某冰蓄冷空调系统优化控制及经济性研究

慈 超 沈致和 胡玉坤



某冰蓄冷空调系统优化控制及经济性研究

慈 超 沈致和 胡玉坤

（合肥工业大学土木与水利工程学院 合肥 230009）

冰蓄冷是移峰填谷，平衡电网负荷的重要技术。从冰蓄冷系统优化控制出发，分析了目前常用的三种控制策略即冷机优先，蓄冰优先和优化控制在实际工程应用中的优缺。结合了机组优先控制策略和冷水机组逐台启动策略的优点，提出了一种新的优化控制策略；并以一实际工程为例，分析了在不同负荷下具体运行策略。运用静态经济分析法对冰蓄冷系统和常规空调系统进行经济分析，论证了该冰蓄冷系统具有良好的经济性。

冰蓄冷；优化控制；常规空调；能耗；经济分析

0 引言

冰蓄冷空调是平衡用电负荷，解决电力供应不足的有效途径。该系统以其“移峰填谷”和“节省运行费用”的优势获得了电力部门和用户的青睐，得到了广泛的运用。对于冰蓄冷系统而言，合理控制冰蓄冷设备在谷段电价时间的蓄冰量，以及在峰段和平段电价时间的融冰速度是决定冰蓄冷系统运行费用的关键因素。冰蓄冷优化控制的核心问题就是合理安排和分配峰段及平段电价时间内制冷机组直接供冷和蓄冰装置融冰供冷之间的比例，以最经济的方式满足空调负荷的要求。常规的控制方式有三种制冷机优先、蓄冰优先和优化控制[1]。但冷机优先无法发挥冰蓄冷系统“转移负荷”能力；蓄冰优先会导致制冷机组长时间处于低负荷状态不经济合理；优化控制需要建立控制模型，求解复杂而且在工程中很难实现。本文将工程中常用的冷机优先策略和冷水机组逐台启动法相结合，提出一种优化和控制冰蓄冷系统的策略，并和常规空调系统比较分析，证实其经济性和可行性。

1 冰蓄冷优化控制策略

冰蓄冷优化控制的目的是节约运行费用。冰蓄冷系统控制的核心是合理安排和分配峰段及平段电价时间内制冷机机组直接供冷和蓄冷装置融冰供冷之间的比例。假设夜间蓄冰量固定，从客观上考虑，白天就应该在满足建筑物空调负荷需求的基础上，尽可能地少开制冷机组，同时将制冷机组的开启时间尽可能安排在平价电费时段。但是，考虑到制冷机组在不同负荷率下的能效比是不同的，如果在低负荷率下，制冷机组工作在平价电时段获得单位冷量所实际支出的费用也可能高于在高峰电价时段获得同样冷量的费用，所以在平价时段开启多台制冷机组进行供冷时需要考虑到机组的实际运行费用。为正确地衡量各时段制冷机组输出冷量所付出的代价，定义单位冷量实际价格[5]这一概念。单位冷量实际价格为每获得1kW冷量实际支付的费用。根据制冷机组厂商提供的产品样本和设备选型，计算得到一套制冷设备（制冷机组，冷却塔，冷冻水泵，冷却水泵各一台）在机组负荷率为100%、75%、50%、25%的能耗值，再利用MATLAB进行曲线拟合得到不同负荷率下制冷设备的能耗函数：

式中，表示制冷机组的冷量输出，kW；表示制冷机组在此负荷率下的功率，kW。因而，某时段的单位冷量实际价格：

（2）

式中：表示制冷机组的冷量输出，kW；表示此时的电价，元/度；表示制冷机组在特定时段、特定负荷率下的单位冷量实际价格， 元/kW。

按公式（2）绘制出单套制冷设备在不同时段，制冷机组在不同负荷率下的单位冷量实际价格比值曲线图，如图1所示。

图1 不同时段单位冷量实际价格与基准价格比较

将制冷机组工作于高峰电价时段、满载运行状态下的单位冷量实际价格作为基准价格。认为当单位冷量实际价格高于基准价格时，利用制冷机组供冷是不合适的，应尽可能利用融冰提供这部分冷负荷；当单位冷量实际价格低于基准价格时，利用制冷机组供冷是合适的。

由图1可以看出，在高峰时段显然应尽可能融冰供冷，不足部分由制冷机组承担。按照这种思想，通过逐时空调负荷预测，便可确定24小时高峰时刻制冷机组的逐时启动台数。

对于平价电费时段，存在一个分界负荷率。当制冷机组的负荷率高于分界负荷率时，单位冷量实际价格低于基准价格；当制冷机组的负荷率低于分界负荷率时，单位冷量实际价格高于基准价格。此分界负荷率可通过求解方程（3）中的output获得。

平价时段制冷机组的逐时启动台数可按如下方法确定：对于某一时段，逐台增加制冷机组的启动台数，在拟定启动制冷机组和蓄冰设备之间采用机组优先供冷控制策略，计算由制冷机组输出冷量的单位冷量实际价格。如果价格低于基准价格，还有可用空闲制冷机组，则继续增加启动台数。直至当起动台，其单位冷量实际价格低于基准价格，而当起动+1台时，其单位冷量实际价格高于基准价格或已无可用空闲机组，则此时段的制冷机组启动台数即为。通过这种方法，即可确定在平价时段制冷机组的逐时启动台数。

另外，如果考虑在任意时段制冷机组启动台数一定，那么增加制冷机组的负荷率可以降低制冷机组供冷的单位冷量实际价格，因此，对于某一时段已决定启动的制冷机组与蓄冰设备之间采用机组优先控制策略，这样可以保证在可能的条件下制冷机组输出冷量的实际价格均低于或等于基准价格，以尽可能做到节约运行费用。

以上这种控制策略实际是基于制冷机组逐时启动台数的机组优先控制方式，通过动态合理地确定逐时启动台数，把传统冰蓄冷优化控制中精确确定各时刻制冷机冷量输出的思想转化为确定制冷机逐时启动台数，大大简化了数据处理和实现难度。是优化冰蓄冷系统日运行费用的一种控制策略，下面以一实际工程为例，进行分析。

2 工程应用

2.1 工程概况

本文以某医院病房楼为研究对象。此病房楼总建筑面积约为24395m2，地上12层，地下一层，高度为49.95m，总空调面积17400m2。该建筑夏季空调最大冷负荷2430kW，设计日全天总冷负荷为31797kWh，空调供冷季负荷总和为2188008kWh，供冷季按112天计算。该系统采用常用的主机位于上游的串联蓄冷形式，制冷主机空调运行时间按14h计算。由于该建筑夜间逐时负荷超过350kWh，需设一台基载冷水机组，拟定全天24小时运行。运用DeST模拟软件对该建筑进行冷耗模拟，得到设计日的逐时负荷见表1。

表1 设计日逐时冷负荷

2.2 冰蓄冷系统设备选型

冰蓄冷空调系统制冷机组的容量的确定与机组的运行模式有关。本文讨论的是基于冷机优先的运行模式；同时根据本建筑负荷的特点，夜间存在一定的负荷需设一台基载机组，基载机组的容量一般按夜间最大逐时负荷选择。而一般为了充分利用基载的投资，在主机优先运行策略下，要求基载机组全天运行。所以在计算该双工况机组和蓄冰装置容量时要减去基载机的逐时制冷量，计算公式如下：

（1）制冷机名义制冷量[2]：

（2）蓄冰装置有效容量[2]：

（5）

式中，为设计日的总负荷，kW；q为逐时基载负荷，kW；为白天制冷机在空调工况下的运行小时数，h；为夜间制冷机在蓄冷工况下的运行小时数，h；为制冷机蓄冷时制冷能力的变化率即实际制冷量与标定制冷量的比值；q为制冷机空调工况下的制冷量，kW；Q为蓄冷装置有效容量，kWh。

2.3 冰蓄冷系统设计

本工程按冰蓄冷空调分量蓄冰模式设计，经计算最终确定配备三台空调工况制冷量400kW，制冰工况制冷量280kW的双工况螺杆机组；同时配置一台容量为500kW的基载螺杆制冷机组。蓄冰装置采用蓄冰盘管系统，蓄冷量7560kWh，蓄冰率为23.8％。选用一台换热量为2500kW的板式换热器，板式换热器将蓄冰系统的冰水混合物和空调系统冷冻水回路隔离，板式换热器冷冻水侧进/出口温度为12℃/7℃，冰水混合物侧进出口温度1.5℃/8.5℃。冰蓄冷机房主要设备配置见表2。

表2 冰蓄冷空调系统主要设备

3 典型负荷的运行策略

本工程的冰蓄冷空调按制冷机组逐时启动台数的机组优先控制方式运行。当日负荷较小，小于等于最大融冰供冷量时，该楼的全天空调负荷由融冰供冷基本可以满足，不开启制冷机组。当日负荷大于最大融冰供冷量时，在白天供冷分2个时段：高峰时段、平价时段。在高峰时段，系统将依据实际的冷负荷需求，优先使用融冰供冷来满足负荷要求，不足部分由制冷机组承担；但在平价时段，优先使用制冷机组来供冷，不足部分由融冰供冷提供。但在拟定制冷机台数时，需要计算制冷机输出冷量的实际价格，考虑制冷机组的负荷率，保证输出冷量的实际价格小于或等于基准价格，依据这一原则确定制冷机组的开启台数。本文将供冷季的负荷分成4种典型负荷，结合峰谷电价和逐时启动台数的机组优先控制原则，得到了典型负荷的运行模式，见图2、3、4、5。典型负荷空调工况机组开启策略见表3。

表3 冰蓄冷空调系统运行策略

图3 100％负荷运行策略

图4 75％负荷运行策略

图5 50％负荷运行策略

图6 25％负荷运行策略

4 经济分析

冰蓄冷空调系统的经济性评价有很多评价方法和评价指标。本文拟采用静态经济评价方法分析冰蓄冷空调系统的经济效益，以投资回收期为评价指标。投资回收期定义式为：

式中：Δ为冰蓄冷空调系统增加初投资，元；Δ为蓄冷空调系统年运行费节省量，元；I为蓄冷空调系统初投资，元；I常规空调系统初投资，元；P为蓄冷空调系统全年运行总费用，元；P为常规空调系统全年运行总费用，元。

静态经济评价方法使用最为直观与方便，冰蓄冷空调系统在投资回收期以后，其每年节省的费用即为用户所获得的经济效益。一般认为回收期小于5年的是经济可行的。

4.1 初投资

冰蓄冷空调系统和常规空调系统的初投资费用主要在于与制冷设备有关的设备如：制冷主机，各种泵，冷却塔，蓄冰设备等费用。常规空调系统的主要设备见表4。冰蓄冷空调系统与常规空调系统设备初投资概算见表5、6。

表4 常规空调系统主要设备

表5 冰蓄冷空调系统设备投资

表6 常规空调系统设备投资

续表6 常规空调系统设备投资

4.2 运行费用与投资回收期

本项目的空调供冷时间从6月1号到9月20号，为112天。根据负荷模拟结果，统计达到100%设计日负荷的时间约为14天，总负荷达到设计日负荷75%的时间约36天，总负荷达到设计日负荷50%时间46天，总负荷达到设计日负荷25%时间16天。结合当地电价政策（表8）和运行耗电量可以得到2种空调系统的供冷季运行总费用，见表7。

表7 冰蓄冷空调与常规空调运行电费比较

表8 峰谷电价

经计算可知，该项目冰蓄冷空调系统设备初投资费用比常规空调系统初投资增加了约38.8万元，而每年的运行总费用比常规空调系统节省了约15.1万，可得该项目的投资回收期=2.7年。

5 结论

在冰蓄冷优化控制方法中，传统的主机优先或者融冰优先都不能使冰蓄冷空调系统达到最优状态，而追求理论上的最优控制在实践中又很难实现。本文提出的逐时启动台数的机组优先控制方式，通过合理确定逐时制冷机组的启动台数，解决了传统机组优先控制策略无法发挥系统负荷转移能力的缺点，又确保了机组高效率运行的优点，是一种较为可行的，更接近最优控制的控制模型。

本文以投资回收期为评价标准，将该冰蓄冷空调和常规空调系统进行经济分析，得到冰蓄冷空调投资回收期为2.7年，验证了该冰蓄冷空调系统的控制方式比较节省费用，具有不错的经济效益。

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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，在读研究生，E-mail：cc969136483@163.com

沈致和（1963-），男，教授，硕士生导师

2015-12-18