余志煒

摘 要：文章旨在討論如何在峰谷電價(jià)的約束下，在已有冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案上，實(shí)現(xiàn)對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)的最優(yōu)控制。通過具體的實(shí)際案例，首先結(jié)合一般情況下的冰蓄冷系統(tǒng)的工作模式，得出實(shí)際案例的最優(yōu)運(yùn)行模式設(shè)計(jì)方案，并以此為基礎(chǔ)對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行模式設(shè)計(jì)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)。

關(guān)鍵詞：冰蓄冷；節(jié)能；運(yùn)行模式；最優(yōu)控制；峰谷電價(jià)

中圖分類號(hào)：TU831.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）15-0019-03

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)家在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)資源是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。國(guó)家在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》（以下簡(jiǎn)稱十一五規(guī)劃綱要）中單列第六篇（建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)）進(jìn)行指導(dǎo)。在第22章第六節(jié)提出“完善重點(diǎn)行業(yè)能耗和水耗準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)、主要用能產(chǎn)品和建筑物能效標(biāo)準(zhǔn)、重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范和取水定額標(biāo)準(zhǔn)”。各地方政府在推進(jìn)節(jié)能工作中，都有采用階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)來(lái)引導(dǎo)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)合理的分配和使用資源。

作為節(jié)能重點(diǎn)工程之一的建筑節(jié)能領(lǐng)域，建筑物日常能耗中，無(wú)疑空調(diào)能耗是占據(jù)首位的。建筑物空調(diào)冷量主要是通過電能轉(zhuǎn)換而來(lái)，也就是說空調(diào)能耗同時(shí)也反映在建筑物的用電能耗上。為了節(jié)約能耗，除了采用相應(yīng)的節(jié)能設(shè)備、產(chǎn)品外，采用自動(dòng)化的技術(shù)對(duì)設(shè)備的日常運(yùn)行進(jìn)行精確的監(jiān)視和控制，避免人為操作帶來(lái)的多余損耗也是十分必要的。

針對(duì)當(dāng)前的電價(jià)政策，給冰蓄冷技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展帶來(lái)了廣闊的空間。冰蓄冷技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)就是通過削峰填谷、平衡電力負(fù)荷，從而節(jié)省電費(fèi)，這就涉及到如何精確的控制設(shè)備在合適的時(shí)間段運(yùn)行。本文重點(diǎn)討論如何在電價(jià)的約束下，進(jìn)行冰蓄冷系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

1 冰蓄冷系統(tǒng)的工作模式設(shè)計(jì)

一般的冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作模式有五種，即：

①制冰模式。

②制冰同時(shí)供冷模式。

③冷機(jī)供冷模式。

④融冰供冷模式。

⑤冷機(jī)與融冰同時(shí)供冷模式。

但在實(shí)際項(xiàng)目中還要考慮冷機(jī)配置的不同情況，同時(shí)供冷模式時(shí)是融冰優(yōu)先還是冷機(jī)供冷優(yōu)先的不同情況等。

下面以筆者實(shí)施的項(xiàng)目為例具體分析一個(gè)冰蓄冷系統(tǒng)的工作模式。

1.1 項(xiàng)目情況說明

某校新校區(qū)位占地面積223畝，地上總建筑面積占9.28萬(wàn)m2，地下車庫(kù)面積1.522萬(wàn) m2，綠化面積51 960 m2。校內(nèi)設(shè)有教研樓、綜合樓、圖書館、學(xué)生宿舍（賓館）、食堂（餐廳）、文體館、后勤服務(wù)樓等。

1.2 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

某校新校區(qū)采用集中空調(diào)系統(tǒng)，集中空調(diào)系統(tǒng)的冷源由冷凍機(jī)房提供，熱源設(shè)在輔助用房旁的鍋爐房?jī)?nèi)。冷凍機(jī)房設(shè)計(jì)日尖峰冷負(fù)荷6 210 kW，系統(tǒng)按冰蓄冷空調(diào)部分蓄冰形式設(shè)計(jì)。雙工況螺桿主機(jī)和蓄冰盤管為串聯(lián)方式，主機(jī)位于盤管上游，末端采用大溫差低溫供水。

冷凍機(jī)房設(shè)有3組蓄冰槽，設(shè)計(jì)總蓄冰量為4 600 RTH。系統(tǒng)配備空調(diào)工況制冷容量為424 RT、制冰工況為276 RT的雙工況螺桿冷水機(jī)組2臺(tái)，制冷容量為430 RT的常規(guī)工況螺桿冷水機(jī)組1臺(tái)。制冷系統(tǒng)概覽界面，如圖1所示。

冷凍水系統(tǒng)采用二級(jí)設(shè)計(jì)，其中一次側(cè)有三臺(tái)乙二醇泵；二次側(cè)有六臺(tái)冷凍泵，并設(shè)計(jì)了變頻控制。冷凍水二次泵系統(tǒng)界面，如圖2所示。

冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三臺(tái)冷卻塔和三臺(tái)冷卻泵，每個(gè)冷卻塔有二個(gè)可獨(dú)立控制的風(fēng)機(jī)。冷卻水系統(tǒng)界面，如圖3所示。

1.3 冰蓄冷系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)

根據(jù)以上制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，筆者根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況在五個(gè)常規(guī)工作模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了模式擴(kuò)展設(shè)計(jì)，具體如下。

1.3.1 制冰模式

此模式?jīng)]有擴(kuò)展。

1.3.2 制冰同時(shí)供冷模式

此模式擴(kuò)展為二種，即：①雙工況主機(jī)制冰+基載機(jī)供冷模式；②雙工況主機(jī)制冰同時(shí)供冷+基載機(jī)供冷模式。

1.3.3 冷機(jī)供冷模式

此模式擴(kuò)展為二種，即：①基載機(jī)供冷模式；②基載機(jī)供冷+雙工況主機(jī)供冷模式。

1.3.4 融冰供冷模式

此模式?jīng)]有擴(kuò)展。

1.3.5 冷機(jī)與融冰同時(shí)供冷模式

此模式擴(kuò)展為二種，即：①融冰+雙工況機(jī)供冷模式；②融冰+雙工況機(jī)供冷+基載機(jī)供冷模式

擴(kuò)展后的工作模式共八種，擴(kuò)展并不是簡(jiǎn)單的邏輯組合，必須考慮經(jīng)濟(jì)性。比如在第五種常規(guī)模式擴(kuò)展時(shí)，就沒有考慮融冰+基載機(jī)供冷模式，這是因?yàn)榛d機(jī)冷量和雙工況機(jī)冷量差不多，且考慮到未來(lái)模式切換的方便。具體情況在后面章節(jié)進(jìn)行分析。系統(tǒng)工作模式界面，如圖4所示。

2 冰蓄冷系統(tǒng)工作模式切換設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)好系統(tǒng)工作模式后，接下來(lái)還需要考慮各工作模式在不同電價(jià)時(shí)段的運(yùn)行，以及模式切換順序。

2.1 當(dāng)?shù)仉妰r(jià)分段情況

筆者找到當(dāng)?shù)匚飪r(jià)部門對(duì)相關(guān)電價(jià)的政策，如圖5所示。

從圖5可以看出六時(shí)段分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分如下：

時(shí)段一：高峰時(shí)段8：00-11：00；

時(shí)段二：低谷時(shí)段11：00-13：00；

時(shí)段三：高峰時(shí)段13：00-19：00；

時(shí)段四：尖峰時(shí)段19：00-21：00；

時(shí)段五：高峰時(shí)段21：00-22：00；

時(shí)段六：低谷時(shí)段22：00-次日8：00。

2.2 利用峰谷電價(jià)差，合理安排運(yùn)行模式

根據(jù)以上六個(gè)時(shí)段的劃分情況，有以下情況需要考慮：

①時(shí)段六，是冷量需求最低的時(shí)候，利用低谷電價(jià)蓄冰，需要供冷時(shí)考慮到先用正在蓄冰的雙工況機(jī)，再用基載機(jī)。

②時(shí)段一、三、四、五，是冷量需求最高的時(shí)候，采用融冰供冷，然后按負(fù)荷情況再使用冷機(jī)供冷，同時(shí)留20 min用于時(shí)段模式切換；雖然時(shí)段四和時(shí)段三、五的電價(jià)不一樣，但考慮到時(shí)段四的時(shí)候冷量需要已經(jīng)下降，融冰基本就可以滿足要求了，所以不單列出去考慮。

③時(shí)段二，是低谷電價(jià)，用冷機(jī)供冷，節(jié)約使用蓄冰量。

④在用冷機(jī)供冷時(shí)，先用雙工況機(jī)還是基載機(jī)，必須考慮泵的使用情況。如果正在運(yùn)行的是乙二醇泵，則先用雙工況機(jī)，否則先用基載機(jī)。

2.3 確定各時(shí)段的運(yùn)行模式

結(jié)合分時(shí)電價(jià)、各時(shí)段冷量需求情況、以及最經(jīng)濟(jì)的模式切換方式，最終確定各時(shí)段運(yùn)行模式如下：

①時(shí)段22：00-8：00（定時(shí)切換）。

制冰模式（Vi6常開狀態(tài)）→雙工況機(jī)制冰模式+基載機(jī)供冷（后啟動(dòng)）→基載機(jī)供冷+雙工況機(jī)制冰同時(shí)供冷模式（制冰完成后轉(zhuǎn)基載機(jī)供冷）

②時(shí)段8：00-10：40（定時(shí)切換）。

單融冰供冷模式←→融冰+雙工況機(jī)供冷模式←→融冰+雙工況機(jī)供冷+基載機(jī)供冷模式

③時(shí)段11：00-13：00（定時(shí)切換）。

基載機(jī)供冷模式→（模式切換）基載機(jī)供冷+雙工況機(jī)供冷模式→融冰+雙工況機(jī)供冷+基載機(jī)供冷模式

④時(shí)段13：20-22：00（定時(shí)切換）。

單融冰供冷模式←→融冰+雙工況機(jī)供冷模式→融冰+雙工況機(jī)供冷+基載機(jī)供冷模式→（當(dāng)蓄冰量為零時(shí)）切換至基載機(jī)供冷模式→基載機(jī)供冷+雙工況機(jī)供冷模式。

以上各時(shí)段運(yùn)行模式中提到的“定時(shí)切換”是指在各時(shí)段內(nèi)的各工作模式，可以根據(jù)一年中不同季節(jié)，預(yù)先判定冷量需求情況，設(shè)定好時(shí)間表進(jìn)行工作模式的切換。

還有一個(gè)問題需要澄清，即前文說要精確控制，為什么在定時(shí)切換的時(shí)候，是預(yù)先判定而不是實(shí)時(shí)判定呢？因?yàn)檎麄€(gè)冰蓄冷系統(tǒng)在模式切換的時(shí)候，會(huì)啟動(dòng)和停止冷水主機(jī)、水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等大型設(shè)備，為了避免頻繁開關(guān)設(shè)備而導(dǎo)致設(shè)備損壞，啟動(dòng)、停止、再啟動(dòng)設(shè)備必須有時(shí)間間隔，本項(xiàng)目設(shè)定為20 min。所以無(wú)法做到實(shí)時(shí)切換，只能在累積一定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后進(jìn)行定時(shí)切換。

該項(xiàng)目由于前期考慮充分，運(yùn)行模式設(shè)計(jì)合理，在3個(gè)月的試運(yùn)行期間，除設(shè)定溫度、時(shí)間等一些參數(shù)有調(diào)整外，系統(tǒng)各模式運(yùn)行正常。最終項(xiàng)目達(dá)到了設(shè)計(jì)的節(jié)能效果，并順利通過了驗(yàn)收。

3 結(jié) 語(yǔ)

從實(shí)際項(xiàng)目中筆者總結(jié)出了冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行模式設(shè)計(jì)的如下經(jīng)驗(yàn)：

①設(shè)備選型應(yīng)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并且設(shè)備本身應(yīng)有可變負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能能力，這才能體現(xiàn)模式設(shè)計(jì)的作用。

②運(yùn)行模式不能太多，太理想化，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)，在每個(gè)時(shí)段的運(yùn)行模式中，各個(gè)控制模式的選擇和切換順序十分重要，以保證控制模式的順利過渡。設(shè)備的頻繁啟停勢(shì)必耗能。

③控制模式的參數(shù)設(shè)定應(yīng)充分考慮設(shè)備自身的能力，不可設(shè)的過大或過小?？刂撇呗孕栳槍?duì)系統(tǒng)負(fù)荷的變化及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合設(shè)備的特點(diǎn)充分挖掘設(shè)備的節(jié)能潛力?？刂葡到y(tǒng)的反應(yīng)過度或遲緩，勢(shì)必會(huì)增加能耗。

④所有預(yù)先做的模型設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定都要在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中接受檢驗(yàn)且優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊培瑩，章學(xué)來(lái)，呂磊磊，葉金.某學(xué)術(shù)交流中心冰蓄冷空調(diào)工程經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008，（3）.