冰蓄冷系統運行模式設計探討

余志煒

摘 要：文章旨在討論如何在峰谷電價的約束下，在已有冰蓄冷系統設計方案上，實現對冰蓄冷系統的最優控制。通過具體的實際案例，首先結合一般情況下的冰蓄冷系統的工作模式，得出實際案例的最優運行模式設計方案，并以此為基礎對冰蓄冷系統運行模式設計進行經驗性總結。

關鍵詞：冰蓄冷；節能；運行模式；最優控制；峰谷電價

中圖分類號：TU831.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0019-03

進入21世紀以來，國家在經濟高速發展的同時也發現資源是制約經濟發展的一個重要因素。國家在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》（以下簡稱十一五規劃綱要）中單列第六篇（建設資源節約型、環境友好型社會）進行指導。在第22章第六節提出“完善重點行業能耗和水耗準入標準、主要用能產品和建筑物能效標準、重點行業節能設計規范和取水定額標準”。各地方政府在推進節能工作中，都有采用階梯電價和峰谷電價來引導社會經濟活動合理的分配和使用資源。

作為節能重點工程之一的建筑節能領域，建筑物日常能耗中，無疑空調能耗是占據首位的。建筑物空調冷量主要是通過電能轉換而來，也就是說空調能耗同時也反映在建筑物的用電能耗上。為了節約能耗，除了采用相應的節能設備、產品外，采用自動化的技術對設備的日常運行進行精確的監視和控制，避免人為操作帶來的多余損耗也是十分必要的。

針對當前的電價政策，給冰蓄冷技術的應用和發展帶來了廣闊的空間。冰蓄冷技術的最大優勢就是通過削峰填谷、平衡電力負荷，從而節省電費，這就涉及到如何精確的控制設備在合適的時間段運行。本文重點討論如何在電價的約束下，進行冰蓄冷系統的最優控制。

1 冰蓄冷系統的工作模式設計

一般的冰蓄冷系統設計的工作模式有五種，即：

①制冰模式。

②制冰同時供冷模式。

③冷機供冷模式。

④融冰供冷模式。

⑤冷機與融冰同時供冷模式。

但在實際項目中還要考慮冷機配置的不同情況，同時供冷模式時是融冰優先還是冷機供冷優先的不同情況等。

下面以筆者實施的項目為例具體分析一個冰蓄冷系統的工作模式。

1.1 項目情況說明

某校新校區位占地面積223畝，地上總建筑面積占9.28萬m2，地下車庫面積1.522萬 m2，綠化面積51 960 m2。校內設有教研樓、綜合樓、圖書館、學生宿舍（賓館）、食堂（餐廳）、文體館、后勤服務樓等。

1.2 制冷系統設計說明

某校新校區采用集中空調系統，集中空調系統的冷源由冷凍機房提供，熱源設在輔助用房旁的鍋爐房內。冷凍機房設計日尖峰冷負荷6 210 kW，系統按冰蓄冷空調部分蓄冰形式設計。雙工況螺桿主機和蓄冰盤管為串聯方式，主機位于盤管上游，末端采用大溫差低溫供水。

冷凍機房設有3組蓄冰槽，設計總蓄冰量為4 600 RTH。系統配備空調工況制冷容量為424 RT、制冰工況為276 RT的雙工況螺桿冷水機組2臺，制冷容量為430 RT的常規工況螺桿冷水機組1臺。制冷系統概覽界面，如圖1所示。

冷凍水系統采用二級設計，其中一次側有三臺乙二醇泵；二次側有六臺冷凍泵，并設計了變頻控制。冷凍水二次泵系統界面，如圖2所示。

冷卻水系統設計有三臺冷卻塔和三臺冷卻泵，每個冷卻塔有二個可獨立控制的風機。冷卻水系統界面，如圖3所示。

1.3 冰蓄冷系統工作模式設計

根據以上制冷系統的設計，筆者根據項目實際情況在五個常規工作模式的基礎上進行了模式擴展設計，具體如下。

1.3.1 制冰模式

此模式沒有擴展。

1.3.2 制冰同時供冷模式

此模式擴展為二種，即：①雙工況主機制冰+基載機供冷模式；②雙工況主機制冰同時供冷+基載機供冷模式。

1.3.3 冷機供冷模式

此模式擴展為二種，即：①基載機供冷模式；②基載機供冷+雙工況主機供冷模式。

1.3.4 融冰供冷模式

此模式沒有擴展。

1.3.5 冷機與融冰同時供冷模式

此模式擴展為二種，即：①融冰+雙工況機供冷模式；②融冰+雙工況機供冷+基載機供冷模式

擴展后的工作模式共八種，擴展并不是簡單的邏輯組合，必須考慮經濟性。比如在第五種常規模式擴展時，就沒有考慮融冰+基載機供冷模式，這是因為基載機冷量和雙工況機冷量差不多，且考慮到未來模式切換的方便。具體情況在后面章節進行分析。系統工作模式界面，如圖4所示。

2 冰蓄冷系統工作模式切換設計

在設計好系統工作模式后，接下來還需要考慮各工作模式在不同電價時段的運行，以及模式切換順序。

2.1 當地電價分段情況

筆者找到當地物價部門對相關電價的政策，如圖5所示。

從圖5可以看出六時段分時電價時段劃分如下：

時段一：高峰時段8：00-11：00；

時段二：低谷時段11：00-13：00；

時段三：高峰時段13：00-19：00；

時段四：尖峰時段19：00-21：00；

時段五：高峰時段21：00-22：00；

時段六：低谷時段22：00-次日8：00。

2.2 利用峰谷電價差，合理安排運行模式

根據以上六個時段的劃分情況，有以下情況需要考慮：

①時段六，是冷量需求最低的時候，利用低谷電價蓄冰，需要供冷時考慮到先用正在蓄冰的雙工況機，再用基載機。

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

③時段二，是低谷電價，用冷機供冷，節約使用蓄冰量。

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

2.3 確定各時段的運行模式

結合分時電價、各時段冷量需求情況、以及最經濟的模式切換方式，最終確定各時段運行模式如下：

①時段22：00-8：00（定時切換）。

制冰模式（Vi6常開狀態）→雙工況機制冰模式+基載機供冷（后啟動）→基載機供冷+雙工況機制冰同時供冷模式（制冰完成后轉基載機供冷）

②時段8：00-10：40（定時切換）。

單融冰供冷模式←→融冰+雙工況機供冷模式←→融冰+雙工況機供冷+基載機供冷模式

③時段11：00-13：00（定時切換）。

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

④時段13：20-22：00（定時切換）。

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

以上各時段運行模式中提到的“定時切換”是指在各時段內的各工作模式，可以根據一年中不同季節，預先判定冷量需求情況，設定好時間表進行工作模式的切換。

還有一個問題需要澄清，即前文說要精確控制，為什么在定時切換的時候，是預先判定而不是實時判定呢？因為整個冰蓄冷系統在模式切換的時候，會啟動和停止冷水主機、水泵、冷卻塔風機等大型設備，為了避免頻繁開關設備而導致設備損壞，啟動、停止、再啟動設備必須有時間間隔，本項目設定為20 min。所以無法做到實時切換，只能在累積一定運行經驗后進行定時切換。

該項目由于前期考慮充分，運行模式設計合理，在3個月的試運行期間，除設定溫度、時間等一些參數有調整外，系統各模式運行正常。最終項目達到了設計的節能效果，并順利通過了驗收。

3 結 語

從實際項目中筆者總結出了冰蓄冷系統運行模式設計的如下經驗：

①設備選型應符合系統設計的特點，并且設備本身應有可變負荷運行的節能能力，這才能體現模式設計的作用。

②運行模式不能太多，太理想化，應從實際出發來設計，在每個時段的運行模式中，各個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。設備的頻繁啟停勢必耗能。

③控制模式的參數設定應充分考慮設備自身的能力，不可設的過大或過小。控制策略需針對系統負荷的變化及時調整設備運行狀態，同時還應結合設備的特點充分挖掘設備的節能潛力。控制系統的反應過度或遲緩，勢必會增加能耗。

④所有預先做的模型設計、參數設定都要在系統實際運行過程中接受檢驗且優化。

參考文獻：

[1] 楊培瑩，章學來，呂磊磊，葉金.某學術交流中心冰蓄冷空調工程經濟性分析[J].建筑熱能通風空調，2008，（3）.