上海某工业园区冰蓄冷空调系统控制及策略研究.pdf

Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2024年 2月Feb.2024第6卷 第2期Vol.6 No.20引言在建筑运行能耗中，空调制冷占比巨大。在夏季用电高峰时，由于各公用建筑的空调系统在白天的大量使用，电量在白天远远大于夜间的使用量，加重了电网用电峰谷的供需矛盾，造成了夜间发电站处于低消运转，导致了能源上的巨大浪费。基于冰蓄冷供冷系统特点，可通过调节来平衡电网峰谷差。在夜晚电价低谷阶段，采用冷冻机蓄冰模式，通过乙二醇溶液冰点较低的特性将冷量储存到蓄冰槽内。在白天负荷与电价处于高峰时，便可以将蓄冰槽内的冰冻冷量进行释放，以此弥补电网用电峰谷的压力，降低企业营运用电费用。1 工程概况该工业园区位于上海市闵行区，总建筑面积17.3万m2，其中地上 11.5 万 m2，地下 5.8 万 m2，地块包含 2 栋11 层的高层建筑及 6 栋 5 层的多层建筑，建筑高度为59.95 m。地上建筑性质为厂房及配套服务用房，地下为设备用房、员工餐厅及车库。由于该园区分三期开发，占地面积大，单体建筑多，不同类型入住公司的空调使用情况复杂。因此，提供安全、可靠、稳定的能源中心控制方案是本项目空调工程的首要任务。2 能源中心蓄能方案本项目采用集中冷热源系统，除服务于本期项目外，同时预留冷负荷于后期建设的地块。冷源采用外融冰式部分负荷冰蓄冷系统，即夜晚低谷电价阶段机组满负荷制冰，白天融冰和机组运行以满足总冷负荷。项目收稿日期：2023-11-20作者简介：杨林（1979），男，江西新余人，本科，工程师，研究方向：建筑设备。上海某工业园区冰蓄冷空调系统控制及策略研究杨 林 （艾奕康设计与咨询（深圳）有限公司上海分公司，上海 200433）摘 要：结合上海某工业园区空调系统的设计与施工，研究在制冷季不同情况下，制定双工况蓄冰模式、单融冰供冷模式、融冰+基载供冷模式、融冰+基载+双工况供冷模式、基载机供冷模式及免费供冷等数种运行策略。区域性部分负荷冰蓄冷能源中心是一种既安全又高效的供能方式，与全负荷冰蓄冷制冷模式相比，可减少大量初期投资，又能适应不同的运行工况；与常规空调制冷模式相比较，不但能平衡电网的峰谷差，还有明显的运行经济性。关键词：冰蓄冷；能源中心；运行策略中图分类号：TU201文献标识码：A文章编号：2096-6903(2024)02-0112-03选用 2 台 1875RT 型离心式双工况机组，设计蓄冰装置总容量为 20 000 RTH，蓄冰槽内选用单台蓄冰量380 RTH，共 52 台钢制蓄冰盘管。考虑到入住用户的数据中心、实验室或其他类型设备在夜间 22：00 后的使用，另设 2 台 75RT 型夜间运行基载主机冷水机组，冷水机组及蓄冰槽安置于地下室的能源中心内。冷却塔置于通风良好的高层屋顶上。制冷工况时双工况主机供回水温度为 6.5/11.5，再经过蓄冰盘管温度降为 3.5，经过板换在用户侧提供 5/13的冷冻水。一次侧冷冻水采用 26%的乙二醇溶液，双工况冷冻机组在制冰运行模式下，供回水温度为-2.5/-5.6。该园区内同时考虑到换季期及冬季个别特殊区域仍需供冷，设免费冷源板换供冷，可减少主机的能耗。该园区项目夏季计算逐时最大冷负荷 12 393 kW（3523RT），单位建筑面积冷负荷指标 107.8 W/m2。该项目能源中心由于同时服务二期地块，因此部分夏季冷负荷预留后期地块为 13 168 kW。能源中心总承担冷负荷为 25 561 kW，使用系数 0.85，管道的热量损失 2%。冷源按照 22 161 kW，共 6300RT 设置（表 1）。按各用户类型 24 h 负荷曲线叠加，设计日峰值负荷为 6 300 RT。3 能源中心运行策略3.1 能源中心控制系统的基本目标具有以下 5 个：系统能够及时响应用户末端负荷的变化。控制区域能源系统中所有设备，使之能够满足区域内各用户的额外负荷需求，实现能源中心的供冷与末端用户的实际需求量的匹配。在满足末端负荷的前提下，通过自动控制措施，保证供冷质量稳定。提高能源中心、管网输送系统、各用户末端系统的运行能效。以最低的运行成本为控制目标，充分的利用谷段综合论坛2024年 第2期 113 的冰蓄冷，并实现系统的能效最大化，运行成本最低。3.2 运行策略的原则 依据设计日 24h 逐时负荷比例为 100%、75%、50%、25%负荷进行初步的运行策略排布（注：参照冷水机组 IPLV 值确定的统计方法，其负荷比例关系需在实际运行项目统计数据中需不断进行调整）。运行策略安排原则：运行费用最少，融冰优先，基载次之，随后双工况。由于冷水机组（即使不变频）IPLV 值较高，在预估冷却水温度低于 32时，可优先安排部分荷载运行。运行策略是否最优，需经过几年的实际运行费用测算确定。在测算、寻优过程中，甄别影响系统效率各种因素，控制逻辑按照运行策略编写程序，并在实际运行中不断进行学习调整，直至最优为止。4 能源中心系统运行分析 能源中心外融冰蓄冷供冷系统，依据负荷的不同，共计有 6 种工况模式转换。各工况控制模式转换外融冰矢量图如图 1 所示。能源中心运行策略表如表 2 所示。4.1 夜间双工况蓄冰模式电价谷段时间段，即 22：00 6：00，2 台双工况机组全部进入蓄冰模式，双工况冷冻机组在制冰运行模式下，供回水（乙二醇溶液）温度为-2.5/-5.6。机组满负荷运行，通过低温的乙二醇溶液将蓄冰槽内的水制成冰水状态。乙二醇溶液在制冷机和蓄冰槽循环温度为-2.5/-5.6，蓄冰槽的水结成冰。随着蓄冰量的增加和时间的推移，当任何一组蓄冰盘管蓄冰厚度达到设计值时，冰层厚度传感器发出信号，该组乙二醇管路电动阀关闭，避免盘管完全冻结，双工况机组自动降载运行直至停止蓄冰工况运行。4.2 单融冰供冷模式当该工作日空调系统总负荷小于蓄冰槽的总融冰供冷量。根据优化控制原则，为减少运行电费，各机组白序号用地性质面积/万 m2冷负荷指标/(W/m2）设计负荷设计负荷接入系数冷负荷/kW/RT/RT1办公226 17711125 1387 148 0.856 076 2地上与地下商业8 00013510803070.852613合计23.41776 337 表 1 冷负荷统计表图 1 各工况控制模式转换外融冰矢量图表 2 能源中心运行策略表序号模式名称V1V2V3V4V5双工况主机1夜间双工况蓄冰模式开关开关关蓄冰模式2单融冰供冷模式关关关关关关3融冰+基载供冷关关关关开关4融冰+基载+双工况供冷关开关开 开制冷模式5基载机供冷关关关关关关6过渡季免费供冷关关关关关关天电价峰段时间段停机，除蓄冰槽泵组正常运行外，冷却塔及各泵组均停止运行，仅依靠蓄冰槽单融冰模式提供冷源。该时期的冷负荷由蓄冰槽单独提供，电网的移峰填谷的作用得以完全体现。4.3 融冰+基载机供冷模式夜间或谷电电价时段，或负荷略大于蓄冰槽的总融冰供冷量时（设计日负荷大于 20 000 RTH 时），在蓄冰池融冰基础模式下，乙二醇泵组停止运行，蓄冰槽泵组及基载泵组正常运行。基载主机在自动模式下先启动1 台，并根据负荷降载运行。当负荷在 375 750 RT时，2 台启动，根据负荷降载运行。4.4 融冰+基载机+双工况供冷模式制冷季的高峰期时，依据负荷，夜间单融冰供冷模式 100%蓄冰，日间高峰时段少开或部分负荷开机，尽量采用融冰制冷。制冷优先次序为融冰、基载、双工况（与运行策略应一致）。该模式下需要准确地控制出水温度，利用分配水泵入口处的 2 个回水调节阀与冰池入口管路上的调节阀同步动作，以出水温度 2 2.5为控制目标。乙二醇泵依据蓄冰工况阻力及空调工况阻力设置 2 个不同的频率，变频运行。运行时与压差传感器同步变频。杨 林：上海某工业园区冰蓄冷空调系统控制及策略研究智能建筑与工程机械 114 第6卷4.5 基载机供冷模式夜间或谷电电价时，当负荷 Q 750 RT 时，基载主机在自动模式下，确定启动台数，降载运行。当负荷Q 150 RT 时，基载冷机停止运行，自动切换到融冰供冷模式。4.6 冷却塔免费供冷模式过度季依据客户营运的需求，确定是否开启该模式。当室外湿球温度小于 10，开启相关水泵、板换、冷却塔，各冷冻机组及蓄冰系统停止运行。夜间需依据室外气象传感器，确定是否开启冷却塔防冻模式。5 冰蓄冷群控系统的特点控制系统根据负荷预测结果进行分析，结合控制算法，确定区域能源系统各运行工况的最佳组合方式，生成运行控制策略。根据系统温度及压力等参数，调整系统内不同执行机构（电动阀门以及变频器）等及时动作，确保系统能够及时跟随空调负荷的变化，保证空调供冷品质，并以最可靠、稳定的方式运行，使整个系统达到最经济的运行状态，提高系统的管理效率和降低管理劳动强度。自动控制技术主要体现以下这 5 个主要方面。5.1 负荷预判断技术空调负荷预测主要经过数年的正常运行后，通过分析以往实际运行数据，采用负荷预测平移法预测第二天负荷需求。基于负荷预测，实现提前编制运行控制策略，保障控制的准确性。5.2 制冷主机能效优化群控技术主机群控技术系统根据运行策略，确定最佳设备效率（冷机、冷却塔和水泵等）组合方式，自动调节电动阀门及变频器等执行机构，实现自动启停控制。根据冷负荷情况适当地确定冷水机组的运行台数，使冷量满足负荷要求，即使系统工作效率达到最高，也不会发生冷水机组频繁启停。这对于保障机组安全节能的运行有重要意义。本项目采用的双工况离心式制冷机和基载机都具备较好的冷量调节手段，在冷却水温度不同时，控制机组在部分负荷下变频运行，高效运转。制冷机的群控目标为总体 COP 最高。5.3 冷水输送泵组变频高效控制技术供冷水输送系统的主要输送供冷水到各末端用户。在本项目中，供冷水系统通常分为两个环路：一次环路和二次环路。一次环路主要功能是冷水机组及蓄冰槽产生低温供冷水。二次环路承担将空调用冷水传输和分配到各末端用户，即负荷侧。合理的供冷水泵变流量控制可在保证系统末端供冷需求的前提下，降低水泵的能耗。该园区中所含分散的建筑物较多，不同建筑物群之间的负荷相差较大，为保证供冷水系统能够更好地满足不同建筑群体的供冷需求，系统内所有空调末端的费用压力都能满足要求的前提下，采用输送水泵变流量群控技术及水泵组高效控制技术降低输送供冷水泵的运行能耗。5.4 冷却水温度双优化控制与乙二醇泵组变定点变频控制冷却水控制系统是整个控制系统的重要组成部分，分冷却供水温度控制和冷却供回水温差控制。在满足末端负荷需求的前提下，最优的冷却水供回水温度应使制冷机、冷却塔风机和冷却水泵的总功耗最小。乙二醇水泵在制冷与蓄冰工况下运行，各模式下双工况主机与水泵的开启台数不同，管路系统沿程阻力也不尽相同。能源中心根据实际运行策略数据，可预先确定数种工况下乙二醇水泵的运行频率，此方法仍需在运行中进行微调，以达到最优效率。5.5 冷却塔水温群控控制技术为了最大限度地减少冷却塔风机的开启时间，发挥所有冷却塔的冷却能力，采用冷却水泵对多台冷却塔的运行控制模式。该园区双工况冷机 2 台对应 6 组（每组 3 个小塔）冷却塔，当 1 台机组开启时，6 组冷却塔全部开启，当冷却塔出水回水温度低于设定温度=室外湿球温度+3.5（趋近温度设定），10 min 后，冷却塔的风机低速运行，同时风机台数控制；当冷却塔出水回水温度高于设定温度=室外湿球温度+3.5（趋近温度设定），10 min 后，风机高速运行。当冷却水回水温度低于设定温度 10 min 后，6 组冷却塔已全部低速运行，此时关闭第 1 组冷却塔风机，当供水温度继续降低，第 2 组冷却塔的风机关停,水温继续降低，可一组一组地关闭冷却塔风机。6 结束语与内融冰系统相比，外融冰系统运行更加地灵活并适合复杂的区域供冷环境，能明显提高冰蓄冷系统的经济性，因此该园区区域供冷选择部分负荷外融冰系统。蓄冰槽和传统的制冷机组并联制冷模式，有利于根据负荷情况在融冰优先和主机优先切换。通过控制制冷机组的数量和融冰泵的可变流量，使负荷调节更灵活、更准确、更简单。本文根据该园区不同运行状况，制定 6 种运行策略，以达到降低运行成本。通过群控系统优化自控技术，以充分发挥冰蓄冷空调系统节省运行费用的优势。当然，能源中心仍需在运营过程中提供不同的定制化的优化调度策略，以适应不同类型客户的运行需求。参考文献1 陈霈,管晓晨,杨玉,等.冰蓄冷空调系统的优化调度研究J.节能,2021,40(11):60-64.2 徐腾飞,潘俊.能源中心冰蓄冷供冷系统的方案设计与分析J.建筑节能(中英文),2021,49(6):79-82.