某冰蓄冷空调机房的优化控制与节能运行方案

黄琴 朱友才

1江苏扬州高等职业技术学校

2江苏扬安集团有限公司

冰蓄冷就是利用冰的相变潜热进行冷量的储存。单就冰蓄冷空调系统来说，本身并没有节电特性，但是它的蓄冷性能，可以对电力进行“削峰填谷”，这样便有效解决了电网的调配，可以减少新建电厂的规模和幅度，达到节能和环保的功效。即使设计合理的冰蓄冷空调系统，其初投资也比常规空调系统高。若能够最大规模的节约运行费用，就能够缩短使用者的投资回收期，这对进一步推广冰蓄冷空调的应用有积极的作用。冰蓄冷空调系统的优化控制运行是降低运行费用的有效手段和保证。本文主要以济南恒隆广场冰蓄冷空调系统的机房部分为研究对象，在预测空调负荷基础上确定冰蓄冷空调系统工作模式，提出将节能运行方案与负荷变化趋势预测相结合的优化控制策略。

1 工程概况和设备配置

济南恒隆广场集百货商店、超级市场、娱乐场所等功能为一体，地下两层、地上七层，冷水机房位于地下一层，商业面积17万m2。夏季设计日冷负荷9540RT，商场营业时间为09:00～23:00，低谷电时段为21:00～07:00。

本工程冷冻机房冷源采用常规空调加冰蓄冷系统，设备配置见表1。

表1 设备配置表

2 冰蓄冷空调系统的控制策略

冰蓄冷空调系统分为全量冰蓄冷和分量冰蓄冷两种，为了节省空调系统的初投资以及配电容量，绝大部分冰蓄冷空调系统都采用了分量蓄冰的设计，即设计日空调负荷由蓄冰槽和制冷主机共同分担冷负荷。分量蓄冰系统按照分配制冷机的直接供冷和蓄冰设备的融冰释冷量的不同组合又可派生出几种不同的控制策略，具体见图1。

图1 冰蓄冷系统控制策略分类示意图

一个运行良好的控制策略应该满足三个基本约束：冷源系统必须能满足第二天建筑物空调用冷的需求；要保证在可能还需要用冰的时段冰槽中所蓄存的冰量不要提前用完；在供冷结束时不能有冰量剩余[1]。显然融冰优先、主机优先和固定比例的控制策略都不可能同时满足以上三个约束条件，只有具有未来时刻建筑物逐时负荷预测功能的优化控制系统才能做到使冷源系统满足上述约束条件。冰蓄冷空调系统优化控制的实质是确定由主机直接供冷和融冰供冷的合理组合搭配，以便满足逐时供冷的要求，同时使得日运行费用最低。

3 负荷预测的原理和软件

负荷预测主要通过分析以往实际运行数据，利用统计、概率、矩阵等方法来预测未来负荷，它是一个统计模型，预测不需要考虑诸如新风负荷、日照负荷、设备负荷等基本稳定的内部因素，只需考虑如最高气温、最低气温等外部因素就能达到很好的预测效果。

本工程采用杭州华电华源环境工程有限公司的FUZZY负荷预测软件。它的负荷预测采用统计模型和模糊理论，直接分析以往的运行数据来对今后的负荷进行预测。统计模型的具体方法是采集以往的运行数据，对这些数据进行统计分析，找出这些运行数据的规律与变化趋势，再根据预测日的天气等对负荷影响较大的因素进行修正，得出预测日的预测数据。模糊理论主要针对实际运行中的不稳定因素所导致的错误采集数据，或者根本不具有代表性，不能反应负荷变化的真实规律的数据进行模糊过滤，模糊处理，使预测结果更能反映实际规律，预测更稳定。

该软件不仅应用方便，更能对预测的负荷计算出它的相对误差，并对预测结果进行评价。图2是负荷预测评价界面。

图2 负荷预测评价界面

4 优化控制模型

优化控制软件根据以往的负荷情况、运行情况、次日的气候情况预测出次日的负荷，并根据预测负荷及系统约束条件，对次日的运行方案进行优化，输出次日各时刻的运行工况，包括制冷机的开启台数、乙二醇的开启台数以及主机的设定（运行工况及温度设定）。图3为软件根据预测负荷自动生成优化运行参数表。

图3 优化控制参数表

5 根据负荷预测和优化控制模型得出的冰蓄冷运行模式

根据本项目特点，冰蓄冷系统供冷能力有限，主要还是以大容量离心式冷水机组制冷来满足商场末端空调负荷。对于常规空调系统来说，运行模式相对简单。冰蓄冷运行模式是负荷预测和优化控制软件通过自控系统对管路上电动阀开闭，形成不同的回路，从而实现冰蓄冷系统在不同工况下工作运行。

1）蓄冰工况。在电力低谷电价时段（21:00～次日07:00），开启三台双工况螺杆冷水机组，在制冰工况下运行，蒸发器出口温度设定为-6.5℃，冷凝器进出口温度30℃/34℃。图4为冰蓄冷系统图，8小时低谷电时段双工况冷水机组全力运行制冰量，制冰结束有如下三个判断依据：一是冰槽液位传感器指示已储存额定冰量；二是控制系统的时间程序指示为非储冰时间；三是蓄冰槽出口温度小于-5℃。其中一个条件满足时，系统即判断制冰结束，停止制冰工况。

图4 冰蓄冷系统图

2）双工况机组单供冷工况。当空调融冰供冷无法满足或冰量不足时，需要开启冷水机组时应优先开启基载供冷。倘若由于负荷较小为防止离心机出现喘振现象，可以开启双工况螺杆式冷水机组进行供冷。但它在空调工况下运行，蒸发器出口温度设定为3.5℃，冷凝器进出口温度32℃/37℃。

3）融冰供冷。在用电高峰时段，尽量使用融冰供冷，并且要根据全天用冰量的情况，合理地安排供冷时段的用冰量，确保全天的冰量用尽，这样才能最大限度节省运行成本。乙二醇溶液和冷冻水在板换进行热交换时，根据板换冷冻水出口的温度调节乙二醇泵的频率，保证冷冻水的供水温度稳定在设计温度7℃。

4）主机供冷与融冰供冷联合工况。当末端负荷较大时，如达到设计日供冷尖峰负荷，所有的离心式冷水机组开启还满足不了末端供冷的需求，需投入冰蓄冷联合供冷。联合供冷在该工况运行时控制系统执行台数控制，主机和相应的水泵及板换均按照主机系统的加载或减载来自动地启停。

6 本工程冰蓄冷空调的节能运行方案

1）为了确保最优化控制系统运行时最节省运行费用，整个冰蓄冷空调工程的计量系统配备如下：一是末端负荷计量，设流量传感器和温度传感器，分别进行流量控制、供回水温度控制和冷量控制。二是蓄冰计量，设冰量传感器对蓄冰量计算。三是融冰计量，控制融冰量大小，实现融冰优先模式，合理安排用冰量，节省运行费用。

2）离心式冷水机组七台中有三台设有变频启动，乙二醇泵和二次冷冻水泵采用变频技术。

3）尤其是在冷负荷比较低的过渡季节，采用冷却塔免费冷源，通过板式换热器进行换热，提供温度合适的冷冻水，满足商场内区供冷需要。

4）冰蓄冷技术的运用，对于空调处于小负荷运行时，能充分改善供冷安全性和可靠性，避免了大容量离心冷水机组长时间处于小负荷区间运行喘振现象，减少耗能，延长设备使用寿命。

5）对冷水机组和泵组的群控，轮换，进行台数调节，实现大温差小流量节能运行。根据负荷特点，合理安排冷水机组开启时段，在用电高峰时段，尽可能融冰来满足末端供冷要求，节省运行费用。

7 结语

冰蓄冷空调节能运行的关键还是在优化控制上，根据负荷预测软件得出的优化控制模型来采取相应的运行模式。优化控制策略和变频技术、计量器三者联合使用，这样才能最大限度地节约冰蓄冷空调工程的运行费用。根据工程运行一年来反馈的数据来看，本工程比常规的冰蓄冷空调节省了约25%的运行费。希望本文能起到抛砖引玉的作用，在更广的范围内对冰蓄冷空调工程综合经济性能作出分析和评价，进一步探讨一些值得推广的冰蓄冷工程的节能运行措施，共同促进冰蓄冷空调技术的发展。

[1]李元旦.建筑物空调负荷预测方法及冰蓄冷空调系统运行优化控制研究[D].上海:同济大学,2002