清华大学开发的建筑环境设计模拟分析软件DeST (Designer’s SimulationToolkits)，计算得到设计日逐时负荷图，如图3所示。

图3 设计日逐时负荷图

通过上述模型计算得出了在 100%负荷、75%负荷、50%负荷和25%负荷情况下不同运行方案的日总蓄冰量和日运行费用，如表3所示。由表3可知在不同负荷日，当总蓄冰量越大时，日运行费用越小。由于本工程蓄冰量已定，可得出冰蓄冷辐射空调系统在不同负荷下的运行策略。但由于所建立的模型是一个线性优化模型，在实际求解冰蓄冷系统运行优化问题方面，难以仅从模型中所获得最低运行成本角度进行选取。

同时，文章还给出了典型负荷情况下，如100%负荷、75%负荷、50%负荷和 25%负荷，所优化出的运行方案，如图4所示。根据上述所建立的运行优化数学模型，计算出冰蓄冷辐射空调系统在不同负荷、不同主机开启台数情况下的日总蓄冰量及日运行费用。当日运行费用最少时，总蓄冰量最大，理论上此时运行策略最优。但在本工程中蓄冰设备、蓄冰容量(2,592 kW)已定，使得在日负荷较大时，不能选取运行费用最少的运行策略。在冷负荷非常小时，控制策略充分发挥蓄冰罐的潜力，冷机完全不运行。在冷负荷较小时，控制策略在满足用冷负荷的条件下，尽量利用蓄冰罐融冰来满足用户冷负荷需求。当冷负荷接近典型设计日负荷时，为了满足用户冷负荷的需求，必须控制各时刻的蓄冰罐的融冰量。

表3 不同负荷情况下日总蓄冰量和日运行费用

图4 典型负荷运行策略图

4 能耗分析

冰蓄冷辐射空调系统与常规空调系统配置如表4所示。对两个系统的能耗进行对比，即计算年耗电量，需明确空调系统在不同负荷下的运行天数。故此，本文对空调系统的年运行情况进行必要的假设。

杭州市地处长江流域以南，夏季炎热，供冷时间约从5月中旬至10月上旬，建筑全年的供冷时间约为140天，其中100%负荷日为30天，75%负荷日为40天，50%负荷日为45天，25%负荷日为25天。分别以100%负荷、75%负荷、50%负荷、25%负荷为基础进行比较，得出夏季本系统与常规空调系统日运行能耗运行耗及整个供冷季节运行能耗，如表5所示。

表4 冰蓄冷辐射空调与常规空调主要设备表

表5 冰蓄冷辐射空调与常规空调耗电量及费用比较

由表5可知，冰蓄冷辐射空调系统相对于常规空调系统具有明显的节电优势，供冷季节的能耗仅为常规空调系统的47.53%；在经济上的优势更加明显，其在供冷季节的运行费仅为常规空调系统的39.10%，整个供冷季节节省了17.65万元的运行费。但需注意的是，冰蓄冷辐射空调系统受制于城市峰谷电价差的影响，与常规空调系统的用电时段及用电量显著不同。

但是，冰蓄冷辐射空调的初投资比常规空调系统大，主要体现在蓄冷设备、毛细管网和毛细管网的安装以及地埋管换热器的制造费用上。如能合理设计冰蓄冷辐射空调系统，那么影响该空调系统投资回收期的主要因素就是空调使用地域的峰谷电价差；从上面的分析可以看出不同的峰谷电价差对投资回收期的影响是非常显著的，地方政府在其电价的审批上应给予强有力的支持。

5 结论

1) 基于温湿度独立控制所提出的冰蓄冷辐射空调系统，由冰蓄冷系统、独立新风除湿系统和毛细管辐射供冷系统三个子系统构成；该系统将具有电力调峰能力的冰蓄冷系统和高舒适性、低能耗的辐射空调系统耦合，并利用地埋管为毛细管辐射供冷提供主要的高温冷源。

2) 基于所建立的全天运行费用最低的优化模型，获取不同负荷条件下的系统运行方案；分别计算了不同负荷下的耗电量和运行费用，与常规空调系统相比，文中所提出的冰蓄冷辐射空调系统具有显著的节电和省运行费用优势。

3) 在实际工程中采取的运行方案还需考虑蓄冰容量的大小，根据文中所建立的模型得出的日最少运行费用的运行方案并非实际运行方案，运行方案的具体选取还需考虑实际工程的蓄冰容量限制。

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Operation Optimization and Energy Consumption Analysis of Radiation Air Conditioning System with Ice Storage

LIANG Kun-feng*,REN Xian-le,JIA Xue-ying,WANG Lin,RUAN Chun-lei,ZHANG Lin-quan
(Institute of Refrigeration and Air Conditioning Technology,Henan University of Science and Technology,Luoyang,Henan 471003,China)

Based on the idea of temperature and humidity independent control,a radiation air conditioning system with ice storage was presented,which combined ice storage system,capillary radiation air conditioning,and ground-source heat exchanger;the new system may realize the power load peak load shifting,the reduction of energy consumption and good thermal comfort.Operation optimization model is established for the ice storage air conditioning system.Taking an office building in Hangzhou area as an example,the load calculation,operation strategy optimization and energy consumption analysis have been conducted.The results show that,the ice storage air conditioning system has the remarkable advantages for saving electricity and operation cost than the conventional air conditioning system.In the practical application,ice storage capacity constraints are considered in order to determine the system operation scheme.

Temperature and humidity independent control;Ice storage;Radiation air conditioning system;Operation optimization;Energy consumption

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.208

*梁坤峰（1975-），男，博士，副教授。研究方向：蓄能空调技术与低品位能源利用。联系地址：河南省洛阳市西苑路48号86#，邮编：471003。联系电话：13949230093。E-mail：liangkunf@163.com。

国家自然科学基金(U1304521)，河南省科技攻关项目(102102210162)