區域型冰蓄冷夏季空調系統運行策略優化分析

胡 睿 盧 軍 李妤姝

區域型冰蓄冷夏季空調系統運行策略優化分析

胡 睿 盧 軍 李妤姝

（重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室 重慶 400045）

研究了區域能源系統夏季供冷運行原理及模式，進行了夏季蓄冰優先、機組優先和非蓄冰三種運行模式下的模擬對比分析，得到在負荷率分別為100%、80%、50%和20%時的經濟和能耗對比。能耗和運行費用來看，夏季機組優先運行與非蓄冰運行模式差別甚微，而蓄冰優先運行模式相比于非蓄冰運行，節約運行費占比11.77%，單位電耗費用降低24.05%。合理運用冰蓄冷技術，能夠顯著降低系統運行費用，為用戶帶來良好的經濟效益。

冰蓄冷；夏季空調；控制策略

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，能源消耗危機已成為人們關注的焦點。近年來，越來越多的區域型集中供冷系統將冰蓄冷技術與空調系統相結合[1]。相比于獨立于各建筑的分散式供冷系統，區域型供冷具有系統效率高、裝機容量低、CO2排量少、節約建筑空間等優點。而區域型供冷系統裝機容量大、管道長、投資巨大，故對大型集中空調系統實現全面評估、優化運行至關重要，如此方能最大化冰蓄冷技術經濟效益和社會效益。

冰蓄冷空調系統包含滿負荷運行和部分負荷運行兩種方式。國外關于冰蓄冷空調系統的研究起步較早，ASHRAE手冊[2]第41章概述了建筑制冷系統的控制要求。而國內關于冰蓄冷空調系統控制策略的研究起步較晚，控制策略簡單，導致節約的成本有限[3]。王修巖等[4]通過Matlab編程，以機組總能耗和系統運行費用最小為目標函數，得到優化控制策略，并與制冷機組優先的控制系統相比較，

得出優化控制策略下運行可以降低系統能耗和運行費。李欣笑等[5]以北京某冰蓄冷系統為研究對象，通過DeST進行全年負荷模擬和空調日負荷的預測，比較了三種運行控制策略，得出均衡融冰的控制策略更經濟。丁慶等[6]利用DeST對深圳某辦公樓進行負荷預測，根據當地電價政策制定不同運行策略，并得到良好的經濟效益。

本文以重慶市某大型水源熱泵+冰蓄冷空調系統為對象，通過DeST軟件平臺計算出各典型單體建筑的負荷指標，根據能源站監測數據用Matlab建立了機組、蓄冰設備、輸配系統和評價指標的數學模型，研究了夏季典型負荷率下非蓄冰、蓄冰優先、機組優先三種不同運行策略下對區域型冰蓄冷空調系統能源和經濟效益的影響。

1 夏季系統運行原理

圖1 夏季供冷系統原理圖

夏季供冷空調系統原理圖如圖所示，站內有10臺熱泵機組（R(L)-1—10）和8臺雙工況機組（L-1—8）。熱泵機組與制冷板換（BH1）并聯、與融冰板換（BH2）串聯，即管網二次回水分別經熱泵機組和制冷板換降溫后，經融冰板換再次降溫。用戶側8:00-22:00供、回水溫度為3℃/13℃，23:00-7:00供、回水溫度為4.5℃/13℃；江水側制冷時供、回水溫度為27℃/37℃，制冰時供、回水溫度為27℃/33℃；雙工況機組二次側為25%乙二醇水溶液，機組制冷時供回、水溫度為3.5℃/12℃，制冰時供、回水溫度為-6℃/-1.9℃。

夏季供冷空調系統有以下幾種運行模式：①夜間熱泵機組單獨供冷模式：根據負荷自動進行主機加載/減載，并連鎖啟/停相應的蒸發器側循環水泵。閥門V1、V3、V13打開。②夜間雙工況機組制冰模式：系統按照設定的時間自動轉換到制冰工況，自動調整雙工況機組蒸發器側乙二醇循環泵轉速、切換乙二醇溶液系統轉換閥門。閥門V2、V4、V6、V9打開。③晝間熱泵機組供冷模式：閥門V1、V3、V12、V14打開。④晝間雙工況機組供冷模式：閥門V2、V4、V5、V8、V10、V14打開。⑤晝間冰槽單獨供冷模式：閥門V11、V14打開。

表1 不同運行策略

注：夏季非蓄冰模式下系統運行策略與機組優先運行模式類似，僅需將100%負荷率下夏季機組優先運行模式中的冰槽供冷負荷改由熱泵機組承擔。

蓄冰有限模式的用電平段主要開啟機組制冷，若滿足高峰時段供冷外冰槽仍有余冰，則優先用冰槽進行用電平段制冷。

2 區域負荷計算

圖2 重慶市10kV非普非工業供暖/冷季分段電價

由圖2可知，一晝夜分四個時段：23:00-7:00用電低谷時段；7:00-12:00、18:00-19:00和21:00-23:00用電高峰時段；19:00-21:00用電尖峰時段和12:00-18:00用電平段。

本項目夏季供冷時間為5月15日—9月30日，共139天。根據工程經驗，取本項目夏季同時使用系數為0.7，再考慮5%的管網冷損失，得到平均單位建筑面積冷負荷為79.30W/m2。該區域90%的冷負荷集中在晝間，而夜間冷負荷較小，負荷峰值出現于15時。根據負荷模擬結果，計算得到典型負荷率分別為100%、80%、50%和20%下的逐時冷負荷值，如圖3所示。

圖3 典型負荷率下逐時冷負荷

最后采用部分負荷估算的方法，以100%、80%、50%和20%為典型負荷率，計算出基于峰谷電價下典型負荷率的全天運行費用，再結合統計的典型負荷天數，計算出本項目夏季供冷費用。

3 各運行模式的經濟能耗分析

3.1 各運行模式電耗和運行費

圖5 不同運行模式下運行費對比

圖4、圖5顯示運行費與電耗分布趨勢基本相同，機組優先運行和非蓄冰運行模式電耗基本一致。主要是因為兩種模式僅體現在100%負荷率下的區別，但100%負荷率天數占比不到3%，因此對電耗的影響甚微。

8:00-22:00，蓄冰優先運行電耗顯著低于機組優先運行，這是由于晝間冰槽釋冷只需運行水泵而節省了機組電耗；夜間蓄冰優先運行電耗明顯高于機組優先運行，主要由于雙工況主機利用夜間用電低谷期（23:00-6:00）進行制冰蓄冷，導致夜間主機耗電量明顯增大。在上午（8:00-11:00）和晚上用電高峰時段（19:00-22:00）蓄冰優先運行逐時運行費顯著低于機組優先運行模式，這是由于冰槽主要用于高峰時段供冷，且該時段電價相對較高。

3.2 各運行模式能耗和節能參數

圖6 夏季輸配系統能耗占比

夏季蓄冰優先運行模式下，24h運行周期內水泵能耗占比變化較大。上午和晚上用電高峰時段水泵能耗占比最高，有時能達100%，即不開啟機組。夏季機組優先運行模式下，24h運行周期內水泵電耗占比變化平穩。各負荷率下水泵電耗占比均處于20%左右。夜間用電低谷時段，機組優先運行水泵電耗占比高于蓄冰優先運行模式；上午和晚上用電高峰時段，蓄冰優先運行水泵電耗占比遠遠高于機組優先運行模式；下午用電平段，蓄冰優先運行水泵電耗占比略高于機組優先運行模式，主要與機組COP的變化有關。

表2 主要節能參數對比表

對比機組優先模式，蓄冰優先運行模式下系統供冷季移峰電量率為53.05%，谷電利用率為39.81%。蓄冰優先運行模式能夠起到很好的移峰填谷作用，為電網降低供電壓力。

就能耗和運行費用來看，夏季機組優先運行與非蓄冰運行模式差別甚微，而蓄冰優先運行模式電耗增量占比16.17%，且相比于非蓄冰運行，節約運行費占比11.77%，單位電耗費用降低0.18元/kWh，即24.05%。合理運用冰蓄冷技術，能夠顯著降低系統運行費用，為用戶帶來良好的經濟效益，但同時會增加系統能耗，無節能效益。

4 結論

本文介紹了夏季區域能源系統供冷運行的原理，并結合負荷計算對三種不同運行策略進行模擬分析，發現相比于非蓄冰運行，組優先運行模式經濟效益、能源效益和移峰填谷能力甚微，而蓄冰優先運行模式：（1）電耗增量為519萬kWh，即16.17%，無節能效益；（2）運行費節省285.82萬元，即11.77%，單位電耗費用節省0.18元/kWh，即24.05%，經濟效益顯著；（3）移峰電量率為53.05%，具有良好的移峰填谷能力。

[1] 侯震林.區域集中供冷和中央空調系統的研究比較[J].企業技術開發,2011,30(21):24-26.

[2] ASHRAE. Handbook-2007 HVAC Applications [Z]. USA, 2007.

[3] G P Henze, M Krarti, M J Brandemuehl. Guidelines for improved performance of ice storage systems[J]. Energy and Buildings, 2003,35(2):111-127.

[4] 王修巖,高沖,李宗帥.冰蓄冷空調系統的多目標優化控制策略研究[J].計算機測量與控制,2015,(12):4057- 4059.

[5] 李欣笑,楊東哲,石鶴,等.基于全年負荷模擬和空調日負荷預測控制策略的冰蓄冷系統可行性研究[J].暖通空調,2015,(10):91-96.

[6] 丁慶,段紹輝,王執中,等.冰蓄冷空調在高峰谷負荷差地區應用的經濟性[J].電力系統及其自動化學報,2014,(1):72-75.

Optimization Analysis of Operation Strategy of Regional Ice Storage Air Conditioning System

Hu Rui Lu Jun Li Yushu

( Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

The principle and mode of summer cooling operation of regional energy system were studied. The simulation comparison analysis of summer ice storage priority, unit priority and non-ice storage was carried out. The load rates were 100%, 80% and 50% respectively. Compared with the economy and energy consumption at 20%.The principle and mode of summer cooling operation of regional energy system were studied. The simulation comparison analysis of summer ice storage priority, unit priority and non-ice storage was carried out. The load rates were 100%, 80% and 50% respectively. Compared with the economy and energy consumption at 20%. In terms of energy consumption and operation cost, there is little difference between unit priority operation mode and non-ice storage operation mode in summer. Compared with non-ice storage operation mode, regional energy system under ice-storage priority operation mode saves 11.77% of the operation cost and reduces 24.05% of the unit power consumption cost. Reasonable use of ice storage technology can significantly reduce the operating cost of regional energy system and bring good economic benefits to users.

Ice storage; Summer air conditioning; Control strategy

TM73

A

1671-6612（2020）01-077-04

胡 睿（1993.12-），女，在讀碩士研究生，E-mail：raay005@qq.com

盧 軍（1966.10-），男，教授，博士生導師，E-mail：20131702056@cqu.edu.cn

2019-05-06