基于逐時負荷模型的冰蓄冷系統設計與控制優化

1蓄冰空調系統負荷目前，中國的發電能力在世界第二，但仍不能滿足能源消費的需求。電網的峰值和山谷之間的差異仍在繼續增加。為鼓勵用戶調整用電負荷、削峰填谷,北京等城市已制定了峰谷分時電價的政策。蓄冰空調系統是平衡用電負荷的有效方法。本文以北京某工程為例,進行了詳細的負荷計算和經濟性分析。該工程地上建筑面積10.5萬m2,A座為寫字樓,面積為8萬m2,其中1.5萬m2用于餐飲娛樂。B座為酒店,面積為2.5萬m2。地下建筑面積5.1萬m2,主要用途為健身房及停車場、設備間。兩座樓外墻均采用普通中空Low-E玻璃幕墻,窗墻比約為0.9。圖1為建筑效果圖。2逐時負荷分布在當前的冰蓄冷系統設計中,雖然進行了逐時負荷計算,但是對于目前流行的大面積玻璃幕墻商業建筑而言,該計算結果可能存在較大誤差。更重要的是,多數計算沒有考慮負荷系數,這不僅導致系統選型過大,而且難以對系統進行準確的運行節能控制策略和經濟性分析。筆者利用動態模擬分析軟件DeST對建筑逐時負荷進行預測,得到全年逐時冷熱負荷和供冷季(5月16日～9月15日)冷負荷逐月分布情況,見圖2,3。全年最大冷負荷出現在7月11日,為12.2MW。該日逐時負荷變化如圖4所示。從圖4中可以看到,該建筑群晝夜負荷差別大,采用冰蓄冷系統能很好地利用這一特點,夜間制冰,白天融冰,實現削峰填谷,節省運行費用。另外,典型日各樓的負荷變化規律不一樣,各樓負荷峰值并不同時出現,A,B樓出現在12:00左右,而地下區域出現在19:00。因此,若按傳統方法計算負荷,勢必導致設備選型過大,而對負荷進行動態模擬,則能避免這一問題。3設計冰儲冷系統3.1模式1:主機優先+主機融冰冰蓄冷空調負荷分為三部分:基載主機制冷負荷、主機雙工況制冷負荷及融冰制冷負荷,因此應根據負荷特性曲線,合理分配三部分的負荷,實現最優的運行模式及經濟效益。由于雙工況制冷量和融冰蓄冰量二者相互耦合,融冰量只能小于或者等于夜間制冰主機的制冰量,因此,如果只是為了最大限度地利用晝夜電價差而取很大的蓄冷率,雖然節省了運行費用,但卻使制冷設備和蓄冰設備容量過大而增加了初投資。此外還需考慮前幾年入住率不高的問題。結合本工程各樓負荷大小隨機性高及受前期入住率影響明顯的特征,綜合考慮初投資和運行費用,確定基載主機負荷為5.5MW。雙工況主機運行模式主要有兩種:主機優先和融冰優先。考慮到主機優先模式的運行管理較簡單,應用較多,因此采用主機優先運行模式。常見的融冰方案有兩種:分時融冰和部分融冰。前者是根據需要在白天分時段進行融冰供冷,如圖5所示。在8:00～9:00用電早高峰和預冷負荷相對較大的時段,全部融冰,最大限度地發揮了冰蓄冷系統對電網負荷的削峰填谷作用。后者指空調冷負荷一部分由制冷機在空調工況下運行供給,而另一部分由融冰供給,如圖6所示,該方式控制策略相對較簡單。兩種方式的選型計算結果見表1。可以看出,對本工程而言,雖然分時融冰所需制冷機容量較大,但其蓄冰槽容量小,削峰填谷的作用明顯。因此本工程選用圖5所示的分時融冰方式。3.2用戶側水系統原理冰蓄冷水系統分為兩個循環:蓄冰側循環和用戶側循環。蓄冰側水系統為雙泵系統,冷水泵承擔主機供冷和蓄冰工況下制冰側的系統阻力,而負載泵P2承擔融冰工況下蓄冰槽供冷時的板式換熱器阻力。用戶側水系統設計為一次泵變流量系統。后文將對不同水泵變頻的經濟性進一步探討。系統原理圖如圖7所示。根據前面負荷計算和系統綜合分析的結果,主要設備選型見表2,3。3.3融冰方案及其運行工況1)融冰優先。2)夜間蓄冰量等于白天融冰量。3)水泵、冷卻塔按照一機一泵一塔的原則啟停。4)選用分時融冰方案,優化設備開啟。具體而言,基載主機全天運行,雙工況主機在早高峰08:00～09:00和晚高峰18:00～23:00停機,空調負荷由融冰提供,在夜間用電低谷23:00～07:00雙工況主機制冰,其余平峰時段,雙工況主機制冷,輔以部分融冰。此外,根據各個月份不同負荷特征,調整設備開啟臺數和時間,如表4所示。4交流變泵定流量泵總能耗費用系統的運行費用主要是水泵、制冷機以及冷卻塔的電耗。其中水泵電耗是系統能耗的主要部分,也是節能潛力最大的部分。目前一般系統都采用一次泵定流量系統。然而這種定流量水泵不僅減弱了系統的可控性,而且導致輸運系統能耗占到空調總能耗的1/3。因此,本文對上述冰蓄冷系統應用變頻泵和定流量水泵的情況進行了詳細的耗電費用計算。同時給出了不同入住率情況下,該冰蓄冷系統與常規系統的運行費用比較。4.1定流量一次泵系統為研究冰蓄冷系統的節能潛力,為本工程設計了常規系統作為參考系統。常規系統采用定流量一次泵系統。為滿足最大負荷需求,選擇3臺制冷量為4.5MW的制冷機,對應水泵和冷卻塔的選型如表5所示。4.2系統負荷變化時變頻泵改變轉速n時,其效率基本不變,但流量與壓頭及功率呈三次冪關系:QQm=HHm???√=NNm???√3=nnm(1)QQm=ΗΗm=ΝΝm3=nnm(1)式中Q為流量,H為揚程,N為功率,n為轉速,下標m表示變頻泵改變轉速后的工況。因此,當系統負荷變化時,假設供回水溫差不變,則流量與負荷成正比,即水泵電耗與系統負荷的三次冪成正比。在模擬中,考慮了制冷機蒸發器防止流量過低時凍結的情況,但是沒有考慮制冷機COP隨之改變的情況。此外,在模擬中其他參數設定如下:1)蓄冰熱損失率2%。2)制冷機COP設定為5;雙工況制冷機制冰COP設定為4,當負荷變化時,假設制冷機COP不變,因此制冷機電耗與負荷成正比。3)按照表6所示的北京市分時電價計算電費。4.3運行費用分析為研究水泵變頻對冰蓄冷系統經濟性的影響,在求得常規系統運行費用的基礎上,分別研究不同類型水泵的變頻節能運行方式,逐日計算運行費用,分析不同水泵變頻對冰蓄冷系統整體經濟性的影響。1)根據DeST算出來的逐日逐時負荷,假設A,B座入住率均為100%,對所有水泵定變頻的不同組合,逐日計算運行費用。將蓄冰系統的費用與常規系統相減,結果如表7所示。2)假設A座入住率為60%,B座入住率為50%,地下室負荷為30%。針對冷水泵不同變頻組合,與常規系統比較,結果如表8所示。由表7,8可以看出:1)在部分入住的情況下,與常規系統相比,定流量水泵蓄冰系統運行費用節省較少;2)在不同入住率情況下,均是變頻水泵越多,冰蓄冷系統運行費用優勢越明顯;3)比較冷卻水泵和冷水泵,冷水泵變頻的節能效果更明顯;4)基載負載泵變頻比雙工況冷水泵變頻更節省運行費用。在上述控制策略和水泵設置的情況下,以最熱月(7月)為例,蓄冰系統和常規系統的運行費用逐日分布見圖8,9。綜上所述,設計中采用分時融冰的控制策略,對雙工況、基載主機的冷水泵和負載泵進行變頻控制,100%入住和部分入住條件下,該冰蓄冷系統比常規系統供冷季分別節省運行費75萬元和50萬元。5基于負荷模擬結果的冰蓄冷系統5.1利用動態模擬指導負荷變化不同步、負荷大小隨機性高及受前期入住率影響大的商業住宅冰蓄冷設計,能減小設備選型,降低初投資,并為進行控制策略優化和經濟性分析提供了可能性。5.2基于負荷模擬結果對冰蓄冷系統控制進行模擬優化,并優化設備選型