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华东某机场水蓄冷系统优化控制策略研究张昆廖滟孟令然陈昭文（中国建筑科学研究院有限公司，北京；建科环能科技有限公司，北京）摘要：水蓄冷系统作为空调系统常用冷源形式之一，近年来在国内机场得到大量应用，在国家“十四五”加快构建现代化国家综合机场体系的背景下，提升其节能、经济性有助于民航绿色低碳工程的加速推进。本文提出了一种基于负荷预测并结合峰谷电价政策的水蓄冷优化控制策略，并给出了主要算法和控制逻辑，在一个蓄冷释冷周期完全释冷的原则下，可实现蓄冷量和蓄冷时段的合理确定和划分、释冷工况自动判别及斜温层的稳定控制等功能。年将该策略应用于华东某机场水蓄冷系统，经实测表明，整个制冷季水蓄冷系统的斜温层相对厚度降低 ，蓄冷效率提升 ，蓄冷利用率提升 ，整个制冷季节约电费约 万元，取得了良好的经济效益。关键词：水蓄冷系统；蓄释冷特性；斜温层；优化控制策略张昆，男，年生，硕士研究生，工程师，副总监 北京市朝阳区北三环东路 号中国建筑科学研究院有限公司节能楼 ：收稿日期：引言“十四五”民用航空发展规划 提出以突破资源容量瓶颈为重点，加快构建现代化的国家综合机场体系和空中交通管理体系；年进入机场建设增长期，将续建新建扩建 个机场，预计到 年，民用运输机场数量达到 个以上，保障起降架次 万架次，旅客运输量 亿人次，综合保障能力实现新提升。但机场容量规模提升的同时也增加了能源消耗，对绿色民航建设提出了新挑战。航站楼建筑能耗比一般公共建筑能耗大很多，根据相关文献研究，我国航站楼建筑的单位建筑面积全年耗电量为 （），其中暖通空调系统的运行能耗占整个航站楼建筑能耗的 左右，因此提高暖通空调系统能源利用效率对机场实现绿色低碳发展意义重大。水蓄冷系统因具有较好的经济效益、可提供部分应急供冷能力且可以移峰填谷、平衡电网用电负荷等优点，在国内机场冷源系统中得到了广泛应用。但由于控制策略不合理、不细化等原因，导致部分机场水蓄冷系统实际运行过程中出现斜温层过厚、蓄冷效率偏低、蓄冷利用率远低于设计值等问题，最终使得预期节能、经济性大打折扣。项目概况华东某机场为 级民用国际运输机场，定位为东北亚国际航运综合枢纽、国际航空物流中心和多式联运中枢。航站楼面积 万，可满足 年旅客吞吐量 万人次的使用需求。机场设计日峰值冷负荷为 万，总冷量为 万，冷源采用水蓄冷形式（见图），设计总释冷能力不低于 万。设计采用台蓄冷水罐，每台水罐的设计蓄冷量为 万，总蓄冷量 万。选用台制冷量为 的定频离心式冷水机组作为空调冷源。存在的问题及原因选择 年月 日作为一个蓄冷释冷周期，对系统实际运行的蓄释冷特性进行测试分析。测试工况图华东某机场水蓄冷系统原理图）蓄冷和释冷工况见表。）斜温层厚度：定义斜温层起始位置点温度蓄冷进水温度 ，终止位置点温度蓄冷出水温度。例如该蓄冷工况下，斜温层起始点温度为，终止点为 。表蓄冷释冷周期测试工况序号模式开始时间结束时间蓄冷水罐进出水温度冷水机组运行台数蓄冷：蓄冷水罐单独供冷：见图 联合供冷：见图 边蓄边供：测试结果及问题分析）测试结果。年月 日全天冷负荷累计值为 万，蓄冷量为 万，释冷量为 万，蓄冷效率为 ，蓄冷利用率为 ，蓄冷结束时斜温层厚度约为，相对厚度约为（见图）。）问题分析。蓄冷效率和蓄冷利用率均偏低，前者主要原因是斜空调制冷暖通空调 年第 卷增刊图蓄冷水罐进出口温度（释冷工况）图蓄冷结束时刻蓄冷水罐温度分布温层相对厚度过大，后者是因为末端负荷缺乏预测手段且蓄冷温差低于设计值；斜温层相对厚度过大的主要原因是上一个周期的释冷过程中，冷水系统供回水温差不稳定，导致蓄冷水罐进水温度产生较大波动；释冷过程中的工况切换未考虑当地峰谷电价政策，未充分发挥水蓄冷系统的经济性。解决措施为解决该机场水蓄冷系统上述问题，笔者提出了一种优化控制策略，针对一个蓄冷释冷周期分别编制蓄冷和释冷控制算法，可根据负荷预测值和峰谷电价政策确定合理蓄冷量、实现释冷工况自动判别及斜温层的稳定控制。蓄冷控制蓄冷模式的控制流程主要包括负荷预测、计算蓄冷率、计算蓄冷时长、计算逐时蓄冷量、冷水机组蓄冷、预测剩余蓄冷时长及蓄冷末期控制等。负荷预测利用原控制系统的负荷预测结果并根据平段和峰段电价时段冷负荷累计值与设计蓄冷量的关系，将冷负荷工况划分为高、中和低种。）高负荷：全天峰段冷负荷累计值设计蓄冷量；）中负荷：全天峰段冷负荷累计值设计蓄冷量全天峰段平段冷负荷累计值；）低负荷：全天峰段平段冷负荷累计值设计蓄冷量。计算蓄冷率根据冷负荷工况计算蓄冷率（）：）高负荷工况：为 ；）中负荷工况：为峰段冷负荷累计值与设计蓄冷量的比值；）低负荷工况：为峰段平段冷负荷累计值与设计蓄冷量的比值。计算蓄冷时长根据夜间平均负荷、冷水机组最大制冷量及蓄冷率计算所需蓄冷时长，蓄冷时长的计算是个试算迭代过程。）选取：谷电时段作为预设蓄冷时长（共），计算该时段平均负荷，由式（）计算所需蓄冷时长：（）式中 为蓄冷所用时长，；为蓄冷水罐数量；为蓄冷率；为蓄冷水罐有效蓄冷量，；为冷水机组最大制冷量，；为被选时段平均负荷，。）若，说明在预设蓄冷时长内无法蓄至所需蓄冷率，此时预设蓄冷时 长 增 加，例 如 选 取：时段，共，结合该时段平均负荷，重新计算，若，则说明该时段可蓄至所需蓄冷率。）根据所需蓄冷时长确定蓄冷时段。计算逐时蓄冷量逐时蓄冷量根据式（）计算：（）式中 为第时蓄冷量，；为第时末端负荷，。冷水机组蓄冷冷水机组按照设计台数运行，采用定温差变流量模式控制。预测剩余蓄冷时长实时监测蓄冷率和末端负荷并由式（）计算剩余蓄冷时长。（）（）式中 为第时蓄冷开始前预测剩余蓄冷时长，；为前一时段累计蓄冷率。蓄冷末期控制若计算 ，根据前一时段累计蓄冷率和末端负荷值重新计算冷水机组制冷量，通过调节冷水流量或台数确保在蓄冷末期冷水机组的稳定运行。根据式（）计算冷水机组所需制冷量：（）（）式中 为第时冷水机组所需制冷量，。蓄冷模式控制流程如图所示。释冷工况切换控制释冷时段主要集中在：，该时段可选用冷水机组单供、蓄冷水罐单供和联合供冷种工况；工况切换根据电价时段和负荷工况综合判定。释冷工况切换的控制流程主要包括识别负荷工况、识别电价时段及确定释冷工暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷况等（见图）。图蓄冷模式控制流程图释冷工况切换控制流程首先根据负荷预测结果并结合 节负荷工况划分原则，判断第二天负荷工况。中高负荷工况若判定机场为中高负荷，则需要识别电价时段，不同的电价时段，采用的释冷工况切换控制策略不同。电价平段）优先采用冷水机组单供模式，当末端冷负荷高于冷水机组最大制冷量时，切换至联合供冷模式，不启用蓄冷水罐单独供冷模式；）末端冷负荷高于冷水机组最大制冷量的判别方法：当冷水机组的满载电流百分比和冷水流量已达最大值，冷水供水温度高于设定值且持续 （可调）。电价峰段）优先采用蓄冷水罐单独供冷模式，同时实时识别当前运行时 刻 是 否 处 于 电 价 峰 段 后 期内（本 机 场 为：）。）若当前运行时刻未处于电价峰段后期内：当末端冷负荷高于冷水机组最大制冷量时，切换至联合供冷模式；此时段采用冷水机组最大制冷量作为工况切换的比较值，目的是防止蓄冷水罐蓄冷量提前放完导致后续时刻供冷量不足。）若当前运行时刻处于电价峰段后期内：当末端冷负荷高于电价峰段后期平均释冷量时，切换至联合供冷模式；电价峰段后期平均释冷量剩余蓄冷量；末端冷负荷高于电价峰段后期平均释冷量的判别方法：当蓄冷水罐冷水流量和出水温度均为设定值，蓄冷水罐回水温度高于设定值且持续 （可调）；此时段采用电价峰段后期平均释冷量作为工况切换的比较值，目的是确保蓄冷水罐剩余蓄冷量在高峰电价时段结束时放完。低负荷工况低负荷工况下采用的释冷工况切换控制策略同中高负荷工况的电价峰段，详见 节。联合供冷工况冷量分配控制 电价平段如式（）所示，该时段采用冷水机组优先、蓄冷水罐补充的原则进行冷量分配，冷水机组满负荷发挥最大制冷能力，剩余冷量由蓄冷水罐承担。（）式中 为蓄冷水罐逐时释冷量，。电价峰段如式（）所示，该时段采用蓄冷水罐释冷优先、冷水机组补充的原则进行冷量分配，并考虑冷水机组低负荷工况的安全运行，设置了最低负荷率限值。（）式中为冷水机组最低负荷率限值。当末端负荷满足式（）时，蓄冷水罐释冷量（）峰段平均释冷量（，等于剩余蓄冷量峰段电价时长），冷水机组制冷量为 ；否则蓄冷水罐释冷量 ，冷水机组制冷量为 。（）斜温层控制 控制目标斜温层相对厚度。斜温层温度分界点斜温层起始位置点温度蓄冷进水温度 （可调），斜温层终止位置点温度回水温度（可调）。控制策略）合理确定蓄冷量，详见 节。）蓄冷释冷控制原则：避免在一个蓄冷释冷周期内进行多次蓄冷和释冷操作，以防止对水蓄冷自然温度分层效应的破坏。）控制蓄冷结束时的蓄水罐冷水进水温度：根据冷水空调制冷暖通空调 年第 卷增刊机组回水温度限值，确定蓄冷结束时的冷水进水温度并作为蓄冷结束的判定条件，暂定（可调）。）释冷模式下的冷水供回水温差控制：蓄冷水罐处于释冷模式时，通过二级泵变频控制实现冷水的定温差控制，确保回水温度不低于，以保证蓄冷工况下冷水机组能正常制冷。这是保证蓄冷水罐蓄冷量有效利用和控制斜温层厚度的基础。）蓄释冷初期蓄水罐进口水流速控制：在蓄释冷初期生成斜温层时，要控制蓄释冷速率不宜过大，减小冷温水层之间的扰动，待稳定的斜温层形成后则可以适当地加大蓄释冷速率以满足用户的负荷需求，具体蓄释冷初期进口流速根据现场调试确定。蓄冷水罐控制相关参数 剩余蓄冷量监测剩余蓄冷量由式（）计算：（）式中为剩余冷量液位高度，；为蓄冷水罐设计液位高度，本项目为；为斜温层设计厚度，本项目为；为蓄冷水罐剩余蓄冷量，；为蓄冷水罐有效蓄冷量，。释冷结束判定指标根据蓄冷水罐出水温度判定，当（可调）液位监测点温度值高于释冷结束判定值且持续 （可调）时，认为蓄冷水罐释冷结束。释冷结束判定值：蓄冷水罐出水温度蓄冷温度（可调）。蓄冷结束判定指标根据蓄冷水罐出水温度判定，当（可调）液位监测点温度值高于蓄冷结束判定值且持续 （可调）时，认为蓄冷水罐已蓄满，蓄冷结束。蓄冷结束判定值：蓄冷水罐出水温度冷水机组回水温度限值，暂定（可调）。示例为便于了解上述控制策略的工作过程，针对机场水蓄冷系统，选择一个完整的蓄冷释冷周期进行说明。如表所示，根据负荷预测结果，第二天全天峰段平段冷负荷累计值为 万，高于设计可用蓄冷容量（万），因此为高负荷工况，蓄冷水罐蓄冷率为 。表华东某机场水蓄冷系统蓄冷释冷周期工况时段电价结构运行工况逐时冷负荷冷水机组制冷量蓄冷量冷水机组供冷量蓄冷水罐释冷量：谷蓄冷 ：谷蓄冷 ：谷蓄冷 ：谷蓄冷 ：谷蓄冷 ：谷蓄冷 ：谷蓄冷 ：平蓄冷 ：峰蓄冷水罐单供 ：峰蓄冷水罐单供 ：峰联合供冷 ：峰联合供冷 ：谷联合供冷 ：平联合供冷 ：峰联合供冷 ：峰联合供冷 ：峰联合供冷 ：峰联合供冷 ：峰联合供冷 ：峰联合供冷 ：峰联合供冷 ：平冷水机组单供 ：平蓄冷 ：谷蓄冷 累计值（）按照式（）试算所需蓄冷时长 ，说明该时段可以满足蓄冷率 的需求，因此蓄冷时段选取：的谷、平时段，所需蓄冷时长为。根据式（），在：时刻，计算剩余蓄冷时长 ；由式（）计 算，该时刻冷水机组制冷量 ，冷水机组运行台数不变，降低每台冷水机组冷水流量至 ，保持冷水供回水温差不变；蓄冷量为 ，在：前蓄冷水罐可蓄至 。暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷不同时段释冷工况分布和联合供冷工况冷量分配如表和图所示。图高负荷工况蓄冷系统运行策略示意图优化效果分析 年将该策略应用于华东某机场水蓄冷系统，选取月 日作为一个完整的蓄冷释冷周期，对蓄冷和释冷特性进行测试评估。月 日全天的负荷累计值为 万，蓄冷量为 万，释冷量为 万，蓄冷效率为 ，蓄冷利用率为 ，蓄冷结束时斜温层厚度约为，相对厚度为（见图）。图蓄冷水罐蓄冷温度曲线相比于 年月 日测试结果，在一个蓄冷释冷周期中，水蓄冷系统的蓄冷效率提升 ，蓄冷利用率提升 ，斜温层相对厚度降低 ，可节约电费约 万元。经统计测算，采用该优化控制策略，年制冷季该机场共节约电费约 万元，初投资约 万元，静态投资回收期不到，实现了良好的经济效益。结论）本文提出的基于负荷预测并结合峰谷电价政策的水蓄冷优化控制策略应用于华东某机场，实现了蓄冷量和蓄冷时段的合理确定和划分；依据电价峰段释冷优先、平段冷水机组供冷优先的原则，编制了联合供冷工况冷量分配算法，保证在满足逐时负荷需求的前提下蓄冷水罐能够完全释冷，实 现 一 个 蓄 冷释 冷 周 期 中 蓄 冷 利 用 率 提 升 ；在明确斜温层相对厚度目标值、制定蓄冷和释冷结束判断指标和方法、确定流速和蓄冷水罐进水温度等关键控制要素的基础上，编制了斜温层控制策略，实现了斜温层相对厚度降低 ，蓄冷效率提升 ；根据峰谷电价政策和负荷强度，实现了释冷工况的自动判别，从而提升蓄冷 经 济 性，经 统 计 年 制 冷 季 该 机 场 节 约 电 费 约 万元，静态投资回收期低于。）该优化控制策略具有较高的实操性和安全性，便于大面积推广。本文提供了关键算法和控制流程图，便于自控工程师进行编程；并考虑了在蓄冷末期和联合供冷工况下，定频冷水机组在低负荷率下可能出现的喘振等运行风险，编制了相应控制算法，确保系统安全稳定运行。参考文献：彭冉冉中国民航的“六新”目标 “十四五”民用航空发展规划 发布大飞机，（）：余娟我国航站楼用能和室内环境质量调研与实测分析清华大学学报（自然科学版），（）：中国建筑科学研究院有限公司，蓄能空调工程技术标准：北京：中国建筑工业出版社，赵庆珠蓄冷技术与系统设计北京：中国建筑工业出版社，：，：刘宇辉，陈文良济南奥体中心水蓄冷空调系统自动控制浅谈智能建筑电气技术，（）：空调制冷暖通空调 年第 卷增刊